1. Uvođenje
Toplinska obrada je jedna od najvažnijih završnih faza u investicionom livenju, jer stanje livenja retko predstavlja konačno mehaničko stanje koje je potrebno projektovanom delu..
U širem metalurškom smislu, toplinska obrada se odnosi na kontrolirane operacije grijanja i hlađenja koje se koriste za promjenu mehaničkih svojstava, metalurške strukture, ili stanje rezidualnog naprezanja;
u legurama aluminijuma, na primjer, često se koristi posebno za podizanje čvrstoće i tvrdoće u lijevanim legurama koje se obrađuju toplinom.
Izliveni dijelovi mogu biti oblika skoro mreže, ali im je i dalje često potrebno podešavanje svojstava nakon skrućivanja.
Ključna stvar je da livenje po investiciji stvara geometriju, dok toplinska obrada pomaže u stvaranju performansi.
Ta podjela rada je ono što čini proces tako moćnim u proizvodnji visoke vrijednosti, posebno tamo gdje je preciznost dimenzija, metalurška pouzdanost, i životni vijek su važni odjednom.
2. Šta znači termička obrada u livenju za ulaganje
Termička obrada u Investicijska livenja odnosi se na kontroliranu primjenu termičkih ciklusa na livenu komponentu nakon skrućivanja kako bi se promijenila njena unutarnja struktura i svojstva na namjeran način.
Ovisno o sistemu legure i konačnoj primjeni, ovo može uključivati oslobađanje od stresa, tretman rastvorom, starenje, žarljivost, normalizacija, gašenje, kaljenje, homogeniziranje, ili kombinacije ovih koraka.
Za razliku od jednostavnog podgrijavanja, termička obrada je precizna metalurška operacija.
Temperaturni profil, vrijeme namakanja, stopa grejanja, metoda hlađenja, Atmosfera peći, i raspored opterećenja utiču na konačni rezultat.
Lijevana komponenta može izgledati identično prije i nakon tretmana, ipak pokazuju dramatično drugačije mehaničko ponašanje, Otpornost na koroziju, i dimenzionalna stabilnost.
U investicionom livenju, potreba za termičkom obradom je često posebno jaka jer livene mikrostrukture mogu biti grube, izdvojen, ili termički napregnuti.
Cilj je ujednačiti unutrašnju strukturu, stabilniji, i prikladniji za predviđeno stanje usluge.
3. Glavne rute termičke obrade po porodici legure
Toplinska obrada je jedna od najkritičnijih operacija nakon livenja u procesu livenja.
Odljevak može već biti geometrijski precizan nakon skrućivanja, ali još nije u potpunosti konstruisan sve dok njegova mikrostruktura nije prilagođena da pruži potrebnu kombinaciju čvrstoće, tvrdoća, duktilnost, žilavost, Otpornost na koroziju, i dimenzionalna stabilnost.
Tačan način termičke obrade ovisi prije svega o porodica legura, jer svaki metalurški sistem drugačije reaguje na termičke cikluse.
Toplinska obrada čeličnih investicionih odlivaka
Čelični investicioni odlivci obuhvataju široku porodicu legura, uključujući ugljenični čelici, Legura čeli, Nerđajući čelici, alatni čelici, i otvrdnjavanje prema padavinama.
Za razliku od aluminijumskih odlivaka, koji se prvenstveno oslanjaju na jačanje padavina, čelični odljevci mogu zahtijevati nekoliko različitih termičkih puteva u zavisnosti od sistema legure i konačnih zahtjeva za servisiranjem.
U praksi, termička obrada nije izborni korak završne obrade za čelične odljevke;
često je faza koja određuje da li će odljevak postati mekan i obradiv, tvrda i otporna na habanje, čvrst i otporan na udarce, ili dimenzionalno stabilan i spreman za koroziju.
U nastavku su opisani najčešći načini toplinske obrade čeličnih odljevaka.
Homogenizacija
Homogenizacija je tretman na visokim temperaturama koji se koristi za redukciju hemijska segregacija i varijacije kompozicije koje nastaju tokom očvršćavanja.
Zato što se čelični odljevci hlade iz rastaljenog stanja pod jakim toplinskim gradijentima, legirajući elementi mogu postati lokalno koncentrirani u određenim dijelovima mikrostrukture.
Homogenizacija ovo rješava zagrijavanjem odljevka na temperaturu blizu, ali ispod, solidus i drži ga tamo dovoljno dugo da difuzija čvrstog stanja ravnomjernije redistribuira legirne elemente.
Praktična vrijednost homogenizacije je da proizvodi ujednačenije metalurško početno stanje.
Odljevak koji je homogeniziran dosljednije reagira na kasnije operacije toplinske obrade kao što je tretman otopinom, otvrdnjavanje, ili starenje.
Također smanjuje rizik da će lokalizirane kemijske varijacije uzrokovati neujednačene mehaničke performanse na cijelom dijelu.
Toplinska obrada rastvora
Toplinska obrada rastvora se obično primenjuje na austenitnih nerđajućih čelika, nerđajući čelici koji otvrdnjavaju precipitacijom, i određene specijalizovane sisteme legura.
Cilj je da se otapaju neželjeni talozi i čestice druge faze nastale tokom livenja i hlađenja, stvaranje homogenije jednofazne strukture.
U ovom procesu, odljevak se zagrijava do temperature otopine, gdje legirajući elementi postaju potpuno rastvorljivi u osnovnoj matrici.
Nakon dovoljno vremena držanja, dio se brzo gasi kako bi se otopljeni elementi zadržali u prezasićenom čvrstom rastvoru.
Ovo brzo hlađenje je neophodno, jer bi sporo hlađenje omogućilo da se otopljeni elementi ponovo talože i oslabi željeni efekat tretmana.
Toplinska obrada rastvora je posebno važna kada konačna svojstva legure zavise od kontrolisane mikrostrukture, a ne od livenog stanja.
Starenje
Starenje, također poznat kao precipitacijsko stvrdnjavanje ili starostno otvrdnjavanje, koristi se nakon tretmana rastvorom u nerđajućim čelicima i srodnim legurama koji se stvrdnjavaju.
Njegova svrha je da razvije visoku čvrstoću i tvrdoću formiranjem finog, ravnomjerno raspoređene čestice druge faze unutar matrice legure.
Tokom starenja, odljevak se ponovo zagrije na temperaturu znatno nižu od temperature obrade otopinom i drži kontrolirani period.
U ovoj fazi, prezasićeni legirajući elementi se talože kao vrlo fine čestice.
Ove čestice ometaju kretanje dislokacije, što je osnovni razlog povećanja snage i tvrdoće.
Starenje je veoma efikasan način za pretvaranje odlivaka otpornog na koroziju, ali mehanički umerenog, u inženjersku komponentu visoke čvrstoće.
Ravnoteža između temperature, vrijeme, a veličina precipitata je kritična: nedovoljno starenje nedovoljno razvija snagu, dok prekomjerno starenje može smanjiti vršnu tvrdoću i promijeniti željeni profil svojstava.
Normalizacija
Normalizacija se široko koristi za ugljični čelik i niskolegirani čelik.
Dizajniran je da poboljša strukturu zrna kao livenog, ublažiti zaostala naprezanja, i poboljšati mehanička svojstva kao i obradivost.
U ciklusu normalizacije, odljevak se zagrijava iznad gornje kritične temperature u potpuno austenitno područje, a zatim se hladi na zraku.
U poređenju sa sporijim hlađenjem koje se prirodno dešava u keramičkoj ljusci ili nakon istresanja, hlađenje zrakom proizvodi finiju i ujednačeniju mikrostrukturu.
Ta prefinjenost općenito poboljšava snagu, žilavost, i dimenzionalna stabilnost.
Normalizacija se često koristi kao tretman prve faze u višestepenom ciklusu.
Na primjer, odljevak se može normalizirati, a zatim temperirati, ili normaliziran, a zatim kaljen i temperiran, ovisno o željenom balansu svojstava.
Stvrdnjavanje
Kaljenje se koristi za martenzitni nerđajući čelici, ugljenični čelici, Legura čeli, i alatnih čelika kada je potrebna visoka tvrdoća i visoka čvrstoća.
Odljevak se zagrijava do temperature austenitizacije, pri čemu se čelik u potpunosti pretvara u austenit, a zatim brzo ugašen u ulju, voda, rastvor polimera, ili prisilni vazduh, ovisno o vrsti legure i debljini presjeka.
Brzo gašenje transformiše strukturu u martenzit, teška i metastabilna faza.
Ovo proizvodi vrlo visoku tvrdoću, ali takođe uvodi krhkost i značajan unutrašnji stres.
Iz tog razloga, stvrdnjavanje je rijetko samo po sebi završni korak. Obično slijedi kaljenje kako bi odljevak bio upotrebljiv u stvarnoj upotrebi.
Stvrdnjavanje je put koji se koristi kod otpornosti na habanje, zadržavanje rubova, ili visoka statička čvrstoća važnija su od formabilnosti ili duktilnosti.
Kaljenje
Kaljenje slijedi nakon stvrdnjavanja i neophodno je da se očvrsli odljevak učini upotrebljivim.
Svrha kaljenja je da se smanji lomljivost kaljene martenzitne strukture uz očuvanje što veće snage i tvrdoće..
Očvrsli odliv se ponovo zagreva na temperaturu znatno ispod donje kritične temperature,
tipično u širokom rasponu ovisno o leguri i ciljnim svojstvima, a zatim se drži određeni period prije hlađenja zrakom.
Ovaj proces ublažava unutrašnji stres, modificira martenzitnu strukturu, i proizvodi konačnu kombinaciju snage, tvrdoća, i žilavost potrebna za upotrebu.
Kaljenje nije samo korak korekcije; to je dio dizajna konačnog skupa svojstava.
Odljevak od kaljenog čelika bez kaljenja je obično previše krt za praktične inženjerske primjene.
Rezime Tabela
| Put termičke obrade | Glavne porodice legura | Primarna svrha | Glavni ishod imovine |
| Homogenizacija | Čelični odljevci s rizikom odvajanja | Smanjite hemijske varijacije | Ujednačenija struktura |
| Toplinska obrada rastvora | Austenitni nehrđajući, nerđajući otvrdnjavanje | Otopiti talog i druge faze | Homogena matrica |
| Starenje | Nehrđajuće i srodne legure koje očvršćuju precipitacijom | Jačanje oblika precipitata | Veća čvrstoća i tvrdoća |
| Normalizacija | Carbon čelik, niskolegirani čelik | Pročistite strukturu zrna, smanjiti stres | Bolja žilavost i obradivost |
| Stvrdnjavanje | Martenzitni nerđajući, Carbon čelik, alatni čelik | Formirajte martenzit gašenjem | Visoka tvrdoća i čvrstoća |
| Kaljenje | Odlivci od kaljenog čelika | Smanjite lomljivost nakon gašenja | Uravnotežena žilavost i tvrdoća |
Toplinska obrada aluminijumskih odlivaka
Aluminijski odljevci se oslanjaju na metalurški mehanizam koji se razlikuje od čelika.
Njihov odgovor na termičku obradu prvenstveno se zasniva na učvršćivanje rastvora i taloženje, umjesto martenzitne transformacije.
Iz tog razloga, aluminijski odljevci se obično proizvode u uvjetima kao što su T4, T6, T61, i T51, od kojih svaki predstavlja drugačiji odnos snaga, duktilnost, i dimenzionalna stabilnost.
T4 — Toplinska obrada rastvorom
Stanje T4 nastaje toplotnom obradom odlivaka rastvorom kako bi se ključni elementi legure rastvorili u aluminijumskoj matrici, nakon čega slijedi gašenje vodom kako bi se zadržale u prezasićenom čvrstom rastvoru.
Ovo stanje se često bira kada su potrebne dobre formabilnosti i umjerene čvrstoće.
Inženjerska svrha:
- Pružaju umjerene mehaničke performanse
- Očuvajte bolju formabilnost od uslova za potpuno odležavanje
- Stvorite stabilnu polaznu tačku za kasniji rad na hladnom ili dalje starenje
T4 se često koristi kada će odljevak i dalje biti podvrgnut oblikovanju ili kada prioriteti dizajna nisu usmjereni na maksimalnu snagu.
T6 — Toplinska obrada rastvorom i veštačko starenje
T6 je najrasprostranjeniji i najvažniji uvjet termičke obrade za aluminijske odljevke.
Sastoji se od termičke obrade rastvorom, gašenje vode, a zatim i umjetno starenje na kontroliranoj povišenoj temperaturi.
Ovaj put je široko specificiran za strukturne odljevke jer pruža najjači standardni balans mehaničkih svojstava.
Inženjerska svrha:
- Maksimizirajte snagu
- Povećajte tvrdoću
- Obezbedite standardnu industrijsku razinu performansi za nosive odljevke
Za mnoge legure za livenje aluminijuma, T6 je referentno stanje kada je mehanička izvedba primarni cilj.
T61 — Toplinska obrada rastvorom i kontrolisano veštačko starenje
T61 je modificirana verzija T6. To je općenito stanje prestarjelosti, što znači da žrtvuje malu količinu snage u zamenu za poboljšanu provodljivost i kontrolisaniji balans svojstava.
Inženjerska svrha:
- Malo smanjite vrh snage T6
- Poboljšati provodljivost
- Omogućite drugačiji balans svojstava usluge
T61 je koristan kada su električne ili termalne performanse važnije od apsolutnih mehaničkih maksimuma.
T51 — Oslobađanje od stresa direktnim umjetnim starenjem
T51 se koristi kada je odljevak umjetno ostario direktno iz lijevanog ili termički stabiliziranog stanja, bez potpunog tretmana rastvorom i sekvence gašenja T6.
Ovo stanje proizvodi nižu snagu od T6, ali nudi veliku prednost u dimenzionalnoj stabilnosti.
Inženjerska svrha:
- Minimizirajte preostali stres
- Poboljšajte konzistentnost dimenzija
- Smanjite rizik od izobličenja kod preciznih sklopova
T51 je posebno vrijedan za odljevke gdje je stabilnost geometrije važnija od maksimalne čvrstoće.
Odlivci od superlegura na bazi nikla
Uložni odljevci na bazi nikla zauzimaju zahtjevniju kategoriju performansi, posebno u vazduhoplovstvu, moć, i druge sredine sa povišenom temperaturom.
Tretman otopinom za ujednačenost mikrostrukture
U livenim superlegurama na bazi nikla, korak tretmana otopinom ima za cilj smanjenje dendritske kemijske nehomogenosti naslijeđene očvršćavanjem.
Mikrostruktura nakon livenja je tipično hemijski neujednačena, i tretman rastvorom pomaže u preraspodeli legirajućih elemenata tako da materijal konzistentnije reaguje u radu.
Ovo je glavni razlog zašto termički ciklus može snažno uticati na performanse puzanja.
Starenje za razvoj snage
Nakon rješenja, starenjem se razvija jača struktura precipitata.
U superlegurama, odnos između termičke obrade i servisnih svojstava je posebno čvrst zbog otpornosti na puzanje, visokotemperaturna čvrstoća, i dugoročna stabilnost u velikoj mjeri ovise o tome kako se struktura precipitata razvija.
Zbog toga se livene superlegure na bazi nikla često termički obrađuju u kontrolisanoj atmosferi ili u vakuumu, ovisno o osjetljivosti na oksidaciju i zahtjevima kvaliteta.
Kontrola atmosfere je bitna
Toplinska obrada legure livenog nikla može se izvesti u atmosferama kao što je egzotermna, endotermni, suvi vodonik, suvi argon, ili vakuum.
Ovo je važno jer okruženje termičke obrade može uticati na oksidaciju, stanje površine, i nizvodno ponašanje završne obrade.
Za odlijevanje visoke vrijednosti, kontrola atmosfere dio je sistema kvaliteta, ne samo detalj peći.
Odlivci na bazi kobalta
Odlivci na bazi kobalta zauzimaju drugačiju, ali jednako važnu nišu.
Koriste se u otpornim na habanje, otporan na koroziju, i biomedicinske primjene, a njihovo ponašanje termičke obrade često je povezano s razvojem karbida, stabilizacija matrice, i kontrolu tvrdoće.
Nedavne studije o legurama na bazi kobalta livenih za ulaganje pokazuju da termička obrada može značajno promijeniti i mikrostrukturu i tvrdoću, uključujući promjenom morfologije i distribucije karbida.
Za superlegure na bazi kobalta s visokim udjelom ugljika, termička izloženost može transformirati kao livenu interdendritsku karbidnu mrežu u druge karbidne oblike tokom vremena i temperature,
što znači da raspored termičke obrade direktno utiče na konačnu ravnotežu snage i stabilnosti.
Drugim riječima, odljevci na bazi kobalta nisu termički obrađeni samo da bi se "olakšao stres"; oni su termički obrađeni za upravljanje vrlo specifičnom metalurgijom na karbidnom pogonu.
4. Gdje se toplinska obrada uklapa u radni proces livenja
Toplinska obrada se obično postavlja nakon što se odljevak očvrsne, uklonjeno iz školjke, i očišćena je od kapije i zaostalog investicionog materijala.
U mnogim tokovima rada, ravnanje ili gruba obrada može se dogoditi prije ili nakon toplinske obrade ovisno o osjetljivosti na izobličenje i ponašanju legure.
Tačan redosled je odluka procesa, nije univerzalno pravilo, jer svaka legura različito reaguje na termičko izlaganje i mehaničko rukovanje.
Ovo je praktičan način razmišljanja o toku:
- Kreiranje uzoraka i ljuske
- Izlivanje i očvršćavanje
- Knockout / uklanjanje školjke
- Čišćenje i uklanjanje vrata
- Toplotni tretman
- Ispravljanje, obrada, ili finalna završna obrada
- Inspekcija i certifikacija
Redoslijed je odabran da se izbjegne zarobljavanje napona, potisnuti nepotrebno izobličenje, i sačuvati prednosti u dimenzijama koje su investiciono livenje učinile atraktivnim na prvom mestu.
5. Ključne varijable procesa koje kontrolišu rezultate
Temperatura
Temperatura određuje da li tretman samo ublažava stres ili fundamentalno mijenja faznu strukturu i ponašanje padavina.
Za legure koje se stvrdnjavaju na taloženje, temperaturni prozor je kritičan: prenisko, a transformacija je nepotpuna; previsoko, a dio može izgubiti predviđenu mikrostrukturu ili pretrpjeti početno topljenje u ranjivim područjima.
Vrijeme
Vrijeme zadržavanja kontrolira dokle se nastavljaju promjene uzrokovane difuzijom.
U superlegurama na bazi nikla, raspored tretmana rastvorom može biti dug i skup, ali je potrebno da bi se rastvorile nepoželjne naslijeđene faze i homogenizirala livena struktura.
Atmosfera
Atmosfera peći je važna jer oksidacija i kontaminacija mogu pogoršati kvalitet površine i zakomplicirati doradu.
Toplinska obrada legure livenog nikla može se izvesti u atmosferama kao što je egzotermna, endotermni, suvi vodonik, suvi argon, ili vakuum, ovisno o leguri i zahtjevima kvaliteta.
Ugasi ozbiljnost
Gašenje nije samo hlađenje; to je strukturalni korak „zamrzavanja“..
Brzina hlađenja određuje hoće li se stanje otopine na visokim temperaturama zadržati dovoljno dugo da kasnije starenje funkcionira kako je predviđeno.
Ako je gašenje presporo, legura može izgubiti dio potencijala za jačanje koji je upravo razvila.
Pričvršćivanje i geometrija dijelova
Odlivci velikih ili tankih zidova posebno su osjetljivi na izobličenje tokom zagrijavanja i gašenja.
Kombinacija termičkih gradijenata i preostalog naprezanja može uzrokovati deformaciju, twist, ili dimenzionalni drift, tako da su pričvršćivanje i raspored opterećenja dio dizajna toplinske obrade.
6. Prednosti, Kompromisi, i uobičajeni rizici
Prednosti termičke obrade su jasne: jača mehanička svojstva, bolju dimenzijsku stabilnost nakon rasterećenja, poboljšana uniformnost mikrostrukture, i poboljšanja performansi specifičnih za leguru kao što su otpornost na puzanje ili otpornost na habanje.
Za odljevke na bazi nikla pri visokim temperaturama, vrijednost može biti odlučujuća; za aluminijske odljevke, često definira konačnu klasu upotrebe dijela.
Kompromisi su jednako stvarni. Toplinska obrada povećava troškove, vrijeme, korišćenje energije, i složenost procesa.
Takođe uvodi rizik: izobličenje, gasiti pucanje, formiranje oksida, preterano starenje, nedovoljno starenje, ili rasipanje svojstava ako je ujednačenost temperature loša.
Zbog toga se termički ciklus mora tretirati kao kontrolirani proizvodni proces, a ne kao generički rad peći.
Drugim riječima, toplinska obrada je vrijedna jer poboljšava dio, ali to je također mjesto gdje se dobar kasting može ugroziti ako se ne poštuje prozor procesa.
7. Budući trendovi
Budućnost termičke obrade u investicionom livenju kreće se prema strožoj kontroli procesa, kraći ciklusi, bolja simulacija, i energetski efikasniji rad peći.
Za odljevke visoke vrijednosti, posebno superlegura, postoji jaka motivacija za skraćivanje skupih dugotrajnih tretmana rastvorom bez žrtvovanja mikrostrukturnog kvaliteta.
Literatura o monokristalnim i usmjereno očvrsnutim superlegurama pokazuje da ciklusi rješenja mogu biti dugi i skupi, što stvara jasan poticaj za optimiziran dizajn toplinske obrade.
Drugi pravac je jača integracija između simulacije livenja i termičke obrade.
Ako se istorija očvršćavanja bolje predvidi, raspored termičke obrade može se izabrati inteligentnije, smanjenje pokušaja i grešaka i smanjenje rizika od preostalog naprezanja ili izobličenja.
To je prirodni sljedeći korak za visokopouzdano livenje.
8. Zaključak
Toplinska obrada nije sekundarna operacija u investicionom livenju; to je jedan od procesa koji definira da li će livenje postati dio visokih performansi.
U aluminijumskim sistemima omogućava ojačanje padavina, u superlegurama na bazi nikla uklanja nasljeđe očvršćavanja i podržava otpornost na puzanje, u legurama na bazi kobalta poboljšava mikrostrukturu, a kod čeličnih odlivaka uspostavlja konačnu ravnotežu svojstava.
Uobičajena tema je da lijevanje po ulaganju daje oblik dijelu, ali toplinska obrada daje mu upotrebljivo inženjersko ponašanje.
Kada je termički ciklus dobro osmišljen, rezultat je odljevak koji nije samo oblika gotovo mreže, ali i spreman za servis.
Kada je loše dizajniran, dio može izgubiti upravo one prednosti koje je investiciono livenje trebalo da pruži.
Zbog toga termička obrada zaslužuje da se tretira kao ključna dizajnerska odluka, nije naknadna misao.
FAQs
Da li je toplotna obrada uvek potrebna za livenje pod uloškom?
Ne. Neki odljevci se koriste u stanju odljeva, ali mnogim kritičnim dijelovima je potrebna toplinska obrada kako bi se postigla potrebna čvrstoća, duktilnost, stresno stanje, ili performanse na visokim temperaturama.
Zašto livene superlegure toliko zavise od termičke obrade?
Budući da livena struktura superlegure sadrži dendritsku hemijsku nehomogenost i nasleđene faze od očvršćavanja.
Toplinska obrada rastvora i starenje se koriste za korekciju i optimizaciju te mikrostrukture.
Da li termička obrada mijenja dimenzije?
Da. Toplinska obrada može ublažiti ili preraspodijeliti zaostali stres, a također može uzrokovati izobličenje ako termički ciklus, pričvršćivanje, ili gašenje nije pravilno kontrolirano.
Zašto je važna atmosfera u peći?
Jer atmosfera utiče na oksidaciju i stanje površine tokom zagrevanja.
Za livene legure na bazi nikla, ASM napominje da se atmosfera vakuuma i zaštitnog plina obično koriste za žarenje ili tretman otopinom.
Koja je glavna prednost termičke obrade u aluminijskim odljevcima?
Glavna prednost je jačanje padavina: legura se zagreva, ugašen, i stari tako da razvija mnogo veću čvrstoću i tvrdoću nego u livenom stanju.
