1. مقدمه
عملیات حرارتی فلزات در قلب متالورژی مدرن قرار دارد, مهندسان را قادر می سازد تا خصوصیات فلزی را دقیقاً به خواسته های کاربردی تنظیم کنند.
از آهنگران باستان که آهن داغ قرمز را درون آب فرو می برد, به کوره های خلاء تحت کنترل رایانه امروز, این رشته به یک علم دقیق بالغ شده است.
علاوه بر این, به عنوان هوافضا, صنایع خودرو و انرژی مواد را به حد خود فشار می دهند, تسلط بر چرخه های حرارتی هرگز اهمیت بیشتری نداشته است.
در این مقاله, ما بر روی چهار مورد از فرایندهای قابل تصفیه حرارتی بسیار کاربردی تمرکز می کنیم., عادی سازی, خاموش کردن, و معتدل - نحوه تغییر هر روش ریزساختار, عملکرد را تقویت می کند, و زندگی مؤلفه را گسترش می دهد.
2. اصول عملیات حرارتی فلزات
در هسته آن, تصفیه حرارتی فلزات از تحولات فاز و سینتیک انتشار استفاده می کند که هنگام گرم شدن آلیاژها از بالای گرم یا خنک شدن در زیر دمای بحرانی رخ می دهد.
در فولاد, برای مثال, آستنیت (انسداد) فرم های بالا 723 درجه سانتی گراد, در حالی که فریت (آهنی) و سیمان (رفیق) در زیر آن آستانه غالب باشید.
مشورت مهندسان زمان-دما-تغییر (t-t-t) نمودارها برای پیش بینی محصولات ایزوترمال مانند مروارید یا باینیت,
و تبدیل مداوم به تسویه حساب (C-C-T) منحنی ها برای طراحی نرخ خنک کننده که مارتنزیت را به خود اختصاص می دهد.
چهار مکانیسم نتیجه را دیکته می کنند:
- انتشار: در دمای بالا (500-1200 درجه سانتیگراد), اتم ها به شکل یا مرحله حل می شوند.
- نوکر: ذرات فاز جدید در مرزهای دانه ظاهر می شوند, اجزاء یا جابجایی.
- رشد: یک بار هسته, این ذرات مرحله والدین را مصرف می کنند.
- تبلور مجدد: زیر فشار, دانه های بدون کرنش جدید شکل می گیرند, تصفیه ریزساختار.
علاوه بر این, موفقیت به کنترل محکم چهار متغیر بستگی دارد: دما, زمان نگه داشتن, جو (هوا, بی جان, خلاء, کاهش) و میزان خنک کننده.
حتی یک انحراف 10 درجه سانتیگراد یا اختلاف چند دقیقه ای در زمان خیس می تواند ریزساختار نهایی را از مروارید سخت به مارتنسیت شکننده تغییر دهد.
3. آنیل کردن
آنیل کردن فلزات سخت یا سرد را به نرم تبدیل می کند, شکل‌پذیر, و مواد پایدار از نظر ابعادی.
با گرم کردن و سرمایش با دقت, متالورژیست ها فشارهای داخلی را از بین می برند, ریزساختارهای همگن, و اجزای سازنده برای شکل گیری یا ماشینکاری پایین دست را آماده کنید.
روند بازپخت
- گرمایش: برای فولادهای کم کربن (≤ 0.25 % سی), گرما به طور یکنواخت به 700-750 درجه سانتیگراد. در مقابل, آلیاژهای آلومینیوم آنیل های تبلور مجدد را دریافت می کنند 400-600 درجه سانتیگراد, بسته به سیستم آلیاژ.
- خیس: دما را به مدت 1-2 ساعت در یک کوره کنترل شده با جو حفظ کنید (بی اثر یا کاهش) برای جلوگیری از اکسیداسیون یا ترشح سازی.
- خنک کننده: با سرعت تقریبی 30-50 درجه سانتیگراد در ساعت داخل کوره خنک شوید.
خنک کننده آهسته درشت کاربید را در فولادها تشویق می کند و از شیب های حرارتی که می توانند استرس را بازگرداند ، جلوگیری می کند.
علاوه بر این, هنگامی که فولادهای کربن بالا کروی می کنند (0.60–1.00 % سی), تکنسین ها در 700-750 درجه سانتیگراد برای 10-20 ساعت, سپس در کمتر از 10 درجه سانتیگراد/ساعت.
این چرخه گسترده مروارید لاملار را به گره های کاربید گرد تبدیل می کند, کاهش سختی به 200-250 HV.
مزایای بازپخت
- انعطاف پذیری پیشرفته: فولادهای کم کربن کم مصرف به طور معمول به کشیدگی در بالا می رسند 30 %,
در مقایسه با 15-20 % در مواد ساخته شده به عنوان, مهر و موم سازی پیچیده و نقاشی عمیق بدون شکستگی. - تسکین استرس باقیمانده: فشارهای داخلی تا 80 %, که به طور چشمگیری اعوجاج را در حین ماشینکاری یا جوشکاری بعدی کاهش می دهد.
- یکنواختی ریزساختاری: اندازه دانه در نمرات ASTM 5-7 تصفیه یا تثبیت می شود (10-25 میکرومتر), به دست آوردن خصوصیات مکانیکی سازگار و تحمل ابعادی محکم (± 0.05 میلی متر).
- قابلیت ماشین سازی بهبود یافته: کاهش سختی از 260 HV به 200 HV ~ طول عمر برش را تا 20-30 افزایش می دهد % و نقص سطح آن را کاهش می دهد.
علاوه بر این, فولادهای کروی از شکل پذیری بالایی برخوردار هستند - کاربیدهای قشر در هنگام تشکیل به عنوان مخازن روان کننده عمل می کنند, ضمن ساده سازی شکل گیری تراشه در عملیات چرخش CNC.
برنامه های آنیلایینگ
- خودرو صنعت: خالی های بدنه ای برای فعال کردن عملیات عمقی که شکل های پیچیده سه بعدی را بدون ترک خوردگی تشکیل می دهند ، آنیل می شوند.
- هوافضا اجزاء: نیکل - پایه و آلیاژهای تیتانیوم تحت بازگرداندن مجدد انعطاف پذیری پس از سرماخوردگی قرار می گیرند, اطمینان از عملکرد قابل اعتماد در قسمت های حساس به خستگی.
- ماشینکاری - نوار نوار درجه بندی: میله های فولادی و آلومینیومی برای بهینه سازی سطح سطح و به حداقل رساندن سایش ابزار در آسیاب و حفاری زیاد ، آن را به حداقل می رسانند.
- هادی های الکتریکی: مس و سیم های برنجی برای به حداکثر رساندن هدایت الکتریکی و جلوگیری از کار در هنگام سیم پیچ یا نصب ، تحت آن قرار می گیرند.
4. عادی سازی
عادی سازی ساختار دانه را تصفیه می کند و ریزساختار را تهاجمی تر از آنیل سازی می کند, ارائه ترکیبی متعادل از قدرت, سختی, و ثبات ابعادی.
روند عادی سازی
- گرمایش: فولادهای کربن متوسط گرم (0.25-0.60 درصد وزنی c) به 30-50 درجه سانتیگراد بالاتر دمای بحرانی فوقانی - از نظر معمولی 880-950 درجه سانتیگراد- برای اطمینان از آستنیت کامل.
- خیس: برای 15-30 دقیقه در یک جو کوره کنترل شده (غالباً گاز یا خلاء گرمازا) برای حل کاربیدها و برابر کردن تفکیک شیمیایی.
- خنک کننده: اجازه دهید قسمت تقریباً در هوا باشد 20-50 درجه سانتیگراد در دقیقه (هنوز هم هوا یا فن انجام شده است). این نرخ سریعتر جریمه ایجاد می کند, مخلوط یکنواخت فریت و مروارید بدون تشکیل مارتنزیت.
مزایای عادی سازی
- پالایش غلات: فولادهای نرمال شده به طور معمول به اندازه دانه ASTM 6-7 می رسند (10-20 میکرومتر), در مقایسه با 8-9 (20-40 میکرومتر) در فولادهای آنیل. در نتیجه, چقرمگی V-Notch توسط 5–10 j در دمای اتاق.
- قدرت - تعادل عاقلانه: قدرت عملکرد توسط 10-20 ٪ بیش از معادل های آنیل - غالباً رسیدن 400-500 MPa- در حالی که سطح انعطاف پذیری را در اطراف حفظ می کند 10–15 ٪.
- دقت ابعادی: کنترل محکم بر خنک کننده باعث کاهش پیچ و تاب و استرس باقیمانده می شود, تحمل تحمل به همان اندازه ± 0.1 میلی متر در ویژگی های ماشینکاری.
- قابلیت ماشین سازی بهبود یافته: ریزساختارهای یکنواخت نقاط سخت را به حداقل می رسانند, گسترش زندگی ابزار توسط 15-25 ٪ در عملیات حفاری و فرز.
برنامه های عادی سازی
- اجزای سازه ای: فلنج های پرتو I و جعلی برای اطمینان از خصوصیات مکانیکی سازگار در سطح مقطع بزرگ عادی می شوند, برای ساخت و سازهای پل و ساختمان بسیار مهم است.
- بازیگران: رنگ خاکستری و ریخته گری های آهنی چمن زنی برای کاهش تفکیک شیمیایی عادی می شوند, افزایش ماشینکاری و زندگی خستگی در محفظه های پمپ و بدنهای دریچه.
- لوله ها و لوله های یکپارچه: تولید کنندگان نمرات صفحه خط را عادی می کنند (API 5L x52 -x70) برای از بین بردن باند, بهبود مقاومت فروپاشی و یکپارچگی جوش.
5. خاموش کردن
قفل کردن قفل ها در یک سخت, ریزساختار مارتنزیتی با خنک کردن سریع فولاد آستنیت.
این فرآیند قدرت استثنایی و مقاومت در برابر سایش را به همراه دارد, و این به عنوان پایه و اساس بسیاری از آلیاژهای با کارایی بالا خدمت می کند.
روند فرونشانی
اولا, تکنسین ها قطعه کار را به منطقه آستنیت گرم می کنند - به طور معمول 800 ° C و 900 درجه سانتی گراد برای فولادهای متوسط کربن (0.3–0.6 % سی),
و خیس برای 15-30 دقیقه برای اطمینان از دمای یکنواخت و انحلال کامل کاربیدها. بعدی, آنها فلز داغ را در یک محیط خاموش انتخاب شده قرار می دهند:
- اب: نرخ خنک کننده می تواند برسد 500 ° C/S, به سختی مارتنزیت تا 650 HV, اما شدت آب اغلب 0.5-1.0 را القا می کند % تحریف.
- روغن: کندتر نرخ 200 ° C/S سختی را در نزدیکی ایجاد کنید 600 HV در حالی که تحریف را به زیر محدود می کند 0.2 %.
- راه حل های پلیمری: با تنظیم غلظت, مهندسان به نرخ خنک کننده میانی دست می یابند (200-400 درجه سانتیگراد/ثانیه), سختی تعادل (600-630 HV) و کنترل بعدی.
مهمتر, آنها رسانه های خاموش را بر اساس ضخامت بخش انتخاب می کنند: بخشهای نازک (< 10 میلی متر) تحمل آب تهاجمی,
در حالی که اجزای ضخیم (> 25 میلی متر) برای به حداقل رساندن شیب حرارتی و ترک خوردگی به روغن یا فرونشست پلیمر نیاز دارید.
مزایای فرونشست
علاوه بر این, فرونشست چندین مزیت کلیدی ارائه می دهد:
- حداکثر سختی & قدرت: Martensite به طور معمول به طور معمول می رسد 600-700 HV, ترجمه به نقاط قوت کششی در بالا 900 MPa.
- زمان چرخه سریع: تحول کامل در چند ثانیه تا دقیقه انجام می شود, فعال کردن توان بالا در کوره های دسته ای یا با فشار مداوم.
- تطبیق پذیری: فرونشست برای طیف گسترده ای از فولادها-از نمرات ساخت و ساز کم آلیاژ اعمال می شود (4140, 4340) به فولادهای ابزار پر سرعت (m2, T15)-
ایجاد سخت, پایه مقاوم در برابر سایش برای خنک کننده یا درمان سطح.
برنامه های خاموش
در نهایت, فرونشست در صنایعی که خواستار مقاومت برتر و مقاومت در برابر سایش هستند ، ضروری است:
- خودرو & هوافضا: لشکر میل لنگ, اتصال میله ها و اجزای چرخ دستی در حال فروپاشی برای مقاومت در برابر بارهای چرخه ای و ضربه است.
- ساخت ابزار: ابزار برش, برای حفظ لبه های تیز و مقاومت در برابر سایش ساینده ، مته ها و مشت ها را خاموش می کنند.
- ماشین آلات سنگین: چرخ دنده ها, کوپلینگ و تیغه های برشی برای عمر طولانی مدت تحت فشارهای تماس زیاد فرو می روند.
6. معتدل کردن
Tempering به دنبال فرونشست برای تغییر شکننده است, مارتنزیت سختگیرانه به یک سخت تر, ریزساختار انعطاف پذیر تر.
با انتخاب دقیق دما و زمان, متالورژیست ها تعادل قدرت و تنش را به نیازهای خدمات دقیق متناسب می کنند.
فرایند مزاج
- درجه حرارت گرم کردن: به طور معمول, تکنسین ها از فولاد خاموش می شوند 150-650 درجه سانتیگراد, انتخاب دامنه پایین تر (150-350 درجه سانتیگراد) برای از دست دادن حداقل سختی یا دامنه بالاتر (400-650 درجه سانتیگراد) برای به حداکثر رساندن انعطاف پذیری.
- زمان خیس کردن: آنها قسمت را در دمای هدف نگه می دارند 1-2 ساعت, اطمینان از تحول یکنواخت در بخش های تا 50 میلی متر ضخیم.
- دوتایی: برای کاهش آستنیت حفظ شده و تثبیت سختی, بسیاری از مغازه ها دو چرخه معتدل پی در پی انجام می دهند, اغلب با یک 50 افزایش ° C بین چرخه ها.
در حین مزاج, مارتنزیت به کاربیدهای انتقال فریت و ریز تجزیه می شود (ε-carbide در دماهای پایین, سیمان در بالا), و تنش های باقیمانده به طور قابل توجهی کاهش می یابد.
فواید معتدل
- کاهش سختی کنترل شده: هر یک 50 درجه سانتی گراد افزایش دمای درجه حرارت به طور معمول سختی را کاهش می دهد 50-75 HV,
به مهندسان اجازه می دهد سختی را از آن تنظیم کنند 700 HV (با هم محکم) به سمت 300 HV یا زیر. - چقرمگی بهبود یافته: سختی ضربه می تواند افزایش یابد 10-20 J در دمای 20 درجه سانتیگراد هنگام افزایش 500 ° C در مقابل 200 درجه سانتی گراد, خطر شکستگی شکننده را بسیار کاهش می دهد.
- تسکین استرس: تنش های باقیمانده کاهش می یابد 40-60 ٪, کاهش اعوجاج و ترک خوردگی در حین خدمت یا ماشینکاری ثانویه.
- انعطاف پذیری پیشرفته: فولادهای معتدل اغلب به کشیدگی می رسند 10-20 ٪, در مقایسه با <5% در مارتنزیت غیرقانونی, بهبود زندگی و زندگی خستگی.
برنامه های معتدل
- فولادهای ساختاری با طول بالا: 4140 آلیاژ, خاموش و سپس در 600 درجه سانتی گراد, بر 950 MPa قدرت کششی با 12% کشیدگی - ایدا برای شفت ها و محورهای درایو.
- فولادهای ابزار: فولاد A2, هوا با فشار و سپس دو برابر در 550 درجه سانتی گراد, نگه داشتن 58-60 HRC سختی در حالی که ثبات بعدی را در دمای برش حفظ می کند.
- اجزای مقاوم در برابر سایش: از طریق سخت و دلپذیر 4340 بازده 52 HRC با سختی عالی, در خدمت چرخ دنده ها و غلطک های سنگین.
7. نتیجه گیری
با استفاده از بازپرداخت, عادی سازی, خاموش کننده و معتدل, متالورژیست ها ریزساختارهای مجسمه سازی - از نرم شدن, فریت داکتیل به مارتنزیت فوق العاده سخت-برای رسیدن به اهداف دقیق عملکرد.
علاوه بر این, ترکیب این روش ها به صورت توالی ، انعطاف پذیری بی نظیر را امکان پذیر می کند: طراحان می توانند به تجارت پیچیده بین قدرت دست یابند, سختی, مقاومت در برابر مقاومت و ثبات بعدی.
به عنوان کنترل دیجیتال, کوره های خلاء و پیشبرد سریع پردازش حرارتی, عملیات حرارتی فلزات به نوآوری در سراسر خودرو ادامه خواهد داد, هوافضا, بخش های انرژی و ابزار.
در نهایت, تسلط بر این چهار فرآیند سنگ بنای مهندسین به مهندسین برای فشار دادن فلزات و برنامه های آنها - فراتر از حد امروز است.
اگر به کیفیت بالا احتیاج دارید عملیات حرارتی, این انتخاب مناسبی برای نیازهای تولیدی شماست.
سوالات متداول
چه چیزی آنیلائیلینگ را از عادی سازی متمایز می کند?
بازپرداخت روی نرم شدن و تسکین استرس با کندی متمرکز است, خنک کننده, که درشت تولید می کند, دانه های یکنواخت. در مقابل, عادی سازی از خنک کننده هوا برای تصفیه اندازه دانه و تقویت استحکام و چقرمگی استفاده می کند.
چگونه می توانم بین آب انتخاب کنم, روغن, و کوکنهای پلیمری?
آب سریعترین خنک کننده را تحویل می دهد (± 500 ° C/S) و بالاترین سختی (تا 650 HV) اما خطر تحریف را به خطر می اندازد.
روغن آهسته تر خنک می شود (± 200 ° C/S), کاهش پیچ و تاب با هزینه کمی کمتری (± 600 HV).
راه حل های پلیمری به شما امکان می دهد با یک نرخ خنک کننده متوسط تماس بگیرید, تعادل سختی و کنترل بعدی.
چرا دوتایی را انجام دهید?
دوتایی (دو دمای متوالی در دماهای کمی متفاوت) آستنیت حفظ شده را از بین می برد, سختی را تثبیت می کند, و بیشتر استرس ها را تسکین می دهد,
برای فولادهای ابزار و مؤلفه هایی با نیازهای تحمل محکم بسیار مهم است.
چه ریزساختارها از هر فرآیند نتیجه می گیرند?
آنیل کردن: فریت درشت به همراه کاربیدهای کروی (در فولادهای High-C).
عادی سازی: فریت و مروارید ریز.
خاموش کردن: اشباع شده, مارتنزیت مانند سوزن.
معتدل کردن: مارتنزیت معتدل (فریت به علاوه کاربیدهای خوب) با کاهش چگالی جابجایی.
جو درمان گرما چگونه بر نتایج تأثیر می گذارد?
بی اثر یا کاهش جو از اکسیداسیون و ترشح کردن جلوگیری می کند.
در مقابل, کوره های هوا باز تشکیل مقیاس و از بین رفتن کربن در سطح, که می تواند خصوصیات مکانیکی را تخریب کند.
آیا آلیاژهای غیر سودمند می توانند از این روش ها بهره مند شوند?
بله. آلیاژهای آلومینیوم انعطاف پذیری را به دست می آورند و کار را از طریق بازپرداخت تبلور مجدد از بین می برند (400-600 درجه سانتیگراد).
آلیاژهای تیتانیوم اغلب تحت درمان با محلول و پیری قرار می گیرند - نوعی فرونشست & مزاج - برای دستیابی به استحکام بالا و مقاومت خزش.
چه تحمل باید بعد از عادی سازی و بازپخت انتظار داشته باشم?
قطعات عادی سازی می توانند 0.1 میلی متر تحمل تحمل داشته باشند; قطعات آنیل شده, هنگامی که به طور یکنواخت در کوره خنک می شود, دقت 0.05 میلی متر را حفظ کنید. هر دو روش فشارهای باقیمانده را به حداقل می رسانند.
چگونه می توانم اعوجاج را در حین خاموش کاهش دهم & خوی?
برای بخش های ضخیم یک محیط خفه کننده ملایم را انتخاب کنید.
برای ترویج خنک کننده یکنواخت از آشفتگی به موقع استفاده کنید.
بلافاصله پس از خاموش کردن فشارهای ناشی از خفه کردن ، از درجه حرارت کنترل شده استفاده کنید.
کدام فرآیند بهترین بهبود زندگی خستگی را ارائه می دهد?
مارتنزیت معتدل به طور معمول بهترین عملکرد خستگی را فراهم می کند.
پس از خاموش کردن, برای بهینه سازی چقرمگی در 500-600 درجه سانتیگراد خلق و خوی, و دستاوردهای خستگی از 20 تا 30 ٪ در فولادهای ساختاری مشترک را مشاهده خواهید کرد.
چگونه کنترل های دیجیتالی باعث افزایش گرمای فلزات می شوند?
کنترل کننده های پیشرفته کوره دما تا 1 درجه سانتیگراد را ردیابی می کنند, زمان خیس را به طور خودکار تنظیم کنید, و چرخه های حرارتی را وارد کنید.
این رویکرد داده محور تکرارپذیری را بهبود می بخشد, نرخ قراضه را کاهش می دهد, و تضمین می کند که هر قسمت مشخصات مکانیکی خود را رعایت می کند.
