Metālu termiskā apstrāde: 4 Parastās metodes

1. Ievads

Metālu termiskā apstrāde ir mūsdienu metalurģijas pamatā, ļauj inženieriem precīzi pielāgot metāla īpašības pielietojuma prasībām.

No senatnes kalējiem, kuri iegremdēja karstu dzelzi ūdenī, mūsdienu datorvadāmajām vakuuma krāsnīm, disciplīna ir kļuvusi par stingru zinātni.

Turklāt, kā kosmosa, automobiļu un enerģētikas rūpniecība nospiež materiālus līdz savām robežām, termisko ciklu apguve nekad nav bijusi tik nozīmīga.

Šajā rakstā, mēs koncentrējamies uz četriem no visplašāk izmantotajiem termiskās apstrādes procesiem — atkvēlināšanu, normalizēšana, rūdīšana, un atlaidināšana — parāda, kā katra metode pārveido mikrostruktūru, uzlabo veiktspēju, un pagarina komponentu kalpošanas laiku.

2. Metālu termiskās apstrādes pamati

Tā kodolā, metālu termiskā apstrāde izmanto fāzu pārvērtības un difūzijas kinētiku, kas rodas, kad sakausējumi uzkarst virs vai atdziest zem kritiskās temperatūras.

Tēraudos, piemēram, Austenīts (γ-dzelzs) veidlapas augstāk 723 ° C, kamēr ferīts (gludeklis) un cementīts (Fe₃c) dominē zem šī sliekšņa.

Inženieri konsultē Laika temperatūras pārnešana (T-T-T) diagrammas, lai prognozētu izotermiskus produktus, piemēram, perlītu vai beinītu,

un Nepārtraukta dzesēšana-pārveidošana (C-C-T) līknes, lai izstrādātu dzesēšanas ātrumus, kas rada martensītu.

Rezultātu nosaka četri mehānismi:

1. Difūzija: Pie paaugstinātas temperatūras (500-1200 °C), atomi migrē, veidojot vai izšķīdinot fāzes.
2. Kodolēšana: Graudu robežās parādās jaunas fāzes daļiņas, ieslēgumi vai dislokācijas.
3. Izaugsme: Pēc tam, kad kodols, šīs daļiņas patērē pamatfāzi.
4. Pārkristalizācija: Zem slodzes, veidojas jauni bezcelmu graudi, mikrostruktūras uzlabošana.

Turklāt, panākumi ir atkarīgi no četru mainīgo stingras kontroles: temperatūra, turēt laiku, atmosfēra (gaisa, inerts, tukšs, samazinot) un dzesēšanas ātrums.

Pat ±10 °C novirze vai dažu minūšu atšķirība mērcēšanas laikā var mainīt galīgo mikrostruktūru no izturīga perlīta uz trauslu martensītu.

3. Rūdīšana

Rūdīšana pārvērš rūdītus vai auksti apstrādātus metālus mīkstos, elastīgs, un izmēru stabili materiāli.

Rūpīgi sildot un atdzesējot, metalurgi novērš iekšējos spriegumus, homogenizē mikrostruktūras, un sagatavot komponentus pakārtotajai formēšanai vai apstrādei.

Atkausēšanas process

1. Apkure: Tēraudam ar zemu oglekļa saturu (≤ 0.25 % C), vienmērīgi uzkarsē līdz 700-750 °C. Turpretī, alumīnija sakausējumi saņem rekristalizācijas atkvēlināšanu plkst 400-600 °C, atkarībā no sakausējuma sistēmas.
2. Mērcēšana: Uzturiet temperatūru 1–2 stundas kontrolētas atmosfēras krāsnī (inerta vai reducējoša) lai novērstu oksidēšanos vai dekarbonizāciju.
3. Dzesēšana: Atdzesē ar ātrumu aptuveni 30–50 °C/stundā krāsnī.
   Lēna dzesēšana veicina karbīda rupjību tēraudos un novērš termiskus gradientus, kas varētu atkārtoti radīt stresu.

Turklāt, sferoidizējot tēraudus ar augstu oglekļa saturu (0.60–1.00 % C), tehniķi tur plkst 700-750 °C uz 10-20 stundām, tad atdzesē mazāk nekā 10 °C/stundā.

Šis pagarinātais cikls pārvērš lamelāro perlītu noapaļotos karbīda mezgliņos, samazinot cietību līdz 200-250 HV.

Atkausēšanas priekšrocības

• Uzlabota elastība: Rūdīti zema oglekļa satura tēraudi parasti sasniedz augstāku pagarinājumu 30 %,
  salīdzinot ar 15.–20 % velmētā materiālā, kas nodrošina sarežģītu štancēšanu un dziļu zīmēšanu bez lūzuma.
• Atlikušā stresa mazināšana: Iekšējie spriegumi samazinās līdz 80 %, kas ievērojami samazina kropļojumus turpmākās apstrādes vai metināšanas laikā.
• Mikrostrukturālā vienveidība: Graudu izmēri uzlabojas vai stabilizējas ASTM 5.–7. pakāpē (≈ 10–25 μm), nodrošina nemainīgas mehāniskās īpašības un stingras izmēru pielaides (± 0.05 mm).
• Uzlabota apstrādājamība: Cietības samazināšana no ~260 HV līdz ~200 HV pagarina griezējinstrumenta kalpošanas laiku par 20–30 % un samazina virsmas apdares defektus.

Turklāt, sferoidizētiem tēraudiem ir augsta formējamība — sfēriski karbīdi formēšanas laikā darbojas kā smērvielu rezervuāri, vienlaikus vienkāršojot skaidu veidošanos CNC virpošanas operācijās.

Atkausēšanas pielietojumi

• Autobūves Rūpniecība: Korpusa paneļu sagataves tiek piegādātas atkausētas, lai nodrošinātu dziļas vilkšanas darbības, kas veido sarežģītas trīsdimensiju formas bez plaisāšanas.
• Avi kosmosa Komponenti: Niķeļa bāzes un titāna sakausējumi tiek pakļauti pārkristalizācijas atkvēlināšanai, lai pēc aukstās apstrādes atjaunotu elastību, nodrošinot drošu veiktspēju pret nogurumu jutīgām daļām.
• Apstrādes klases stieņu krājumi: Tērauda un alumīnija stieņi tiek pilnībā atkausēti, lai optimizētu virsmas apdari un samazinātu instrumenta nodilumu ātrgaitas frēzēšanas un urbšanas laikā.
• Elektrības vadītāji: Vara un misiņa stieples tiek atkvēlinātas, lai palielinātu elektrisko vadītspēju un novērstu darba sacietēšanu tinuma vai uzstādīšanas laikā.

4. Normalizēšana

Normalizēšana uzlabo graudu struktūru un homogenizē mikrostruktūru agresīvāk nekā atkausēšana, radot līdzsvarotu spēka kombināciju, izturība, un izmēru stabilitāte.

Normalizācijas process

1. Apkure: Karsējiet vidēja oglekļa satura tēraudus (0.25–0,60 masas % C) līdz 30-50 °C virs augšējā kritiskā temperatūra — parasti 880-950 °C— lai nodrošinātu pilnīgu austenitizāciju.
2. Mērcēšana: Turies 15– 30 minūtes Atmosfēras kontrolētā krāsnī (bieži endotermiska gāze vai vakuums) lai izšķīdinātu karbīdus un izlīdzinātu ķīmisko segregāciju.
3. Dzesēšana: Ļaujiet daļai aptuveni atdzist ar gaisu 20-50 °C/min (nekustīgs gaiss vai ventilatora piespiešana). Šī ātrāka likme rada naudas sodu, viendabīgs ferīta un perlīta maisījums, neveidojot martensītu.

Normalizācijas priekšrocības

• Graudu rafinēšana: Normalizētie tēraudi parasti sasniedz ASTM graudu izmēru 6–7 (≈ 10–20 µm), salīdzinot ar 8.–9 (≈ 20–40 µm) rūdītos tēraudos. Līdz ar to, Charpy V veida roba stingrība palielinās par 5– 10 J istabas temperatūrā.
• Spēka-izturības līdzsvars: Ražas spēks palielinās par 10-20% pāri atkausētajiem ekvivalentiem — bieži sasniedzot 400-500 MPa— vienlaikus saglabājot elastības līmeni apkārt 10-15%.
• Izmēra precizitāte: Stingra dzesēšanas kontrole samazina deformāciju un atlikušo spriegumu, kas nodrošina tik zemas pielaides kā ± 0.1 mm par mehāniski apstrādātām funkcijām.
• Uzlabota apstrādājamība: Vienveidīgas mikrostruktūras samazina cietos punktus, pagarinot instrumenta kalpošanas laiku par 15-25% urbšanas un frēzēšanas operācijās.

Normalizācijas pielietojumi

• Strukturālās sastāvdaļas: I-siju atloki un kalšanas sagataves normalizējas, lai nodrošinātu nemainīgas mehāniskās īpašības lielos šķērsgriezumos, kritisks tiltu un ēku celtniecībai.
• Lējumi: Pelēks-dzelzs un kaļamā čuguna lējumi tiek normalizēti, lai samazinātu ķīmisko segregāciju, uzlabojot apstrādājamību un noguruma kalpošanas laiku sūkņu korpusos un vārstu korpusos.
• Bezšuvju caurules un caurules: Ražotāji normalizē līniju cauruļu kategorijas (API 5L X52–X70) lai novērstu joslu veidošanos, uzlabojot sabrukšanas izturību un metināšanas šuves integritāti.

5. Rūdīšana

Rūdīšana slēdzenes cietā, martensīta mikrostruktūra, ātri atdzesējot austenitizēto tēraudu.

Šis process nodrošina izcilu izturību un nodilumizturību, un tas kalpo par pamatu daudziem augstas veiktspējas sakausējumiem.

Rūdīšanas process

Pirmkārt, tehniķi sasilda sagatavi austenīta zonā — parasti starp 800 ° C un 900 ° C vidēja oglekļa satura tēraudiem (0.3–0,6 % C),

un mērcēt par 15– 30 minūtes lai nodrošinātu vienmērīgu temperatūru un pilnīgu karbīdu izšķīšanu. Blakus, tie iegremdē karsto metālu izvēlētajā dzesēšanas vidē:

• Laistīt: Var sasniegt dzesēšanas ātrumu 500 °C/s, iegūstot martensīta cietību līdz 650 HV, bet ūdens smagums bieži izraisa 0,5–1,0 % izkropļojumu.
• Eļļas: Lēnākas likmes 200 °C/s radīt cietību tuvu 600 HV vienlaikus ierobežojot kropļojumus līdz zem 0.2 %.
• Polimēru risinājumi: Regulējot koncentrāciju, inženieri sasniedz starpposma dzesēšanas ātrumu (200–400 °C/s), balansēšanas cietība (600-630 HV) un izmēru kontrole.

Svarīgi, viņi izvēlas dzesēšanas līdzekli, pamatojoties uz sekcijas biezumu: plānas sekcijas (< 10 mm) panes agresīvu ūdens dzēšanu,

tā kā biezas sastāvdaļas (> 25 mm) nepieciešama eļļas vai polimēru dzesēšana, lai samazinātu termiskos gradientus un plaisāšanu.

Rūdīšanas priekšrocības

Turklāt, rūdīšana piedāvā vairākas galvenās priekšrocības:

• Maksimālā cietība & Izturība: Kā-rūdīts martensīts regulāri sasniedz 600-700 HV, pārvēršot par stiepes stiprību iepriekš 900 MPA.
• Ātrie cikla laiki: Pilnīga transformācija tiek pabeigta dažu sekunžu līdz minūšu laikā, nodrošina lielu caurlaidspēju sērijveida vai nepārtrauktas dzesēšanas krāsnīs.
• Daudzpusība: Rūdīšana attiecas uz plašu tēraudu spektru — no zema leģētā konstrukciju kategorijām (4140, 4340) ātrgaitas instrumentu tēraudiem (M2, T15)-
  izveidojot grūti, nodilumizturīga pamatne rūdīšanai vai virsmas apstrādei.

Rūdīšanas pielietojumi

Beidzot, rūdīšana ir neaizstājama nozarēs, kas pieprasa izcilu izturību un nodilumizturību:

• Autobūves & Avi kosmosa: Kloķvārpstas, klaņi un šasijas komponenti tiek rūdīti, lai izturētu cikliskas un triecienslodzes.
• Instrumentu izgatavošana: Griešanas rīki, urbji un perforatori ir rūdīti, lai saglabātu asas malas un izturētu abrazīvu nodilumu.
• Smagā mašīna: Pārnesumi, savienojumi un bīdes asmeņi rūdīs, nodrošinot ilgu kalpošanas laiku pie lielas saskares slodzes.

6. Rūdījums

Rūdīšana seko rūdīšanai, lai padarītu trauslu, augstas cietības martensītu par stingrāku, elastīgāka mikrostruktūra.

Rūpīgi izvēloties temperatūru un laiku, metalurgi pielāgo stiprības un stingrības līdzsvaru precīzām pakalpojumu prasībām.

Rūdīšanas process

1. Uzsildīšanas temperatūra: Parasti, tehniķi karsē rūdīto tēraudu līdz 150-650 °C, izvēloties zemāku diapazonu (150–350 ° C) minimālam izturības zudumam vai lielākam diapazonam (400-650 °C) lai palielinātu elastību.
2. Mērcēšanas laiks: Tie notur daļu mērķa temperatūrā 1– 2 stundas, nodrošinot vienmērīgu transformāciju visās sadaļās līdz 50 mm biezs.
3. Dubultā rūdīšana: Lai samazinātu austenīta saglabāšanos un stabilizētu cietību, daudzi veikali veic divus secīgus rūdīšanas ciklus, bieži ar a 50 °C pieaugums starp cikliem.

Rūdīšanas laikā, martensīts sadalās ferītā un smalkos pārejas karbīdos (ε-karbīds zemā temperatūrā, cementīts augstā līmenī), un atlikušie spriegumi ievērojami samazinās.

Rūdīšanas priekšrocības

• Kontrolēta cietības samazināšana: Katrs 50 ° C rūdīšanas temperatūras paaugstināšanās parasti samazina cietību par 50-75 HV,
  ļaujot inženieriem pielāgot cietību no 700 HV (kā dzēsts) līdz 300 HV vai zemāk.
• Uzlabota stingrība: Triecienizturība var palielināties par 10– 20 J –20 °C, rūdīšanas laikā plkst 500 °C pret 200 ° C, ievērojami samazina trauslu lūzumu risku.
• Stresa mazināšana: Rūdīšana samazina atlikušos spriegumus par 40-60%, mazina deformācijas un plaisāšanu apkopes vai sekundārās apstrādes laikā.
• Uzlabota elastība: Rūdīts tērauds bieži sasniedz pagarinājumu 10-20%, salīdzinot ar <5% nerūdītā martensītā, uzlabojot izturību pret avārijām un noguruma ilgumu.

Rūdīšanas pielietojumi

• Augstas izturības konstrukciju tēraudi: 4140 sakausējums, rūdīts, tad rūdīts plkst 600 ° C, sasniedz 950 MPA stiepes izturība ar 12% pagarinājums — ideāli piemērots piedziņas vārpstām un asīm.
• Instrumentu tēraudi: A2 tērauds, gaisa dzesēta, tad dubultā rūdīta plkst 550 ° C, notur 58-60 HRC cietība, vienlaikus saglabājot izmēru stabilitāti griešanas temperatūrā.
• Nodilumizturīgi komponenti: Caurrūdīts un rūdīts 4340 ražu 52 HRC ar izcilu stingrību, apkalpo lieljaudas zobratus un rullīšus.

7. Secinājumi

Izmantojot atkvēlināšanu, normalizēšana, rūdīšana un rūdīšana, metalurgi veido mikrostruktūras, sākot no mīkstajām, no kaļamā ferīta līdz īpaši cietam martensītam — lai sasniegtu augstus veiktspējas mērķus.

Turklāt, šo metožu apvienošana secīgi nodrošina nepārspējamu elastību: dizaineri var panākt sarežģītus kompromisus starp spēku, izturība, nodilumizturība un izmēru stabilitāte.

Kā digitālā vadība, vakuuma krāsnis un ātra termiskās apstrādes attīstība, metālu termiskā apstrāde turpinās virzīt inovācijas visā automobiļu rūpniecībā, avi kosmosa, enerģētikas un instrumentu nozarēs.

Galu galā, apgūstot šos četrus stūrakmeņu procesus, inženieri spēj virzīt metālus un to pielietojumus krietni ārpus mūsdienu robežām..

Ja nepieciešams augstas kvalitātes termiskās apstrādes pakalpojumi, Šis ir ideāla izvēle jūsu ražošanas vajadzībām.

Sazinieties ar mums tūlīt!

 

FAQ

Kas atšķir atkvēlināšanu no normalizēšanas?

Rūdīšana koncentrējas uz mīkstināšanu un stresa mazināšanu, veicot lēnas darbības, krāsns dzesēšana, kas rada rupjus, viendabīgi graudi. Turpretī, normalizēšanai izmanto gaisa dzesēšanu, lai uzlabotu graudu izmēru un palielinātu izturību un stingrību.

Kā izvēlēties starp ūdeni, eļļas, un polimēru dzesētāji?

Ūdens nodrošina ātrāko dzesēšanu (≈ 500 °C/s) un augstākā cietība (līdz 650 HV) taču tas rada traucējumus.
Eļļa atdziest lēnāk (≈ 200 °C/s), samazinot deformāciju uz nedaudz zemākas cietības rēķina (≈ 600 HV).
Polimēru risinājumi ļauj iestatīt vidējo dzesēšanas ātrumu, līdzsvarojot cietību un izmēru kontroli.

Kāpēc veikt dubulto rūdīšanu?

Dubultā rūdīšana (divas secīgas noturēšanas nedaudz atšķirīgās temperatūrās) novērš saglabājušos austenītu, stabilizē cietību, un vēl vairāk mazina stresu,
kritisks instrumentu tēraudiem un komponentiem ar stingrām pielaides prasībām.

Kādas mikrostruktūras rodas katrā procesā?

Rūdīšana: Rupjais ferīts plus sferoidizēti karbīdi (tēraudos ar augstu C līmeni).
Normalizēšana: Smalks ferīts un perlīts.
Rūdīšana: Pārsātināts, adatveida martensīts.
Rūdījums: Rūdīts martensīts (ferīts plus smalkie karbīdi) ar samazinātu dislokācijas blīvumu.

Kā termiskās apstrādes atmosfēra ietekmē rezultātus?

Inerta vai reducējoša atmosfēra novērš oksidēšanos un dekarbonizāciju.

Turpretī, brīvdabas krāsnis riskē ar katlakmens veidošanos un oglekļa zudumu uz virsmas, kas var pasliktināt mehāniskās īpašības.

Vai krāsaino metālu sakausējumi var gūt labumu no šīm metodēm?

Jā. Alumīnija sakausējumi iegūst elastību un novērš darba sacietēšanu, izmantojot pārkristalizācijas atkvēlināšanu (400-600 °C).

Titāna sakausējumi bieži tiek apstrādāti ar šķīdumu un novecošana — dzesēšanas variants & rūdījums — lai sasniegtu augstu izturību un šļūdes pretestību.

Kādu toleranci man vajadzētu sagaidīt pēc normalizēšanas un atkausēšanas?

Normalizētajām daļām var būt ±0,1 mm pielaide; atkausētas daļas, vienmērīgi atdzesējot krāsnī, saglabāt ±0,05 mm precizitāti. Abas metodes samazina atlikušos spriegumus, kas izraisa deformāciju.

Kā samazināt traucējumus dzēšanas laikā & temperaments?

Biezām daļām izvēlieties maigāku dzesēšanas līdzekli.
Izmantojiet noteiktu maisīšanu, lai veicinātu vienmērīgu dzesēšanu.
Uzreiz pēc dzesēšanas veiciet kontrolētu rūdīšanu, lai mazinātu rūdīšanas radītos spriegumus.

Kurš process nodrošina vislabāko noguruma dzīves uzlabošanos?

Rūdīts martensīts parasti nodrošina vislabāko noguruma veiktspēju.

Pēc dzēšanas, rūdīt 500–600 °C, lai optimizētu stingrību, un jūs redzēsit parasto konstrukciju tēraudu noguruma mūža pieaugumu par 20–30%..

Kā digitālās vadības ierīces uzlabo metālu termisko apstrādi?

Uzlabotie krāsns kontrolieri izseko temperatūru līdz ±1 °C, automātiski pielāgot mērcēšanas laikus, un log termiskie cikli.

Šī uz datiem balstītā pieeja uzlabo atkārtojamību, samazina metāllūžņu likmes, un nodrošina, ka katra daļa atbilst tās mehāniskajām specifikācijām.