Термическая обработка в процессе литья по выплавляемым моделям

1. Введение

Термическая обработка является одним из наиболее важных этапов окончательной обработки при литье по выплавляемым моделям, поскольку состояние литья редко представляет собой окончательное механическое состояние, необходимое для проектируемой детали..

В широком металлургическом смысле, Термическая обработка относится к контролируемым операциям нагрева и охлаждения, используемым для изменения механических свойств., металлургическая структура, или остаточное напряженное состояние;

в алюминиевых сплавах, например, его часто используют специально для повышения прочности и твердости термообрабатываемых литых сплавов..

Детали, отлитые по выплавляемым моделям, могут иметь форму, близкую к чистой., но им все равно часто требуется настройка свойств после затвердевания.

Ключевым моментом является то, что литье по выплавляемым моделям создает геометрию., в то время как термическая обработка помогает повысить производительность.

Именно такое разделение труда делает этот процесс таким мощным в производстве с высокой добавленной стоимостью., особенно там, где точность размеров, металлургическая надежность, и срок службы все имеет значение сразу.

2. Что означает термообработка при литье по выплавляемым моделям

Термическая обработка в литье по выплавляемым моделям относится к контролируемому применению термических циклов к отлитому компоненту после затвердевания с целью целенаправленного изменения его внутренней структуры и свойств..

В зависимости от системы сплавов и конечного применения, это может включать в себя снятие стресса, Раствор лечение, старение, отжиг, нормализация, закалка, закалка, гомогенизирующий, или комбинации этих шагов.

В отличие от простого разогрева, Термическая обработка – это точная металлургическая операция..

Температурный профиль, время замачивания, скорость нагрева, метод охлаждения, атмосфера печи, и расположение нагрузки – все это влияет на конечный результат.

Литая деталь может выглядеть одинаково до и после обработки., но демонстрируют совершенно другое механическое поведение, коррозионная стойкость, и стабильность размеров.

В инвестиционном кастинге, необходимость термической обработки часто особенно велика, поскольку литые микроструктуры могут быть грубыми., изолированный, или термически напряженный.

Цель – сделать внутреннюю структуру более однородной., более стабильный, и более подходит для предполагаемых условий эксплуатации.

3. Основные пути термообработки семейства сплавов

Термическая обработка является одной из наиболее важных операций после литья в процессе литья по выплавляемым моделям..

Отливка может быть геометрически точной уже после затвердевания., но он еще не полностью спроектирован, пока его микроструктура не будет скорректирована для обеспечения необходимого сочетания прочности., твердость, пластичность, прочность, коррозионная стойкость, и стабильность размеров.

Точный маршрут термообработки зависит в первую очередь от семейство сплавов, потому что каждая металлургическая система по-разному реагирует на термоциклирование.

Термическая обработка стальных отливок по выплавляемым моделям

Стальные отливки по выплавляемым моделям охватывают широкий спектр сплавов., включая углеродные сталики, Сплавовые стали, нержавеющая сталь, инструментальные стали, и дисперсионно-твердеющие марки.

В отличие от алюминиевых отливок, которые полагаются в первую очередь на усиление осадков, стальные отливки могут потребовать нескольких различных термических маршрутов в зависимости от системы сплава и конечных требований к эксплуатации..

На практике, термообработка не является дополнительным этапом отделки стальных отливок по выплавляемым моделям.;

часто именно этот этап определяет, станет ли отливка мягкой и поддающейся механической обработке., твердый и износостойкий, прочный и ударопрочный, или стабильны по размерам и устойчивы к коррозии.

Ниже описаны наиболее распространенные способы термообработки стальных отливок..

Гомогенизация

Гомогенизация – это высокотемпературная обработка, используемая для снижения химическая сегрегация и вариации состава, образующиеся во время затвердевания.

Потому что стальные отливки охлаждаются из расплавленного состояния под сильными температурными градиентами., легирующие элементы могут локально концентрироваться в определенных областях микроструктуры..

Гомогенизация решает эту проблему путем нагревания отливки до температуры, близкой к, но ниже, солидус и удерживать его там достаточно долго, чтобы диффузия в твердом состоянии перераспределила легирующие элементы более равномерно..

Практическая ценность гомогенизации заключается в том, что она обеспечивает более однородные исходные металлургические условия..

Гомогенизированная отливка более устойчиво реагирует на последующие операции термообработки, такие как обработка раствором., закалка, или старение.

Это также снижает риск того, что локальные химические изменения приведут к неравномерным механическим характеристикам детали..

Термическая обработка раствора

Термическую обработку в растворе обычно применяют для аустенитные нержавеющие стали, дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали, и некоторые специализированные системы сплавов.

Целью является растворение нежелательных осадков и частиц второй фазы, образующихся во время литья и охлаждения., создание более однородной однофазной структуры.

В этом процессе, отливка нагревается до температуры растворения, где легирующие элементы полностью растворяются в базовой матрице.

После достаточного времени выдержки, деталь быстро закаливается, чтобы сохранить растворенные элементы в пересыщенном твердом растворе..

Это быстрое охлаждение имеет важное значение., поскольку медленное охлаждение приведет к повторному осаждению растворенных элементов и ослаблению предполагаемого эффекта обработки..

Термическая обработка на раствор особенно важна, когда конечные свойства сплава зависят от контролируемой микроструктуры, а не от литейного состояния..

Старение

Старение, также известный как дисперсионное твердение или возрастное упрочнение, используется после обработки на раствор при дисперсионно-твердеющих нержавеющих сталях и родственных сплавах..

Его цель – развить высокую прочность и твердость за счет формирования мелкозернистого материала., равномерно распределенные частицы второй фазы внутри матрицы сплава.

Во время старения, отливку повторно нагревают до температуры, значительно ниже температуры обработки раствором, и выдерживают в течение контролируемого периода времени..

На этом этапе, пересыщенные легирующие элементы выпадают в виде очень мелких частиц.

Эти частицы препятствуют движению дислокаций., что является основной причиной увеличения прочности и твердости..

Старение — высокоэффективный способ превратить коррозионностойкую, но механически умеренную отливку в высокопрочную конструкционную деталь..

Баланс между температурой, время, и размер осадка имеет решающее значение: недостаточное старение недостаточно развивает силу, в то время как чрезмерное старение может снизить пиковую твердость и изменить предполагаемый профиль свойств..

Нормализация

Нормализация широко используется для отливки из углеродистой и низколегированной стали.

Он предназначен для улучшения зеренной структуры литого изделия., облегчить остаточные стрессы, и улучшить механические свойства, а также обрабатываемость.

В нормализующемся цикле, отливка нагревается выше верхней критической температуры до полностью аустенитной области, а затем охлаждается на воздухе..

По сравнению с более медленным охлаждением, которое естественным образом происходит в керамической оболочке или после встряхивания., воздушное охлаждение обеспечивает более тонкую и однородную микроструктуру.

Эта доработка обычно увеличивает прочность., прочность, и стабильность размеров.

Нормализация часто используется в качестве первого этапа лечения в многоэтапном цикле..

Например, отливка может быть нормализована, а затем отпущена, или нормализованный, а затем закаленный и отпущенный, в зависимости от желаемого баланса свойств.

Закалка

Закалка используется для мартенситные нержавеющие стали, углеродные сталики, Сплавовые стали, и инструментальные стали когда требуется высокая твердость и высокая прочность.

Отливка нагревается до температуры аустенизации., при котором сталь полностью переходит в аустенит, а затем быстро закалено в масле, вода, полимерный раствор, или принудительная вентиляция, в зависимости от типа сплава и толщины сечения.

Быстрая закалка превращает структуру в мартенсит., жесткая и метастабильная фаза.

Это обеспечивает очень высокую твердость., но это также вносит хрупкость и значительные внутренние напряжения.

По этой причине, закалка сама по себе редко является заключительным этапом. Обычно за этим следует отпуск, чтобы отливку можно было использовать в реальной эксплуатации..

Закалка — это путь, используемый при повышении износостойкости., удержание края, или высокая статическая прочность более важны, чем формуемость или пластичность..

Закалка

Отпуск следует за закалкой и необходим для обеспечения работоспособности закаленной отливки..

Целью отпуска является снижение хрупкости закаленной мартенситной структуры при сохранении как можно большей прочности и твердости..

Закаленная отливка повторно нагревается до температуры значительно ниже нижней критической температуры.,

обычно в широком диапазоне в зависимости от сплава и целевых свойств, а затем выдерживается в течение определенного периода перед воздушным охлаждением.

Этот процесс снимает внутреннее напряжение., изменяет мартенситную структуру, и производит окончательное сочетание силы, твердость, и прочность, необходимая для использования.

Закалка – это не просто этап исправления; это часть дизайна окончательного набора свойств.

Отливка из закаленной стали без отпуска обычно слишком хрупкая для практического машиностроительного применения..

Сводная таблица

Термическая обработка алюминиевых отливок по выплавляемым моделям

Алюминиевые отливки по выплавляемым моделям основаны на другом металлургическом механизме, чем сталь..

Их реакция на термообработку основана, прежде всего, на растворное упрочнение и дисперсионное твердение, а не мартенситное превращение.

По этой причине, алюминиевые отливки обычно производятся в таких условиях, как Т4, Т6, Т61, и Т51, каждый из которых представляет собой различный баланс сил, пластичность, и стабильность размеров.

T4 — Термическая обработка раствора

Состояние Т4 создается путем термообработки отливки на раствор для растворения ключевых легирующих элементов в алюминиевой матрице., с последующей закалкой водой для сохранения их в пересыщенном твердом растворе..

Это условие часто выбирают, когда требуются хорошая формуемость и умеренная прочность..

Инженерное назначение:

• Обеспечить умеренные механические характеристики.
• Сохраняют лучшую формуемость, чем в условиях полного старения.
• Создайте стабильную отправную точку для последующей холодной обработки или дальнейшего старения.

T4 часто используется, когда отливка все еще подвергается формованию или когда приоритеты проектирования не сосредоточены на максимальной прочности..

T6 — Термическая обработка на раствор и искусственное старение

T6 является наиболее широко используемым и наиболее важным условием термообработки алюминиевых отливок..

Состоит из термической обработки раствора., Утоивание воды, а затем искусственное старение при контролируемой повышенной температуре.

Этот метод широко используется для конструкционных отливок, поскольку он обеспечивает наиболее строгий стандартный баланс механических свойств..

Инженерное назначение:

• Максимизируйте силу
• Увеличение твердости
• Обеспечить стандартный уровень промышленных характеристик для несущих отливок.

Для многих алюминиевых литейных сплавов, T6 — это исходное состояние, когда основной целью являются механические характеристики..

T61 — Термическая обработка на раствор и контролируемое искусственное старение

Т61 — модифицированная версия Т6.. Обычно это возрастное состояние., это означает, что он жертвует небольшим количеством прочности в обмен на улучшенную проводимость и более контролируемый баланс свойств..

Инженерное назначение:

• Немного уменьшите пик силы Т6.
• Улучшить проводимость
• Обеспечьте другой баланс свойств сервиса.

T61 полезен, когда электрические или тепловые характеристики имеют большее значение, чем абсолютные механические максимумы..

T51 — Снятие стресса посредством прямого искусственного старения

Т51 используется, когда отливка искусственно состаривается непосредственно из литого или термически стабилизированного состояния., без полной обработки раствора и закалки Т6.

Это состояние обеспечивает меньшую прочность, чем T6., но это дает большое преимущество в стабильности размеров..

Инженерное назначение:

• Минимизируйте остаточное напряжение
• Улучшение размерной согласованности
• Снижение риска искажений в прецизионных сборках

T51 особенно ценен для отливок, где стабильность геометрии важнее максимальной прочности..

Отливки по выплавляемым моделям из суперсплавов на основе никеля

Отливки на основе никеля относятся к более требовательной категории характеристик., особенно в аэрокосмической отрасли, власть, и других средах с повышенной температурой.

Обработка раствором для обеспечения микроструктурной однородности

В литых суперсплавах на основе никеля, этап обработки раствора направлен на уменьшение дендритной химической неоднородности, унаследованной от затвердевания..

Микроструктура после литья обычно химически неоднородна., а обработка раствором помогает перераспределить легирующие элементы, благодаря чему материал более стабильно реагирует на эксплуатацию.

Это основная причина, по которой термический цикл может сильно влиять на характеристики ползучести..

Старение ради развития силы

После решения, старение приводит к укреплению структуры осадка.

В суперсплавах, Связь между термообработкой и эксплуатационными свойствами особенно тесная, поскольку сопротивление ползучести, высокотемпературная прочность, и долговременная стабильность во многом зависят от того, как развивается структура осадка..

Вот почему литые суперсплавы на основе никеля часто подвергаются термообработке в контролируемой атмосфере или вакууме., в зависимости от чувствительности к окислению и требований к качеству.

Контроль атмосферы имеет значение

Термическую обработку литого сплава на основе никеля можно проводить в таких атмосферах, как экзотермическая, эндотермический, сухой водород, сухой аргон, или вакуум.

Это важно, поскольку среда термообработки может влиять на окисление., Поверхностное состояние, и последующее финишное поведение.

Для дорогостоящего литья, контроль атмосферы является частью системы качества, не просто деталь печи.

Отливки по выплавляемым моделям на основе кобальта

Отливки по выплавляемым моделям на основе кобальта занимают другую, но не менее важную нишу..

Их используют в износостойких, устойчивый к коррозии, и биомедицинские приложения, и их поведение при термообработке часто связано с выделением карбидов., матричная стабилизация, и контроль твердости.

Недавние исследования сплавов на основе кобальта, отлитых по выплавляемым моделям, показывают, что термическая обработка может значительно изменить как микроструктуру, так и твердость., в том числе путем изменения морфологии и распределения карбидов.

Для высокоуглеродистых суперсплавов на основе кобальта, Термическое воздействие может преобразовать отлитую междендритную карбидную сетку в другие формы карбидов с течением времени и при повышении температуры.,

а это значит, что график термообработки напрямую влияет на конечный баланс прочности и стабильности.

Другими словами, отливки на основе кобальта не подвергаются термической обработке просто для «снятия напряжения».; они подвергаются термической обработке для обеспечения очень специфической металлургии, основанной на карбидах..

4. Где термообработка подходит для рабочего процесса литья по выплавляемым моделям

Термическую обработку обычно проводят после затвердевания отливки., был удален из оболочки, и очищен от литников и остатков паковочного материала.

Во многих рабочих процессах, правка или грубая механическая обработка могут происходить до или после термообработки в зависимости от чувствительности к деформации и поведения сплава..

Точная последовательность — это процессуальное решение., не универсальное правило, потому что каждый сплав по-разному реагирует на термическое воздействие и механическое воздействие..

Практический способ думать о потоке таков::

1. Создание выкройки и ракушки
2. Заливка и затвердевание
3. Нокаутировать / удаление оболочки
4. Чистка и демонтаж ворот
5. Термическая обработка
6. Выпрямление, механическая обработка, или финальная отделка
7. Инспекция и сертификация

Последовательность выбрана таким образом, чтобы избежать захвата напряжений., подавлять ненужные искажения, и сохранить преимущества в размерах, которые изначально сделали литье по выплавляемым моделям привлекательным..

5. Ключевые переменные процесса, которые контролируют результаты

Температура

Температура определяет, просто ли обработка снимает напряжение или фундаментально меняет фазовую структуру и поведение осадков..

Для дисперсионно-твердеющих сплавов, температурное окно имеет решающее значение: слишком низко, и трансформация неполная; слишком высокий, деталь может потерять заданную микроструктуру или начать плавиться в уязвимых местах..

Время

Время удержания определяет, насколько далеко пройдут изменения, вызванные диффузией..

В суперсплавах на основе никеля, график обработки раствором может быть длительным и дорогостоящим, но необходимо растворить нежелательные наследственные фазы и гомогенизировать литой структуру.

Атмосфера

Атмосфера в печи имеет большое значение, поскольку окисление и загрязнение могут ухудшить качество поверхности и усложнить последующую отделку..

Термическую обработку литого сплава на основе никеля можно проводить в таких атмосферах, как экзотермическая, эндотермический, сухой водород, сухой аргон, или вакуум, в зависимости от сплава и требований к качеству.

Степень закалки

Закалка – это не просто охлаждение; это этап структурного «замораживания».

Скорость охлаждения определяет, сохраняется ли состояние высокотемпературного раствора достаточно долго, чтобы последующее старение работало по назначению..

Если закалка происходит слишком медленно, сплав может потерять часть потенциала упрочнения, который он только что развил..

Крепление и геометрия детали

Крупногабаритные или тонкостенные отливки особенно чувствительны к деформации при нагреве и закалке..

Сочетание температурных градиентов и остаточных напряжений может привести к короблению., крутить, или размерный дрейф, поэтому крепление и расположение нагрузки являются частью проекта термообработки..

6. Преимущества, Компромиссы, и общие риски

Преимущества термической обработки очевидны.: более сильные механические свойства, лучшая стабильность размеров после снятия напряжений, улучшенная микроструктурная однородность, и улучшение характеристик конкретного сплава, например сопротивление ползучести или износостойкость..

Для высокотемпературных отливок на основе никеля, значение может иметь решающее значение; для алюминиевых отливок, он часто определяет окончательный класс использования детали.

Компромиссы одинаково реальны. Термическая обработка увеличивает стоимость, время, использование энергии, и сложность процесса.

Это также вносит риск: искажение, закалочное растрескивание, образование оксидов, перестарение, несовершеннолетний, или разброс свойств, если однородность температуры плохая.

Вот почему термический цикл следует рассматривать как контролируемый производственный процесс, а не как обычную работу печи..

Другими словами, термическая обработка ценна, потому что она улучшает деталь, но именно здесь хороший кастинг может быть поставлен под угрозу, если не соблюдать окно процесса..

7. Будущие тенденции

Будущее термообработки при литье по выплавляемым моделям движется в сторону более жесткого контроля процесса., более короткие циклы, лучшая симуляция, и более энергоэффективная работа печи.

Для дорогостоящих отливок, особенно суперсплавы, существует сильная мотивация сократить дорогостоящие длительные обработки растворами без ущерба для качества микроструктуры..

Литература по монокристаллическим и направленно затвердевшим суперсплавам показывает, что циклы растворения могут быть длительными и дорогостоящими., что создает явный стимул для оптимизации конструкции термообработки..

Другое направление — более тесная интеграция моделирования литья и термической обработки..

Если история затвердевания лучше прогнозируется, график термообработки может быть выбран более разумно, сокращение количества проб и ошибок и снижение риска остаточного напряжения или искажений.

Это естественный следующий шаг к созданию высоконадежного литья по выплавляемым моделям..

8. Заключение

Термическая обработка не является второстепенной операцией при литье по выплавляемым моделям.; это один из процессов, определяющих, станет ли отливка высокопроизводительной деталью..

В алюминиевых системах обеспечивает дисперсионное усиление., в суперсплавах на основе никеля устраняет наследственность затвердевания и поддерживает сопротивление ползучести., в сплавах на основе кобальта улучшает микроструктуру, а в стальных отливках устанавливает окончательный имущественный баланс.

Общей темой является то, что литье по выплавляемым моделям придает детали форму., но термическая обработка придает ему полезные инженерные свойства..

Когда тепловой цикл спроектирован правильно, в результате получается отливка, имеющая не только почти чистую форму, но также готов к обслуживанию.

Когда он плохо спроектирован, деталь может потерять те самые преимущества, которые должно было обеспечить литье по выплавляемым моделям..

Вот почему термообработку следует рассматривать как основное проектное решение., не последняя мысль.

 

Часто задаваемые вопросы

Всегда ли требуется термообработка при литье по выплавляемым моделям??

Нет. Некоторые отливки используются в литом состоянии., но многие ответственные детали нуждаются в термической обработке для достижения необходимой прочности., пластичность, стрессовое состояние, или высокотемпературное исполнение.

Почему литые суперсплавы так сильно зависят от термической обработки??

Поскольку литая структура суперсплава содержит дендритную химическую неоднородность и фазы, унаследованные от затвердевания..

Термическая обработка раствора и старение используются для исправления и оптимизации этой микроструктуры..

Меняет ли термообработка размеры?

Да. Термическая обработка может снять или перераспределить остаточное напряжение., и это также может вызвать искажение, если тепловой цикл, приспособление, или закалка не контролируется должным образом.

Почему важна атмосфера в печи?

Потому что атмосфера влияет на окисление и состояние поверхности при нагреве..

Для литья из сплавов на основе никеля, ASM отмечает, что для отжига или обработки раствора обычно используются вакуум и атмосфера защитного газа..

В чем основное преимущество термической обработки алюминиевых отливок??

Основное преимущество – усиление осадков.: сплав нагревается, закаленный, и состаренный, поэтому он приобретает гораздо более высокую прочность и твердость, чем в литом состоянии..