Топлотна обрада у процесу ливења

1. Увођење

Топлотна обрада је једна од најважнијих завршних фаза у ливењу, јер стање ливења ретко представља коначно механичко стање које је потребно пројектованом делу..

У широком металуршком смислу, топлотна обрада се односи на контролисане операције грејања и хлађења које се користе за промену механичких својстава, металуршке структуре, или стање резидуалног напрезања;

у легурама алуминијума, на пример, често се користи посебно за подизање чврстоће и тврдоће ливених легура које се обрађују топлотом.

Делови ливени за улагање могу бити облика скоро мреже, али им је и даље често потребно подешавање својстава након учвршћивања.

Кључна ствар је да ливење по инвестицији ствара геометрију, док топлотна обрада помаже у стварању перформанси.

Та подела рада је оно што чини процес тако моћним у производњи високе вредности, посебно тамо где је прецизност димензија, металуршка поузданост, и животни век је важан одједном.

2. Шта значи термичка обрада у ливеном ливењу

Термичка обрада у Инвестициони ливење односи се на контролисану примену термичких циклуса на ливену компоненту након очвршћавања како би се променила њена унутрашња структура и својства на намеран начин.

У зависности од система легуре и коначне примене, ово може укључивати ослобађање од стреса, третман раствором, старење, враголовање, нормализација, гашење, каљење, хомогенизујући, или комбинације ових корака.

За разлику од једноставног загревања, топлотна обрада је прецизна металуршка операција.

Профил температуре, време намакања, стопа грејања, начин хлађења, Атмосфера пећи, и распоред оптерећења утичу на коначни резултат.

Гипсана компонента може изгледати идентично пре и после третмана, ипак показују драматично другачије механичко понашање, отпорност на корозију, и димензионална стабилност.

У инвестиционом ливењу, потреба за топлотном обрадом је често посебно јака јер ливене микроструктуре могу бити грубе, одвојено, или термички напрегнути.

Циљ је да се унутрашња структура учини уједначенијим, стабилнији, и прикладнији за предвиђено стање услуге.

3. Главни путеви термичке обраде по породици легура

Топлотна обрада је једна од најкритичнијих операција после ливења у процесу ливења.

Одливање може већ бити геометријски тачно након очвршћавања, али још увек није у потпуности пројектован све док његова микроструктура није прилагођена да пружи потребну комбинацију чврстоће, тврдоћа, дуктилност, жилавост, отпорност на корозију, и димензионална стабилност.

Тачан начин термичке обраде зависи пре свега од породица легуре, јер сваки металуршки систем различито реагује на термички циклус.

Топлотна обрада челичних ливених одливака

Челични ливени одливци обухватају широку породицу легура, укључујући Царбон Цлеел, легура челика, нехрђајући челичан, челици алата, and precipitation-hardening grades.

За разлику од алуминијумских одливака, који се првенствено ослањају на падавинско јачање, челични одливци могу захтевати неколико различитих термичких путева у зависности од система легуре и захтева за крајњу услугу.

У пракси, термичка обрада није опциони корак за завршну обраду челичних ливених ливења;

често је фаза која одређује да ли ће ливење постати мекано и погодно за машинску обраду, тврда и отпорна на хабање, чврст и отпоран на ударце, или димензионално стабилан и спреман за корозију.

Најчешћи путеви термичке обраде челичних ливених одливака су описани у наставку.

Хомогенизација

Хомогенизација је третман на високим температурама који се користи за смањење хемијска сегрегација и композиционе варијације које настају током очвршћавања.

Пошто се челични одливци хладе из растопљеног стања под јаким топлотним градијентима, легирајући елементи могу постати локално концентрисани у одређеним деловима микроструктуре.

Хомогенизација ово решава загревањем одливака на температуру близу, али испод, солидус и држи га тамо довољно дуго да дифузија у чврстом стању равномерније редистрибуира легирајуће елементе.

Практична вредност хомогенизације је у томе што производи уједначеније металуршко почетно стање.

Одлив који је хомогенизован конзистентније реагује на касније операције топлотне обраде као што је третман раствором, каљење, или старење.

Такође смањује ризик да ће локализоване хемијске варијације изазвати неуједначене механичке перформансе на делу.

Топлотна обрада раствора

Топлотна обрада раствора се обично примењује на аустенитних нерђајућих челика, нерђајући челици који очвршћавају преципитацијом, и одређене специјализоване системе легура.

Циљ је растварање нежељених талога и честица друге фазе настале током ливења и хлађења, стварање хомогеније једнофазне структуре.

У овом процесу, ливење се загрева до температуре раствора, где легирајући елементи постају потпуно растворљиви у основној матрици.

Након довољног времена држања, део се брзо гаси да би се растворени елементи задржали у презасићеном чврстом раствору.

Ово брзо хлађење је неопходно, јер би споро хлађење омогућило да се растворени елементи поново таложе и ослабе предвиђени ефекат третмана.

Топлотна обрада раствора је посебно важна када коначна својства легуре зависе од контролисане микроструктуре, а не од стања ливења.

Старење

Старење, такође познат и као падавина очвршћавања или старостно очвршћавање, користи се након третмана раствором у нерђајућим челицима и сродним легурама који се стврдњавају.

Његова сврха је да развије високу чврстоћу и тврдоћу формирањем финог, равномерно распоређене честице друге фазе унутар матрице легуре.

Током старења, ливење се поново загрева на температуру знатно испод температуре обраде раствора и држи контролисано време.

У овој фази, презасићени легирајући елементи се таложе као врло фине честице.

Ове честице ометају кретање дислокације, што је основни разлог повећања снаге и тврдоће.

Старење је веома ефикасан начин за претварање одливака отпорног на корозију, али механички умереног, у инжењерску компоненту високе чврстоће.

Равнотежа између температуре, време, а величина преципитата је критична: недовољно старење недовољно развија снагу, док прекомерно старење може смањити вршну тврдоћу и променити предвиђени профил својстава.

Нормализација

Нормализација се широко користи за угљенични челик и одливци од нисколегираног челика.

Дизајниран је да побољша структуру као ливеног зрна, ослободити заостала напрезања, и побољшати механичка својства као и обрадивост.

У циклусу нормализације, ливење се загрева изнад горње критичне температуре у потпуно аустенитну област и затим се хлади на ваздуху.

У поређењу са споријим хлађењем које се природно дешава у керамичкој љусци или након истресања, ваздушно хлађење производи финију и униформнију микроструктуру.

Та префињеност генерално побољшава снагу, жилавост, и димензионална стабилност.

Нормализација се често користи као третман прве фазе у вишестепеном циклусу.

На пример, ливење се може нормализовати, а затим темперирати, или нормализован, а затим угашен и каљен, у зависности од жељеног биланса својстава.

Стврдњавање

Очвршћавање се користи за Мартенситски нерђајући челик, Царбон Цлеел, легура челика, и алатних челика када је потребна велика тврдоћа и велика чврстоћа.

Одливање се загрева до температуре аустенитизације, при чему се челик потпуно претвара у аустенит, а затим брзо угашен у уљу, водити воду, раствор полимера, или принудни ваздух, у зависности од врсте легуре и дебљине пресека.

Брзо гашење трансформише структуру у мартензит, тврда и метастабилна фаза.

Ово производи веома високу тврдоћу, али уноси и кртост и значајан унутрашњи стрес.

Из тог разлога, очвршћавање је ретко само по себи завршни корак. Обично је праћено каљењем да би се ливење учинило употребљивим у стварној употреби.

Очвршћавање је пут који се користи када је отпорност на хабање, задржавање ивица, или висока статичка чврстоћа важнија су од формабилности или дуктилности.

Ублажавање

Каљење прати стврдњавање и неопходно је да се очврсли одливци могу користити.

Сврха каљења је да се смањи крхкост угашене мартензитне структуре уз очување што веће снаге и тврдоће.

Очврсли одлив се поново загрева на температуру знатно испод доње критичне температуре,

обично у широком опсегу у зависности од легуре и циљних својстава, а затим се држи дефинисани период пре хлађења ваздухом.

Овај процес ублажава унутрашњи стрес, модификује мартензитну структуру, и производи коначну комбинацију снаге, тврдоћа, и жилавост потребна за употребу.

Каљење није само корак корекције; део је дизајна коначног скупа својстава.

Ливење од каљеног челика без каљења је обично превише крто за практичне инжењерске примене.

Резиме табела

Топлотна обрада алуминијумских ливених одливака

Одливци алуминијума се ослањају на другачији металуршки механизам од челика.

Њихов одговор на термичку обраду првенствено се заснива на учвршћивање раствора и очвршћавање падавинама, а не мартензитна трансформација.

Из тог разлога, алуминијумски одливци се обично производе у условима као што су Т4, Т6, Т61, и Т51, од којих свака представља другачији однос снага, дуктилност, и димензионална стабилност.

Т4 — Топлотна обрада раствора

Стање Т4 се ствара топлотном обрадом одливака раствором како би се кључни елементи легуре растворили у алуминијумској матрици, након чега следи гашење водом да би се задржали у презасићеном чврстом раствору.

Овај услов се често бира када је потребна добра формабилност и умерена чврстоћа.

Инжењерска сврха:

• Обезбеђују умерене механичке перформансе
• Очувајте бољу формабилност од услова потпуног одлежавања
• Створите стабилну полазну тачку за каснији рад на хладном или даље старење

Т4 се често користи када ће ливење и даље бити подвргнуто обликовању или када приоритети дизајна нису усредсређени на максималну снагу.

Т6 — Термичка обрада раствора и вештачко старење

Т6 је најраспрострањенији и најважнији услов термичке обраде за ливење алуминијума.

Састоји се од топлотне обраде раствора, гашење воде, а затим и вештачко старење на контролисаној повишеној температури.

Ова рута је широко специфицирана за структурне ливење јер пружа најјачи стандардни баланс механичких својстава.

Инжењерска сврха:

• Максимизирајте снагу
• Повећајте тврдоћу
• Обезбедите стандардни индустријски ниво перформанси за носеће одливе

За многе легуре за ливење алуминијума, Т6 је референтни услов када су механичке перформансе примарни циљ.

Т61 — Термичка обрада раствором и контролисано вештачко старење

Т61 је модификована верзија Т6. То је генерално стање престарелости, што значи да жртвује малу количину снаге у замену за побољшану проводљивост и контролисану равнотежу својстава.

Инжењерска сврха:

• Мало смањите врх снаге Т6
• Побољшати проводљивост
• Обезбедите другачији баланс својстава услуге

Т61 је користан када су електричне или термичке перформансе важније од апсолутних механичких максимума.

Т51 — Ослобађање од стреса директним вештачким старењем

Т51 се користи када је одлив вештачки остарио директно из ливеног или термички стабилизованог стања, без комплетне секвенце третмана раствором и гашења Т6.

Ово стање производи нижу снагу од Т6, али нуди велику предност у стабилности димензија.

Инжењерска сврха:

• Минимизирајте преостали стрес
• Побољшајте конзистентност димензија
• Смањите ризик од изобличења у прецизним склоповима

Т51 је посебно вредан за ливење где је стабилност геометрије важнија од максималне чврстоће.

Одливци суперлегура на бази никла

Одливци на бази никла заузимају захтевнију категорију перформанси, посебно у ваздухопловству, моћ, и друге средине са повишеном температуром.

Третман раствором за уједначеност микроструктуре

У ливеним суперлегурама на бази никла, корак третмана раствора има за циљ смањење дендритске хемијске нехомогености наслеђене од очвршћавања.

Микроструктура након ливења је типично хемијски неуједначена, а третман раствором помаже у прерасподели легирајућих елемената тако да материјал доследније реагује у раду.

Ово је главни разлог зашто термички циклус може снажно утицати на перформансе пузања.

Старење за развој снаге

После решавања, старењем се развија јача структура преципитата.

У суперлегурама, однос између термичке обраде и сервисних својстава је посебно чврст јер отпорност на пузање, чврстоћа на високој температури, и дугорочна стабилност у великој мери зависе од тога како се структура преципитата развија.

Због тога се ливене суперлегуре на бази никла често термички обрађују у контролисаној атмосфери или у вакууму, у зависности од оксидационе осетљивости и захтева за квалитет.

Контрола атмосфере је важна

Топлотна обрада легуре ливеног никла може се вршити у атмосферама као што је егзотермна, ендотермни, суви водоник, суви аргон, или вакуум.

Ово је важно јер окружење термичке обраде може утицати на оксидацију, стање површине, и низводно понашање завршне обраде.

За одливање високе вредности, контрола атмосфере је део система квалитета, не само детаљ пећи.

Одливци на бази кобалта

Одливци на бази кобалта заузимају другачију, али подједнако важну нишу.

Користе се у отпорним на хабање, отпоран на корозију, и биомедицинске примене, а њихово понашање при термичкој обради је често повезано са еволуцијом карбида, стабилизација матрице, и контролу тврдоће.

Недавне студије о легурама на бази кобалта ливених за улагање показују да топлотна обрада може значајно променити и микроструктуру и тврдоћу, укључујући и променом морфологије и дистрибуције карбида.

За суперлегуре на бази кобалта са високим садржајем угљеника, топлотно излагање може да трансформише као ливену интердендритску карбидну мрежу у друге карбидне облике током времена и температуре,

што значи да распоред термичке обраде директно утиче на коначну равнотежу снаге и стабилности.

Другим речима, одливци на бази кобалта нису термички обрађени само да би се „олакшао стрес“; они су термички обрађени да би управљали веома специфичном металургијом вођеном карбидом.

4. Где се топлотна обрада уклапа у радни ток ливења

Термичка обрада се обично поставља након што се ливење очврсне, уклоњено из љуске, и очишћена од капије и заосталог инвестиционог материјала.

У многим токовима рада, исправљање или груба обрада може се десити пре или после термичке обраде у зависности од осетљивости на изобличење и понашања легуре.

Тачан редослед је одлука процеса, није универзално правило, јер свака легура различито реагује на термичко излагање и механичко руковање.

Ово је практичан начин размишљања о току:

1. Креирање шара и шкољке
2. Изливање и учвршћивање
3. Кноцкоут / уклањање шкољке
4. Чишћење и уклањање капија
5. Топлотни третман
6. Исправљање, обрада, или завршну дораду
7. Инспекција и сертификација

Редослед је изабран да се избегне заробљавање напона, потиснути непотребно изобличење, и сачувати димензионалне предности које су инвестиционо ливење на првом месту учиниле атрактивним.

5. Кључне варијабле процеса које контролишу резултате

Температура

Температура одређује да ли третман само ослобађа стрес или суштински мења фазну структуру и понашање падавина.

За легуре које се стврдњавају на таложење, температурни прозор је критичан: прениско, а трансформација је непотпуна; превисоко, а део може изгубити предвиђену микроструктуру или претрпети почетно топљење у рањивим областима.

Време

Време задржавања контролише колико далеко напредују промене изазване дифузијом.

У суперлегурама на бази никла, распоред третмана раствором може бити дуг и скуп, али је потребно да би се раствориле непожељне наслеђене фазе и хомогенизовала ливена структура.

Атмосфера

Атмосфера пећи је битна јер оксидација и контаминација могу деградирати квалитет површине и искомпликовати дораду.

Топлотна обрада легуре ливеног никла може се вршити у атмосферама као што је егзотермна, ендотермни, суви водоник, суви аргон, или вакуум, у зависности од легуре и захтева квалитета.

Угасити озбиљност

Гашење није само хлађење; то је структурални корак „замрзавања“..

Брзина хлађења одређује да ли се стање раствора на високој температури задржава довољно дуго да касније старење функционише како је предвиђено.

Ако је гашење сувише споро, легура може изгубити део потенцијала за јачање који је управо развила.

Фиксирање и геометрија делова

Одливци великих или танких зидова су посебно осетљиви на изобличење током загревања и гашења.

Комбинација термичких градијената и заосталих напрезања може изазвати деформацију, твист, или димензионални дрифт, тако да су причвршћивање и распоред оптерећења део дизајна термичке обраде.

6. Бенефиције, Компромиси, и заједнички ризици

Предности топлотне обраде су јасне: јача механичка својства, боља стабилност димензија након растерећења, побољшана микроструктурна униформност, и побољшања перформанси специфичних за легуру као што су отпорност на пузање или отпорност на хабање.

За ливење на бази никла при високим температурама, вредност може бити одлучујућа; за одливке од алуминијума, често дефинише коначну класу употребе дела.

Компромиси су подједнако стварни. Топлотна обрада повећава трошкове, време, коришћење енергије, и сложеност процеса.

Такође уводи ризик: дисторзија, гасити пуцање, формирање оксида, прекомерно старење, недовољно старење, или расипање својстава ако је уједначеност температуре лоша.

Због тога се термички циклус мора третирати као контролисан производни процес, а не као генерички рад пећи.

Другим речима, топлотна обрада је драгоцена јер побољшава део, али то је такође место где се добар ливење може угрозити ако се не поштује прозор процеса.

7. Будући трендови

Будућност топлотног третмана у ливењу се креће ка строжој контроли процеса, краћи циклуси, боља симулација, и енергетски ефикаснији рад пећи.

За одливке високе вредности, посебно суперлегура, постоји јака мотивација за скраћивање скупих дуготрајних третмана раствором без жртвовања микроструктурног квалитета.

Литература о монокристалним и усмерено очврснутим суперлегурама показује да циклуси раствора могу бити дуги и скупи, што ствара јасан подстицај за оптимизован дизајн топлотне обраде.

Други правац је јача интеграција између симулације ливења и термичке обраде.

Ако се историја очвршћавања боље предвиди, распоред термичке обраде може се изабрати интелигентније, смањење покушаја и грешака и смањење ризика од преосталог напрезања или изобличења.

То је природни следећи корак за високопоуздано ливење.

8. Закључак

Топлотна обрада није секундарна операција у ливењу; то је један од процеса који дефинише да ли ливење постаје део високих перформанси.

У алуминијумским системима омогућава ојачање падавина, у суперлегурама на бази никла уклања наслеђе очвршћавања и подржава отпорност на пузање, у легурама на бази кобалта оплемењује микроструктуру, а код челичних одливака успоставља коначан својствени биланс.

Заједничка тема је да ливење по инвестицији даје облик делу, али топлотна обрада даје му употребљиво инжењерско понашање.

Када је термички циклус добро осмишљен, резултат је одлив који није само облика скоро мреже, али и спреман за сервис.

Када је лоше дизајниран, део може изгубити саме предности које је ливење по инвестицији требало да пружи.

Због тога топлотна обрада заслужује да се третира као кључна дизајнерска одлука, не завршно размишљање.

 

Често постављана питања

Да ли је топлотна обрада увек потребна за ливене ливене?

Не. Неки одливци се користе у стању одливака, али многим критичним деловима је потребна топлотна обрада да би се постигла потребна чврстоћа, дуктилност, стресно стање, или перформансе на високим температурама.

Зашто ливене суперлегуре толико зависе од термичке обраде?

Будући да ливена суперлегирана структура садржи дендритску хемијску нехомогеност и наслеђене фазе од очвршћавања.

Топлотна обрада раствора и старење се користе за корекцију и оптимизацију те микроструктуре.

Да ли топлотна обрада мења димензије?

Да. Топлотна обрада може ублажити или прерасподелити заостали стрес, а такође може изазвати изобличење ако термички циклус, причвршћивање, или гашење није правилно контролисано.

Зашто је важна атмосфера у пећи?

Јер атмосфера утиче на оксидацију и стање површине током загревања.

За ливене легуре на бази никла, АСМ напомиње да се вакуум и атмосфера заштитног гаса обично користе за жарење или третман раствора.

Која је главна предност термичке обраде у одливцима алуминијума?

Главна предност је јачање падавина: легура се загрева, угашен, и стари тако да развија много већу чврстоћу и тврдоћу него у ливеном стању.