Термічна обробка металів: 4 Загальні методи

Вміст показувати

1. Вступ

Термічна обробка металів лежить в основі сучасної металургії, дозволяючи інженерам пристосовувати властивості металу до вимог застосування.

Від ковалів давнини, які занурювали розпечене залізо у воду, до сучасних вакуумних печей з комп’ютерним керуванням, дисципліна переросла в сувору науку.

Більше, як аерокосмічна, Автомобільна та енергетична галузі використовують матеріали до своїх меж, опанування теплових циклів ніколи не мало такого великого значення.

У цій статті, ми зосереджуємось на чотирьох найпоширеніших процесах термічної обробки — відпалі, нормалізуючий, гасіння, і відпуск — показуючи, як кожен метод перетворює мікроструктуру, підвищує продуктивність, і продовжує термін служби компонентів.

2. Основи термічної обробки металів

У своїй основі, термічна обробка металів використовує фазові перетворення та кінетику дифузії, які відбуваються, коли сплави нагріваються вище або охолоджуються нижче критичних температур.

У сталі, наприклад, Аустеніт (γ-залізо) форми вище 723 ° C, при цьому ферит (праска) і цементит (Fe₃C) переважають нижче цього порогу.

Інженери консультуються Час-Температура-Трансформація (Т-Т-Т) діаграми для прогнозування ізотермічних продуктів, таких як перліт або бейніт,

і Безперервне охолодження-перетворення (C-C-T) криві для проектування швидкостей охолодження, які дають мартенсит.

Чотири механізми визначають результат:

дифузія: При підвищених температурах (500–1200 °C), атоми мігрують, утворюючи або розчиняючи фази.
Зародження: Частинки нової фази з'являються на границях зерен, включення або дислокації.
зростання: Після зародження, ці частинки споживають материнську фазу.
Перекристалізація: Під напругою, нова форма вільних від штамів зерен, уточнення мікроструктури.

Крім того, успіх залежить від жорсткого контролю чотирьох змінних: температура, час утримання, атмосфера (повітря, інертний, вакуум, скорочення) і швидкість охолодження.

Навіть відхилення на ±10 °C або різниця в часі замочування на кілька хвилин може змінити кінцеву мікроструктуру з міцного перліту на крихкий мартенсит..

3. Відпал

Відпал перетворює загартовані або холоднооброблені метали на м'які, Герцоги, і розмірно стабільні матеріали.

Шляхом обережного нагрівання та охолодження, металурги усувають внутрішні напруги, гомогенізувати мікроструктури, і підготувати компоненти для подальшого формування або механічної обробки.

Процес відпалу

Нагрівання: Для низьковуглецевих сталей (≤ 0.25 % C), нагрійте рівномірно до 700–750 °C. Навпаки, Алюмінієві сплави отримують рекристалізаційними відпалами при 400–600 °C, в залежності від системи сплаву.
Замочування: Підтримуйте температуру протягом 1–2 годин у печі з контрольованою атмосферою (інертні або відновні) для запобігання окисленню або зневуглецюванню.
Охолодження: Охолоджуйте всередині печі зі швидкістю приблизно 30–50 °C/год.
Повільне охолодження сприяє укрупненню карбіду в сталях і запобігає температурним градієнтам, які можуть знову викликати напругу.

Більше, при сфероїдізації високовуглецевих сталей (0.60–1,00 % C), техніки тримають на 700–750 °C протягом 10-20 годин, потім охолодіть менше ніж 10 °C/год.

Цей розширений цикл перетворює пластинчастий перліт в округлі карбідні конкреції, зниження твердості до 200–250 HV.

Переваги відпалу

Покращена пластичність: Відпалені низьковуглецеві сталі зазвичай досягають вище подовження 30 %,
порівняно з 15–20 % у рулонному матеріалі, можливість складного штампування і глибокої витяжки без руйнування.
Зняття залишкового стресу: Внутрішні напруження зменшуються до 80 %, що значно зменшує викривлення під час подальшої механічної обробки або зварювання.
Однорідність мікроструктури: Розміри зерен уточнюються або стабілізуються за класами ASTM 5–7 (≈ 10–25 мкм), забезпечує постійні механічні властивості та жорсткі допуски на розміри (± 0.05 мм).
Покращена оброблюваність: Зниження твердості з ~260 HV до ~200 HV подовжує термін служби різального інструменту на 20–30 % і зменшує дефекти обробки поверхні.

Крім того, сфероїдні сталі демонструють високу формувальність — сферичні карбіди діють як резервуари мастила під час формування, одночасно спрощуючи формування стружки при токарних операціях з ЧПК.

Застосування відпалу

Автомобільний Промисловість: Заготовки панелей кузова надходять відпаленими, щоб уможливити операції глибокої витяжки, які утворюють складні тривимірні форми без тріщин.
Аерокосмічний Компоненти: Сплави на основі нікелю та титану проходять рекристалізаційний відпал для відновлення пластичності після холодної обробки, забезпечення надійної роботи в чутливих до втоми частинах.
Пруток для механічної обробки: Сталеві та алюмінієві прутки проходять повний відпал для оптимізації обробки поверхні та мінімізації зносу інструменту під час високошвидкісного фрезерування та свердління.
Електричні провідники: Мідь і латунні дроти піддаються відпалу, щоб максимізувати електропровідність і запобігти зміцненню під час намотування або встановлення.

4. Нормалізація

Нормалізація покращує структуру зерен і гомогенізує мікроструктуру більш агресивно, ніж відпал, забезпечує збалансоване поєднання міцності, міцність, і розмірна стабільність.

Процес нормалізації

Нагрівання: Нагрійте середньовуглецеві сталі (0.25–0,60 мас.% С) до 30–50 °C вище верхня критична температура — зазвичай 880–950 °C— забезпечити повну аустенітізацію.
Замочування: Зачекайте 15– 30 хвилин в печі з контрольованою атмосферою (часто ендотермічний газ або вакуум) для розчинення карбідів і вирівнювання хімічної сегрегації.
Охолодження: Дайте деталі приблизно охолонути на повітрі 20-50 °C/хв (повітря або вентилятор). Ця швидша ставка створює штраф, однорідна суміш фериту і перліту без утворення мартенситу.

Переваги нормалізації

Вдосконалення зерна: Нормалізовані сталі зазвичай досягають розміру зерна ASTM 6–7 (≈ 10–20 мкм), порівняно з 8–9 (≈ 20–40 мкм) у відпалених сталях. Отже, Міцність шарпі з V-подібним вирізом підвищується 5–10 Дж При кімнатній температурі.
Баланс міцності та міцності: Межа текучості збільшується на 10–20% над відпаленими еквівалентами — часто досягаючи 400–500 МПа— при збереженні рівня пластичності навколо 10–15%.
Розмірна точність: Суворий контроль над охолодженням зменшує деформацію та залишкову напругу, дозволяючи такі низькі допуски, як ± 0.1 мм на оброблені особливості.
Покращена оброблюваність: Рівномірна мікроструктура мінімізує жорсткі плями, подовження терміну служби інструменту 15–25% при свердлильних і фрезерних роботах.

Застосування нормалізації

Структурні компоненти: Полки двотаврової балки та заготовки для кування нормалізуються для забезпечення стабільних механічних властивостей у великих поперечних перерізах, критичний для будівництва мостів і будівель.
Виливки: Сіро-чавунний і виливки з ковкого чавуну отримують нормалізацію для зменшення хімічної сегрегації, підвищення оброблюваності та довговічності в корпусах насосів і корпусах клапанів.
Безшовні труби: Виробники нормалізують сорти лінійних труб (API 5L X52–X70) для усунення смуг, покращення стійкості до згортання та цілісності зварного шва.

5. Гасіння

Загартування пасм в жорсткому, мартенситної мікроструктури шляхом швидкого охолодження аустенітизованої сталі.

Цей процес забезпечує виняткову міцність і стійкість до зношування, і він служить основою для багатьох високоефективних сплавів.

Процес гасіння

По -перше, техніки нагрівають заготовку в аустенітну область—зазвичай між 800 ° C і 900 ° C для середньовуглецевих сталей (0.3–0,6 % C),

і замочити протягом 15– 30 хвилин для забезпечення рівномірної температури і повного розчинення карбідів. Наступний, вони занурюють гарячий метал у вибране загартовувальне середовище:

Вода: Швидкості охолодження можуть досягати 500 °C/с, дає мартенситну твердість до 650 HV, але жорсткість води часто викликає 0,5-1,0 % спотворення.
Нафта: Нижчі темпи 200 °C/с виробляти твердість біля 600 HV обмежуючи викривлення нижче 0.2 %.
Розчини полімерів: Шляхом регулювання концентрації, інженери досягають проміжних швидкостей охолодження (200–400 °C/с), балансувальна твердість (600–630 HV) і контроль розмірів.

Важливо, вони вибирають гасильне середовище на основі товщини профілю: тонкі зрізи (< 10 мм) переносять агресивне загартування водою,

тоді як товсті компоненти (> 25 мм) вимагають загартування маслом або полімером для мінімізації температурних градієнтів і розтріскування.

Переваги гасіння

Більше, загартування має кілька ключових переваг:

Максимальна твердість & Міцність: Загартований мартенсит зазвичай досягає 600–700 HV, переведення на міцність на розрив вище 900 MPA.
Швидкий час циклу: Повна трансформація завершується за кілька секунд до хвилин, забезпечення високої продуктивності в печах періодичного або безперервного гасіння.
Універсальність: Загартування застосовується до широкого спектру сталей — від низьколегованих будівельних марок (4140, 4340) до швидкорізальних інструментальних сталей (M2, Т15)-
встановлення жорсткого, зносостійка основа для гартування або обробки поверхні.

Застосування гасіння

Нарешті, загартування є незамінним у галузях промисловості, які вимагають високої міцності та зносостійкості:

Автомобільний & Аерокосмічний: Колінчасті вали, шатуни і деталі шасі проходять гарт для витримування циклічних і ударних навантажень.
Інструментальне виготовлення: Руточні інструменти, свердла та пуансони загартовуються, щоб зберегти гострі краї та протистояти абразивному зносу.
Важка техніка: Шестерні, муфти та зрізні леза гартують для тривалого терміну служби за високих контактних навантажень.

6. Загартовування

Гартування слідує за гартом для перетворення крихкості, мартенсит високої твердості в більш жорсткий, більш пластична мікроструктура.

Ретельно підбираючи температуру і час, металурги адаптують баланс між міцністю та міцністю відповідно до точних вимог обслуговування.

Процес загартування

Температура повторного нагрівання: Типово, техніків нагрів загартованої сталі до 150–650 °C, вибір нижчого діапазону (150–350 °C) для мінімальної втрати міцності або вищого діапазону (400–650 °C) щоб максимізувати пластичність.
Час замочування: Вони утримують деталь при заданій температурі 1– 2 години, забезпечення рівномірного перетворення всіх розділів до 50 мм товщиною.
Подвійне загартування: Для зменшення залишкового аустеніту та стабілізації твердості, у багатьох цехах проводять два послідовних цикли гарту, часто з a 50 °C збільшення між циклами.

Під час гартування, мартенсит розпадається на ферит і дрібні перехідні карбіди (ε-карбіду при низьких температурах, цементит при високій), а залишкові напруги значно падають.

Переваги загартування

Контрольоване зменшення твердості: Кожен 50 ° C Підвищення температури відпустки зазвичай знижує твердість на 50–75 HV,
що дозволяє інженерам регулювати твердість 700 HV (як-гасить) до 300 HV або нижче.
Покращена міцність: Ударна в'язкість може підвищуватися 10–20 Дж при –20 °C при відпуску при 500 °C проти 200 ° C, значно знижує ризик крихкого перелому.
Зняття стресу: Загартування зменшує залишкові напруги 40–60%, пом'якшення деформації та розтріскування під час обслуговування або вторинної механічної обробки.
Покращена пластичність: Загартовані сталі часто досягають подовження 10–20%, порівняно з <5% у невідпущеному мартенситі, підвищення ударостійкості та стійкості до втоми.

Застосування загартування

Високоміцні конструкційні сталі: 4140 сплав, загартований, потім загартований 600 ° C, досягає 950 MPA міцність на розрив с 12% подовження — ідеально підходить для карданних валів і осей.
Інструментальні сталі: сталь А2, загартований на повітрі, потім подвійний відпуск при 550 ° C, тримає 58–60 HRC твердість, зберігаючи стабільність розмірів при температурах різання.
Зносостійкі компоненти: Наскрізний гарт і відпустка 4340 врожайність 52 HRC з відмінною міцністю, обслуговування важких передач і роликів.

7. Висновки

Шляхом джгута відпалу, нормалізуючий, загартування і відпуск, металурги ліплять мікроструктури — починаючи з м’яких, від пластичного фериту до надтвердого мартенситу — для досягнення високих цільових показників.

Крім того, послідовне поєднання цих методів забезпечує неперевершену гнучкість: дизайнери можуть досягти складних компромісів між міцністю, міцність, зносостійкість і стабільність розмірів.

Як цифрове керування, вакуумні печі та швидка термічна обробка, термічна обробка металів продовжить стимулювати інновації в автомобільній промисловості, аерокосмічний, енергетичний та інструментальний сектори.

Зрештою, оволодіння цими чотирма наріжними процесами дає інженерам можливість вивести метали та їх застосування далеко за межі сьогодення.

Якщо потрібна якісна послуги термічної обробки, Це це ідеальний вибір для ваших виробничих потреб.

Зв'яжіться з нами зараз!

Поширені запитання

Чим відпал відрізняється від нормалізації?

Відпал фокусується на пом'якшенні та знятті напруги шляхом повільного, охолодження печі, який виробляє груб, рівномірні зерна. Навпаки, нормалізація використовує повітряне охолодження для уточнення розміру зерна та підвищення міцності та міцності.

Як вибрати між водою, нафта, і полімерні загартовувачі?

Вода забезпечує найшвидше охолодження (≈ 500 °C/с) і найвищу твердість (до 650 HV) але ризик спотворення.
Масло остигає повільніше (≈ 200 °C/с), зменшення викривлення за рахунок трохи нижчої твердості (≈ 600 HV).
Полімерні рішення дозволяють набрати проміжну швидкість охолодження, балансова твердість і контроль розмірів.

Навіщо виконувати подвійний гарт?

Подвійний гарт (дві послідовні витримки при дещо різних температурах) усуває залишковий аустеніт, стабілізує твердість, і додатково знімає стреси,
критично важливий для інструментальних сталей і компонентів з жорсткими вимогами допуску.

Які мікроструктури утворюються в результаті кожного процесу?

Відпал: Грубий ферит плюс сфероїдні карбіди (у високоміцних сталях).
Нормалізація: Дрібний ферит і перліт.
Гасіння: Перенасичений, голчастий мартенсит.
Загартовування: Загартований мартенсит (ферит плюс тонкі карбіди) зі зниженою щільністю дислокацій.

Як атмосфера термічної обробки впливає на результати?

Інертні або відновні атмосфери запобігають окисленню та зневуглецюванню.

Навпаки, Печі на відкритому повітрі ризикують утворенням накипу та втратою вуглецю на поверхні, які можуть погіршити механічні властивості.

Чи можуть кольорові сплави виграти від цих методів?

Так. Алюмінієві сплави набувають пластичності та усувають деформаційне зміцнення завдяки рекристалізаційному відпалу (400–600 °C).

Титанові сплави часто піддаються обробці розчином і старінню — різновиду гарту & відпуск — для досягнення високої міцності та стійкості до повзучості.

Який допуск слід очікувати після нормалізації та відпалу?

Нормалізовані деталі можуть мати допуск ±0,1 мм; відпалені частини, при рівномірному охолодженні в печі, підтримувати точність ±0,05 мм. Обидва методи мінімізують залишкові напруги, які викликають викривлення.

Як зменшити спотворення під час гасіння & темперамент?

Для товстих зрізів виберіть більш м’який засіб для гарту.
Використовуйте перемішування за часом, щоб сприяти рівномірному охолодженню.
Застосуйте контрольований відпуск відразу після загартування, щоб зняти напруги, викликані загартуванням.

Який процес забезпечує найкраще покращення терміну служби від втоми?

Загартований мартенсит зазвичай забезпечує найкращі характеристики втоми.

Після гасіння, відпустка при 500–600 °C для оптимізації міцності, і ви побачите приріст втомної довговічності на 20–30% у звичайних конструкційних сталях.

Як цифрове керування покращує термічну обробку металів?

Удосконалені контролери печі відстежують температуру з точністю до ±1 °C, регулювати час замочування автоматично, і журнал теплових циклів.

Цей підхід на основі даних покращує повторюваність, знижує показники браку, і гарантує, що кожна частина відповідає своїм механічним характеристикам.