1. Вступ
Термічна обробка є одним із найважливіших фінішних етапів лиття по моделлю, тому що литий стан рідко відповідає остаточному механічному стану, який потрібен сконструйованій частині..
У широкому металургійному розумінні, термічна обробка відноситься до контрольованих операцій нагрівання та охолодження, які використовуються для зміни механічних властивостей, металургійна структура, або залишковий напружений стан;
в алюмінієвих сплавах, наприклад, він часто використовується спеціально для підвищення міцності та твердості термооброблених ливарних сплавів.
Деталі, виготовлені за виплавленими моделями, можуть мати майже чисту форму, але вони все ще часто потребують налаштування властивостей після затвердіння.
Ключовим моментом є те, що лиття по моделлю створює геометрію, в той час як термічна обробка допомагає створити продуктивність.
Саме цей розподіл праці робить цей процес таким потужним у високовартісному виробництві, особливо там, де точність розмірів, металургійна надійність, і термін служби мають значення одночасно.
2. Що означає термічна обробка в лиття по моделлю
Теплова обробка в інвестиційне кастинг відноситься до контрольованого застосування термічних циклів до литого компонента після затвердіння з метою навмисної зміни його внутрішньої структури та властивостей.
Залежно від системи сплаву та кінцевого застосування, це може включати зняття стресу, лікування розчином, старіння, відпал, нормалізуючий, гасіння, загартовування, гомогенізуючий, або комбінації цих кроків.
На відміну від простого розігріву, термічна обробка - це точна металургійна операція.
Температурний профіль, час замочування, швидкість нагріву, метод охолодження, атмосфера печі, і розташування навантаження впливають на кінцевий результат.
Литий компонент може виглядати однаково до і після обробки, але демонструють різко іншу механічну поведінку, Корозійна стійкість, і розмірна стабільність.
В лиття по моделлю, потреба в термічній обробці часто особливо сильна, оскільки литі мікроструктури можуть бути грубими, відокремлений, або термічно напружені.
Мета — зробити внутрішню структуру більш однорідною, більш стабільний, і більше підходить для запланованих умов експлуатації.
3. Основні маршрути термічної обробки сімейства сплавів
Термічна обробка є однією з найважливіших операцій після лиття в процесі литва по виплавленим моделям.
Виливок може бути вже геометрично точним після затвердіння, але він ще не повністю сконструйований, доки його мікроструктуру не буде скориговано для забезпечення необхідної комбінації міцності, твердість, пластичність, міцність, Корозійна стійкість, і розмірна стабільність.
Точний спосіб термічної обробки залежить насамперед від сімейство сплавів, оскільки кожна металургійна система по-різному реагує на термічний цикл.
Термічна обробка сталевих відливок
Сталеві відливки по моделлю охоплюють широке сімейство сплавів, включаючи вуглецеві сталі, сплави сталей, Нержавіючі сталі, інструментальні сталі, і дисперсійно-твердіючі марки.
На відміну від алюмінієвих відливок, які покладаються насамперед на зміцнення опадів, сталеві виливки можуть потребувати кількох різних термічних маршрутів залежно від системи сплаву та кінцевих вимог до обслуговування.
На практиці, термічна обробка не є необов'язковим етапом фінішної обробки сталевих відливок;
часто стадія визначає, чи стане відливка м’якою та придатною для обробки, твердий і зносостійкий, міцний і ударостійкий, або стабільний за розмірами та стійкий до корозії.
Нижче описані найпоширеніші способи термічної обробки сталевих відливок.
Гомогенізація
Гомогенізація - це високотемпературна обробка, яка використовується для зменшення хімічна сегрегація і композиційні зміни, які утворюються під час затвердіння.
Оскільки сталеві виливки охолоджуються з розплавленого стану під сильними температурними градієнтами, легуючі елементи можуть локально концентруватися в певних областях мікроструктури.
Гомогенізація вирішує це шляхом нагрівання виливка до температури близько, але нижче, солідус і утримуйте його там достатньо довго, щоб дифузія в твердому тілі перерозподілила легуючі елементи більш рівномірно.
Практична цінність гомогенізації полягає в тому, що вона створює більш однорідні початкові металургійні умови.
Виливок, який був гомогенізований, більш послідовно реагує на наступні операції термічної обробки, такі як обробка розчином, загартовування, або старіння.
Це також зменшує ризик того, що локальні хімічні зміни спричинять нерівномірні механічні характеристики всієї частини.
Термічна обробка розчину
Термообробку розчину зазвичай застосовують аустенітні нержавіючі сталі, нержавіючі сталі дисперсійного зміцнення, і певні спеціалізовані системи сплавів.
Мета полягає в тому, щоб розчинити небажані осади та частки другої фази, що утворюються під час лиття та охолодження, створення більш однорідної однофазної структури.
У цьому процесі, виливок нагрівають до температури розчинення, де легуючі елементи стають повністю розчинними в основній матриці.
Після достатнього часу витримки, деталь швидко гартується, щоб утримати розчинені елементи в перенасиченому твердому розчині.
Це швидке охолодження має важливе значення, тому що повільне охолодження призведе до повторного осадження розчинених елементів і послабить очікуваний ефект обробки.
Термічна обробка розчину особливо важлива, коли кінцеві властивості сплаву залежать від контрольованої мікроструктури, а не від литого стану..
Старіння
Старіння, також відомий як дисперсійне зміцнення або вікове загартування, використовується після обробки розчином у дисперсійно зміцнюваних нержавіючих сталях і споріднених сплавах.
Його метою є розвиток високої міцності та твердості шляхом тонкого формування, рівномірно розподілені частинки другої фази всередині матриці сплаву.
Під час старіння, виливок повторно нагрівається до температури, значно нижчої за температуру обробки розчину, і витримується протягом контрольованого періоду.
На цьому етапі, перенасичені легуючі елементи випадають у вигляді дуже дрібних частинок.
Ці частинки перешкоджають руху дислокації, що є основною причиною збільшення міцності та твердості.
Старіння є високоефективним способом перетворення стійкого до корозії, але механічно помірного лиття у високоміцний інженерний компонент.
Баланс між температурою, час, і розмір осаду є критичним: недостатнє старіння недорозвиває силу, в той час як надмірне старіння може зменшити пікову твердість і змінити призначений профіль властивостей.
Нормалізація
Нормалізація широко використовується для виплавляні виливки з вуглецевої та низьколегованої сталі.
Він призначений для покращення зернистої структури після лиття, зняти залишкові напруги, і покращують механічні властивості, а також оброблюваність.
У нормалізуючому циклі, виливок нагрівають вище верхньої критичної температури до повністю аустенітної області, а потім охолоджують на повітрі.
У порівнянні з повільнішим охолодженням, яке природним чином відбувається в керамічній оболонці або після струшування, повітряне охолодження забезпечує більш тонку та однорідну мікроструктуру.
Це вдосконалення загалом покращує міцність, міцність, і розмірна стабільність.
Нормалізацію часто використовують як першу стадію лікування в багатоетапному циклі.
Наприклад, виливок може бути нормалізований, а потім загартований, або нормалізований, а потім загартований і відпущений, в залежності від бажаного балансу властивостей.
Загартовування
Загартовування використовується для мартенситні нержавіючі сталі, вуглецеві сталі, сплави сталей, та інструментальні сталі коли потрібна висока твердість і висока міцність.
Виливок нагрівають до температури аустенізації, при якому сталь повністю перетворюється в аустеніт, а потім швидко гасять в олії, вода, полімерний розчин, або примусове повітря, в залежності від типу сплаву і товщини профілю.
Швидке загартування перетворює структуру в мартенсит, тверда і метастабільна фаза.
Це забезпечує дуже високу твердість, але це також вносить крихкість і значну внутрішню напругу.
З цієї причини, загартовування рідко є завершальним кроком. Зазвичай після цього йде відпустка, щоб зробити виливок придатним для реального використання.
Зміцнення - це шлях, який використовується для визначення зносостійкості, утримання краю, або висока статична міцність є важливішими, ніж здатність до формування або пластичність.
Загартовування
Загартування слідує за загартуванням і має важливе значення для того, щоб зробити загартоване лиття придатним для експлуатації.
Метою відпустки є зменшення крихкості загартованої мартенситної структури, зберігаючи якомога більше міцності та твердості..
Загартований виливок повторно нагрівають до температури, значно нижчої за нижню критичну температуру,
зазвичай у широкому діапазоні залежно від сплаву та цільових властивостей, а потім витримували певний період перед охолодженням повітрям.
Цей процес знімає внутрішню напругу, змінює мартенситну структуру, і створює остаточну комбінацію міцності, твердість, і міцність, необхідні для використання.
Загартування - це не просто корекція; це частина дизайну кінцевого набору властивостей.
Загартована сталь за виплавленими моделями без відпустки зазвичай занадто крихка для практичного застосування в інженерії.
Зведена таблиця
| Шлях термічної обробки | Сімейства основних сплавів | Основне призначення | Результат основної власності |
| Гомогенізація | Сталеві виливки з ризиком сегрегації | Зменшити хімічну варіацію | Більш однорідна структура |
| Термічна обробка розчину | Аустенітна нержавіюча сталь, дисперсійна нержавіюча сталь | Розчинення осаду та другої фази | Однорідна матриця |
| Старіння | Нержавіючі та споріднені сплави з дисперсійним твердінням | Зміцнення форми випадає | Вища міцність і твердість |
| Нормалізація | Вуглецева сталь, низьколегована сталь | Уточніть зернисту структуру, зменшити стрес | Краща міцність і оброблюваність |
| Загартовування | Мартенситна нержавіюча сталь, вуглецева сталь, інструментальна сталь | Утворюють мартенсит шляхом загартування | Висока твердість і міцність |
| Загартовування | Виливки із загартованої сталі | Зменшити крихкість після гарту | Збалансована міцність і твердість |
Термічна обробка алюмінієвих виливків
Алюмінієві виплавляні виливки покладаються на інший металургійний механізм, ніж сталь.
Їх реакція на термічну обробку заснована головним чином на зміцнення розчину та дисперсійне зміцнення, а не мартенситне перетворення.
З цієї причини, Алюмінієві виливки зазвичай виготовляються в таких умовах, як Т4, T6, Т61, і Т51, кожен з яких представляє різний баланс сил, пластичність, і розмірна стабільність.
Т4 — Термічна обробка розчину
Стан T4 створюється термічною обробкою виливка розчином для розчинення ключових легуючих елементів в алюмінієвій матриці, з подальшим гартуванням у воді для утримання їх у перенасиченому твердому розчині.
Ця умова часто вибирається, коли потрібна хороша формуемість і помірна міцність.
Інженерне призначення:
- Забезпечують помірну механічну продуктивність
- Зберігає кращу здатність до формування, ніж умови повного старіння
- Створіть стабільну вихідну точку для подальшої холодної обробки або подальшого старіння
T4 часто використовується, коли відливка все ще піддається формуванню або коли пріоритети проектування не зосереджені на максимальній міцності.
T6 — Термічна обробка розчину та штучне старіння
Т6 є найбільш широко використовуваною та найважливішою умовою термічної обробки для алюмінієвих виплавлених форм.
Він полягає в термічній обробці розчину, загартування водою, а потім штучне старіння при контрольованій високій температурі.
Цей маршрут широко визначений для конструкційних виливків, оскільки він забезпечує найсильніший стандартний баланс механічних властивостей.
Інженерне призначення:
- Збільште силу
- Підвищити твердість
- Забезпечує стандартний промисловий рівень продуктивності для несучих лиття
Для багатьох алюмінієвих ливарних сплавів, T6 є еталонною умовою, коли основною метою є механічна продуктивність.
T61 — Термічна обробка розчину та контрольоване штучне старіння
T61 є модифікованою версією T6. Це, як правило, стан перестарілого віку, це означає, що він жертвує невеликою кількістю міцності в обмін на покращену провідність і більш контрольований баланс властивостей.
Інженерне призначення:
- Злегка зменшіть пік сили T6
- Поліпшити провідність
- Забезпечте інший баланс властивостей служби
T61 корисний, коли електричні або теплові характеристики важливіші за абсолютні механічні максимуми.
T51 — Зняття стресу шляхом прямого штучного старіння
T51 використовується, коли виливок штучно зістарюється безпосередньо з литого або термічно стабілізованого стану, без повної обробки розчином і послідовності гасіння Т6.
Цей стан забезпечує меншу міцність, ніж T6, але він пропонує велику перевагу в стабільності розмірів.
Інженерне призначення:
- Зведіть до мінімуму залишкову напругу
- Поліпшення сталості розмірів
- Зменшення ризику спотворення в точних збірках
T51 особливо цінний для виливків, де стабільність геометрії важливіша за максимальну міцність.
Жорсткі сплави на основі нікелю
Виплавлені виливки на основі нікелю займають більш вимогливу категорію характеристик, особливо в аерокосмічній сфері, потужність, та інших середовищах з підвищеною температурою.
Обробка розчином для однорідності мікроструктури
У литих суперсплавах на основі нікелю, стадія обробки розчином спрямована на зменшення дендритної хімічної неоднорідності, успадкованої від затвердіння.
Мікроструктура після лиття зазвичай хімічно неоднорідна, а обробка розчином допомагає перерозподіляти легуючі елементи, завдяки чому матеріал більш стабільно реагує на експлуатацію.
Це головна причина, чому термічний цикл може сильно впливати на продуктивність повзучості.
Старіння для розвитку сили
Після розчинення, при старінні розвивається зміцнююча структура осаду.
У суперсплавах, зв'язок між термічною обробкою та експлуатаційними властивостями особливо тісний через опір повзучості, високотемпературна міцність, і довгострокова стабільність значною мірою залежать від того, як розвивається структура осаду.
Ось чому литі суперсплави на основі нікелю часто піддаються термічній обробці в контрольованій атмосфері або вакуумі., залежно від чутливості до окислення та вимог до якості.
Контроль атмосфери має значення
Термообробку литого сплаву на основі нікелю можна проводити в таких атмосферах, як екзотермічна, ендотермічний, сухий водень, сухий аргон, або вакуум.
Це важливо, оскільки середовище термічної обробки може впливати на окислення, стан поверхні, і фінішна поведінка внизу.
Для високовартісного лиття, контроль атмосфери є частиною системи якості, не просто деталь печі.
Виплавлені виливки на основі кобальту
Іншу, але не менш важливу нішу займають виливки на основі кобальту.
Вони використовуються в зносостійких, корозійний, і біомедичне застосування, і їх поведінка під час термічної обробки часто пов’язана з виділенням карбіду, стабілізація матриці, і контроль твердості.
Нещодавні дослідження сплавів на основі кобальту за виплавленим методом показують, що термічна обробка може істотно змінити як мікроструктуру, так і твердість, в тому числі шляхом зміни морфології та розподілу карбідів.
Для високовуглецевих суперсплавів на основі кобальту, термічний вплив може перетворити відлиту міждендритну карбідну мережу в інші карбідні форми з часом і температурою,
це означає, що графік термічної обробки безпосередньо впливає на кінцевий баланс міцності та стабільності.
Іншими словами, виливки на основі кобальту не піддаються термічній обробці просто для «зняття стресу»; вони піддаються термічній обробці для управління дуже специфічною карбідною металургією.
4. Де термообробка вписується в робочий процес лиття по виплавляним моделям
Термообробка зазвичай проводиться після застигання виливка, вилучено з оболонки, і було очищено від ліберного та залишкового облицювального матеріалу.
У багатьох робочих процесах, правка або груба механічна обробка може відбуватися до або після термічної обробки залежно від чутливості до спотворення та поведінки сплаву.
Точна послідовність – це рішення процесу, не універсальне правило, оскільки кожен сплав по-різному реагує на термічний вплив і механічне поводження.
Практичний спосіб подумати про потік такий:
- Створення візерунка та раковини
- Заливка і застигання
- Нокаут / видалення оболонки
- Очищення та демонтаж ґрат
- Термічна обробка
- Випрямлення, обробка, або остаточна обробка
- Перевірка та сертифікація
Послідовність вибирається так, щоб уникнути захоплюючих напруг, придушити непотрібні спотворення, і зберегти розмірні переваги, які зробили лиття по моделлю привабливим в першу чергу.
5. Ключові змінні процесу, які контролюють результати
Температура
Температура визначає, чи обробка просто знімає стрес чи принципово змінює фазову структуру та поведінку опадів.
Для дисперсійно-гартованих сплавів, температурне вікно є критичним: занадто низький, і перетворення неповне; занадто високий, деталь може втратити призначену мікроструктуру або зазнати початкового плавлення у вразливих областях.
Час
Час витримки контролює, наскільки далеко відбуваються зміни, викликані дифузією.
У суперсплавах на основі нікелю, графік обробки розчином може бути тривалим і дорогим, але це необхідно для розчинення небажаних успадкованих фаз і гомогенізації литої структури.
Атмосфера
Атмосфера печі має значення, оскільки окислення та забруднення можуть погіршити якість поверхні та ускладнити подальшу обробку.
Термообробку литого сплаву на основі нікелю можна проводити в таких атмосферах, як екзотермічна, ендотермічний, сухий водень, сухий аргон, або вакуум, в залежності від сплаву і вимог до якості.
Згасити суворість
Гасіння - це не просто охолодження; це крок структурного «заморожування»..
Швидкість охолодження визначає, чи зберігається високотемпературний стан розчину достатньо довго для подальшого старіння, щоб працювати належним чином.
Якщо гасіння відбувається занадто повільно, сплав може втратити частину потенціалу зміцнення, який він щойно розвинув.
Кріплення та геометрія деталей
Великі або тонкостінні виливки особливо чутливі до деформації під час нагрівання та загартування.
Поєднання теплових градієнтів і залишкової напруги може спричинити деформацію, крутити, або розмірний дрейф, тому кріплення та розташування навантажень є частиною конструкції термічної обробки.
6. Вигоди, Компроміси, і загальні ризики
Переваги термічної обробки очевидні: сильніші механічні властивості, краща стабільність розмірів після зняття напруги, покращена однорідність мікроструктури, і підвищення продуктивності, характерної для сплаву, наприклад стійкість до повзучості або стійкість до зношування.
Для високотемпературних виливків на основі нікелю, значення може бути вирішальним; для алюмінієвих відливок, він часто визначає кінцевий клас використання частини.
Компроміси однаково реальні. Термічна обробка збільшує вартість, час, використання енергії, і складність процесу.
Це також створює ризик: спотворення, загасити розтріскування, утворення оксиду, надмірне старіння, недостареність, або розкид властивості, якщо однорідність температури погана.
Ось чому термічний цикл слід розглядати як контрольований виробничий процес, а не як загальну операцію печі.
Іншими словами, термічна обробка є цінною, оскільки вона покращує деталь, але це також місце, де хороше лиття може бути скомпрометовано, якщо вікно процесу не дотримується.
7. Майбутні тенденції
Майбутнє термічної обробки в лиття по моделлю рухається в бік суворішого контролю процесу, коротші цикли, краще моделювання, і більш енергоефективна робота печі.
Для високоцінних виливків, особливо суперсплавів, існує сильна мотивація скоротити дорогий тривалий цикл обробки розчином без шкоди для мікроструктурної якості.
Література про монокристалічні та спрямовано тверді суперсплави показує, що цикли розчину можуть бути тривалими та дорогими, що створює чіткий стимул для оптимізованого дизайну термічної обробки.
Іншим напрямком є сильніша інтеграція моделювання лиття та термічної обробки.
Якщо краще передбачити історію затвердіння, графік термічної обробки можна вибрати більш розумно, зменшення кількості проб і помилок і зниження ризику залишкової напруги або спотворення.
Це природний наступний крок для високонадійного лиття по моделлю.
8. Висновок
Термообробка не є другорядною операцією при литті по моделлю; це один із процесів, який визначає, чи стане відливка високоефективною деталлю.
В алюмінієвих системах забезпечує зміцнення опадів, у суперсплавах на основі нікелю він усуває успадкованість затвердіння та підтримує стійкість до повзучості, у сплавах на основі кобальту покращує мікроструктуру, а в сталевих виливках він встановлює остаточний майновий баланс.
Загальною темою є те, що лиття за виплавленими моделями надає деталі форму, але термічна обробка надає йому корисну інженерну поведінку.
Коли тепловий цикл розроблений добре, результатом є виливок, який має не тільки майже чисту форму, але також готовий до обслуговування.
Коли він спроектований погано, деталь може втратити ті самі переваги, які мало надати лиття за моделлю.
Ось чому термічна обробка заслуговує на те, щоб розглядати її як основне проектне рішення, не остаточна думка.
Поширені запитання
Чи завжди необхідна термічна обробка для виплавлених форм?
Ні. Деякі виливки використовуються в литому стані, але багато критичних частин потребують термічної обробки для досягнення необхідної міцності, пластичність, стресовий стан, або високотемпературна продуктивність.
Чому литі суперсплави так сильно залежать від термічної обробки?
Оскільки литий суперсплав містить дендритну хімічну неоднорідність і успадковані фази від затвердіння.
Термічна обробка розчину та старіння використовуються для корекції та оптимізації цієї мікроструктури.
Термічна обробка змінює розміри?
Так. Термічна обробка може зняти або перерозподілити залишкову напругу, і це також може спричинити спотворення, якщо термічний цикл, кріплення, або гасіння не контролюється належним чином.
Чому атмосфера печі важлива?
Оскільки атмосфера впливає на окислення та стан поверхні під час нагрівання.
Для литих сплавів на основі нікелю, ASM зазначає, що вакуум і атмосфера захисного газу зазвичай використовуються для відпалу або обробки розчину.
Яка основна перевага термічної обробки алюмінієвих відливок по моделлю?
Основною перевагою є посилення опадів: сплав нагрівають, гаситься, і витриманий, тому він розвиває набагато вищу міцність і твердість, ніж у литому стані.
