Четирите основни процеса на топлинна обработка: отгряване, нормализиране, закаляване и темпериране

Четирите огъня на термичната обработка

Китайската металургична практика описва четирите основни операции на топлинна обработка - отгряване, нормализиране, закаляване и отвръщане - като четирите огъня. Те са наборът от инструменти, използван за превръщане на-излят,-кован или-валцуван метал в част с правилната твърдост, здравина, издръжливост и стабилност на размерите. Отгряването и нормализирането се използват главно като подготвителни обработки; закаляването и темперирането са крайните обработки, които определят механичните свойства на закалените компоненти. Тази статия обяснява всеки процес, температурната логика зад него и как същите концепции се пренасят в титановите сплави.

Отгряване: Омекотяване и хомогенизиране

Отгряването е бавен процес: металът се нагрява до определена температура, държи се достатъчно дълго за дифузия, след което се охлажда бавно, обикновено в пещта. Целта е да се премахне остатъчното напрежение, да се омекоти материалът за последваща обработка или формоване, да се усъвършенства структурата на зърната и да се хомогенизира съставът. Обичайните варианти са пълно отгряване (нагряване над обхвата на трансформация и бавно охлаждане за рафиниране на зърното), сфероидизиращо отгряване (преобразуване на ламеларния цементит в сфероидни частици за омекотяване на инструментални и лагерни стомани), изотермично отгряване (задържане при фиксирана температура, за да се получи еднаква структура), рекристализация отгряване (освобождаване на втвърдяването от студено изтегляне или валцуване) и отгряване за-облекчаване на напрежението (нагряване под обхвата на трансформация, за да се отпуснат заключените-напрежения в отливки и заварки). Отгрятият материал се тества чрез тестове за опън и твърдост; тънкият лист и тръбата обикновено се проверяват на Rockwell или повърхностна скала-Rockwell.

Нормализиране: Рафиниране на зърното и стандартизиране на структурата

Нормализирането нагрява стоманата до 30-50 градуса над горната критична температура (Ac3), задържа я за кратко и след това охлажда в неподвижен въздух. Скоростта на охлаждане е по-бърза от отгряването и по-бавна от охлаждането, което пречиства аустенитното зърно и създава фина, равномерна феритна-перлитна структура. Предимствата са подобрена здравина и издръжливост (по-висока енергия на удара, AKV стойности), намален риск от напукване при охлаждане при последващо закаляване и по-добра обработваемост: ниско-въглеродна стомана, нормализирана до твърдост от приблизително HB 140-190, реже чисто, вместо да се разкъсва. Нормализирането също така премахва грубата структура на Widmanstätten и лентите, оставени от коване или заваряване, разрушава цементитната мрежа в хиперевтектоидните стомани и подготвя структурата за сфероидизиране. За много средно{11}}въглеродни конструктивни части, където изискванията са умерени, нормализирането може да замени пълен цикъл на охлаждане-и темпериране на по-ниска цена. Тъй като охлаждането е с въздух, резултатът зависи от температурата на околната среда, подреждането на частите и размера на секцията – фактори, които термичната обработка трябва да контролира.

Закаляване: Замразяване в твърда структура

Закаляването е процесът на нагряване на стомана над критичната температура (Ac3 за хипоевтектоидна стомана, Ac1 за свръхевтектоидна стомана), за да се аустенизира напълно или частично, след което се охлажда по-бързо от критичната скорост на охлаждане, така че аустенитът да се трансформира в мартензит или бейнит вместо във ферит и перлит. Мартензитът е твърда, пренаситена структура, образувана от трансформация на срязване без дифузия; твърдостта му зависи от съдържанието на въглерод. Целта на закаляването е да се повиши твърдостта и устойчивостта на износване (инструменти, лагери), да се увеличи границата на еластичност на пружините и да се подготвят частите за издръжливостта, която темперирането ще възстанови. Обичайните методи са едно-течно охлаждане, двойно-течно охлаждане (вода след това масло), мартензитно и бейнитно степенувано охлаждане, изотермично охлаждане и локализирано охлаждане. Охлаждащата среда и разбъркването са избрани, за да балансират охлаждащата мощност срещу изкривяване и риск от напукване. Непосредствено след закаляването детайлът съдържа мартензит, задържан аустенит и големи вътрешни напрежения и неговите механични свойства не могат да се използват, докато не бъде закален.

Закаляване: Възстановяване на здравината

Закаляването е топлинна обработка, приложена към закалена част: повторно нагряване до температура под долната критична точка, задържане и охлаждане по контролиран начин. Намалява вътрешното напрежение и чупливостта, регулира твърдостта, здравината, пластичността и издръжливостта към необходимата комбинация и стабилизира структурата срещу бъдещи промени в размерите. Трите стандартни диапазона са:

Ниско{0}}температурно темпериране (150-250 градуса)- малка загуба на твърдост; облекчава стреса и леко подобрява издръжливостта. Използва се за режещи инструменти, измервателни уреди, лагери и карбуризирани части.

Средно{0}}температурно темпериране (350-500 градуса)- дава висока граница на еластичност с добра издръжливост. Използва се за пружини и матрици за коване.

Високо{0}}температурно темпериране (500-650 градуса)- комбинацията-и-закаляване, известна в китайската практика като модулираща обработка; създава отличен баланс на якост-издръжливост. Използва се за зъбни колела, валове и биели.

Трябва да се зачитат две явления на крехкост. Първи-тип откална крехкост възниква близо до 300 градуса и се избягва, като не се темперира в този диапазон. Втори-тип крехкост засяга някои средно-въглеродни легирани стомани, охладени бавно от високи температури на темпериране; предотвратява се чрез добавяне на молибден или чрез охлаждане в масло или вода след темпериране и може да се отстрани чрез повторно нагряване до първоначалната температура на темпериране. Някои високо-легирани стомани показват вторично втвърдяване, при което фините карбиди се утаяват по време на темпериране и повишават твърдостта.

Термична обработка на титанови сплави

Същият речник с четири{0}}огъня се отнася и за титана, въпреки че металургията е различна. Отгряването на титан (например 650-790 градуса за степен 2 или 700-790 градуса за степен 5) облекчава остатъчното напрежение, премахва алфа-корпуса и възстановява пластичността след студена работа. Обработка с разтвор и стареене (STA), приблизително еквивалентно на закаляване-и-темпериране за стомана, се използва за алфа-бета сплави: сплавта се разтваря в разтвор при 900-955 градуса, бързо се охлажда, след което старее при 480-595 градуса, за да се утаи фина алфа и да се повиши якостта. Тъй като титанът реагира бурно с кислорода при температура, цялата топлинна обработка на титан се извършва във вакуумни пещи или пещи с инертен газ, а атмосферата в пещта, скоростта на нагряване и времето на задържане се записват в сертификата за обработка - купувачите трябва винаги да го изискват.

Как да изберем правилния процес

Изборът следва необходимия профил на имота. Омекотяването, облекчаването на напрежението и усъвършенстването на зърната изискват отгряване; еднаква структура и обработваемост за частите с умерено{1}}натоварване изискват нормализиране; максималната твърдост изисква закаляване, последвано от темперация, избрана за размяна на твърдост срещу издръжливост; и части, които се нуждаят както от висока якост, така и от издръжливост, използват закаляване-и-темпериране при 500-650 градуса. За титан еквивалентното решение е между просто отгряване (формоспособност, корозия-критично обслужване) и обработка с разтвор плюс стареене (максимална якост). Във всеки случай параметрите на процеса - температура, време, скорост на охлаждане, атмосфера - трябва да бъдат дефинирани, контролирани и документирани, тъй като топлинната обработка е най-рентабилният начин за промяна на свойствата на материала, а също и най-лесният начин за грешка.

ЧЗВ

Каква е разликата между отгряване и нормализиране?

И двете включват нагряване над обхвата на трансформация, но отгряването се охлажда бавно (обикновено в пещта), за да се увеличи максимално мекотата и облекчаването на напрежението, докато нормализира охлаждането в неподвижен въздух, което дава по-фино зърно, по-висока якост и по-добра обработваемост за същата стомана.

Защо стоманата трябва да се темперира веднага след закаляването?

Закалената част е твърда, но крехка и пълна с вътрешно напрежение; ако не се темперира, може да се напука спонтанно. Закаляването облекчава тези напрежения и възстановява здравината, като същевременно запазва по-голямата част от печалбата от твърдостта.

Какви температури се използват за ниско, средно и високо темпериране?

Ниско{0}}температурното темпериране протича при 150-250 градуса (инструменти, лагери), средно при 350-500 градуса (пружини) и високо при 500-650 градуса (валове, зъбни колела). Изборът определя баланса твърдост-издръжливост.

Какво е мартензит и защо е твърд?

Мартензитът е свръхнаситена тетрагонална структура-с център, образувана, когато аустенитът се охлажда толкова бързо, че въглеродът не може да дифундира навън. Уловеният въглерод изкривява решетката, произвеждайки много висока твърдост и здравина, но ниска пластичност.

Могат ли титановите сплави да бъдат закалени и закалени като стомана?

По принцип алфа-бета титановите сплави се укрепват чрез аналогичен цикъл на обработка с разтвор и стареене (STA), но пещите, температурите и атмосферите са напълно различни и титанът трябва да се нагрява във вакуум или инертен газ, за ​​да се избегне окисляването.

Какво е крехкост при закаляване и как се избягва?

Трохливостта от първи-тип възниква близо до 300 градуса и се избягва чрез прескачане на този диапазон. Втори-тип крехкост се появява в някои легирани стомани, бавно охлаждани от високи температури на отвръщане; това се предотвратява чрез добавяне на молибден или чрез охлаждане масло/вода след темпериране.