Mitkä ovat neljä teräksen lämpökäsittelyn tyyppiä?

Neljä perusasiaa tyyppejä lämpökäsittely teräkseen sovellettavia hehkutus, normalisointi, karkaisu (karkaisu) ja karkaisu. Nämä kontrolloidut lämpöprosessit manipuloivat metallin sisäistä kiderakennetta tiettyjen mekaanisten ominaisuuksien, kuten kovuuden, sitkeyden, vetolujuuden ja iskunkestävyyden, saavuttamiseksi muuttamatta kemiallista koostumusta. ASM International Heat Treating Societyn mukaan lämpökäsittely on keskeinen mahdollistava teknologia lähes jokaisen kestävän metallituotteen takana, autojen vaihteista ja kirurgisista työkaluista rakenteellisiin I-palkkeihin. Ymmärtää tarkalleen mitä nämä neljä tyyppejä heat treatment ovat ja miten ne toimivat, jotta insinöörit voivat valita oikean syklin hauraiden murtumien estämiseksi, työstettävyyden parantamiseksi tai kulutuskestävyyden maksimoimiseksi tietyssä sovelluksessa.

1. Hehkutus: Pehmentää metallia ja lievittää sisäistä jännitystä

Hehkutus on lämpökäsittelyprosessi, joka pehmentää terästä, parantaa sen sitkeyttä ja lievittää sisäisiä jännityksiä kuumentamalla metallia tiettyyn kohotettuun lämpötilaan, pitämällä sitä siellä tarpeeksi kauan faasimuutoksia varten ja jäähdyttämällä sen sitten erittäin hitaasti, yleensä itse uunin sisällä. Hehkutuksen ensisijainen tavoite on saattaa teräs mahdollisimman pehmeään tilaan, jolloin se on helppo työstää tai kylmämuovata. Tavallisille hiiliteräksille hehkutuslämpötila on tyypillisesti 30 °C - 50 °C (50 °F - 90 °F) ylemmän kriittisen lämpötilan (A3) yläpuolella , joka vaihtelee noin 723°C:sta eutektoidisen teräksen osalta yli 910°C:een vähähiiliselle teräkselle. Teräs pidetään tässä lämpötilassa, usein 1-2 tuntia poikkileikkauksen tuumaa kohden, jolloin hiilen liukenee tasaisesti austeniittifaasiin. Myöhempi jäähdytys on hehkutuksen määrittävä piirre: sen on oltava riittävän hidasta, jotta hiili voi diffundoitua rautahilasta ja muodostaa karkeita, erillään olevia ferriitti- ja sementiittikerroksia, jotka tunnetaan nimellä perliitti. Jäähdytysnopeudet ovat tyypillisesti 10°C - 50°C tunnissa Tämä saavutetaan usein jättämällä osat uuniin ja antamalla niiden jäähtyä yhdessä useiden tuntien tai jopa päivien ajan. Tuloksena oleva mikrorakenne on karkeaa perliittiä, jossa on suuria alueita pehmeää ferriittiä, jonka Brinell-kovuus on niinkin alhainen kuin 120-150 HB keskihiiliteräksissä, kuten AISI 1045 ASM-käsikirjan osa 4: lämpökäsittely , hehkutus ei ainoastaan vähennä kovuutta, vaan myös eliminoi aikaisemmasta kylmätyöstyksestä tai hitsauksesta aiheutuvat jäännösjännitykset, mikä on kriittistä vääntymisen estämiseksi myöhemmän koneistuksen tai huollon aikana. Täydellisen hehkutuksen lisäksi on olemassa erityisiä muunnelmia: pallomainen hehkutus tuottaa pallomaisten kovametallihiukkasten rakenteen, joka mahdollistaa maksimaalisen muovattavuuden korkeahiilisessä työkaluteräksessä, kun taas prosessihehkutus on matalahiilinen teräskäsittely kylmätyöstöjaksojen aikana muovattavuuden palauttamiseksi vedon tai valssauksen välillä. Tietystä menetelmästä riippumatta hehkutus on aina lähtökohta, kun tarvitaan äärimmäistä työstettävyyttä tai stressin lievitystä, ja se on yksi laajimmin käytetyistä tyyppejä heat treatment raskaassa valmistusteollisuudessa.

2. Normalisointi: Raerakenteen jalostaminen tasaisuuden ja lujuuden saavuttamiseksi

Normalisointi on lämpökäsittelyprosessi, joka tuottaa tasaisen, hienorakeisen mikrorakenteen, jolla on parempi lujuus ja sitkeys verrattuna hehkutettuun teräkseen, kuumentamalla metalli sen kriittisen alueen yläpuolelle ja jäähdyttämällä sitä sitten tyynessä ilmassa uunin sijaan. Normalisoinnin lämmityslämpötila on tyypillisesti 30°C - 50°C ylemmän kriittisen lämpötilan yläpuolella , samanlainen kuin hehkutus, mutta ratkaiseva ero on jäähdytysvaiheessa. Riittävän liotuksen jälkeen teräs poistetaan uunista ja sen annetaan jäähtyä ympäröivässä, tyynessä ilmassa. Tämä ilmajäähdytys on huomattavasti nopeampi kuin uunijäähdytys, mikä johtaa hienompaan perliittirakenteeseen, jossa on pienempiä rakeita. Hieno raekoko on tärkeä, koska se lisää myötölujuutta ja sitkeyttä samanaikaisesti, kun taas useimmat vahvistusmekanismit vaihtavat toisiaan. Normalisoidulla AISI 1045 -teräksellä vetolujuus on tyypillisesti noin 620 MPa (90 000 psi) , joka on huomattavasti korkeampi kuin samalle teräkselle tyypillinen 500 MPa täysin hehkutetussa tilassa. Julkaisijan julkaiseman tutkimuksen mukaan Journal of Materials Engineering and Performance Normalisointi myös homogenisoi mikrorakenteen valetuissa tai taotuissa komponenteissa, jotka ovat saaneet kokea epätasaista jäähtymistä jähmettymisen aikana, mikä varmistaa yhtenäiset mekaaniset ominaisuudet koko osassa. Normalisointi määritellään usein lopulliseksi lämpökäsittelyksi rakenneteräksille, jotka eivät vaadi karkaisun ja karkaisun olosuhteen äärimmäistä kovuutta, sekä valmisteluvaiheeksi ennen karkaisua, koska yhtenäinen raerakenne reagoi ennakoitavammin myöhempään karkaisuun. Neljän joukossa tyyppejä heat treatment , normalisointi on keskitie hehkutuksen tuottaman pehmeän, sitkeän tilan ja karkaisemisen tuottaman kovan, hauraan tilan välillä, joten se on erinomainen valinta komponenteille, jotka tarvitsevat lujuuden ja sitkeyden tasapainoa, kuten rautatiepyörät, akselit ja paineastialevyt.

3. Kovettuminen (sammutus): Maksimikovuuden ja kulumiskestävyyden saavuttaminen

Karkaisu, jota kutsutaan myös karkaisuksi, on lämpökäsittely, joka lisää dramaattisesti teräksen kovuutta ja lujuutta kuumentamalla sitä austeniittiselle alueelle ja jäähdyttämällä sen sitten nopeasti vedessä, suolaliuoksessa, öljyssä tai pakotetussa ilmassa, jolloin kiderakenne muuttuu ylikylläiseksi, erittäin kovaksi faasiksi, jota kutsutaan martensiitiksi. Teräs kuumennetaan noin lämpötilaan 760°C - 870°C (1400°F - 1600°F) , riippuen hiilipitoisuudesta ja pidetään riittävän pitkään rakenteen täysin austenisoimiseksi. Nopea jäähtyminen - usein yli 200°C sekunnissa vesisammutuksessa - estää hiiliatomien diffuusion rautahilasta. Sen sijaan, että se muodostaisi ferriitin ja sementiitin tasapainofaasit, hiili jää loukkuun kehokeskeiseen tetragonaaliseen kiderakenteeseen, joka tunnetaan martensiittina. Tälle rakenteelle on ominaista valtava sisäinen rasitus ja kovuus, joka voi ulottua 62-67 HRC Rockwell C -asteikolla korkeahiilisessä työkaluteräksessä, kuten AISI 1095. Karkaisuaineen valinta on kriittinen suunnittelupäätös. Vesi ja suolaliuos tarjoavat voimakkaimman jäähdytyksen, mikä tuottaa maksimaalisen kovuuden, mutta myös suurimman vääristymisen ja sammutushalkeilun riskin. Öljyn sammutus on hitaampaa ja tasaisempaa, mikä vähentää lämpöshokkia ja tekee siitä suositellun väliaineen seosteräksille ja monimutkaisille muodoille. Ilmakarkaisua tai kaasukarkaisua käytetään korkeaseosteisille ilmakarkaisuteräksille, jotka muodostavat martensiittia jopa suhteellisen hitailla jäähdytysnopeuksilla. Kuitenkin sammutettu martensiittinen rakenne, vaikka se on erittäin kova, on myös erittäin hauras. Kokoamien tietojen mukaan ASM Failure Analysis Handbook , karkauttamaton martensiitti sisältää runsaasti jäännösjännitystä ja voi halkeilla spontaanisti pienistä pintavioista tai hionnan aikana. Tämän haurauden vuoksi kovettuminen ei ole lähes koskaan viimeinen vaihe lämpösyklissä. Sen sijaan kovettamisen jälkeen on välittömästi suoritettava karkaisu sitkeyden palauttamiseksi. Tästä rajoituksesta huolimatta karkaisu on suorin tapa saavuttaa korkea pinnan kovuus, jota vaaditaan leikkaustyökaluilta, laakerirenkailta, meistit ja kulutusta kestävät levyt, ja se on määrittävä prosessi. tyyppejä heat treatment osille, joiden on kestettävä hankausta ja painaumia.

4. Karkaisu: Kovuuden ja sitkeyden tasapainottaminen karkaisun jälkeen

Karkaisu on pakollinen lämpökäsittely, joka seuraa karkaisua; se vähentää martensiittisen rakenteen haurautta ja lievittää sammutusjännitystä kuumentamalla terästä uudelleen alemman kriittisen pisteen alapuolelle, pitämällä sitä ja jäähdyttämällä sitten ilmassa. Karkaisulämpötila on ensisijainen muuttuja, joka ohjaa lopullista kovuuden ja sitkeyden tasapainoa. Se vaihtelee niinkin alhaisesta kuin 150°C (300°F) sovelluksiin, jotka vaativat maksimaalista kulutuskestävyyttä, kuten partakoneen terät ja metallinleikkaustyökalut, jopa 650°C (1200°F) komponenteille, joiden täytyy absorboida iskuenergiaa, kuten autojen akselit ja kampiakselit. Karkaisulämpötilan noustessa loukkuun jääneet hiiliatomit saostuvat ulos martensiittihilasta hienoina karbidihiukkasina, ja kiderakenne muuttuu vähitellen runkokeskeisestä tetragonaalisesta vakaammaksi runkokeskeiseksi kuutiojärjestelyksi, jossa on dispergoituja karbideja. Tämä karkaistu martensiittirakenne voidaan suunnitella tarkasti säätämällä aikaa ja lämpötilaa. Esimerkiksi tavallinen hiiliteräs, joka on karkaistu 64 HRC:hen, voidaan karkaista 200 °C:ssa kovuuden säilyttämiseksi. 60-62 HRC leikkuureunaa varten tai karkaistu 550 °C:ssa kovuuden saamiseksi 30-35 HRC ja korkea sitkeys, joka sopii kiertokankeen. Erityinen ilmiö, joka tunnetaan nimellä karkaisuhaurastuminen, voi tapahtua, jos tiettyjä seosteräksiä jäähdytetään hitaasti 450 °C - 600 °C:n välillä, riskiä pienennetään lisäämällä pieniä määriä molybdeenia tai jäähtymällä nopeasti karkaisulämpötilasta. mukaan Metals Handbook Desk Edition , karkaisu ei ole vain korjaava jälkikäteen kovettuminen; se on harkittu suunnittelutyökalu, joka räätälöi teräksen mekaanisen vasteen sovelluksen täsmällisiin tarpeisiin. Neljän joukossa tyyppejä heat treatment , karkaisu on se, joka muuntaa hauraan, sisäisesti jännittyneen osan luotettavaksi suunnittelukomponentiksi.

Kuinka neljä lämpökäsittelytyyppiä toimivat yhdessä valmistuksessa

Teollisessa käytännössä neljää lämpökäsittelytyyppiä käytetään harvoin erikseen; ne yhdistetään sarjaksi, joka muuttaa raaka-aineen valmiiksi komponenteiksi, joilla on tarkasti hallitut ominaisuudet. Tyypillinen karkaistujen hammaspyörien valmistusreitti alkaa normalisoimalla tai hehkuttamalla taottu aihio sen pehmentämiseksi koneistusta varten ja valu- tai taontajännitteiden poistamiseksi. Tämän jälkeen aihio koneistetaan lähes verkkoon sen pehmeimmässä ja työstettävimmässä tilassa. Koneistuksen jälkeen komponentti kuumennetaan austenitisoitumislämpötilaan ja jäähdytetään martensiitin muodostamiseksi, jolloin saavutetaan kulutuskestävyyden edellyttämä korkea pintakovuus. Välittömästi karkaisun jälkeen osa karkaistaan ​​vaadittuun sitkeyteen, mikä vähentää sisäisiä karkaisujännityksiä ja estää viivästynyttä halkeilua. Tämä sekvenssi – pehmennä, muotoile, koveta, karkaise – on olennainen miljoonien kriittisten komponenttien tuotannossa autojen voimansiirtovaihteista kirurgisiin instrumentteihin. Kunkin vaiheen erityisparametrit riippuvat teräslaadusta ja halutusta lopullisesta kovuudesta ja sitkeydestä. Esimerkiksi AISI 8620 vähähiilisestä seosteräksestä valmistetulle vaihteelle voidaan tehdä erilainen karkaisureitti, nimeltään hiiletys, joka tuo hiiltä pintakerrokseen ennen karkaisua, mutta ytimen käsittelyjakso sisältää silti normalisoinnin rakeiden jalostamiseksi, karkaisun martensiittisen kotelon muodostamiseksi ja karkaisun kotelon haurauden vähentämiseksi. Ymmärtäminen kuinka nämä neljä tyyppejä heat treatment vuorovaikutuksen avulla prosessiinsinöörit voivat suunnitella lämpösyklin, joka maksimoi suorituskyvyn ja minimoi vääristymän ja romun.

Usein kysyttyjä kysymyksiä lämpökäsittelytyypeistä

Mitä eroa on hehkutuksen ja normalisoinnin välillä?

Molemmat tyyppejä heat treatment pehmentää terästä ja jalostaa sen rakennetta, mutta ne eroavat jäähdytysnopeudeltaan. Hehkutuksessa käytetään erittäin hidasta uunijäähdytystä, joka tuottaa pehmeimmän mahdollisen tilan maksimaalisella sitkeydellä ja karkeimmalla raerakenteella. Normalisointi käyttää ilmajäähdytystä, jolloin saadaan kohtalaisen kova, hienorakeinen rakenne, jolla on suurempi lujuus ja parempi tasaisuus. Normalisointia suositellaan, kun vaaditaan lujuuden ja sitkeyden tasapainoa, kun taas hehkutus valitaan, kun myöhemmässä kylmätyöstössä vaaditaan äärimmäistä pehmeyttä ja muovattavuutta.

Voiko kaikkia teräksiä karkaista karkaisulla?

Ei. Kyky muodostaa martensiittia kovettumisen aikana riippuu hiilipitoisuudesta ja seoksen koostumuksesta. Teräkset alle noin 0,30 % hiiltä ei yleensä voida kovettaa martensiittiseksi rakenteeksi suoralla sammutuksella, koska niistä puuttuu riittävästi hiiltä kovan, vääristyneen hilan muodostamiseksi. Vähähiiliset teräkset, kuten AISI 1018, ovat usein kotelokarkaistuja hiilettämällä, mikä lisää hiiltä pintaan ennen karkaisua ja muodostaa kovan kotelon kovan ytimen päälle. Keski- ja korkeahiiliset teräkset sekä useimmat seosteräkset reagoivat helposti kovettumisprosessiin.

Miksi karkaisu pitää tehdä heti kovettumisen jälkeen?

Karkaisun aikana muodostuva martensiitti sisältää valtavia sisäisiä jännityksiä. Jos näitä jännityksiä ei vähennetä karkaisulla, ne voivat aiheuttaa osan spontaanin halkeilun, joskus tunteja tai päiviä sammutuksen jälkeen, ilmiössä, joka tunnetaan nimellä viivästynyt halkeilu. Karkaisu tulee suorittaa heti, kun osa ulottuu noin 50 °C - 65 °C (120 °F - 150 °F) sammutuksen jälkeen. Tämän vaiheen viivästyminen vaarantaa osien rikkoutumisen ja sitä pidetään vakavana prosessivirheenä kaikissa lämpökäsittelypajoissa.

Kuinka valitsen hehkutuksen ja normalisoinnin välillä vähähiiliselle teräkselle?

Vähähiiliselle teräkselle, joka käy läpi laajan kylmämuovauksen tai syvävedon, hehkutus on suositeltava lämpökäsittely koska se tuottaa pehmeimmän, sitkeimmän tilan. Jos komponentti on tarkoitettu rakenteelliseen käyttöön, jossa vaaditaan jonkin verran lujuutta, normalisointi on parempi valinta, koska se tarjoaa hienomman raekoon ja paremmat mekaaniset ominaisuudet ilman uunin jäähdytyksen pitkittymistä. Päätös riippuu myös myöhemmistä valmistusvaiheista: hehkutus on ihanteellinen materiaalin esityöstössä, kun taas normalisointi toimii usein kuumavalssattujen profiilien loppukäsittelynä.

Ne neljä tyyppejä heat treatment -hehkutus, normalisointi, karkaisu ja karkaisu - muodostavat täydellisen työkalusarjan teräksen mekaanisten ominaisuuksien manipulointiin. Jokainen prosessi vastaa erilaisiin teknisiin tarpeisiin: hehkutus luo pehmeän, jännitteetön pohjan muovaukselle; normalisointi jalostaa ja homogenisoi rakennetta luotettavuuden takaamiseksi; karkaisu työntää teräksen sen maksimaaliseen mahdolliseen kovuuteen; ja karkaisu muuttaa hauraan kovuuden turvalliseksi, käyttökelpoiseksi lujuuden ja sitkeyden yhdistelmäksi. Yhdessä nämä prosessit mahdollistavat komponenttien valmistuksen pehmeästä, taivutettavasta metallilevystä ultrakoviin leikkuureunoihin, ja ne ovat edelleen yhtä tärkeitä nykyaikaiselle tuotannolle kuin sata vuotta sitten.