Mi az acél hőkezelésének négy típusa?

A négy alapvető típusai hőkezelés az acélra alkalmazott lágyítás, normalizálás, edzés (edzés) és temperálás. Ezek az ellenőrzött termikus eljárások manipulálják a fém belső kristályszerkezetét, hogy meghatározott mechanikai tulajdonságokat érjenek el – például keménységet, hajlékonyságot, szakítószilárdságot és ütésállóságot – a kémiai összetétel megváltoztatása nélkül. Az ASM International Heat Treating Society szerint a hőkezelés az alapvető technológia, amely szinte minden tartós fémtermék mögött áll, az autóipari hajtóművektől és sebészeti eszközöktől a szerkezeti I-gerendákig. Megérteni, hogy pontosan mi ez a négy típusai heat treatment Ezek és működésük lehetővé teszi a mérnökök számára a megfelelő ciklus kiválasztását a rideg törés megelőzésére, a megmunkálhatóság javítására vagy a kopásállóság maximalizálására egy adott alkalmazáshoz.

1. Lágyítás: A fém lágyítása és a belső feszültség enyhítése

Az izzítás egy hőkezelési eljárás, amely meglágyítja az acélt, javítja a hajlékonyságát és enyhíti a belső feszültségeket azáltal, hogy a fémet meghatározott magasabb hőmérsékletre hevíti, elég sokáig ott tartja a fázisátalakulásokhoz, majd rendkívül lassan lehűti, általában magában a kemencében. Az izzítás elsődleges célja, hogy az acélt a lehető legpuhább állapotba hozza, így könnyen megmunkálható vagy hidegen alakítható. A sima szénacélok esetében az izzítási hőmérséklet jellemzően 30°C és 50°C között (50°F és 90°F) a felső kritikus hőmérséklet felett (A3) , amely az eutektoid acél esetében körülbelül 723 °C-tól az alacsony széntartalmú acélnál több mint 910 °C-ig terjed. Az acélt ezen a hőmérsékleten tartják, gyakran 1-2 óráig keresztmetszetenként hüvelykig, lehetővé téve a szén egyenletes feloldódását az ausztenit fázisban. Az ezt követő hűtés a lágyítás meghatározó jellemzője: elég lassúnak kell lennie ahhoz, hogy a szén kidiffundáljon a vasrácsból, és durva, egymástól távol elhelyezkedő ferrit- és cementitrétegeket képezzen, amelyeket perlitnek nevezünk. A hűtési sebesség jellemzően 10°C és 50°C között óránként , amit gyakran úgy érnek el, hogy egyszerűen a kemencében hagyják az alkatrészeket, és hagyják őket együtt lehűlni több órán vagy akár napon keresztül. A kapott mikrostruktúra egy durva perlit nagy mennyiségű lágy ferrittel, amelynek Brinell keménysége olyan alacsony, mint 120-150 HB közepes széntartalmú acélokban, mint például az AISI 1045. Szerint a ASM kézikönyv 4. kötet: Hőkezelés , az izzítás nem csak a keménységet csökkenti, hanem kiküszöböli az előző hideg megmunkálásból vagy hegesztésből származó maradék feszültségeket is, ami kritikus fontosságú a későbbi megmunkálás vagy szervizelés során a vetemedés megelőzése szempontjából. A teljes izzításon kívül léteznek speciális változatok is: a szferoidizáló izzítás gömb alakú keményfém részecskékből álló szerkezetet hoz létre a nagy széntartalmú szerszámacélok maximális alakíthatósága érdekében, míg a folyamatlágyítás egy alacsonyabb hőmérsékletű kezelés, amelyet alacsony széntartalmú acéloknál alkalmaznak hidegmegmunkálási folyamatok során, hogy helyreállítsák a húzó- vagy hengerlési folyamatok közötti rugalmasságot. Konkrét módszertől függetlenül a lágyítás mindig a kiindulópont, amikor rendkívüli megmunkálhatóságra vagy feszültségmentesítésre van szükség, és ez az egyik legszélesebb körben alkalmazott típusai heat treatment nehéz feldolgozóiparban.

2. Normalizálás: A szemcseszerkezet finomítása az egyenletesség és szilárdság érdekében

A normalizálás egy olyan hőkezelési eljárás, amely az izzított acélhoz képest jobb szilárdsággal és szívóssággal rendelkező, egyenletes, finomszemcsés mikrostruktúrát hoz létre azáltal, hogy a fémet a kritikus tartomány fölé melegíti, majd csendes levegőn hűti, nem pedig a kemencében. A normalizáláshoz a fűtési hőmérséklet jellemzően 30°C és 50°C között a felső kritikus hőmérséklet felett , hasonlóan a lágyításhoz, de a döntő különbség a hűtési fázisban rejlik. Kellő áztatás után az acélt eltávolítják a kemencéből, és hagyják lehűlni környezeti, csendes levegőn. Ez a léghűtés lényegesen gyorsabb, mint a kemencehűtés, ami finomabb perlit szerkezetet eredményez, kisebb szemcsékkel. A finom szemcseméret azért fontos, mert egyszerre növeli a folyáshatárt és a szívósságot, miközben a legtöbb erősítő mechanizmus felcseréli egymást. Normalizált AISI 1045 acél esetén a szakítószilárdság általában eléri a kb 620 MPa (90 000 psi) , ami lényegesen magasabb, mint az azonos acélra jellemző 500 MPa teljesen izzított állapotban. által közzétett kutatás szerint a Journal of Materials Engineering and Performance , a normalizálás homogenizálja az öntött vagy kovácsolt alkatrészek mikroszerkezetét is, amelyek a megszilárdulás során nem egyenletes hűtést tapasztalhattak, ezáltal biztosítva az egész alkatrész egyenletes mechanikai tulajdonságait. A normalizálást gyakran olyan szerkezeti acélok végső hőkezeléseként határozzák meg, amelyek nem igénylik az edzett és edzett állapot extrém keménységét, valamint az edzés előtti előkészítő lépést, mivel az egyenletes szemcseszerkezet kiszámíthatóbban reagál a későbbi edzésre. A négy között típusai heat treatment , a normalizálás a középutat foglalja el a lágyítással előállított lágy, képlékeny állapot és az oltással előállított kemény, rideg állapot között, így kiváló választás az erő és a szívósság egyensúlyát igénylő alkatrészekhez, mint például a vasúti kerekek, tengelyek és nyomástartó edénylemezek.

3. Edzés (Quenching): Maximális keménység és kopásállóság elérése

A keményítés, más néven kioltás egy olyan hőkezelés, amely drámai módon növeli az acél keménységét és szilárdságát azáltal, hogy az ausztenites tartományba melegíti, majd gyorsan lehűti vízben, sóoldatban, olajban vagy kényszerlevegőben, így a kristályszerkezet egy túltelített, rendkívül kemény fázissá, úgynevezett martenzitté alakul. Az acélt kb. hőmérsékletre hevítik 760–870 °C (1400–1600 °F) , a széntartalomtól függően, és elég hosszú ideig tartják a szerkezet teljes ausztenitesítéséhez. A gyors lehűlés – gyakran meghaladja 200°C másodpercenként vízkioltásban – elnyomja a szénatomok diffúzióját a vasrácsból. A ferrit és cementit egyensúlyi fázisainak kialakítása helyett a szén egy testközpontú tetragonális kristályszerkezetben, a martenzitben rekedt. Ezt a szerkezetet hatalmas belső igénybevétel és elérő keménység jellemzi 62-67 HRC a Rockwell C skálán a magas széntartalmú szerszámacélokban, mint például az AISI 1095. Az oltóközeg kiválasztása kritikus mérnöki döntés. A víz és a sóoldat biztosítja a legerősebb kioltást, maximális keménységet biztosítva, ugyanakkor a legnagyobb a torzulás és a kioltási repedés kockázata. Az olajos kioltás lassabb és egyenletesebb, csökkenti a hősokkot, és az ötvözött acélok és összetett formák kedvelt közegévé teszi. A levegős kioltást vagy gázoltást olyan erősen ötvözött, légkeményedést okozó acéloknál alkalmazzák, amelyek viszonylag lassú hűtési sebesség mellett is martenzitet képeznek. A kioltott martenzites szerkezet azonban rendkívül kemény, de nagyon törékeny is. által összeállított adatok szerint ASM hibaelemzési kézikönyv , a temperálatlan martenzit nagy maradékfeszültséget tartalmaz, és kisebb felületi hibákból vagy csiszolás közben spontán megrepedhet. Ez a ridegség az oka annak, hogy a keményedés szinte soha nem az utolsó lépés a termikus ciklusban. Ehelyett a keményedést azonnal megeresztésnek kell követnie a szívósság helyreállítása érdekében. E korlátozás ellenére az edzés a legközvetlenebb módja a forgácsolószerszámok, csapágypályák, matricák és kopásálló lemezek nagy felületi keménységének elérésének, és ez a meghatározó folyamat a típusai heat treatment olyan alkatrészekhez, amelyeknek ellenállniuk kell a kopásnak és a benyomódásnak.

4. Temperálás: a keménység és a szívósság kiegyensúlyozása a kioltás után

A megeresztés az edzést követő kötelező hőkezelés; csökkenti a martenzites szerkezet ridegségét és enyhíti a kioltási feszültségeket azáltal, hogy az acélt az alsó kritikus pont alatti hőmérsékletre melegíti, megtartja, majd levegőn lehűti. A temperálási hőmérséklet az elsődleges változó, amely szabályozza a keménység és a szívósság végső egyensúlyát. Olyan alacsonytól mozog, mint 150°C (300°F) olyan alkalmazásokhoz, amelyek maximális kopásállóságot igényelnek, mint például a borotvapengék és fémvágó szerszámok, akár 650°C (1200°F) olyan alkatrészekhez, amelyeknek fel kell venniük az ütközési energiát, mint például az autótengelyek és a főtengelyek. A temperálási hőmérséklet emelkedésével a csapdába esett szénatomok finom karbid részecskékként kicsapódnak a martenzitrácsból, és a kristályszerkezet testközpontú tetragonálisból fokozatosan stabilabb testközpontú köbös elrendezéssé alakul, diszpergált karbidokkal. Ez az edzett martenzit szerkezet az idő és a hőmérséklet szabályozásával pontosan megtervezhető. Például egy sima szénacél, amelyet 64 HRC-re hűtöttek, 200 °C-on temperálható, hogy megőrizze a keménységét. 60-62 HRC vágóélhez, vagy 550°C-on temperált keménység eléréséhez 30-35 HRC és hajtórúdnak megfelelő nagy szívósság. Egy különleges jelenség, az úgynevezett temper ridegedés fordulhat elő, ha bizonyos ötvözött acélokat lassan hűtenek le a 450 °C és 600 °C közötti tartományban, ez a kockázat csökkenthető kis mennyiségű molibdén hozzáadásával vagy az edzési hőmérsékletről történő gyors lehűléssel. szerint a Metals Handbook Desk Edition , a temperálás nem pusztán a keményedés korrekciós utógondolata; ez egy tudatos tervezési eszköz, amely az acél mechanikai reakcióit az alkalmazás pontos igényeihez igazítja. A négy között típusai heat treatment , a temperálás az, amely a rideg, belső igénybevételnek kitett alkatrészt megbízható műszaki komponenssé alakítja.

Hogyan működik együtt a négy hőkezelési típus a gyártásban

Az ipari gyakorlatban a négyféle hőkezelést ritkán alkalmazzák elszigetelten; olyan szekvenciává egyesülnek, amely a nyersanyagot precízen szabályozott tulajdonságokkal rendelkező kész alkatrészekké alakítja. Az edzett fogaskerekek tipikus gyártási módja a kovácsolt nyersdarab normalizálásával vagy izzításával kezdődik, hogy meglágyuljon a megmunkáláshoz, és eltávolítsa a maradék öntési vagy kovácsolási feszültségeket. A nyersdarabot ezután a legpuhább, legmegmunkálhatóbb állapotában a hálóhoz közeli alakra megmunkálják. A megmunkálás után az alkatrészt az ausztenitesítési hőmérsékletre melegítik, és martenzitté hűtik, így elérik a kopásállósághoz szükséges nagy felületi keménységet. Közvetlenül az edzés után az alkatrészt a kívánt szívósságra temperálják, enyhítve a belső kioltási feszültségeket és megakadályozva a késleltetett repedést. Ez a szekvencia – lágyítás, formázás, keményítés, temperálás – alapvető fontosságú kritikus alkatrészek millióinak gyártásához, az autóipari hajtóművektől a sebészeti műszerekig. Az egyes lépések specifikus paraméterei az acélminőségtől és a kívánt végső keménységtől és szívósságtól függenek. Például az AISI 8620 alacsony szén-dioxid-tartalmú ötvözött acélból készült fogaskerekek egy másik keményedési útvonalon eshetnek át, amelyet karburálásnak neveznek, ami a hűtés előtt szenet juttat a felületi rétegbe, de a magkezelési szekvencia továbbra is magába foglalja a szemcsefinomítás normalizálását, a martenzites tok kialakításához szükséges hűtést és a temperálást a ház ridegségének csökkentése érdekében. Megértése, hogyan ez a négy típusai heat treatment Az interact lehetővé teszi a folyamatmérnökök számára, hogy olyan hőciklust tervezzenek, amely maximalizálja a teljesítményt, miközben minimalizálja a torzítást és a hulladékot.

Gyakran ismételt kérdések a hőkezelés típusairól

Mi a különbség a lágyítás és a normalizálás között?

Mindkettőt típusai heat treatment lágyítja az acélt és finomítja szerkezetét, de a hűtési sebességben különböznek. Az izzítás nagyon lassú kemencehűtést alkalmaz, ami a lehető legpuhább állapotot hozza létre, maximális rugalmassággal és a legdurvább szemcseszerkezettel. A normalizálás léghűtést használ, ami közepesen kemény, finomszemcsés szerkezetet eredményez, nagyobb szilárdsággal és jobb egyenletességgel. A normalizálást akkor részesítjük előnyben, ha az erő és a szívósság egyensúlyára van szükség, míg az izzítást akkor választjuk, ha rendkívüli lágyságra és alakíthatóságra van szükség a későbbi hideg megmunkáláshoz.

Minden acél edzhető edzéssel?

Nem. A keményedés során martenzitképző képesség a széntartalomtól és az ötvözet összetételétől függ. Acélok kevesebb, mint kb 0,30% szén általában nem keményíthetők martenzites szerkezetűvé közvetlen kioltással, mert nincs elegendő széntartalmuk egy kemény, torz rács létrehozásához. Az alacsony szén-dioxid-kibocsátású acélokat, például az AISI 1018-at, gyakran karburizálással keményítik meg, ami a kioltás előtt szenet ad a felülethez, kemény tokot képezve a kemény magon. A közepes és magas széntartalmú acélok, valamint a legtöbb ötvözött acél könnyen reagálnak az edzési folyamatra.

Miért kell a temperálást közvetlenül az edzés után elvégezni?

Az oltás során keletkező martenzit óriási belső feszültségeket tartalmaz. Ha ezeket a feszültségeket nem enyhítik a temperálás, akkor az alkatrész spontán megrepedését okozhatja, néha órákkal vagy napokkal a kioltás után, egy késleltetett repedésnek nevezett jelenségben. A temperálást azonnal el kell végezni, amint az alkatrész kb 50°C és 65°C között (120°F és 150°F között) kioltás után. Ennek a lépésnek a késleltetése az alkatrészek meghibásodását kockáztatja, és minden hőkezelő műhelyben súlyos folyamathibának számít.

Hogyan válasszak az izzítás és a normalizálás között alacsony szén-dioxid-kibocsátású acél esetén?

Az alacsony széntartalmú acélok esetében, amelyek kiterjedt hidegalakításon vagy mélyhúzáson mennek keresztül, az izzítást részesítjük előnyben hőkezelés mert ez hozza létre a legpuhább, leginkább képlékeny állapotot. Ha az alkatrészt szerkezeti felhasználásra szánják, ahol bizonyos szilárdságra van szükség, a normalizálás a jobb választás, mert finomabb szemcseméretet és jobb mechanikai tulajdonságokat biztosít a kemence hosszabb hűtésének költségei nélkül. A döntés a későbbi gyártási lépésektől is függ: a lágyítás ideális az alapanyag előmegmunkálásához, míg a normalizálás gyakran a melegen hengerelt profilok végső kezelését szolgálja.

A négy típusai heat treatment – lágyítás, normalizálás, edzés és temperálás – teljes eszközkészletet alkotnak az acél mechanikai tulajdonságainak manipulálásához. Minden folyamat más-más mérnöki igényt elégít ki: a lágyítás lágy, feszültségmentes alapot teremt az alakításhoz; a normalizálás finomítja és homogenizálja a szerkezetet a megbízhatóság érdekében; az edzés a lehető legnagyobb keménységre tolja az acélt; és a temperálás ezt a rideg keménységet az erő és a szívósság biztonságos, használható kombinációjává alakítja át. Ezek az eljárások együttesen lehetővé teszik a puha, hajlítható fémlemeztől az ultrakemény vágóélekig terjedő alkatrészek gyártását, és továbbra is ugyanolyan nélkülözhetetlenek a modern gyártáshoz, mint egy évszázaddal ezelőtt.