Термична обработка на стоманени и чугунени отливки: Пълно техническо ръководство по процеси, параметри и контрол на качеството

Мета Описание: Изчерпателно инженерно ръководство за термична обработка на метални отливки. Научете се как да извършвате отжигане, нормализиране, закаляване и отпускане, разтворно отжигане, отстраняване на остатъчни напрежения и аустемпериране – с температурни диапазони, времена за издръжка, скорости на охлаждане и еволюция на микроструктурата за въглеродна стомана, неръждаема стомана, ковка чугун и други.

Топлинната обработка е невидимият фактор за диференциация в металното леене. Две отливки, получени от една и съща топлина метал, с идентичен химичен състав и идентична геометрия след леене, могат да имат напълно различни механични свойства — едната крехка и склонна към пукане, другата издръжлива и устойчива на умора — само в зависимост от това какво се случва в пещта за топлинна обработка.

За инженерите, които определят параметрите на отливките, разбирането на топлинната обработка не е по избор. Спецификацията за топлинна обработка в чертежа директно определя якостта, пластичността, ударната здравина, обработваемостта и размерната стабилност на детайла. Неправилно определена или неправилно изпълнена топлинна обработка е една от най-честите основни причини за повреда на отливките по време на експлоатация — и една от най-лесно предотвратимите.

Това ръководство охватва основните процеси на топлинна обработка, прилагани върху стоманени и чугунени отливки, с практически параметри, металични обяснения и изисквания за контрол на качеството.

Част 1: Защо отливките изискват термична обработка

За разлика от деформируеми продукти (листове, пръти, ковани изделия), които подлагат на термомеханична обработка по време на формирането, отливките се втвърдяват в неподвижна форма. Микроструктурата в състояние „след отливане“ се определя изцяло от скоростта на охлаждане от температурата на заливане — която варира значително между дебелите и тънките участъци на една и съща отливка.

Какво постига термичната обработка

Професионална литейна с интегрирана възможност за термична обработка — например Dandong City Pengxin Machinery Co., Ltd. , която разполага с вградени пещи за нормализиране, закаляване и отпускане с калибриран контрол на температурата и записващи диаграми — гарантира, че всяка отливка напуска литейната в зададеното състояние след термична обработка с пълна проследимост.

Част 2: Процеси на термична обработка за стоманени отливки

2.1 Отпускане на напреженията (отпускане)

Цел : Намаляване на остатъчните напрежения от затвърдяването и охлаждането, без значително променяне на микроструктурата или механичните свойства.

Как работи : Отливката се нагрява до температура под областта на фазовите превръщания (обикновено 550–650 °C за въглеродни и нискоалоирани стомани), задържа се при тази температура, за да се освободят еластичните напрежения чрез термично релаксиране, и след това се охлажда бавно. Фазово превръщане не настъпва — процесът е изцяло термомеханичен.

Кога да се посочва отпускане на напрежението :

• Големи отливки със значителна вариация в дебелината на сечението
• Отливки, които ще бъдат подложени на интензивно машинно обработване (отпускането на напрежението преди обработването предотвратява деформация по време на премахване на метал)
• Отливки, които трябва да отговарят на изисквания за размерна стабилност по време на експлоатация
• Отливки, които ще бъдат заварявани (отпускане на напрежението след заваряване или поправка чрез заваряване)

Контрол на качеството : Проверете равномерността на температурата в пещта (±15 °C в работната зона). Скоростта на охлаждане е толкова важна, колкото и цикълът на нагряване — прекалено бързото охлаждане отново въвежда термично напрежение и така се компрометира целта.

2.2 Пълно отжигане

Цел : Получаване на мека, обработваема микроструктура с максимална пластичност. При пълното отжигане литата структура се превръща напълно в грубо перлит и ферит (за хипоевтектоидни стомани).

Как работи : Отливката се нагрява над горната критична температура (Ac₃) — обикновено 850–950 °C за въглеродни стомани — и се задържа при тази температура, за да се аустенизира напълно, след което се охлажда много бавно (охлаждане в пещ), за да се получи равновесна ферит-перлитна структура.

Получена микроструктура : Грубо ферит + перлит (хипоевтектоидни стомани); грубо перлит + цементит (хипереевтектоидни стомани).

Получена твърдост : Въглеродна стомана WCB обикновено 130–170 HB след пълно отжигане.

Кога да се посочва пълно отжигане :

• Отливки, които изискват интензивна машинна обработка — меката и еднородна структура минимизира износването на инструментите
• Отливки, които ще бъдат подложени на студена обработка или формоване след отливане (рядко за отливки, но приложимо за компоненти, които са отляти и после ковани)
• Максимално изискване за дуктилност за последваща обработка

Практическа бележка пълното отжигане е най-продължителната и най-енергоемка топлинна обработка. За повечето промишлени отливки нормализирането (виж точка 2.3) осигурява достатъчна обработваемост при по-кратко време на цикъл и по-ниска цена. Пълното отжигане се използва само когато е необходима максимална мекота.

2.3 Нормализиране

Цел усъвършенстване на грубата зърнеста структура след отливане, хомогенизиране на микроструктурата и получаване на умерена якост с добра ударна вязкост. Нормализирането е най-често срещаната топлинна обработка за отливки от въглеродна и нискоалоирана стомана.

Как работи отливката се нагрява над горната критична температура (Ac₃), задържа се за пълно аустенизиране, след което се охлажда на спокойен въздух. По-бързият темп на охлаждане (в сравнение с отжигането) води до по-финна феритно-перлитна микроструктура с по-малък размер на зърната.

Получена микроструктура фина феритна + фина перлитна структура. Големина на зърното обикновено ASTM 5–8 (в сравнение с ASTM 1–3 за лито състояние).

Получени свойства за WCB (типични) :

Бележка за марганцовата стомана на Хедфийлд аустенитната марганцова стомана (11–14 % Mn) се подлага на разтворно отжигане чрез нагряване до 1050–1100 °C и гасене с вода — не се нормализира. Охлаждането на въздух предизвиква изкристализиране на карбиди по границите на зърната, което охрупва стоманата. Гасенето с вода задържа въглерода в твърд разтвор, образувайки напълно аустенитна, устойчива и способна да се утвърдява при пластична деформация микроструктура, която прави стоманата на Хедфийлд уникална.

Кога да се специфицира нормализиране :

• Стоманени лити от общо предназначение
• Лити, изискващи подобрен ударна възприемчивост спрямо състоянието след леене
• Като предварителна термична обработка преди гасене и отпускане (финозърнестост преди закаляване)
• Лити за съдове под налягане (нормализираното състояние е стандартно за много спецификации за съдове под налягане)

2.4 Гасене и отпускане (Q&T)

Цел постигане на висока якост и твърдост с контролирана ударна възприемчивост чрез образуване и последващо отпускане на мартензита. Гасенето и отпускането осигуряват най-високите нива на якост, постижими при стоманени лити.

Как работи леярката се аустенизира, след което се охлажда бързо (закаля се) във вода, масло или полимер, за да се образува мартензит — твърда, но крехка метастабилна фаза. След това се нагрява повторно (отпуска се) до температура под Ac₁, за да се намали крехкостта, като се запази по-голямата част от придобитата якост.

Стъпка 1: Аустенизиране и закаляне

Степен на загасяване скоростта на охлаждане трябва да надвишава критичната скорост на охлаждане на стоманата, за да се избегне образуването на перлит или бейнит. Загасяването с вода е най-силно и осигурява най-висока твърдост, но също така и най-висок риск от деформация и пукнатини. Загасяването с масло и полимерни загасителни течности осигурява по-бавно и по-равномерно охлаждане — предпочитано за сложни геометрии и легирани стомани.

Стъпка 2: Отжигане

Предупреждение за охрупване при отпускане : Някои легирани стомани (особено съдържащи Mn, Cr, Ni) са подложни на охрупване при отпускане при бавно охлаждане през температурния диапазон 375–575 °C или при продължително задържане в този диапазон. Механизмът е сегрегацията на примесни елементи (P, Sb, Sn, As) към границите на предишните аустенитни зърна. Предотвратяване: отпускане над 575 °C и бързо охлаждане от температурата на отпускането, или използване на стомани с ниско съдържание на случайни елементи.

В Dandong City Pengxin Machinery Co., Ltd. , термичната работилница използва калибрирани пещи с многозонен температурен контрол и непрекъснато записване на диаграми, което гарантира, че всеки цикъл на закаляване и отпускане се изпълнява според зададените параметри с пълна проследимост — от диаграмите на натоварването на пещта до крайните резултати от изпитанията за твърдост.

2.5 Разтворно отжигане (ливени части от неръждаема стомана)

Цел разтваряне на хромовите карбиди, които са се изседили по време на затвърдяване или охлаждане, за възстановяване на хомогенната аустенитна микроструктура и пълната корозионна устойчивост. Това е основната термична обработка за леярски изделия от аустенитна неръждаема стомана.

Как работи леярското изделие се нагрява до температура, при която хромовите карбиди се разтварят (обикновено 1040–1120 °C), задържа се при тази температура, за да се хомогенизира аустенитът, след което се охлажда бързо (гаси с вода), за да се запази въглеродът и хромът в твърда разтворимост. Бавното охлаждане през температурния диапазон 425–870 °C води до изседяване на хромови карбиди по границите на зърната (сенсибилизиране), което изчерпва съседната матрица от хром и унищожава корозионната устойчивост.

Ключово изискване : Времето от излизането от пещта до потапянето в резервоара за гасене трябва да бъде минимизирано — идеално под 60 секунди за тънки сечения и не повече от 2–3 минути за каквито и да е сечения. Всяко забавяне позволява повърхността на отливката да достигне температурния диапазон на чувствителност преди гасенето.

Особености при дуплексните неръждаеми стомани : Освен разтварянето на карбидите, разтворното отжигане установява правилното съотношение между феритната и аустенитната фаза (обикновено 40–60 % ферит). Скоростта на охлаждане от температурата на разтворното отжигане трябва да е достатъчно висока, за да се потисне образуването на сигма фаза и други интерметални съединения — те правят сплавта крехка и унищожават корозионната ѝ устойчивост. Температурата за разтворно отжигане и скоростта на охлаждане за дуплексните марки трябва строго да се контролират.

Проверка : След разтворното отжигане проверете:

• Твърдост (трябва да е ≤200 HB за напълно отжигани аустенитни марки)
• Съпротива на корозия (ASTM A262, метод А или Е за сенсибилизиране; ASTM G48 за устойчивост към точкова корозия при дуплексни марки)
• Микроструктура (няма непрекъснати карбидни мрежи по границите на зърната)

Част 3: Термични обработки за чугунени отливки

Чугуните реагират по-различно на термична обработка в сравнение със стоманите поради присъствието на графит — който не претърпява фазови промени — и по-високото съдържание на въглерод и кремний, които изместват температурите и кинетиката на фазовите превръщания.

3.1 Отстраняване на остатъчни напрежения (сив чугун и ковък чугун)

Забележка : Отпускане на напрежението при температури над 600 °C за сив чугун може да доведе до растеж на графитните пластина и постоянна промяна в размерите. Поддържайте температурите под 600 °C за сив чугун, освен ако не е предвиден специален отжиг (с очаквана промяна в размерите).

3.2 Отжиг на ковък чугун (феритизиращ отжиг)

Цел : Получаване на напълно феритна матрица за максимална пластичност и ударна здравина (както се изисква за класове QT400-18 / 60-40-18).

Процес : Нагряване до 900–950 °C, задържане за аустенизиране (въглеродът от матрицата се разтваря в аустенита), след което бавно охлаждане в пещта през евтектоидния интервал (700–760 °C), за да се позволи на въглерода да дифундира от аустенита към съществуващите графитни възли. Резултатът е феритна матрица с графитни възли — максимална пластичност, минимална якост.

Резултат : QT400-18 свойства: теглителна способност ≥400 MPa, износ ≥250 MPa, удължаване ≥18%, твърдост 130180 HB, Charpy ≥14 J (RT).

3.3 Нормализация на гъвкавото желязо

Цел : Произвеждат предимно перлитна матрица за по-голяма здравина и издръжливост на износване (категори QT600-3, QT700-2).

Процес : Аустентизира се при 870930 °C, след което се охлажда с въздух. По-бързата скорост на охлаждане (в сравнение с изгарянето) потиска дифузията на въглерода към графитните възли, принуждавайки въглерода да се утайка като перлит по време на трансформацията на еутектоид.

3.4 Австемпериране (австемпериран чугун с шаровиден графит — ADI)

Цел : Получаване на авсферитна микроструктура (иглест ферит + въглеродностабилизиран аустенит), която комбинира изключително висока якост с полезна пластичност — най-високият клас производителност за чугун с шаровиден графит.

Как работи : Отливката се аустенизира (850–930 °C), след което се гаси в течна солена баня, поддържана при 230–450 °C (над температурата на началото на мартензитната трансформация). Задържа се при тази температура (австемперира се), докато завърши трансформацията в авсферит, и след това се охлажда до стайна температура. Резултатът е матрица от фин иглест ферит в матрица от въглеродобогатен стабилен аустенит — без мартензит, без перлит.

Австемперираният процес позволява на ADI да замества кованата и термообработена стомана в много приложения — при по-ниска цена и с допълнителните предимства на отливане почти в крайна форма, намалено машинно обработване и превъзходно гасене на трептения. Това е най-бързо растящият сегмент от пазара на ковки чугуни.

Част 4: Контрол на качеството при термична обработка

4.1 Изисквания към пещите

4.2 Проверка след термичната обработка

4.3 Чести дефекти при термична обработка

Част 5: Указване на термичната обработка в чертежите и поръчките

Пълното описание на термичната обработка не оставя място за тълкуване. Следните елементи трябва да присъстват в чертежа на отливката или в придружаващото описание на процеса за термична обработка:

Шаблон за спецификация

HEAT TREATMENT REQUIREMENT:

Process: Normalize + Temper
Material: ASTM A216 Grade WCB
Normalizing temperature: 900 ± 15 °C
Holding time at temperature: 1 hour per 25 mm of maximum section thickness, minimum 2 hours
Cooling: Still air cool to ambient temperature
Tempering temperature: 620 ± 15 °C
Holding time at temperature: 1 hour per 25 mm, minimum 2 hours
Cooling after tempering: Still air cool

Required properties after heat treatment:
- Hardness: 140–170 HB
- Tensile strength: 485–620 MPa
- Yield strength: 250 MPa minimum
- Elongation: 22% minimum

Documentation:
- Furnace chart recorder trace for each cycle, identified with casting heat number
- Hardness test results for each casting or representative sample
- Tensile test results from test bar cast from same heat and heat-treated with castings

Заключение

Термичната обработка е мястото, където металургията се среща с производството. Това е единствената технологична стъпка, която може да увеличи стойността на отливката многократно — или да я унищожи. Разликата между отливка, която отговаря на изискванията, и такава, която се поврежда по време на експлоатация, често се дължи само на 20 °C разлика в температурата на пещта, 30 минути разлика в продължителността на издръжката или 10 секунди разлика между излизането от пещта и потапянето в хладилната среда.

Основни принципи за успешна термична обработка на отливки:

1. Пълно указване — температура, време, метод на охлаждане и изискваните свойства. Изразът „термично обработи до 150 HB“ не представлява спецификация.
2. Строга проверка — диаграми на пещта, твърдостни изпитвания и механични изпитвания са задължителни.
3. Съответствие между процеса и материала — цикъл на топлинна обработка, разработен за въглеродна стомана, няма да работи за неръждаема стомана или ковък чугун.
4. Имайте предвид цялата производствена последователност — отпуснете напреженията преди механична обработка, извършете топлинна обработка след груба обработка, ако допуските са тесни, и винаги проверявайте свойствата на крайната част или на представителен тестов бар.
5. Сътрудничете с литейна, която притежава процеса на топлинна обработка — външно изпълняваната топлинна обработка води до прекъсвания в проследимостта, отговорността и контрола на процеса, които е трудно да се преодолеят.

В Dandong City Pengxin Machinery Co., Ltd. , топлинната обработка е неотделима част от нашия процес от леяне до готова част. Благодарение на калибрирани пещи, непрекъснато записване на диаграми, вътрешни механични изпитания и документирана система за качество, сертифицирана според ISO 9001, ние доставяме отливки в точно определеното от вас състояние след топлинна обработка — подкрепено от пълна документация на процеса.

Нуждаете се от стоманени или чугунени отливки със сертифицирана топлинна обработка? Dandong City Pengxin Machinery Co., Ltd. предлага интегрирано производство на отливки, топлинна обработка, CNC машинна обработка и гаранция за качество от нашето производствено помещение с площ 80 000 м² в провинция Ляонин, Китай. Свържете се с нас с вашите изисквания към материала и топлинната обработка, за да получите техническо оферта.