Plieninių ir geležinių liejimų terminis apdorojimas: išsaminė techninė gida apie procesus, parametrus ir kokybės kontrolę

Meta Description: Išsami inžinerinė metalo liejinių šiluminio apdorojimo vadovas. Išmokite įkaitinimo, normalizavimo, užšaldymo ir kietinimo, tirpalo įkaitinimo, įtempimų nušalinimo bei austemperavimo metodų – su temperatūros intervalais, laikymo laikais, aušinimo greičiais ir mikrostruktūros vystymusi anglies plienui, nerūdijančiajam plienui, koviniam geležiui ir kt.

Šiluminis apdorojimas yra nematomasis skirtumas metalo liejimuose. Du iš tos pačios metalo kaitinimo partijos pagaminti liejiniai, turintys identišką cheminę sudėtį ir identišką pradinę formą, gali turėti visiškai skirtingas mechanines savybes – vienas gali būti trapus ir linkęs į įtrūkimus, kitas – stiprus ir atsparus nuovargiui – tik dėl to, kas vyksta šiluminio apdorojimo krosnyje.

Inžinieriams, nurodantiems liejinių komponentus, šiluminio apdorojimo supratimas yra būtinas. Piešinyje nurodytas šiluminio apdorojimo reikalavimas tiesiogiai nulemia detalės stiprumą, plastikumą, smūginę tvirtumą, apdirbamosybę ir matmenų stabilumą. Netinkamai nurodytas ar neteisingai atliktas šiluminis apdorojimas yra viena dažniausių liejinių eksploatacijos gedimų priežasčių – ir viena lengviausiai išvengiamų.

Ši instrukcija apima pagrindinius šiluminio apdorojimo procesus, taikomus plieno ir geležies liejiniams, su praktiniais parametrais, metalurginiais paaiškinimais ir kokybės kontrolės reikalavimais.

1 dalis: Kodėl liejiniams reikia šiluminio apdorojimo

Skirtingai nuo deformuotų gaminių (plokštumų, strypų, kovų), kurie formavimo metu patiria termomechaninį apdorojimą, liejiniai kietėja nejudančioje formoje. Pradinė liejinio mikrostruktūra visiškai priklauso nuo aušinimo greičio nuo piltinės temperatūros – o šis greitis labai skiriasi tarp vieno ir to paties liejinio storesnių bei plonesnių dalių.

Ką pasiekia šiluminis apdorojimas

Profesionalus liejykla su integruota šiluminės apdorojimo galimybe – pvz., Dandong miesto Pengxin mašinų gamybos bendrovė, UAB , kuri turi savo normalizavimo, užšaldymo ir kalimo krosnis su kalibruota temperatūros kontrolės sistema ir diagramų registravimu – užtikrina, kad kiekvienas liejimas paliktų liejyklą nurodyta šilumine apdorojimo būsena su visiška sekamumu.

2 dalis: Plieno liejinių šiluminiai apdorojimo procesai

2.1 Įtempio sumažinimo kaitinimas (įtempio sumažinimas)

Paskirtis : Sumažinti likusius įtempius, susidariusius dėl lydymo ir atšalimo, nepakeičiant mikrostruktūros ar mechaninių savybių.

Kaip tai veikia : Lietinys įkaitinamas iki temperatūros žemiau transformacijos diapazono (paprastai 550–650 °C anglies ir mažalegių plienų atveju), laikomas tam, kad leistų šiluminį tampriųjų įtempių išsisklaidymą, ir lėtai atšaldomas. Fazės transformacija nevyksta – procesas yra grynas šiluminis-mechaninis.

Kada nurodyti streso mažinimą :

• Didelės liejimo dalys, kurių skersmens storis labai skiriasi
• Sūdomos medžiagos, kurioms atliekamas intensyvus apdirbimas (išsitraukimas nuo įtempimo prieš apdirbimą užkerta kelią iškraipymui pašalinant metalą)
• Sūdomos išliejimo dalys, kurioms taikomi matmenų stabilumo reikalavimai eksploatuojant
• Sutaikytinos liejimo dalys (sūdiklio arba suvirinimo remonto nuotolinis slopinimas)

Kokybės kontrolė : tikrinama, ar krosnies temperatūra yra vienodi (± 15 °C visoje darbo zonoje). Šildymo greitis yra toks pat svarbus kaip ir šildymo ciklas.

2.2 Visiškas iššaldymas

Paskirtis : Pagaminta minkšta, apdirbama mikrostruktūra, turinčia didžiausią lankstumą. Visiškas grūdinimas visiškai paverčia išliejamos konstrukcijos grubiais perlitais ir feritais (hipoeutectoidinių plienų atveju).

Kaip tai veikia : Lydimas kaitinamas virš viršutinės kritinės temperatūros (Ac3) paprastai 850950 °C anglies plieno atveju išlaikomas, kad visiškai austenituotų konstrukciją, tada labai lėtai atvėsinamas (riejaus aušinimas), kad būtų pagamintas pusiausvyros feritas-perlitas.

Gauta mikrostruktūra : Grubus ferritas + perlitas (hipoeutektoidiniai plienai); grubus perlitas + cementitas (hipereutektoidiniai plienai).

Gauta kietumas : Anglies plienas WCB paprastai 130–170 HB po visiško atkaitinimo.

Kada nurodyti visišką atkaitinimą :

• Liejiniams, kuriems reikia intensyvaus apdirbimo – minkšta ir vienoda struktūra sumažina įrankių dėvėjimąsi
• Liejiniams, kurie po liejimo bus šaltai deformuojami arba formuojami (liejiniams tai reta, tačiau taikoma liejimo ir kovos detalių kombinacijoms)
• Didžiausias plastinumo reikalavimas tolesniam apdirbimui

Praktinė pastaba : Visiškas kaitinimas yra ilgiausias ir daugiausia energijos reikalaujantis šiluminis apdorojimas. Daugumai pramoninių liejinių normalizavimas (žr. 2.3 punktą) užtikrina pakankamą apdirbamumą trumpesniu ciklo laiku ir mažesne kaina. Visiškas kaitinimas taikomas tik tuo atveju, kai būtina pasiekti maksimalų minkštumą.

2.3 Normalizavimas

Paskirtis : Pataisyti grubią išliejimo būsenos grūdelių struktūrą, suvienodinti mikrostruktūrą ir gauti vidutinį stiprumą bei gerą smūginę kietumą. Normalizavimas yra dažniausiai taikomas šiluminis apdorojimas anglies plieno ir mažalegiriuotų plienų liejiniams.

Kaip tai veikia : Liejinys įkaitinamas aukščiau viršutinės kritinės temperatūros (Ac₃), laikomas, kol visiškai susidaro austenitas, po to leidžiamas atvėsti nejudančiame ore. Greitesnis aušinimo greitis (palyginti su kaitinimu) sukuria smulkesnę ferito-perlito mikrostruktūrą su mažesniu grūdelių dydžiu.

Gauta mikrostruktūra dėl to susidaro smulkus feritas ir smulkus perlitas. Grūdelių dydis paprastai ASTM 5–8 (lyginant su liejamosios būklės ASTM 1–3).

WCB savybės po šio apdorojimo (tipiškos) :

Hadfieldo mangano plieno pastaba : Austenitinis mangano plienas (11–14 % Mn) tirpalo kaitinamas iki 1050–1100 °C temperatūros ir greitai aušinamas vandenyje — ne normalizuojamas. Oro aušinimas sukelia karbido nuosėdų susidarymą grūdelių ribose, todėl plienas tampa trapus. Greitas vandens aušinimas padeda išlaikyti anglį tirpale, kuriamas visiškai austenitinis, stiprus ir deformuojant sustiprėjantis mikrostruktūros tipas, kuris ir suteikia Hadfieldo plienui jo unikalumą.

Kada nurodyti normalizavimą :

• Universalūs konstrukciniai plieniniai liejiniai
• Liejiniai, kuriems reikalinga didesnė smūginė stiprybė nei liejimo būsenoje
• Kaip paruošiamoji apdorojimo operacija prieš kalavijavimą ir atleidimą (grūdelių smulkinimas prieš kietinimą)
• Slėgiui atlaikyti skirti liejiniai (normalizuota būsena yra standartinė daugelyje slėgio indų specifikacijų)

2.4 Kalavijavimas ir atleidimas (Q&T)

Paskirtis : Pasiekiama didelė stiprybė ir kietumas su kontroliuojama smūgine stiprybe dėl martensito susidarymo ir vėlesnio jo atleidimo. Kalavijavimas ir atleidimas (Q&T) užtikrina aukščiausią plieninių liejinių stiprumo lygį.

Kaip tai veikia liejimas yra austenizuojamas, po to greitai aušinamas (užšaldomas) vandenyje, alyvoje arba polimeruose, kad susidarytų martensitas – kietoji, bet trapioji metastabili fazė. Po to jis vėl šildomas (kaitinamas) temperatūroje žemiau Ac₁, kad sumažėtų trapumas, išlaikant daugumą stiprumo padidėjimo.

Žingsnis 1: Austenizavimas ir užšaldymas

Aušinimo intensyvumas aušinimo greitis turi viršyti plieno kritinį aušinimo greitį, kad būtų išvengta perlito arba bainito susidarymo. Vandens aušinimas yra labiausiai intensyvus ir sukuria didžiausią kietumą, tačiau taip pat ir didžiausią deformacijos bei įtrūkimų riziką. Alyvos ir polimeriniai aušintuvai užtikrina lėtesnį, tolygesnį aušinimą – tai pageidautina sudėtingoms geometrijoms ir lydinių plienams.

Žingsnis 2: Kalinimas

Įspėjimas dėl kietinimo pažeidžiamumo tam tikros lydinio plieno rūšys (ypač tos, kuriose yra Mn, Cr, Ni), lėtai vėstant per 375–575 °C diapazoną arba ilgą laiką palaikant šiame diapazone, gali būti linkusios į kietinimo pažeidžiamumą. Šio reiškinio priežastis – priemaišų elementų (P, Sb, Sn, As) kaupimasis ankstesnių austenito grūdelių ribose. Profilaktika: kietinti aukštesnėje nei 575 °C temperatūroje ir po to greitai vėsinti nuo kietinimo temperatūros arba naudoti plienus su mažu nepageidaujamų priemaišų kiekiu.

Dandongo mieste, „Pengxin Machinery Co., Ltd.“ šiluminio apdorojimo dirbtuvėse naudojami kalibruoti krosniai su daugiapoziciniu temperatūros valdymu ir nuolatine diagramų registracija, užtikrinant, kad kiekvienas kietinimo ir atleidimo ciklas būtų vykdomas pagal nustatytus parametrus su visiška sekamumu – nuo krosnies įkrovos diagramų iki galutinių kietumo bandymų rezultatų.

2.5 Tirpalo atkaitinimas (nerūdijančiojo plieno liejiniai)

Paskirtis ištirpinti chromo karbidus, kurie išsiskyrė lydymosi arba aušinimo metu, atstatant vienalytę austenitinę mikrostruktūrą ir visą korozijos atsparumą. Tai būtinas šiluminis apdorojimas austenitiniams nerūdijančiųjų plienų liešiamiesiems gaminiams.

Kaip tai veikia liešiamasis gaminys įkaitinamas iki temperatūros, kurioje ištirpsta chromo karbidai (paprastai 1040–1120 °C), laikomas šioje temperatūroje, kad suvienodėtų austenitas, o po to greitai aušinamas (vandens aušinimu), kad anglis ir chromas liktų tirpale. Lėtas aušinimas per 425–870 °C temperatūrų intervalą sukelia chromo karbidų išsiskyrimą prie grūdelių ribų (sensibilizaciją), dėl ko chromo kiekis šalia jų sumažėja ir prarandama korozijos atsparumas.

Kritinis reikalavimas laikas nuo kaitinimo krosnies išėjimo iki įmerkimo į aušinimo baką turi būti minimalus – idealiai mažiau nei 60 sekundžių plonoms detalėms ir ne daugiau kaip 2–3 minutės bet kuriai detalės daliai. Bet koks vėlavimas leidžia liejimo paviršiui atvėsti iki jautrios temperatūros diapazono prieš aušinimą.

Dvigubojo nerūdijančiojo plieno ypatumai be karbido tirpimo, sprendžiamoji kaitinimo procedūra užtikrina tinkamą ferito ir austenito fazės santykį (paprastai 40–60 % ferito). Aušinimo greitis nuo sprendžiamosios kaitinimo temperatūros turi būti pakankamai didelis, kad būtų užkirstas kelias sigmos fazės ir kitų tarpmetalinių junginių susidarymui – šie junginiai padaro lydinį trapų ir sunaikina jo korozijos atsparumą. Dvigubojo tipo lydinių sprendžiamosios kaitinimo temperatūra ir aušinimo greitis turi būti tiksliai kontroliuojami.

Patvirtinimas po sprendžiamosios kaitinimo procedūros patikrinkite:

• Kietumas (turi būti ≤200 HB visiškai atleistoms austenitinėms lygoms)
• Corozijos atsparumas (ASTM A262 praktika A arba E dėl jautrumo; ASTM G48 dėl dvigubojo geležies lygų įtrūkimų atsparumo)
• Mikrostruktūra (neturi būti nuolatinės karbido tinklo linijos grūdelių ribose)

3 dalis: Geležies liejinių šiluminis apdorojimas

Geležies lyginiai reaguoja į šiluminį apdorojimą kitaip nei plienai dėl grafito buvimo – kuris nesikeičia – ir didesnio anglies bei silicio kiekio, kurie keičia transformacijos temperatūras ir kinetiką.

3.1 Įtempimų nušalinimas (pilkoji ir kovos geležis)

Pastaba : Įtempimų nušalinimas virš 600 °C pilkosios geležies atveju gali sukelti grafitinių plokštelių augimą ir nuolatinį matmenų pokytį. Pilkosios geležies atveju temperatūrą reikia laikyti žemiau 600 °C, nebent nurodyta speciali atvirinimo ciklo procedūra (su numatytais matmenų pokyčiais).

3.2 Lankstausiojo geležies atvirinimas (ferritinis atvirinimas)

Paskirtis : Sukurti visiškai ferritinę matricą maksimaliam lankstumui ir smūgio stiprumui (kaip reikalaujama QT400-18 / 60-40-18 rūšims).

Apdorojimas : Įkaitinti iki 900–950 °C, laikyti, kol susidarys austenitas (anglis iš matricos ištirpsta austenite), tada lėtai vėsinti krosnyje per eutektoidinį diapazoną (700–760 °C), kad anglis galėtų difuzuoti iš austenito į esamus grafitinius mazgelius. Rezultatas – ferritinė matrica su grafitiniais mazgeliais: maksimalus lankstumas, minimalus stiprumas.

Rezultatas : QT400-18 savybės: tempimo stipris ≥400 MPa, takumo riba ≥250 MPa, ištįsimo procentas ≥18 %, kietumas 130–180 HB, Charpy smūgio energija ≥14 J (kambaryje).

3.3 Ketaus su sferiniais grafitais normalizavimas

Paskirtis : Gaunama daugiausia perlitinė matrica, užtikrinanti didesnį stiprį ir dėvėjimą (grandinės QT600-3, QT700-2).

Apdorojimas : Austenitinama 870–930 °C temperatūroje, po to aušinama oru. Greitesnis aušinimo našumas (palyginti su žvyruojimu) slopina anglies difuziją į grafitinius rutuliukus, todėl anglis išsiskiria kaip perlitas eutektoidinės transformacijos metu.

3.4 Austeminimas (austeminis kovos geležies lydinys – ADI)

Paskirtis : Sukurti ausferitinę mikrostruktūrą (adatinį feritą ir anglis stabilizuotą austenitą), kuri derina itin didelį stiprumą su naudinga plastiskumu – tai aukščiausios našumo klasės kovos geležis.

Kaip tai veikia : Lietinys yra austenitinamas (850–930 °C), tada greitai aušinamas į ištirpusio druskos vonią, kurios temperatūra palaikoma 230–450 °C (virš martensito pradžios temperatūros). Toliau laikomas šioje temperatūroje (austeminamas), kol baigiamas ausferito susidarymas, po to atvėsinamas iki kambario temperatūros. Gauta struktūra – smulkus adatinis feritas anglis turinčioje stabilioje austenito matricoje – be martensito ir be perlito.

Ištvirtinimas leidžia ADI daugelyje taikomųjų dalių pakeisti kaltuotą ir šilumos apdorojamą plieną mažesnėmis sąnaudomis ir papildomais beveik neto formos liejimo privalumais, mažesniu apdirbimu ir geresniu slopinimusi. Tai sparčiausiai augantis lankstomojo geležies rinkos segmentas.

4 dalis: šilumos apdorojimo kokybės kontrolė

4.1 Orkaitės reikalavimai

4.2 Patikrinimo bandymai po šilumos apdorojimo

4.3 Dažniausiai pasitaikančios šilumos apdorojimo klaidos

5 dalis: Šiluminio apdorojimo nurodymai brėžiniuose ir pirkimo užsakymuose

Visiškai išsamus šiluminio apdorojimo specifikavimas palieka ne daugiau kaip vieną galimą aiškinimo variantą. Šie elementai turi būti nurodyti liejimo gaminių brėžinyje arba pridedamojo šiluminio apdorojimo procedūros specifikacijoje:

Specifikacijos šablonas

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

Išvada

Šiluminis apdorojimas – tai vieta, kur susitinka metalurgija ir gamyba. Tai vienintelis technologinis etapas, kuris gali padidinti liejimo gaminio vertę kelis kartus – arba ją sunaikinti. Skirtumas tarp atitinkančio specifikaciją ir eksploatacijoje sugendaus liejimo gaminio dažnai yra tik 20 °C krosnies temperatūroje, 30 minučių išlaikymo laike arba 10 sekundžių tarp krosnies išėjimo ir įmerkimo į aušinimo skystį.

Sėkmingo liejimo gaminių šiluminio apdorojimo pagrindiniai principai:

1. Visiškai specifikuoti – temperatūrą, laiką, aušinimo būdą ir reikalaujamus savybių rodiklius. „Šiluminiu būdu apdoroti iki 150 HB“ nėra specifikacija.
2. Griežtai patikrinti — krosnelių diagramos, kietumo bandymai ir mechaniniai bandymai yra neįverčiami.
3. Priderinkite procesą prie medžiagos — šilumos apdorojimo ciklas, sukurtas anglies plienui, netiks nerūdijančiajam plienui arba plastšakio geležiai.
4. Apsvarstykite visą gamybos seką — įtempių nušalinimą atlikite prieš apdirbimą, šilumos apdorojimą — po grubiojo apdirbimo, jei tikslumas yra aukštas, ir visada patikrinkite savybes galutiniame dalyje arba atstovaujančiame bandymo strypelyje.
5. Dirbkite su liejykla, kuri savo pati valdo šilumos apdorojimo procesą — išorėje vykdomas šilumos apdorojimas sukuria nepastebimų trūkumų grandinę: stokos sekamos, atsakomybės ir proceso kontrolės, kuriuos sunku pašalinti.

At Dandong miesto Pengxin mašinų gamybos bendrovė, UAB šilumos apdorojimas yra neatskiriama mūsų liejimo į galutinį gaminį darbo eigos dalis. Turėdami kalibruotus krosnius, nuolatinį diagramų registravimą, vidinę mechaninę bandymų sistemą ir dokumentuotą kokybės sistemą, sertifikatuotą pagal ISO 9001 standartą, mes pristatome liejinius tiksliai nurodytoje šilumos apdorojimo būsenoje — visiškai dokumentuotais procesais.

Ar reikia plieninių arba geležinių liejinių su sertifikuota šilumine apdorojimu? „Dandong City Pengxin Machinery Co., Ltd.“ siūlo integruotą liejimą, šiluminį apdorojimą, CNC apdirbimą ir kokybės užtikrinimą iš savo 80 000 m² dydžio įmonės Liaoningo provincijoje, Kinijoje. Susisiekite su mumis dėl savo medžiagos specifikacijos ir šiluminio apdorojimo reikalavimų techniniam pasiūlymui.