Аустемперирование

Диаграмма преобразования время-температура (ТТТ). Красной линией показана кривая охлаждения при закалке.

Аустермическая обработка — это термическая обработка черных металлов , особенно стали и ковкого чугуна. В стали он образует бейнитную микроструктуру, тогда как в чугуне он образует структуру игольчатого феррита и высокоуглеродистого стабилизированного аустенита , известного как аусферрит . В первую очередь его используют для улучшения механических свойств или уменьшения/устранения искажений. Аустемперирование определяется как процессом, так и получаемой в результате микроструктурой. Типичные параметры процесса аустенита, применяемые к неподходящему материалу, не приведут к образованию бейнита или аусферрита, и, следовательно, конечный продукт не будет называться аустенитным. Обе микроструктуры также могут быть изготовлены другими методами. Например, они могут быть изготовлены литыми или с воздушным охлаждением с соответствующим содержанием сплава. Эти материалы также не называют закаленными.

История

Впервые закалка стали была впервые применена в 1930-х годах Эдгаром К. Бэйном и Эдмундом С. Давенпортом, которые в то время работали в United States Steel Corporation. Бейнит, должно быть, присутствовал в сталях задолго до официальной даты его открытия, но не был идентифицирован из-за ограниченности доступных металлографических методов и смешанных микроструктур, образовавшихся в результате методов термообработки того времени. Случайные обстоятельства вдохновили Бэйна на изучение изотермических фазовых превращений. Аустенит и более высокотемпературные фазы стали становились все более понятными, и уже было известно, что аустенит можно сохранять при комнатной температуре. Благодаря своим контактам в Американской сталелитейной и проволочной компании Бейн знал об изотермических превращениях, используемых в промышленности, и начал задумывать новые эксперименты. ^[1]

Дальнейшие исследования изотермического превращения сталей стали результатом открытия Бэйном и Давенпортом новой микроструктуры, состоящей из «игольчатого темного травильного агрегата». Было обнаружено, что эта микроструктура «более прочная при той же твердости, чем отпущенный мартенсит». ^[2] Коммерческая эксплуатация бейнитной стали не была быстрой. Обычные методы термообработки в то время включали методы непрерывного охлаждения и на практике не позволяли создавать полностью бейнитные микроструктуры. Ряд доступных сплавов дает либо смешанную микроструктуру, либо избыточное количество мартенсита. Появление в 1958 году низкоуглеродистых сталей, содержащих бор и молибден, позволило производить полностью бейнитную сталь путем непрерывного охлаждения. ^[1]^[3] Таким образом, коммерческое использование бейнитной стали стало результатом разработки новых методов термообработки, включающих этап, на котором заготовку выдерживают при фиксированной температуре в течение периода времени, достаточного для того, чтобы трансформация стала коллективно известной как закалка.

Одним из первых случаев использования закаленной стали было изготовление винтовочных затворов во время Второй мировой войны. ^[4] Высокая ударная вязкость, возможная при высокой твердости, а также относительно небольшой размер сечения компонентов сделали закаленную сталь идеальной для этого применения. В последующие десятилетия закалка произвела революцию в индустрии пружин, а затем последовали зажимы и зажимы. Эти компоненты, которые обычно представляют собой тонкие формованные детали, не требуют дорогих сплавов и обычно обладают лучшими упругими свойствами, чем их отпущенные мартенситные аналоги. Со временем закаленная сталь нашла свое применение в автомобильной промышленности, где одним из первых ее применений было изготовление критически важных компонентов с точки зрения безопасности. Большинство кронштейнов автомобильных сидений и компонентов ремней безопасности изготовлены из закаленной стали из-за ее высокой прочности и пластичности. ^[4] Эти свойства позволяют ему поглощать больше энергии во время аварии без риска хрупкого разрушения. В настоящее время закаленная сталь также используется в подшипниках, лезвиях косилок, трансмиссионных шестернях, волнистых пластинах и зубьях для аэрации газона. ^[4] Во второй половине 20-го века процесс закалки стал применяться в промышленных масштабах для чугуна. Отпущенный ковкий чугун (ADI) был впервые коммерциализирован в начале 1970-х годов и с тех пор стал основной отраслью промышленности.

Процесс

Наиболее заметное различие между аустенитной закалкой и обычной закалкой и отпуском заключается в том, что она предполагает выдерживание заготовки при температуре закалки в течение длительного периода времени. Основные этапы одинаковы, независимо от того, применяются ли они к чугуну или стали, и заключаются в следующем:

Аустенизация

Для того чтобы произошло какое-либо превращение, микроструктура металла должна быть аустенитной. Точные границы области аустенитной фазы зависят от химического состава термически обрабатываемого сплава. Однако температура аустенизации обычно составляет от 790 до 915 ° C (от 1454 до 1679 ° F). ^[5] Время, проведенное при этой температуре, будет зависеть от сплава и особенностей процесса обработки детали, подвергнутой сквозной закалке. Наилучшие результаты достигаются, когда аустенитизация длится достаточно долго, чтобы создать полностью аустенитную микроструктуру металла (в чугунах все еще будет присутствовать графит) с постоянным содержанием углерода. В сталях это может занять всего несколько минут после достижения температуры аустенизации по всему сечению детали, но в чугунах это занимает больше времени. Это связано с тем, что углерод должен диффундировать из графита до тех пор, пока он не достигнет равновесной концентрации, определяемой температурой и фазовой диаграммой. Этот этап можно выполнить во многих типах печей, в высокотемпературной соляной ванне или с помощью прямого пламени или индукционного нагрева . Многочисленные патенты описывают конкретные методы и варианты.

закалка

Как и при обычной закалке и отпуске, материал, подвергаемый термообработке, должен быть охлажден от температуры аустенизации достаточно быстро, чтобы избежать образования перлита . Удельная скорость охлаждения, необходимая для предотвращения образования перлита, зависит от химии аустенитной фазы и, следовательно, обрабатываемого сплава. Фактическая скорость охлаждения является результатом как жесткости закалки, на которую влияют закалочная среда, перемешивание, нагрузка (коэффициент закалки и т. д.), так и толщины и геометрии детали. В результате компоненты более тяжелого сечения требовали большей прокаливаемости. При аустенитном отпуске заготовку для термической обработки закаливают до температуры, которая обычно выше мартенситного начала аустенита, и удерживают ее. В некоторых запатентованных процессах детали закаливаются чуть ниже начала мартенсита, так что полученная микроструктура представляет собой контролируемую смесь мартенсита и бейнита.

Двумя важными аспектами закалки являются скорость охлаждения и время выдержки. Наиболее распространенной практикой является закалка в ванне с жидкой нитритно-нитратной солью и выдержка в ванне. Из-за ограниченного температурного диапазона обработки обычно невозможно закалку в воде или рассоле, но для узкого температурного диапазона используются высокотемпературные масла. Некоторые процессы включают закалку, а затем удаление из закалочной среды и выдержку в печи. Температура закалки и выдержки являются основными параметрами обработки, которые определяют конечную твердость и, следовательно, свойства материала.

Охлаждение

После закалки и выдержки нет опасности растрескивания; Детали обычно охлаждаются воздухом или помещаются непосредственно в систему мойки при комнатной температуре.

Закалка

После аустемического отпуска отпуск не требуется, если деталь полностью закалена и полностью преобразована в бейнит или аусферрит. ^[5] Закалка добавляет еще один этап и, следовательно, стоимость процесса; он не обеспечивает такого же изменения свойств и снятия напряжений в бейните или аусферрите, как для первичного мартенсита.

Преимущества

Аустемперирование предлагает множество производственных и эксплуатационных преимуществ по сравнению с традиционными комбинациями материалов и процессов. Его можно применять к многочисленным материалам, и каждая комбинация имеет свои преимущества, перечисленные ниже. Одним из преимуществ, общих для всех закаленных материалов, является меньшая степень деформации, чем при закалке и отпуске. Это можно перевести в экономию средств путем корректировки всего производственного процесса. Самая непосредственная экономия средств достигается за счет механической обработки перед термообработкой. Такая экономия возможна во многих случаях в конкретном случае преобразования стального компонента, подвергнутого закалке и отпуску, в аустенитный ковкий чугун (ADI). Ковкий чугун на 10% менее плотен, чем сталь, и его можно отливать почти до чистой формы; обе характеристики уменьшают вес отливки. Литье почти готовой формы также дополнительно снижает затраты на обработку, которые уже снижаются за счет обработки мягкого ковкого чугуна вместо закаленной стали. Более легкая готовая деталь снижает расходы на транспортировку, а оптимизированный производственный поток часто сокращает время выполнения заказа. Во многих случаях также можно улучшить прочность и износостойкость. ^[4]

Комбинации процессов/материалов включают:

Закаленная сталь
Углеродистая закаленная сталь
Марбеновая сталь
Отпущенный ковкий чугун (ADI)
Локально отпущенный ковкий чугун (LADI)
Закаленный серый чугун (AGI)
Карбидный аустемперированный ковкий чугун (CADI)
Межкритическая закаленная сталь
Межкритический отпущенный ковкий чугун

Что касается улучшения характеристик, аустенитные материалы обычно сравнивают с материалами, подвергнутыми традиционной закалке и отпуску, с отпущенной мартенситной микроструктурой.

В сталях с твердостью выше 40 Rc эти улучшения включают:

Более высокая пластичность, ударная вязкость и износостойкость при заданной твердости,
Низкий уровень искажений, повторяемый размерный отклик,
Повышенная усталостная прочность,
Устойчивость к водороду и охрупчиванию под воздействием окружающей среды.

В чугунах (от 250 до 550 HBW ) эти улучшения включают:

Более высокая пластичность и ударопрочность при заданной твердости,
Низкий уровень искажений, повторяемый размерный отклик,
Повышенная усталостная прочность,
Повышенная износостойкость при заданной твердости.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Бхадешиа, Гонконг, «Бейнит в стали: превращения, микроструктура и свойства», второе издание, IOM Communications, Лондон, Англия, 2001 г.
^ Бэйн, Эдгар К., «Функции легирующих элементов в стали» Американское общество металлов, Кливленд, Огайо, 1939 г.
^ Ирвин, К.Дж. и Пикеринг, FB JISI 188, 1958.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д "Дом" . Прикладной процесс . Проверено 24 апреля 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Руководство для специалистов по термообработке: методы и процедуры для чугуна и стали» ASM International, Materials Park, Огайо, второе издание, 1995 г.

[Bhadeshia-1] Jump up to: ^а ^б Бхадешиа, Гонконг, «Бейнит в стали: превращения, микроструктура и свойства», второе издание, IOM Communications, Лондон, Англия, 2001 г.

[2] Бэйн, Эдгар К., «Функции легирующих элементов в стали» Американское общество металлов, Кливленд, Огайо, 1939 г.

[3] Ирвин, К.Дж. и Пикеринг, FB JISI 188, 1958.

[Applied_Process-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д "Дом" . Прикладной процесс . Проверено 24 апреля 2022 г.

[Guide-5] Jump up to: ^а ^б «Руководство для специалистов по термообработке: методы и процедуры для чугуна и стали» ASM International, Materials Park, Огайо, второе издание, 1995 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]