Техники термической обработки в черных литейных цехах: повышение прочности и долговечности

Закалка, отпуск, нормализация и отжиг стали

Термическая обработка — важный этап на пути к гарантии механических свойств стальных отливок. Через формовку, заливку, встряску и очистку отливки обретают свою окончательную форму — но могут быть недостаточно прочными или эластичными для конечного применения. Нагревая и охлаждая металл с разной скоростью, литейный цех может изменить его механические свойства.

Но как именно применение тепла меняет прочность или гибкость металла?

Кристаллизация и свойства металла

Когда расплавленный металл остывает, он застывает в кристаллических структурах. Под микроскопом эти структуры выглядят как кристаллы инея, образующиеся на стекле зимой. Каждая структура растет от центральной точки до встречи с другой кристаллической структурой. Эти структуры составляют «зерна» металла.

Так же как разные зимние условия создают множество типов ледяных узоров, так переменные температуры меняют кристаллы, составляющие металл. Зерно, которое они создают, обычно невидимо, но раскрывается при травлении металла кислотой.

Форма и соотношение зерен в сплаве определяют его механические свойства. Круглые зерна могут скользить друг по другу при ударе, вмятинами, а не оставаясь прочными или ломаясь. Плоские зерна могут складываться друг на друга и поддерживать друг друга, как кирпичи в стене; прочнее круглых, но все еще подвижные. Зазубренные, сцепленные зерна могут не иметь никакой податливости. Термическая обработка металла может переформировать его кристаллизацию, меняя зерно и, следовательно, свойства металла.

Рабочее упрочнение металла

Образ кузнеца у своей кузницы, молотящего раскаленную заготовку, мгновенно узнаваем, хотя это уже необычное зрелище. Однако на протяжении большей части истории человечества кузнецы механически обрабатывали металл, чтобы сделать его прочнее. Сегодня, вместо ручной обработки кузнецом, сталь часто прокатчивают для механического упрочнения.

Представление структуры зерна объясняет, как работает рабочее упрочнение. Круглые зерна внутри металла деформируются, и их новая форма дает металлу прочность. При холодной прокатке, например, круглые зерна сплющиваются и растягиваются, становясь более стержневидными. Эти стержни поддерживают друг друга, как палочки в пучке. Кузнец или металлообработчик может молотть, крутить, нагревать, охлаждать и растягивать объект, чтобы изменить форму зерна. Если зерна некуда деться при ударе, они образуют неподвижную, неэластичную матрицу, повышающую твердость металла.

Однако эта твердость может иметь свою цену: прочность может сделать материал хрупким. Нерегулярно оформленные зерна не легко скользят друг по другу: они заклинивают вместе. Любой достаточно сильный удар — что-то большее, чем прочность связей между зернами — разобьет их.

Термическая обработка металла

Литейный цех начинает создание желаемых механических свойств стали с выбора сплава, известного тем, что производит эти характеристики. Однако контроль над кристаллизацией этого металла при остывании отливки очень ограничен. Поскольку кристаллизация создает механические свойства металла, сплав может не вести себя оптимально, если не подвергнут дальнейшей обработке. Литейный цех может сделать это, нагревая и охлаждая металл контролируемым, регулярным образом.

Термическая обработка — неразрушающий способ изменения свойств материала. Иногда это вторичный процесс для рабоче-упрочненного металла — но это первый выбор литейного цеха, так как отливка уже имеет правильную форму и не может быть обработана механически.

Кристаллизация почти всегда начинается с внешних поверхностей и движется внутрь, и — особенно в крупных отливках — существует большой температурный градиент между оболочкой отливки и центром. Кристаллы растут нерегулярно, обычно более острыми и менее пластичными ближе к поверхности. Они часто более круглые и, следовательно, мягче глубже внутри. Форма отливки и дефекты или включения в металле влияют на скорости остывания, приводя к зонам в металле с неодинаковыми механическими свойствами. Эти различия могут вызывать внутренние напряжения металла, что может привести к усталости или разрушению металла. Термическая обработка позволяет литейному цеху вернуться внутрь металла и переупорядочить кристаллы, из которых он состоит.

Прогрев (Soaking)

Прогрев — процесс, лежащий в основе всех методов термической обработки. Термическая обработка опирается на температуру «рекристаллизации» металла, которая находится ниже его температуры плавления. Во время рекристаллизации углерод разблокируется для диффузии через металл, переходя из одной молекулярной формы в другую в зависимости от тепла, процента углерода и времени. Это движение углерода меняет кристаллизационные узоры металла и, следовательно, несет разные материальные свойства. Диаграмма состояний железо-углерод показывает формирование зерен аустенита, феррита, перлита и цементита в разное время и при разных температурах нагрева. Мартенсит, другая зернистая структура, встречающаяся в закаленных сталях, образуется холодным шоком аустенита.

Прогрев — это процесс приведения отливки выше точки рекристаллизации. Указанное для термической обработки «время при температуре» позволяет кристаллам в металле расплавиться и переформироваться. Изучение железо-углеродного фазового цикла может помочь литейному цеху знать, как долго держать отливку при температуре для обеспечения конкретной диффузии углерода.

В большинстве (но не всех) частей железо-углеродного фазового цикла прогрев отливки или обработанного металла сделает его менее твердым и хрупким. Поскольку зерна в металле растут более регулярно, они становятся более круглыми и могут переупорядочиваться при ударе, скользя друг по другу. Кроме того, поскольку предмет достигает одинаковой температуры во всем объеме, кристаллы обычно более однородны, чем в свежезалитой отливке.

Отжиг

Отжиг начинается с прогрева, а затем продолжается очень медленным остыванием стали в печи. Рабочий выключает печь и позволяет мягкому, контролируемому падению температуры. Существует термическая согласованность во всем объекте как при нагреве, так и при охлаждении, что означает мало внутренних напряжений: не возникает «зон» металла с разными кристаллизационными свойствами. Отожженный металл обычно очень пластичен, с увеличенной вязкостью, пределом прочности на разрыв и удлинением. Размеры зерен при отожженных металлах часто очень велики из-за очень медленной кривой охлаждения.

Нормализация

Нормализация металла означает приведение его до температур рекристаллизации прогревом, а затем извлечение из печи и остывание в атмосфере. Многие свойства отожженных металлов проявляются в нормализованных металлах, но поскольку нет совсем той же равномерности охлаждения, зерна имеют тенденцию быть немного менее регулярными. Тем не менее, гораздо меньший температурный градиент, чем при замораживании металла, означает, что нормализованный продукт менее хрупок.

Скорость охлаждения при нормализации создает меньшие зерна в металле, чем отжиг, что означает, что в целом он будет прочнее или тверже отожженного металла.

Закалка

Что, если желается очень высокая степень твердости? При изготовлении инструментов и деталей машин размягчение металла может пойти вразрез с целью.

Термическая обработка может позволить задать и обеспечить последовательную твердость. Для создания твердости в стали литейный цех прогревает сталь до состояния, когда аустенит является основной молекулой, а затем закаляет ее в более холодном масле или принудительном воздухе. Когда аустенит подвергается холодному шоку, он создает слегка неправильную кристаллическую структуру, называемую мартенситом. Этот материал тверже из-за углеродного искажения в каждой мартенситной молекуле.

Поскольку закалка происходит снаружи внутрь, крупные объекты могут испытывать давления быстрой кристаллизации, приводящие к внутреннему давлению в металле. Эти силы иногда могут вызывать трещины, если закалка слишком экстремальна. По этой причине водяная закалка не очень распространена для крупных стальных объектов, так как она вызывает очень быстрое падение температуры, которое может привести к образованию трещин. Масло и воздух охлаждают несколько менее интенсивно.

Однако не только стали закаляют для упрочнения. Водяная закалка используется в литейном деле. Нестальные металлы могут не страдать от тех же внутренних давлений, потому что их фазы и молекулярные структуры будут khác. Марганец водяно-закаляют при гораздо более высоких температурах, чем сталь, без трещин. Однако разница в температуре настолько велика, что любая закалка имеет дело с большим количеством энергии, которое может пойти не так! Ниже показан взрыв, вызванный удерживаемым песчаным стержнем при закалке отливки из марганецистой стали. Лен Кранмор из Reliance Foundry, теперь наш менеджер по продажам, остался невредимым при этом взрыве, но اضطر гасить небольшие пожары, вызванные сверхнагретым пескообразным осколками.

Отпуск

Нахождение правильной смеси твердости и вязкости также может быть достигнуто через процесс, называемый отпуском. Отпуск часто делают с закаленной сталью, чтобы сделать ее менее хрупкой, сохраняя часть твердости. При отпуске металл снова нагревают, но теперь до более низкой температуры, чем при отжиге, нормализации или закалке.

Мартенсит — нестабильная молекула в тепле — он достигается под шоком — поэтому отпуск стали означает дестабилизацию мартенсита, чтобы позволить ему начать превращаться в цеменит и феррит. Диапазон температур и длительность в отпускной печи влияют на то, сколько мартенсита конвертируется и, следовательно, насколько мягким становится металл. Например, металлические пружины могут отпускаться при более высоких температурах для увеличения эластичности по сравнению с инструментами, отпускаемыми при более низких температурах для сохранения твердости.

Отпуск часто используется для снятия внутренних напряжений в закаленном материале. Металл, прошедший другой термический стресс, как сварка или кузнечное дело, может быть отпущен, чтобы позволить молекулам внутри немного расслабиться друг в друга.

Вариации термической обработки

В литейном цехе отливки обычно термически обрабатывают единообразно. Однако иногда предмет может быть неравномерно термически обработан. Закаленные стальные мечи обычно вариативно отпускали, так что лезвия имели твердые кромки, а сердца оставались пружинистыми. Пружины иногда проходят дифференциальную термическую обработку, чтобы соответствовать их функции.

Как и во многом в литейном деле, понимание химии сплава означает, что время, температуры и допуски могут быть научно специфицированы. Однако со временем рабочий литейного цеха приходит к знанию металла, с которым он работает. Как эксперт-повар знает свои ингредиенты достаточно хорошо, чтобы не нуждаться в рецепте, эксперт-литейщик будет знать, когда что-то не так. Металл, который слишком долго выходит на раскаление, или остывает слишком быстро, рассказывает молекулярную историю опытному глазу — без помощи лабораторного оборудования.