При термической обработке алюминия и алюминиевых сплавов часто возникают различные проблемы, такие как:
-Неправильное размещение детали: это может привести к деформации детали, часто из-за недостаточно быстрого отвода тепла закалочной средой для достижения желаемых механических свойств.
- Быстрый нагрев: это может привести к термической деформации; правильное размещение деталей поможет обеспечить равномерный нагрев.
-Перегрев: может привести к частичному плавлению или эвтектическому плавлению.
-Поверхностное шелушение/высокотемпературное окисление.
-Чрезмерное или недостаточное старение, оба этих фактора могут привести к потере механических свойств.
- Колебания параметров времени/температуры/закалки, которые могут привести к отклонениям механических и/или физических свойств между деталями и партиями.
-Кроме того, плохая равномерность температуры, недостаточное время изоляции и недостаточное охлаждение во время термообработки раствора могут способствовать получению неудовлетворительных результатов.
Термическая обработка является важнейшим термическим процессом в алюминиевой промышленности. Давайте углубимся в смежные вопросы.
1.Предварительная обработка
Процессы предварительной обработки, улучшающие структуру и снимающие напряжения перед закалкой, способствуют уменьшению деформации. Предварительная обработка обычно включает такие процессы, как сфероидизирующий отжиг и отжиг для снятия напряжений, а в некоторых случаях также закалку с отпуском или нормализацию.
Отжиг для снятия напряжений: В процессе механической обработки могут возникать остаточные напряжения, обусловленные такими факторами, как методы обработки, контакт инструмента и скорость резания. Неравномерное распределение этих напряжений может привести к деформации при закалке. Для смягчения этих эффектов перед закалкой необходим отжиг для снятия напряжений. Температура отжига для снятия напряжений обычно составляет 500–700 °C. При нагреве на воздухе используется температура 500–550 °C с выдержкой 2–3 часа для предотвращения окисления и обезуглероживания. При нагружении следует учитывать деформацию детали под действием собственного веса, а остальные процедуры аналогичны стандартному отжигу.
Предварительная термообработка для улучшения структуры: Сюда входит сфероидизирующий отжиг, закалка и отпуск, нормализационная обработка.
-Сфероидизирующий отжигСтруктура, полученная после сфероидизирующего отжига, играет важную роль в термической обработке углеродистых и легированных инструментальных сталей и существенно влияет на тенденцию к короблению при закалке. Регулируя структуру после отжига, можно уменьшить регулярную коробление при закалке.
-Другие методы предварительной обработки: Для уменьшения закалочной деформации можно использовать различные методы, такие как закалка с отпуском и нормализация. Выбор подходящей предварительной обработки, такой как закалка с отпуском и нормализация, в зависимости от причины деформации и материала детали, может эффективно снизить деформацию. Однако необходимо соблюдать осторожность, учитывая остаточные напряжения и повышение твёрдости после отпуска. Закалка с отпуском, в частности, может снизить расширение при закалке для сталей, содержащих W и Mn, но мало влияет на снижение деформации для сталей, таких как GCr15.
В практическом производстве определение причины закалочной деформации, будь то остаточные напряжения или дефекты структуры, крайне важно для эффективного лечения. Для устранения деформации, вызванной остаточными напряжениями, следует проводить отжиг для снятия напряжений, в то время как такие виды обработки, как отпуск, изменяющие структуру, не требуются, и наоборот. Только в этом случае можно достичь цели снижения закалочной деформации, что позволит снизить затраты и обеспечить качество.
2. Операция закалки и нагрева
Температура закалки: Температура закалки существенно влияет на деформацию. Мы можем достичь цели уменьшения деформации, регулируя температуру закалки, или сохраняемый припуск на механическую обработку такой же, как температура закалки, чтобы достичь цели уменьшения деформации, или разумно выбирать и сохранять припуск на механическую обработку и температуру закалки после испытаний на термическую обработку, чтобы уменьшить последующий припуск на механическую обработку. Влияние температуры закалки на деформацию закалки связано не только с материалом, используемым в заготовке, но также с размером и формой заготовки. Когда форма и размер заготовки сильно различаются, хотя материал заготовки тот же, тенденция деформации закалки совершенно различна, и оператор должен обращать внимание на эту ситуацию в реальном производстве.
Время выдержки при закалкеВыбор времени выдержки не только обеспечивает глубокий прогрев и достижение требуемой твёрдости или механических свойств после закалки, но и учитывает его влияние на коробление. Увеличение времени выдержки при закалке существенно повышает температуру закалки, что особенно заметно для высокоуглеродистых и высокохромистых сталей.
Методы загрузки: Если заготовка при нагревании размещена в ненадлежащей форме, то это приведет к деформации из-за веса заготовки или деформации из-за взаимного выдавливания между заготовками, или деформации из-за неравномерного нагрева и охлаждения из-за чрезмерного укладывания заготовок.
Метод нагрева: Для заготовок сложной формы и переменной толщины, особенно с высоким содержанием углерода и легирующих элементов, крайне важен медленный и равномерный нагрев. Часто требуется предварительный нагрев, иногда требующий нескольких циклов. Для более крупных заготовок, которые невозможно эффективно обработать предварительным нагревом, использование муфельной печи сопротивления с контролируемым нагревом может снизить деформацию, вызванную быстрым нагревом.
3. Операция охлаждения
Деформация при закалке возникает, главным образом, в результате процесса охлаждения. Правильный выбор закалочной среды, квалифицированное выполнение операций и каждый этап процесса охлаждения напрямую влияют на деформацию при закалке.
Выбор закалочной среды: Несмотря на обеспечение желаемой твёрдости после закалки, следует отдавать предпочтение более мягким закалочным средам, чтобы минимизировать деформацию. Рекомендуется использовать для охлаждения нагретые ванны (для облегчения выпрямления, пока деталь ещё горячая) или даже воздушное охлаждение. Среды со скоростью охлаждения, промежуточной между водой и маслом, также могут заменить двойные среды вода-масло.
—Закалка с воздушным охлаждениемЗакалка на воздухе эффективна для снижения деформации при закалке быстрорежущей стали, хромистой стали для пресс-форм и микродеформационной стали с воздушным охлаждением. Для стали 3Cr2W8V, не требующей высокой твёрдости после закалки, закалка на воздухе также может быть использована для снижения деформации путём правильного регулирования температуры закалки.
—Охлаждение и закалка в маслеМасло является закалочной средой с гораздо более низкой скоростью охлаждения, чем вода. Однако для деталей с высокой закаливаемостью, малыми размерами, сложной формой и склонностью к значительной деформации скорость охлаждения масла слишком высока, а для деталей малого размера, но с низкой закаливаемостью скорость охлаждения масла недостаточна. Чтобы разрешить вышеуказанные противоречия и в полной мере использовать закалку в масле для снижения деформации закалки деталей, были разработаны методы регулирования температуры масла и повышения температуры закалки, что позволило расширить область применения масла.
—Изменение температуры закалочного маслаИспользование масла для закалки при той же температуре для уменьшения закалочной деформации по-прежнему имеет следующие проблемы: при низкой температуре масла закалочная деформация остается значительной, а при высокой температуре масла трудно обеспечить сохранение твёрдости заготовки после закалки. Под влиянием формы и материала некоторых заготовок повышение температуры закалочного масла может также привести к увеличению их деформации. Поэтому крайне важно определить температуру закалочного масла после прохождения испытания в соответствии с фактическими условиями материала заготовки, размером и формой поперечного сечения.
При использовании горячего масла для закалки, во избежание возгорания, вызванного высокой температурой масла, возникающей при закалке и охлаждении, вблизи масляного бака следует установить необходимые средства пожаротушения. Кроме того, следует регулярно проверять показатели качества закалочного масла и своевременно доливать или заменять новое масло.
—Повысить температуру закалки: Этот метод подходит для заготовок из углеродистой стали малого сечения и заготовок из легированной стали чуть большего размера, которые не могут обеспечить требуемую твёрдость после нагрева и термовыдержки при обычных температурах закалки и закалки в масле. Соответствующее повышение температуры закалки и последующая закалка в масле позволяют добиться эффекта упрочнения и уменьшения деформации. При использовании этого метода закалки следует соблюдать осторожность, чтобы избежать таких проблем, как укрупнение зерна, снижение механических свойств и сокращение срока службы заготовки из-за повышения температуры закалки.
—Классификация и аустенизация: Если закалочная твёрдость соответствует проектным требованиям, следует в полной мере использовать классификацию и ауст-отпуск в горячей ванне для снижения закалочной деформации. Этот метод также эффективен для углеродистых конструкционных сталей малого сечения и инструментальных сталей с низкой закаливаемостью, особенно для хромсодержащих штамповых сталей и заготовок из быстрорежущей стали с высокой закаливаемостью. Классификация в горячей ванне и метод охлаждения при ауст-отпуске являются основными методами закалки для этого типа стали. Аналогично, он эффективен и для углеродистых сталей и низколегированных конструкционных сталей, не требующих высокой закалочной твёрдости.
При закалке в горячей ванне следует обратить внимание на следующее:
Во-первых, при использовании масляной ванны для градуировки и изотермической закалки необходимо строго контролировать температуру масла, чтобы не допустить возникновения пожара.
Во-вторых, при закалке нитратными солями, резервуар для нитратной соли должен быть оснащён необходимыми приборами и устройствами водяного охлаждения. Информация о других мерах предосторожности представлена в соответствующем разделе, и мы не будем её здесь повторять.
В-третьих, необходимо строго контролировать изотермическую температуру во время изотермической закалки. Высокая или низкая температура не способствует уменьшению закалочной деформации. Кроме того, при ауст-отпуске следует выбирать способ подвешивания заготовки таким образом, чтобы предотвратить деформацию, вызванную её весом.
В-четвертых, при использовании изотермической или ступенчатой закалки для коррекции формы заготовки в горячем состоянии инструмент и приспособления должны быть полностью укомплектованы, а процесс должен быть быстрым. Это позволит избежать негативного влияния на качество закалки заготовки.
Операция охлаждения: Грамотная работа в процессе охлаждения оказывает существенное влияние на закалочную деформацию, особенно при использовании в качестве закалочной среды воды или масла.
-Правильное направление входа закалочной среды: Как правило, симметрично сбалансированные или удлинённые стержнеобразные заготовки следует закаливать вертикально в среде. Асимметричные детали можно закаливать под углом. Правильное направление охлаждения обеспечивает равномерное охлаждение всех деталей: сначала в среду попадают области с более медленным охлаждением, а затем — области с более быстрым. На практике крайне важно учитывать форму заготовки и её влияние на скорость охлаждения.
-Перемещение заготовок в закалочной среде: Медленно охлаждающиеся детали должны быть обращены к закалочной среде. Заготовки симметричной формы должны перемещаться в среде равномерно и сбалансированно, обеспечивая малую амплитуду и быстрое движение. Для тонких и удлиненных заготовок стабильность во время закалки имеет решающее значение. Избегайте раскачивания и для лучшего контроля используйте зажимы вместо проволочной обвязки.
-Скорость гашения: Заготовки следует закаливать быстро. Более медленная закалка, особенно для тонких стержневых заготовок, может привести к увеличению изгибной деформации и разнице в деформациях между секциями, закалёнными в разное время.
-Управляемое охлаждение: Для заготовок со значительными различиями в размерах поперечного сечения защитите быстро охлаждающиеся участки такими материалами, как асбестовый канат или металлические листы, чтобы снизить скорость их охлаждения и добиться равномерного охлаждения.
-Время охлаждения в воде: Для заготовок, деформирующихся преимущественно из-за структурных напряжений, сократите время охлаждения в воде. Для заготовок, деформирующихся преимущественно из-за термических напряжений, увеличьте время охлаждения в воде для уменьшения закалочной деформации.
Под редакцией Мэй Цзян из MAT Aluminum
Время публикации: 21 февраля 2024 г.
