Během tepelného zpracování hliníku a hliníkových slitin se běžně vyskytují různé problémy, jako například:
-Nesprávné umístění součásti: To může vést k deformaci součásti, často v důsledku nedostatečného odvodu tepla kalicím médiem dostatečně rychlým tempem pro dosažení požadovaných mechanických vlastností.
- Rychlé zahřívání: Může dojít k tepelné deformaci; správné umístění součásti pomáhá zajistit rovnoměrné zahřívání.
-Přehřátí: To může vést k částečnému roztavení nebo eutektickému roztavení.
- Povrchové olupování/oxidace za vysokých teplot.
- Nadměrné nebo nedostatečné ošetření proti stárnutí, obojí může vést ke ztrátě mechanických vlastností.
-Kolísání parametrů času/teploty/kalení, které může způsobit odchylky v mechanických a/nebo fyzikálních vlastnostech mezi díly a šaržemi.
-K nedostatečným výsledkům může navíc přispět špatná rovnoměrnost teploty, nedostatečná doba izolace a nedostatečné chlazení během tepelného zpracování roztokem.
Tepelné zpracování je klíčovým tepelným procesem v hliníkářském průmyslu, pojďme se ponořit do souvisejících znalostí.
1. Předúprava
Procesy předběžné úpravy, které zlepšují strukturu a uvolňují napětí před kalením, jsou prospěšné pro snížení deformace. Předběžná úprava obvykle zahrnuje procesy jako sferoidizační žíhání a žíhání pro uvolnění napětí a některé také používají kalení a popouštění nebo normalizační úpravu.
Žíhání pro odlehčení pnutíBěhem obrábění se mohou v důsledku faktorů, jako jsou obráběcí metody, záběr nástroje a řezné rychlosti, vyvíjet zbytková napětí. Nerovnoměrné rozložení těchto napětí může vést k deformaci během kalení. Pro zmírnění těchto účinků je nutné před kalením provést žíhání pro odlehčení pnutí. Teplota pro žíhání pro odlehčení pnutí je obvykle 500–700 °C. Při ohřevu ve vzduchovém médiu se používá teplota 500–550 °C s dobou výdrže 2–3 hodiny, aby se zabránilo oxidaci a oduhličení. Při zatěžování je třeba zohlednit deformaci součásti v důsledku vlastní tíhy a další postupy jsou podobné standardnímu žíhání.
Předehřívání pro zlepšení strukturyPatří sem žíhání se sféroidizací, kalení a popouštění a normalizační zpracování.
-Sféroidizační žíháníStruktura získaná po sféroidizačním žíhání, která je nezbytná pro uhlíkovou nástrojovou ocel a legovanou nástrojovou ocel během tepelného zpracování, významně ovlivňuje trend deformace během kalení. Úpravou struktury po žíhání lze snížit pravidelnou deformaci během kalení.
-Další metody předúpravyK snížení deformace způsobené kalením lze použít různé metody, jako je kalení a popouštění a normalizační zpracování. Výběr vhodných předběžných úprav, jako je kalení a popouštění, na základě příčiny deformace a materiálu součásti, může deformaci účinně snížit. Je však třeba dbát opatrnosti, pokud jde o zbytková napětí a zvýšení tvrdosti po popouštění, zejména kalení a popouštění může snížit roztažnost během kalení u ocelí obsahujících W a Mn, ale u ocelí jako GCr15 má malý vliv na snížení deformace.
V praktické výrobě je pro účinné ošetření zásadní identifikace příčiny deformace způsobené kalením, ať už je způsobena zbytkovým napětím nebo špatnou strukturou. Žíhání pro odlehčení napětí by se mělo provádět u deformací způsobených zbytkovým napětím, zatímco ošetření, jako je popouštění, které mění strukturu, nejsou nutná a naopak. Pouze tehdy lze dosáhnout cíle snížení deformace způsobené kalením, snížit náklady a zajistit kvalitu.
2. Operace ohřevu kalením
Teplota kaleníTeplota kalení významně ovlivňuje deformaci. Účelu snížení deformace můžeme dosáhnout úpravou teploty kalení, nebo rezervováním přídavku na obrábění stejného jako teplota kalení, abychom dosáhli cíle snížení deformace, nebo rozumně zvolit a rezervovat přídavek na obrábění a teplotu kalení po zkouškách tepelného zpracování, abychom snížili následný přídavek na obrábění. Vliv teploty kalení na deformaci kalení nesouvisí pouze s materiálem použitým v obrobku, ale také s jeho velikostí a tvarem. Pokud se tvar a velikost obrobku velmi liší, i když je materiál obrobku stejný, trend deformace kalení je zcela odlišný a obsluha by měla této situaci při skutečné výrobě věnovat pozornost.
Doba výdrže kaleníVolba doby výdrže nejen zajišťuje důkladné prohřátí a dosažení požadované tvrdosti nebo mechanických vlastností po kalení, ale také zohledňuje její vliv na deformaci. Prodloužení doby výdrže při kalení podstatně zvyšuje teplotu kalení, což je zvláště výrazné u ocelí s vysokým obsahem uhlíku a chromu.
Metody načítáníPokud je obrobek během ohřevu umístěn v nepřiměřeném tvaru, dojde k deformaci v důsledku hmotnosti obrobku nebo k deformaci v důsledku vzájemného protlačování mezi obrobky, nebo k deformaci v důsledku nerovnoměrného ohřevu a chlazení v důsledku nadměrného stohování obrobků.
Metoda ohřevuU obrobků složitých tvarů a proměnlivé tloušťky, zejména u obrobků s vysokým obsahem uhlíku a legujících prvků, je zásadní pomalý a rovnoměrný proces ohřevu. Často je nutné použít předehřev, někdy vyžadující několik cyklů předehřevu. U větších obrobků, které nejsou účinně ošetřeny předehřevem, může použití odporové pece s řízeným ohřevem snížit deformaci způsobenou rychlým ohřevem.
3. Chlazení
Deformace kalením je primárně důsledkem procesu ochlazování. Správný výběr kalicího média, odborná obsluha a každý krok procesu ochlazování přímo ovlivňují deformaci kalením.
Výběr kalicího médiaPři zajištění požadované tvrdosti po kalení by se měla upřednostňovat mírnější kalicí média, aby se minimalizovala deformace. Doporučuje se použití vyhřívaných chladicích médií (pro usnadnění rovnání, dokud je díl ještě horký) nebo dokonce chlazení vzduchem. Média s rychlostí chlazení mezi vodou a olejem mohou také nahradit duální média voda-olej.
—Kalení vzduchemKalení vzduchem je účinné pro snížení deformace kalením u rychlořezné oceli, chromové oceli pro formy a mikrodeformační oceli chlazené vzduchem. U oceli 3Cr2W8V, která po kalení nevyžaduje vysokou tvrdost, lze kalení vzduchem použít ke snížení deformace také správným nastavením teploty kalení.
—Chlazení a kalení olejeOlej je kalicí médium s mnohem nižší rychlostí chlazení než voda, ale pro obrobky s vysokou prokalitelností, malými rozměry, složitým tvarem a velkým sklonem k deformaci je rychlost chlazení olejem příliš vysoká. Pro obrobky s malými rozměry, ale špatnou prokalitelností je rychlost chlazení olejem nedostatečná. Aby se vyřešily výše uvedené rozpory a plně se využilo kalení v oleji ke snížení kalicí deformace obrobků, lidé přijali metody úpravy teploty oleje a zvýšení kalicí teploty, aby se rozšířilo využití oleje.
—Změna teploty kalicího olejePoužití stejné teploty oleje pro kalení za účelem snížení deformace kalení má stále následující problémy: při nízké teplotě oleje je deformace kalení stále velká a při vysoké teplotě oleje je obtížné zajistit, aby obrobek po kalení zůstal tvrdý. V důsledku kombinovaného vlivu tvaru a materiálu některých obrobků může zvýšení teploty kalicího oleje také zvýšit jejich deformaci. Proto je velmi důležité stanovit teplotu kalicího oleje po absolvování zkoušky podle skutečných podmínek materiálu obrobku, velikosti průřezu a tvaru.
Při použití horkého oleje k kalení by mělo být v blízkosti olejové nádrže umístěno potřebné protipožární vybavení, aby se zabránilo vzniku požáru v důsledku vysoké teploty oleje při kalení a chlazení. Kromě toho by měl být pravidelně kontrolován index kvality kalicího oleje a nový olej by měl být včas doplňován nebo vyměňován.
—Zvyšte teplotu kaleníTato metoda je vhodná pro obrobky z uhlíkové oceli s malým průřezem a pro obrobky z legované oceli s mírně větším průřezem, které po zahřátí a tepelné konzervaci při normálních teplotách kalení a kalení v oleji nemohou splnit požadavky na tvrdost. Vhodným zvýšením teploty kalení a následným kalením v oleji lze dosáhnout efektu zpevnění a snížení deformace. Při použití této metody kalení je třeba dbát na to, aby se předešlo problémům, jako je zhrubnutí zrna, snížení mechanických vlastností a životnosti obrobku v důsledku zvýšené teploty kalení.
—Klasifikace a kaleníPokud tvrdost kalení splňuje konstrukční požadavky, měla by být plně využita klasifikace a izotermické kalení v horké lázni k dosažení cíle snížení deformace kalením. Tato metoda je účinná také pro nízkokalitelnou uhlíkovou konstrukční ocel a nástrojovou ocel s malým průřezem, zejména pro zápustkovou ocel s obsahem chromu a rychlořezné oceli s vysokou prokalitelností. Klasifikace horké lázně a metoda chlazení izotermickým kalením jsou základními metodami kalení pro tento druh oceli. Podobně je účinná i pro uhlíkové oceli a nízkolegované konstrukční oceli, které nevyžadují vysokou tvrdost kalení.
Při kalení v horké lázni je třeba věnovat pozornost následujícím otázkám:
Zaprvé, pokud se olejová lázeň používá pro kalibraci a izotermické kalení, měla by být teplota oleje přísně kontrolována, aby se zabránilo vzniku požáru.
Za druhé, při kalení s použitím dusičnanových solí by měla být nádrž s dusičnanovými solemi vybavena potřebnými nástroji a zařízeními na vodní chlazení. Další bezpečnostní opatření naleznete v příslušných informacích a zde je nebudeme opakovat.
Za třetí, izotermická teplota by měla být během izotermického kalení přísně kontrolována. Vysoká nebo nízká teplota nevede ke snížení deformace způsobené kalením. Kromě toho by během izotermického kalení měl být zvolen způsob zavěšení obrobku, aby se zabránilo deformaci způsobené hmotností obrobku.
Za čtvrté, při použití izotermického nebo stupňovitého kalení k úpravě tvaru obrobku za horka by měly být nástroje a upínací přípravky plně vybaveny a proces by měl být rychlý. Zabrání se tak nepříznivým vlivům na kvalitu kalení obrobku.
ChlazeníSprávná obsluha během procesu chlazení má významný vliv na deformaci kalením, zejména při použití vody nebo oleje jako kalicího média.
-Správný směr vstupu kalicího médiaSymetricky vyvážené nebo protáhlé tyčovité obrobky by se obvykle měly vertikálně kalit do média. Asymetrické díly lze kalit pod úhlem. Správný směr má za cíl zajistit rovnoměrné chlazení všech dílů, přičemž pomaleji chlazené oblasti vstupují do média jako první a následují rychleji chlazené úseky. V praxi je zásadní zohlednit tvar obrobku a jeho vliv na rychlost chlazení.
-Pohyb obrobků v kalicím médiuPomalu chladnoucí díly by měly být otočeny směrem k kalicímu médiu. Symetricky tvarované obrobky by měly v médiu sledovat vyváženou a rovnoměrnou dráhu s malou amplitudou a rychlým pohybem. U tenkých a protáhlých obrobků je stabilita během kalení zásadní. Vyhněte se kývání a pro lepší kontrolu zvažte použití svěrek místo drátěného vázání.
-Rychlost kaleníObrobky by měly být kalené rychle. Zejména u tenkých obrobků podobných tyčím může pomalejší kalení vést ke zvýšené ohybové deformaci a rozdílům v deformaci mezi úseky kalené v různých časech.
-Řízené chlazeníU obrobků s významnými rozdíly ve velikosti průřezu chraňte rychleji chladnoucí části materiály, jako je azbestové lano nebo plechy, aby se snížila rychlost jejich chlazení a dosáhlo se rovnoměrného chlazení.
-Doba chlazení ve voděU obrobků, které se deformují převážně v důsledku strukturálního namáhání, zkraťte dobu chlazení ve vodě. U obrobků, které se deformují převážně v důsledku tepelného namáhání, prodlužte dobu chlazení ve vodě, aby se snížila deformace z kalení.
Upraveno May Jiang z MAT Aluminum
Čas zveřejnění: 21. února 2024
