Lahuse töötlemine – sulamite kuumtöötlus ja üleküllastunud tahke lahuse saamine

Üleküllastumine / lahuse lõõmutamine on protsess kuumtöötlus mis hõlmab sulami kuumutamist temperatuurini, mille juures teatud komponendid või faasid maatriksis lahustuvad, materjali kuumutamist sellel temperatuuril ja seejärel piisavalt kiiret jahutamist, et piirata nende taaseraldumist. Selle tulemusena saab toatemperatuuril üleküllastunud tahke lahus, st olek, mis sisaldab suuremas koguses lahustunud komponenti kui sellel temperatuuril tasakaaluolekule vastav.
Küllastus on eriti oluline materjalide puhul, mis on ette nähtud sademete tugevnemineVahetult pärast üleküllastumist saavutatav olek on termodünaamiliselt ebastabiilne või metastabiilne ja võib olla lähtepunktiks järgnevatele vananemine, mille käigus eralduvad üleküllastunud lahusest väikesed faasid, suurendades kõvadus, materjali voolavuspiir ja tugevus.
Protsessi kasutatakse muuhulgas sulamites alumiinium, roostevabad terased, sademetega karastatud terased PH, niklipõhised supersulamid ja teiste metallide valitud sulamid.

Mis on üleküllastumine?

Protsessi aluseks on legeerivate elementide lahustuvuse sõltuvus temperatuuristPaljudes süsteemides suureneb temperatuuri tõustes tahkes lahuses lahustunud komponendi hulk.
Materjal kuumutatakse temperatuurini, mis on piisav, et lahustada maatriksis vajalik osa sekundaarfaasidest. Seejärel hoitakse seda sellel temperatuuril piisava aja jooksul, et toimuksid vajalikud struktuurimuutused ja koostise tasakaal vajalikul määral.
Kui kuumutamine on lõppenud, jahutatakse materjal kiiresti. Jahutamise eesmärk on piirata komponentide difusiooni ja ümberjaotumist, kui need läbivad temperatuurivahemikku, kus nende tasakaaluline lahustuvus väheneb.
Selle tulemusena säilib see toatemperatuuril. üleküllastunud tahke lahus.

Mis on üleküllastunud tahke lahus?

Tahke lahus on homogeenne kristalliline faas, milles ühe või mitme komponendi aatomid paiknevad põhikomponendi kristallvõres.
Kui maatriks suudab kõrgel temperatuuril lahustada antud komponenti rohkem kui toatemperatuuril, siis kiire jahutamine võib seda komponenti ajutiselt lahuses hoida.
Siis see tekib üleküllastunud lahus.
See olek ei vasta täielikule termodünaamilisele tasakaalule. Sobival temperatuuril ja ajal võib liigne lahustunud komponent hakata maatriksist sadestuma. See nähtus loob aluse järgnevale vananemisele ja sadestumise tugevnemisele.

Küllastumisprotsessi etapid

Kuumutamine. Materjal kuumutatakse konkreetse sulami jaoks sobiva lahuse temperatuurini.
Leotamine. Sulamit hoitakse etteantud temperatuuril aja jooksul, mis on piisav vajalike faaside lahustamiseks ja tahke lahuse sobiva koostise saamiseks.
Kiire jahutamine. Materjali jahutatakse kiirusega, mis on piisav komponentide eraldumise piiramiseks jahutamise ajal.
Üleküllastunud tahke lahuse saamine. Ümbritseva õhu temperatuuril jääb maatriksisse suurem hulk lahustunud komponente, kui see saavutataks tasakaalutingimustes.
Vananemine – kui tehnoloogia seda võimaldab. Peenete faaside kontrollitud sadestumine võib seejärel suurendada materjali kõvadust ja tugevust.

Üleküllastumise temperatuur

Ühtset universaalset üleküllastumistemperatuuri pole olemas. Temperatuurivahemik sõltub materjali tüübist, selle keemilisest koostisest, faasitasakaalu diagrammist, lahustatavate faaside tüübist ja lõpliku mikrostruktuuri nõuetest.
Temperatuur peab olema piisavalt kõrge, et suurendada asjakohaste komponentide lahustuvust ja võimaldada vajalike faaside lahustumist, kuid samal ajal ei tohi see põhjustada soovimatut sulamist, liigset terade kasvu ega muid ebasoodsaid struktuurimuutusi.

parameeter	Tähtsus küllastumise ajal	Ebaõige valiku mõju
Temperatuur	See määrab komponentide lahustuvuse ja üksikute faaside stabiilsuse.	Liiga madal kontsentratsioon võib jätta lahustumata faase; liiga kõrge kontsentratsioon võib põhjustada terade kasvu või lokaalset sulamist.
Kütteaeg	See võimaldab ristlõike kuumutamist ning vajalikke difusiooniprotsesse ja faaside lahustumist.	Liiga lühike võib põhjustada mittetäielikku küllastumist; liiga pikk suurendab terade kasvu ja protsessikulusid.
Jahutuskiirus	See määrab komponentide võime üleküllastunud lahuses püsida.	Liiga aeglane jahutamine võib põhjustada faaside enneaegset eraldumist.
Jahutuskeskkond	See mõjutab soojuse eemaldamise kiirust ja temperatuuri gradienti elemendis.	Vale valik võib põhjustada ebapiisavat küllastumist, deformatsiooni või pinget.
Elemendi suurus	Mõjutab südamiku kuumutusaega ja tegelikku jahutuskiirust.	Suured ristlõiked võivad vajada teistsugust tsüklit kui õhukesed sektsioonid.

Miks kasutatakse pärast lahuse kuumtöötlust kiiret jahutamist?

Lahuse lõõmutamise ajal on legeerelemendid maatriksis kogustes, mida saab kõrgetel temperatuuridel säilitada. Temperatuuri langedes võib nende tasakaaluline lahustuvus väheneda.
Liiga aeglase jahutamise korral on aatomitel piisavalt aega jahtumise ajal difundeeruda ja sademeid moodustada. See võib takistada vajaliku üleküllastunud tahke lahuse saamist.
Piisavalt kiire jahutamine piirab difusiooni ja võimaldab säilitada metastabiilset üleküllastunud olekut.
Sõltuvalt materjalist ja vajalikust jahutuskiirusest saab kasutada erinevaid jahutuskeskkondi. Seetõttu ei saa kõigi sulamite jaoks rakendada ühte universaalset jahutusmeetodit.

Lahuse kuumtöötlus ja kõvendamine – mis vahe neil protsessidel on?

Lahuse kuumtöötlus ja kõvendamine võivad hõlmata sarnast tehnoloogilist järjestust: kuumutamine, lõõmutamine ja kiire jahutamine. Nende protsesside mehhanismid ja peamised eesmärgid on aga erinevad.

Iseloomulik	Üleküllastumine	Terase karastamine
Peamine eesmärk	Üleküllastunud tahke lahuse ja sobiva faasioleku saamine.	Kõveneva struktuuri saamine, enamasti austeniidi kiire jahutamise käigus muutumise teel.
Mehhanism	Sobivate faaside lahustamine kõrgel temperatuuril ja nende taaseraldumise piiramine jahutamise ajal.	Austeniseerimisvahemikus piisavalt kiire jahutamisega seotud faasimuundumine.
Riik kohe pärast kohtuprotsessi	Edasiseks vanandamiseks ettevalmistatud üleküllastunud tahke lahus või struktuur.	Klassikalisel terase karastamisel on martensiitne struktuur kõige levinum või sõltub struktuur kasutatavast tsüklist.
Edasine töötlemine	Sageli toimub vananemine loomulikul või kunstlikul teel.	Tavaliselt laseb lahti.
Tüüpilised materjalid	Alumiiniumsulamid, roostevabad terased, PH-terased, nikli sulamid ja muud sademetega tugevdatud sulamid.	Esiteks terased, mis on võimelised läbima kõvenemismuutusi.

Üleküllastumine ja vananemine

Küllastus ja vananemine on sademetega tugevdatud materjalides tihedalt omavahel seotud.
Lahusetöötlus valmistab materjali ette, lisades tahkesse lahusesse sobivad komponendid. Seejärel võimaldab vanutamine kontrollitult moodustada väga peeneid sademeid.
Diagrammi saab esitada järgmiselt:

faaside lahustumine → kiire jahutamine → üleküllastunud tahke lahus → vananemine → peen sade → materjali tugevnemine

Väikesed sademed takistavad dislokatsioonide liikumist. Selle tulemusena võivad need suureneda kõvadus, tõmbetugevus Rm ja voolavuspiir.
Kui vanandamine on liiga pikk või liiga kõrgel temperatuuril, võivad sademed kasvada ja kaotada oma optimaalse võime dislokatsioonide liikumist pärssida. Seda seisundit nimetatakse vananemine.

Roostevabast terasest lahusega töötlemine

Lahuse kuumtöötlus on paljude jaoks oluline kuumtöötlusprotsess austeniitsed roostevabad terased.
Materjal kuumutatakse piisavalt kõrge temperatuurini, et lahustada teatud sademed, ja seejärel jahutatakse kiiresti, et piirata nende uuesti tekkimist ebasoodsas temperatuurivahemikus.
Käitumine on eriti oluline kroomTeatud termilistes tingimustes võivad tekkida kroomirikkad saendid, mis põhjustavad selle elemendi lokaalset ammendumist maatriksis. See võib kahjustada vastupidavust teradevahelisele korrosioonile.
Õigesti valitud üleküllastumine võib viia selliste sademete lahustumiseni ja komponentide taasühendamiseni tahkesse lahusesse.
Näiteks lahusega kuumtöödeldud teras on 1.4550 / X6CrNiNb18-10 / AISI 347, mille töötlemisparameetrid sõltuvad standardi nõuetest, toote vormist ja tehnoloogiast.

PH-teraste lahustöötlus – sademekarastus

Üleküllastumine on eriti oluline järgmistel juhtudel: Sademetega karastatud roostevabad terased PH.
Nendes materjalides on lahuse kuumtöötlus etapp, mis valmistab mikrostruktuuri ette järgnevaks vanandamiseks.
Pärast sobivat kuumutamist ja kiiret jahutamist materjali vanandatakse, mille käigus tekivad peened sademed, mis suurendavad tugevust ja kõvadust.
PH-teraste puhul võivad olulist rolli mängida muuhulgas järgmised tegurid: nikkel, vask, alumiinium, titaan i niob.

Alumiiniumsulamite lahustöötlus

Lahuse kuumtöötlus on paljude sulamite kuumtöötluse üks põhietappe. alumiinium mõeldud sademete tugevdamiseks.
Kõrged temperatuurid suurendavad teatud legeerelementide lahustuvust alumiiniummaatriksis. Pärast sobivat kuumutamist ja kiiret jahutamist võivad need püsida üleküllastunud tahkes lahuses.
Seejärel saab materjali allutada loomulik vananemine toatemperatuuril või kunstlik vananemine kõrgendatud temperatuuril.
Sõltuvalt sulamigrupist võivad olulist rolli mängida muuhulgas järgmised tegurid: vask, magneesium, räni i tsink.

Nikkeli sulamite lahuse lõõmutamine

Küllastumist kasutatakse ka niklipõhised supersulamidSõltuvalt liigist võib protsessi kasutada teatud faaside lahustamiseks ja struktuuri ettevalmistamiseks järgnevaks vananemiseks.
Need sulamid sisaldavad muuhulgas: nikkel, chrom, MOLYBDEEN, niob, titaan, alumiinium i Kobalt.
Lahuse kuumtöötluse ja järgneva vanandamise temperatuuri valik on tihedalt seotud konkreetse sulami klassi ja vajaliku faaside paigutusega.

Legeerelementide mõju lahuse kõvenemisele ja sademe kõvenemisele

Element	Sümbol	Valitud lahusega kuumtöödeldud sulamite olulisus
chrom	Cr	Roostevabade teraste põhikomponent; selle jaotusel on oluline mõju korrosioonikindlusele.
Nikkel	Ni	See stabiliseerib teatud struktuure ja on nikli supersulamite ja paljude roostevabade teraste põhikomponent.
Vask	Cu	See võib osaleda mõnede PH-sulamite ja -teraste sadestumise tugevdamise mehhanismis.
Alumiinium	Al	See moodustab alumiiniumisulamite maatriksi ja osaleb valitud supersulamite tugevdusfaaside moodustumisel.
Titaan	Ti	See osaleb metallidevaheliste faaside moodustumisel ja paljude spetsiaalsete sulamite sademete tugevdamisel.
Niob	Nb	See võib moodustada faase ja sadestuda, mis on olulised sulamite tugevdamise ja struktuurilise stabiilsuse jaoks.
molübdeeni	Mo	See mõjutab paljude sulamite faasistabiilsust, omadusi kõrgel temperatuuril ja korrosioonikindlust.
Magneesium	Mg	Paljude sademetega karastatavate alumiiniumisulamite oluline komponent.
Räni	Si	Koos magneesiumiga mängib see olulist rolli Al-Mg-Si sulamite sadestumise tugevdamisel.
Tsink	Zn	Al-Zn-Mg ja Al-Zn-Mg-Cu rühmade ülitugevate alumiiniumisulamite üks põhikomponente.

Lahuse lõõmutamine ja homogeniseerimise lõõmutamine

Lahuse lõõmutamist ei tohiks segi ajada homogeniseeriva lõõmutamisega , kuigi mõlemad protsessid kasutavad difusiooni ja võivad vajada kõrgeid temperatuure.

Iseloomulik	Üleküllastumine	Homogeniseeriv lõõmutamine
Peamine eesmärk	Sobivate faaside lahustamine ja üleküllastunud tahke lahuse saamine.	Koagulatsiooni ajal tekkiva mikrosegregatsiooni vähenemine.
Tüüpiline algseisund	Materjal, mis sisaldab faase, mida saab lahustada üleküllastumistemperatuuril.	Valuplokk, valandi või pooltoode, mille komponendid on jaotunud ebaühtlaselt.
Jahutus	Tavaliselt piisavalt kiire, et sekretsiooni piirata.	Valitud materjali ja järgmise tehnoloogilise etapi jaoks.
Tüüpiline järgmine samm	Materjali vananemine või kasutamine üleküllastunud olekus.	Sepistamine, valtsimine, normaliseerimine või muu edasine töötlemine.

Lahuse lõõmutamine ja lõõmutamine

Praktikas nimetatakse üleküllastumisele mõnikord ka lahuse lõõmutamine, eriti roostevabade teraste ja mõnede erisulamite puhul. See aga ei tähenda, et selle mehhanism ja otstarve oleksid identsed mis tahes muu lõõmutusmeetodiga.
Täielik lõõmutamine, pingete leevendamise lõõmutamine, rekristalliseerumise lõõmutamine i sferoidiseeriv lõõmutamine püüdlema muude tehnoloogiliste eesmärkide poole.

Üleküllastumise mõju materjali omadustele

Üleküllastumise mõju sõltub materjalist ja seda ei tohiks taandada ainult kõvaduse suurenemisele.
Vahetult pärast lahuse kuumtöötlust võib materjal olla suhteliselt pehme ja plastiline. Märkimisväärne suurenemine kõvadus, tõmbetugevus Rm ja voolavuspiir saab tekkida alles hilisema vananemise ajal.

Omadus või tunnusjoon	Üleküllastumise võimalik mõju
Tahke lahuse koostis	Maatriksis järelejäänud spetsiifiliste koostisosade hulga suurendamine.
Jaotused	Mõnede protsessile eelnevate faaside lahustumine.
Kõvadus	Sõltuvalt sulamist; materjalide sademetega kõvenemise suurim suurenemine võib toimuda alles pärast vananemist.
Tugevus Rm	Sõltub materjalist ja järgnevast vananemisest; ainuüksi lahuse kuumtöötlus ei pruugi maksimaalset tugevust tagada.
Plastilisus	Paljudes materjalides võib üleküllastunud olek olla deformatsioonile vastuvõtlikum kui täielikult vanandatud olek.
Korrosioonikindlus	Valitud roostevabade teraste puhul saab seda parandada ebasoodsate sademete lahustamise ja soodsama kroomijaotuse taastamise teel.

Kõige levinumad vead üleküllastumise korral

Temperatuur liiga madal – vajalike faaside ebapiisav lahustumine.
Kütteaeg liiga lühike – ristlõike mittetäielik kuumenemine või faaside mittetäielik lahustumine.
Temperatuur liiga kõrge – terade kasvu, lokaalse sulamise või muude ebasoodsate struktuurimuutuste oht.
Jahutus liiga aeglane – võimalus koostisosi jahutamise ajal eraldada.
Ebaühtlane jahutus – temperatuurigradientide, pingete ja deformatsioonide tekkimise võimalus.
Küllastumise ja vananemise vahelise aja vale valik – eriti oluline materjalide puhul, mille muutused võivad toimuda juba toatemperatuuril.

Kuidas kontrollitakse üleküllastumise efektiivsust?

Protsessi hindamine võib hõlmata mikrostruktuuri, faaside arvu ja jaotuse, maatriksi koostise ja mehaaniliste omaduste testimist.
Sõltuvalt materjalist kasutatakse muuhulgas järgmisi materjale:

optiline ja elektronmikroskoopia,
sademete ja sekundaarfaaside analüüs,
mõõtmine kõvadus,
uuring tõmbetugevus Rm,
voolavuspiiri määramine,
roostevabade teraste korrosioonikindluse katsed,
omaduste kontroll pärast hilisemat vananemist.

Ainuüksi materjali kiire jahtumine ei tähenda, et lahuse kuumtöötlusprotsess viidi läbi õigesti. Kogu tsükli efektiivsust määravad temperatuur, kuumutusaeg, materjali algolek ja jahutuskiirus.

Üleküllastumine on kuumtöötlus, mille käigus saadakse üleküllastunud tahke lahus, lahustades kõrgel temperatuuril sobivad komponendid või faasid ja piirates nende ümberjaotumist jahutamise ajal.
See protsess on paljude sulamite töötlemise aluseks. alumiinium, roostevabad terased, PH-terased ja nikli supersulamid.
Sademetega tugevdatud materjalide puhul on lahuse kuumtöötlus tavaliselt esimene samm suure tugevuse saavutamiseks. vananemine põhjustab peente faaside kontrollitud vabanemist, mis takistavad dislokatsioonide liikumist.
Üleküllastumist ei tohiks võrdsustada klassikalise terase karastamineVaatamata tehnoloogilisele sarnasusele, mis hõlmab kuumutamist ja kiiret jahutamist, on lahuse kuumtöötluse peamine eesmärk säilitada komponente üleküllastunud tahkes lahuses, mitte luua martensiitset struktuuri.

Terase kuum- ja termokeemilise töötlemise meetodid

Lahustöötlus on vaid üks protsessidest, mida kasutatakse terase mikrostruktuuri ja omaduste muutmiseks. Sõltuvalt soovitud efektist kasutatakse ka normaliseerimist, pingete leevendamist, karastamist, noolutamist jne, aga ka termokeemilisi protsesse, nagu näiteks karastamine, nitrideerimine ja muud.

Terase kuumtöötlusmeetodid

Terase normaliseerimine – terade täpsustamine ja mikrostruktuuri ühendamine.
Pingete leevendamise lõõmutamine – jääkpingete vähendamine.
Terase pehmenemine – kõvaduse vähendamine ja edasise töötlemise suhtes vastuvõtlikkuse parandamine.
Täielik lõõmutamine – austenitiseerimine ja aeglane jahutamine.
Isotermiline lõõmutamine – ümberkujundamine, mis viiakse läbi sobivalt valitud temperatuuril hoides.
Kuulide lõõmutamine – sferoidiseerimine – tsementiidi või muude karbiidide morfoloogia muutus.
Ümberkristalliseerumise lõõmutamine – purustamise mõjude kõrvaldamine ja plastilisuse taastamine.
Homogeniseeriv lõõmutamine – segregatsiooni vähendamine ja materjali koostise homogeniseerimine.
Karastamine ja kuumtöötlus – mikrostruktuuri ja omaduste kujundamine karastamise ja noolutamise teel.
Karastatud teras – terase omaduste kontrollitud muutmine pärast karastamist.
Induktsioonkarastamine – pinna induktsioonkuumutamine ja kiire jahutamine.
Leegi karastamine – pinna kõvenemine pärast lokaalset kuumutamist leegiga.
Üleküllastumine – sobiva termilise tsükli abil üleküllastunud tahke lahuse saamine.
Vananemine – kontrollitud faaside eraldumine, mis viib materjali tugevnemiseni.

Terase termokeemilise töötlemise meetodid

Terase nitrideerimine – pinnakihi difusioonne rikastamine lämmastikuga.
Terase karastamine – pinna difusioonne rikastumine süsinikuga.
Karbonitriidimine – pinnakihi samaaegne rikastamine süsiniku ja lämmastikuga.
Nitrokarburiseerimine / nitrokarburiseerimine – kihi rikastumine peamiselt lämmastiku ja süsinikuga.
Puurimine – pinna difusioonküllastumine booriga.
Difusioonkroomimine – kihi difusioonrikastamine kroomiga.
Difusioonalumiinimine – kihi difusioonrikastumine alumiiniumis.