Teräksen isoterminen hehkutus – prosessi, lämpötila, mikrorakenne ja käyttö

Teräksen isoterminen hehkutus on lämpökäsittelyprosessi, jossa austenitointilämpötilaan kuumentamisen jälkeen teräs jäähdytetään sopivasti valittuun muutoslämpötilaan ja pidetään sitten isotermisesti, kunnes haluttu mikrorakenne on saavutettu. Kun perusmuutos on valmis, materiaali voidaan jäähdyttää ympäristön lämpötilaan.
Toisin kuin täysi hehkutusIsoterminen hehkutus, jonka aikana austeniitin muutos tapahtuu erittäin hitaan, jatkuvan jäähdytyksen aikana, hyödyntää materiaalin hallittua pitämistä tietyssä lämpötilassa. Tämä mahdollistaa muutosprosessin paremman hallinnan, tasaisemman mikrorakenteen ja – sopivien teräslajien kohdalla – prosessointiajan lyhentämisen.
Prosessia käytetään pääasiassa seosteräksille, työkaluteräksille ja muille teräksille, joiden perinteinen hehkutus erittäin hitaalla jäähdytyksellä olisi aikaa vievää tai vaikeuttaisi vaaditun rakenteen saavuttamista.

Mitä on isoterminen hehkutus?

Prosessin ydin on erottaa austeniittisoinnin jälkeinen jäähdytys varsinaisesta austeniittimuutoksesta. Kun sopiva austeniittinen rakenne on saavutettu, terästä ei jäähdytetä hyvin hitaasti ympäristön lämpötilaan. Lämpötila lasketaan tasolle, jossa hallittu austeniittimuutos voi tapahtua, ja sitten materiaali pidetään tässä lämpötilassa tietyn ajan.
Określenie "isoterminen" tarkoittaa, että muutoksen pääosa tapahtuu materiaalin pysyessä suunnilleen vakiona lämpötilassa.
Lämpötila ja pitoaika on valittava kullekin teräslaadulle. Ne määräytyvät tekijöiden, kuten kemiallisen koostumuksen, kriittisten lämpötilojen, austeniitin muutoskinetiikan, vaadittujen ominaisuuksien ja työkappaleen koon, perusteella.

Isotermisen hehkutuksen tarkoitus

Isotermisen hehkutuksen ensisijainen tavoite on saada aikaan hallittu ja mahdollisesti homogeeninen mikrorakenne käyttämällä austeniittimuutosta, joka tapahtuu oikein valitussa lämpötilassa.
Prosessia voidaan käyttää seuraaviin tarkoituksiin:

• teräksen kovuuden vähentäminen ennen jatkokäsittelyä,
• parantaa sopivien teräslaatujen lastuttavuutta,
• saavuttaa homogeenisemman mikrorakenteen elementin koko poikkileikkauksessa,
• materiaalin valmistelu jatkokäsittelyä varten,
• austeniitin muuntumistuotteiden hallinta,
• lyhentää käsittelyaikaa verrattuna klassisen täydellisen hehkutuksen aikana käytettyyn erittäin hitaaseen jäähdytykseen, erityisesti joissakin seosteräksissä.

Isoterminen hehkutusprosessi

Tyypillinen isoterminen hehkutusprosessi voidaan jakaa neljään perusvaiheeseen: austenisointi, jäähdytys muutoslämpötilaan, isoterminen pito ja lopullinen jäähdytys.

1. Lämmitys ja austenisointi

Teräs kuumennetaan laatuluokan ja vaaditun austenisoitumisen edellyttämään lämpötilaan. Kuumennuksen aikana tapahtuu muutoksia, jotka johtavat austeniitin muodostumiseen.
Austenitointilämpötilaa ei voida määritellä yhdeksi universaaliksi arvoksi kaikille teräksille. Se riippuu materiaalin hiilipitoisuudesta, seosaineista, alkuperäisestä rakenteesta ja kriittisistä lämpötiloista.

2. Jäähdytys isotermiseen pitolämpötilaan

Austenitisaation jälkeen teräs jäähdytetään sopivaan lämpötilaan, jossa austeniitin perusmuodonmuutos tapahtuu.
Tämä vaihe on suoritettava siten, että ei-toivottujen muutosten alkaminen isotermiseen pitolämpötilaan siirtymisen aikana rajoitetaan. Vaadittava jäähdytysnopeus riippuu kyseisen teräslajin muutosominaisuuksista.

3. Isoterminen vastus

Kun vaadittu lämpötila on saavutettu, materiaali pidetään siinä riittävän kauan, jotta haluttu austeniittimuutos tapahtuu.
Tämä vaihe erottaa prosessin klassisesta täydellisestä hehkutuksesta. Sen sijaan, että muutos suoritettaisiin jatkuvalla, erittäin hitaalla lämpötilan laskulla, käytetään lämpötila-aluetta, jolla muutos voi edetä hallitusti.

4. Loppujäähdytys

Kun vaadittu muutos on valmis, materiaali jäähdytetään ympäristön lämpötilaan. Koska ensisijainen austeniittimuutos on jo tapahtunut isotermisen pidon aikana, lisäjäähdytysmenetelmällä on erilainen merkitys kuin jäähdytyksellä suoraan austeniittiselta alueelta.
Loppujäähdytyksen tarkka menetelmä tulisi määrittää komponentin laatuun ja mittoihin soveltuvan tekniikan mukaan.

Isoterminen hehkutuslämpötila

Isotermisessä hehkutuksessa on erotettava toisistaan austenisointilämpötila od isoterminen pitolämpötilaNämä ovat kaksi eri prosessiparametria.
Austenisointilämpötilan on saavutettava vaadittu austeniittinen rakenne. Materiaali jäähdytetään sitten alempaan lämpötilaan, joka sopii vaadittuun muutokseen.
Siksi yhtä arvoa, kuten 600–700 °C, ei pitäisi käyttää yleisenä "isotermisenä hehkutuslämpötilana". Tämä vaihteluväli voi esiintyä tietyissä teknologioissa, mutta sopiva lämpötila riippuu teräslaadusta ja sen muutosprosessista.

CTPi-kaavioiden merkitys isotermisessä hehkutuksessa

Isotermisen hehkutusparametrien valinta liittyy läheisesti austeniittimuutosten kinetiikkaan. Ne ovat erityisen hyödyllisiä CTPi – isotermisen muutoksen aika-lämpötila-muunnoskaaviot, joka osoittaa lämpötilan, pitoajan ja alijäähtyneen austeniitin muutosten kulun välisen suhteen.
Kaavion perusteella voit määrittää muun muassa:

• lämpötila, jossa tietty muutos alkaa,
• muutoksen aloittamiseen kuluva aika,
• sen suorittamiseen tarvittava aika,
• tiettyjen austeniitin muutostuotteiden muodostumisen lämpötila-alue.

CTPi-diagrammit ovat spesifisiä tietylle teräslajille ja materiaaliolosuhteille. Siksi isotermisen hehkutusparametrin arvoja ei tule siirtää suoraan teräslaadusta toiseen.

Mitä austeniitille tapahtuu isotermisen hehkutuksen aikana?

Kuumennuksen aikana muodostunut austeniitti muuttuu alijäähtyneeksi rakenteeksi, kun se jäähdytetään stabiiliusalueensa alapuolelle. Jos terästä pidetään sopivassa lämpötilassa, alkaa muutoksia, jotka johtavat uusien mikrorakennekomponenttien muodostumiseen.
Saadun rakenteen tyyppi riippuu isotermisestä pitolämpötilasta ja tietyn teräslajin muodonmuutosominaisuuksista. Perliittisellä muodonmuutosalueella voi muodostua ferriittis-perliittinen rakenne, jonka morfologia riippuu muodonmuutoslämpötilasta.
Mitä alhaisempi perliittisen alueen muutoslämpötila on, sitä hienompi perliittinen rakenne voi yleensä olla. Tämä mikrorakenteen muutos vaikuttaa myöhemmin materiaalin kovuuteen, lujuuteen ja työstettävyyteen.

Mikrorakenne isotermisen hehkutuksen jälkeen

Jokaiselle isotermiselle hehkutusprosessille ei ole olemassa yhtä ainoaa mikrorakenneominaisuutta. Vaikutus riippuu teräksen koostumuksesta, austenitointilämpötilasta, jäähdytysnopeudesta muutoslämpötilaan sekä pitoajasta ja -lämpötilasta.
Jos prosessiin liittyy perliittinen muutos, tavoitteena voi olla tasaisen ferriittis-perliittisen rakenteen saavuttaminen. Tällaisen rakenteen ominaisuudet riippuvat muun muassa perliitin pirstoutumisasteesta ja yksittäisten rakenneosien osuudesta.

Parametrien vaikutus isotermisen hehkutuksen vaikutukseen

Isoterminen hehkutus ja täysi hehkutus

Molemmat prosessit voivat alkaa austeniitilla, mutta ne eroavat toisistaan ​​austeniittimuutoksen suoritustavan suhteen. täysi hehkutus Materiaali jäähdytetään hyvin hitaasti, yleensä uunin avulla, ja muutokset tapahtuvat lämpötilan jatkuvasti laskiessa.
Isotermisessä hehkutuksessa austeniittisoitu materiaali jäähdytetään tiettyyn lämpötilaan ja pidetään siellä muodonmuutoksen läpikäymiseksi.

Isoterminen hehkutus ja normalisointi

Aikana normalisoiva teräs Austenisoinnin jälkeen materiaali jäähdytetään ilmassa. Tyypillinen isoterminen hehkutus, jossa prosessi pysäytetään tiettyyn lämpötilaan hallitun muutoksen saavuttamiseksi, jätetään pois.
Normalisointia käytetään ensisijaisesti rakenteen standardointiin ja tarkentamiseen sekä tiettyjen mekaanisten ominaisuuksien saavuttamiseen. Isoterminen hehkutus puolestaan ​​mahdollistaa austeniitin muutosolosuhteiden tarkemman hallinnan.

Isoterminen hehkutus ja sferoidisoiva hehkutus

Pallohehkutuksen tarkoituksena on ensisijaisesti saavuttaa sopiva, lähes pallomainen muoto sementiitille tai muille karbideille. Se on erityisen tärkeää runsashiilisten terästen, laakeri- ja työkaluterästen kohdalla.
Isoterminen hehkutus puolestaan ​​hyödyntää austeniittimuutosta, joka tapahtuu tietyssä lämpötilassa pitämisen aikana. Näiden kahden prosessin tavoitteet ja mekanismit ovat siis erilaiset, vaikka molempia voidaan käyttää teräksen valmisteluun jatkokäsittelyä varten.

Isoterminen hehkutus ja isoterminen karkaisu

Isotermistä hehkutusta ei pidä sekoittaa isotermiseen karkaisuun. Molemmissa prosesseissa materiaali pidetään tietyssä lämpötilassa, mutta käsittelyn tarkoitus, muutoslämpötila-alue ja vaadittu lopullinen mikrorakenne ovat erilaiset.
Isotermisen hehkutuksen tavoitteena on muun muassa saavuttaa jatkokäsittelyyn soveltuva rakenne ja usein vähentää kovuutta. Isoterminen karkaisu taas käyttää huolellisesti valittua sykliä tämän tyyppiselle karkaisulle ominaisen rakenteen ja ominaisuuksien saavuttamiseksi.

Seosterästen isoterminen hehkutus

Isoterminen hehkutus on erityisen tärkeää seosterästen tapauksessa, koska alkuaineiden, kuten kromin, molybdeenin, nikkelin tai mangaanin, läsnäolo voi muuttaa merkittävästi alijäähdytettyjen austeniittimuutosten kinetiikkaa.
Jatkuvan jäähdytyksen aikana muutoksen aloittamiseen ja loppuun saattamiseen tarvittava pidempi aika voi tehdä klassisesta täydellisestä hehkuttamisesta aikaa vievää. Oikein suunniteltu isoterminen prosessi voi mahdollistaa hallitumman muutoksen.

Työkaluterästen isoterminen hehkutus

Työkaluterästen kohdalla materiaalin kunto ennen koneistusta ja sitä seuraavaa karkaisua on ratkaisevan tärkeää. Asianmukainen hehkutuskäsittely voi vähentää kovuutta ja helpottaa tarkkoja leikkausoperaatioita.
Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että isoterminen hehkutus olisi aina paras menetelmä kaikille työkaluteräksille. Monille runsashiiliseille työkaluteräksille isoterminen hehkutus on erityisen tärkeää. sferoidisoiva hehkutus, koska materiaalin ominaisuudet ennen karkaisua määräytyvät myös karbidien muodon ja jakautuman mukaan.

Isotermisen hehkutuksen vaikutus työstettävyyteen

Oikein suoritettu isoterminen hehkutus voi parantaa materiaalin työstettävyyttä saavuttamalla tasaisemman mikrorakenteen ja sopivan kovuuden.
Ei kuitenkaan pidä olettaa, että pelkkä kovuuden minimointi takaa aina optimaalisen lastuttavuuden. Liian pehmeä ja sitkeä teräs voi johtaa epäedulliseen lastunmuodostukseen, reunojen muodostumiseen ja pinnanlaadun heikkenemiseen. Siksi optimaalinen mikrorakenne tulisi valita kullekin teräslaadulle ja sitä seuraavalle käsittelymenetelmälle.

Elementin koon vaikutus isotermiseen prosessiin

Komponentin mitat ovat erityisen tärkeitä siirryttäessä austenisointilämpötilasta isotermiseen pitolämpötilaan. Komponentin pinta jäähtyy nopeammin kuin sen ydin, joten tasaisen lämpötilan saavuttaminen koko suurikokoisten komponenttien tilavuudessa vaatii huolellisesti suunnitellun prosessin.
Jos osa poikkileikkauksesta alkaa jäähdytyksen aikana muuttua ennen isotermisen pitolämpötilan saavuttamista, lopullinen mikrorakenne voi olla epähomogeeninen. Siksi prosessisovelluksessa on otettava huomioon teräslaadun lisäksi myös komponentin massa ja geometria.

Isotermisen hehkutuksen edut

• austeniitin muutosolosuhteiden tarkemman hallinnan mahdollisuus,
• mahdollisuus saada homogeeninen mikrorakenne,
• sopivissa teräksissä prosessiaikaa voidaan lyhentää verrattuna erittäin hitaaseen jäähdytykseen,
• mahdollisuus saada ominaisuuksia, jotka ovat suotuisia jatkokäsittelylle,
• soveltuvuus joidenkin seosterästen ja työkaluterästen työstöön,
• kyky mukauttaa mikrorakenne seuraaviin tuotantovaiheisiin.

Isotermisen hehkutuksen haitat ja rajoitukset

• tarve valita tarkasti terästyypin lämpötila ja pitoaika,
• suuremmat lämpötilan säätövaatimukset kuin yksinkertaisissa hehkutusprosesseissa,
• alkuaineiden suuriin poikkileikkauksiin ja pinnan ja ytimen jäähdytysnopeuksien eroihin liittyvät rajoitukset,
• ei-toivotun muutoksen alkamisen riski jäähdytettäessä isotermiseen lämpötilaan,
• tarve tietää tietyn tyyppisen teräksen muutosten kinetiikka,
• prosessi ei ole optimaalinen kaikille teräslajeille.

Isoterminen hehkutus – tärkeimmät tiedot

Isoterminen hehkutus on lämpökäsittelyprosessi, jossa hyödynnetään alijäähdytetyn austeniitin hallittua muutosta pitäen terästä valitussa lämpötilassa. Austenisoinnin jälkeen materiaali jäähdytetään muutoslämpötilaan, pidetään kyseisessä lämpötilassa vaaditun ajan ja sitten jäähdytetään huoneenlämpötilaan.
Täydelliseen hehkutukseen verrattuna tämä prosessi mahdollistaa austeniitin muutosolosuhteiden suoremman hallinnan ja voi sopivissa teräksissä lyhentää prosessointiaikaa. Tämä on erityisen tärkeää tietyille seosteräksille, joiden erittäin hidas jäähdytys klassisen täydellisen hehkuttamisen aikana olisi pitkä.
Austenitointilämpötila, isoterminen pitolämpötila ja muutosaika on valittava erikseen tietylle teräslajille. Tällaisten muutosten analysoinnin perustyökalu on CTPi-diagrammit, jotka kuvaavat ajan, lämpötilan ja alijäähdytettyjen austeniittimuutosten kulun välistä suhdetta.

Teräksen lämpö- ja termokemialliset käsittelymenetelmät

Pehmentäminen on vain yksi ryhmä prosesseja, joita käytetään teräksen mikrorakenteen ja ominaisuuksien muokkaamiseen. Halutusta vaikutuksesta riippuen käytetään myös normalisointia, jännityksenpoistoa, karkaisua, päästöä ja termokemiallisia prosesseja, kuten hiiletystä ja nitrausta.

Teräksen lämpökäsittelymenetelmät

• Teräksen normalisointi – raekoon hienosäätö ja mikrorakenteen yhtenäistäminen.
• Wyżarzanie odpreżające – jäännösjännitysten vähentäminen.
• Teräksen pehmeneminen – kovuuden vähentäminen ja jatkokäsittelyn kestävyyden parantaminen.
• Täysi hehkutus – austenisointi ja hidas jäähdytys.
• Isoterminen hehkutus – muunnos suoritetaan pitämällä oikein valitussa lämpötilassa.
• Pallon hehkutus – sferoidisointi – sementiitin tai muiden karbidien morfologian muutos.
• Uudelleenkiteytyshehkutus – murskaantumisen vaikutusten poistaminen ja plastisuuden palauttaminen.
• Homogenisoiva hehkutus – erottelun vähentäminen ja materiaalikoostumuksen homogenisointi.
• Karkaisu ja lämpökäsittely – mikrorakenteen ja ominaisuuksien muokkaaminen karkaisemalla ja päästöllä.
• Teräskarkaisu – teräksen ominaisuuksien hallittu muuttaminen karkaisun jälkeen.
• Induktiokarkaisu – pinnan induktiolämmitys ja nopea jäähdytys.
• Liekkikarkaisu – pinnan kovettuminen paikallisen liekityksen jälkeen.
• Ylikylläisyys – ylikyllästetyn kiinteän liuoksen saaminen sopivalla lämpösyklillä.
• Ikääntyminen – hallittu faasien erottuminen, joka johtaa materiaalin lujittumiseen.

Teräksen termokemiallisen käsittelyn menetelmät

• Teräksen nitraus – pintakerroksen diffuusiorikastuminen typellä.
• Teräksen hiiletys – pinnan diffuusiorikastuminen hiilellä.
• Hiilinitridointi – pintakerroksen samanaikainen rikastaminen hiilellä ja typellä.
• Nitrohiiletys / nitrohiiletys – kerroksen rikastuminen pääasiassa typellä ja hiilellä.
• Poraus – pinnan diffuusiokyllästyminen boorilla.
• Diffuusiokromipinnoitus – kerroksen diffuusiorikastus kromilla.
• Diffuusioaluminointi – kerroksen diffuusiorikastuminen alumiinissa.