Homogeniserande glödgning – minskad segregation och homogenisering av materialkompositionen

Homogeniserande glödgning, även kallad homogenisering eller diffusionsglödgning, är en process värmebehandling Används främst för att minska lokala skillnader i kemisk sammansättning som uppstår vid stelning av metaller och legeringar. Det innebär att materialet värms upp till en tillräckligt hög temperatur, förlängd glödgning för att möjliggöra diffusion av legeringskomponenter och kontrollerad kylning.
Till skillnad från processer som t.ex. normalisering, spänningsavlastningsglödgning czy härdning och termisk förbättring, är det primära syftet med homogenisering inte att direkt uppnå slutlig hårdhet, hållfasthet eller spänningsborttagning. Processen är främst avsedd minska den kemiska inhomogeniteten hos materialet som ärvs från stelning.
Homogenisering utförs i fast tillstånd. Temperaturen måste vara tillräckligt hög för att möjliggöra diffusion av långsammare legeringselement med en tekniskt användbar hastighet, men samtidigt måste den hållas under den temperatur vid vilken smältning kan börja i lokalt anrikade områden av materialet.
Det viktigaste målet med homogenisering är att minska segregering som sker under koaguleringDenna behandling används främst på tackor, gjutgods och stora halvfabrikat före vidare plastbearbetning eller värmebehandling. Den gäller både stål och legeringar. aluminium, nickel och andra metaller.

Vad är kemisk segregation?

Under stelningen av en legering är sammansättningen av den fasta fas som bildas vanligtvis inte identisk med sammansättningen av den återstående vätskan. Enskilda element kan stötas bort i varierande grad av de växande kristallerna eller införlivas i den framväxande fasta fasen.
Allt eftersom stelningen fortskrider förändras den återstående vätskans sammansättning. Följaktligen kan de tidigare bildade delarna av dendriterna ha en annan kemisk sammansättning än de områden som bildades i det sista stelningsstadiet.
Ett karakteristiskt mönster skapas dendritisk segregationDendritiska kärnor och interdendritiska utrymmen kan skilja sig åt i innehåll. kol, mangan, krom, nickel, molybden, kisel och andra legeringskomponenter.
Sådana skillnader påverkar den lokala omvandlingstemperaturen, andelen enskilda faser, härdbarhet, deformationsbenägenhet och materialets reaktion på efterföljande förändringar. härdning och termisk förbättringI vissa legeringar kan segregering också främja bildandet av lågsmältande komponenter, strukturell bandning eller ogynnsamma utfällningar.

Homogeniseringsglödgning utjämnar inte sammansättningen av hela götet helt. Dess primära syfte är att minska inhomogenitet, främst på mikrostrukturell skala. Makrosegregation som sträcker sig över avstånd på centimeter eller mer är mycket svårare att avlägsna, eftersom den erforderliga diffusionstiden skulle vara tekniskt oacceptabel.

Varför är segregation dåligt?

En ojämn fördelning av element innebär att olika områden av samma gjutgods eller gjutgods kan bete sig som material med något olika kemiska sammansättningar.
Detta kan leda till:

• lokala skillnader i härdbarhet,
• ojämna förändringar under härdning,
• skillnader hårdhet och mekaniska egenskaper,
• bildandet av strukturella bandningar efter valsning eller smide,
• ojämn fördelning av karbider och andra utfällningar,
• lokal sänkning av den initiala smälttemperaturen,
• försämring av materialets känslighet för plastisk bearbetning,
• ojämn reaktion av materialet på efterföljande värmebehandling.

Homogenisering är därför främst en procedur som förbereder materialstrukturen för vidare bearbetning , och inte en typisk slutbearbetning av en maskindel.

Diffusion – mekanismen för homogeniserande glödgning

Homogeniseringen av kompositionen sker genom diffusion av atomer i materialetSkillnaderna i koncentrationen av legeringselement minskas genom deras förflyttning mellan angränsande områden.
Drivkraften bakom denna process är systemets önskan att minska kemiska potentialskillnader. I ett enkelt fall kan processen representeras som en komponents förflyttning från ett område med högre koncentration till ett med lägre koncentration, men i verkliga flerkomponentlegeringar är mekanismen mer komplex.
Diffusionshastigheten ökar avsevärt med temperaturen. Därför kräver homogenisering höga temperaturer och en tillräckligt lång uppvärmningstid.
Emellertid rör sig enskilda element med olika hastigheter. Kol i stål är det ett interstitiellt element och diffunderar vanligtvis mycket snabbare än substitutionella legeringselement som krom, nickel, mangan czy molybden.
Det är den långsamma diffusionen av substitutionselement som är en av de främsta anledningarna till att industriell homogeniseringsglödgning kräver lång tid.
Det ungefärliga förhållandet mellan processtiden och diffusionsvägen kan skrivas:

• t – karakteristisk diffusionstid;
• L – karakteristiskt avstånd vid vilket tåget ska utjämnas;
• D – diffusionskoefficient för en given komponent i en specifik fas och temperatur.

För samma diffusionskoefficient innebär en fördubbling av transportavståndet ungefär en fyrdubblad tid. Detta förhållande förklarar väl varför det är möjligt att begränsa skillnaderna i sammansättning mellan dendritkärnan och den interdendritiska regionen, men det är mycket svårare att utjämna sammansättningen mellan axeln och ytan på ett stort göt.
Detta är dock inte en färdig formel för att bestämma industriell homogeniseringstid. I ett verkligt material beror diffusionskoefficienten på temperatur, fas, elementtyp och legeringssammansättning.

Temperaturens inverkan på homogeniseringshastigheten

Diffusionskoefficienten ökar mycket kraftigt med ökande temperatur. Ur ett teknologiskt perspektiv innebär detta att Att öka temperaturen kan avsevärt förkorta den tid som behövs för att minska segregationen.
Du kan dock inte höja temperaturen godtyckligt.
Interdendritiska regioner kan berikas med komponenter som sänker den lokala smältpunkten. Materialet kan därför börja smälta lokalt vid en temperatur som är lägre än den som motsvarar dess genomsnittliga kemiska sammansättning.
Detta fenomen är en av de viktigaste begränsningarna i homogeniseringsprocessen.

Homogeniserande glödgningsprocess

1. Materialutvärdering. Den kemiska sammansättningen, tillståndet efter gjutning, segregationsskala, typ av faser och närvaron av komponenter som kan vara föremål för lokal smältning bestäms.
2. Temperaturval. Temperaturen bör säkerställa tillräckligt snabb diffusion, men förbli under den temperatur vid vilken okontrollerad lokal smältning börjar.
3. Kontrollerad uppvärmning. Uppvärmningshastigheten väljs utifrån materialets dimensioner, geometri och känslighet för sprickbildning på grund av temperaturgradienter.
4. Temperaturutjämning i tvärsnitt. I stora tackor och smidesstycken är det nödvändigt att ta hänsyn till den tid som krävs för att värma kärnan.
5. Homogeniserande glödgning. Materialet hålls vid hög temperatur under en tid som är tillräcklig för att begränsa segregation och uppnå önskade fasomvandlingar.
6. Kontrollerad kylning. Kylningsmetoden beror på legeringstyp, önskad struktur och nästa teknologiska steg.
7. Vidare bearbetning. Beroende på materialet används smide, valsning, extrudering, normalisering, andra typer av glödgning eller ytterligare värmebehandling.

Inte alla homogeniseringsprocesser slutar med mycket långsam ugnskylning. Särskilt i aluminiumlegeringar kan kylningshastigheten påverka fasseparationen och materialets efterföljande bearbetbarhet.

Homogeniseringstemperatur och tid

Det finns ingen enskild homogeniseringsglödgningstemperatur som är lämplig för alla material. Parametrarna beror på legeringens sammansättning, lokal smältstarttemperatur, avståndet mellan dendritarmarna, typen av utfällningar, arbetsstyckets storlek och den homogeniseringseffektivitet som krävs.

Enstegs- och flerstegshomogenisering

Den enklaste cykeln innebär att materialet värms upp till en inställd temperatur och sedan värms upp under en viss tid.
I legeringar med en mer komplex sammansättning kan den dock användas flerstegshomogeniseringFörvärmning vid en lägre temperatur kan resultera i partiell omvandling eller upplösning av komponenter, vars närvaro begränsar möjligheten att säkert använda en högre temperatur.
Efter ett sådant steg är det möjligt att öka temperaturen och påskynda diffusionen av långsammare rörliga element.
En flerstegscykel är inte en universell lösning. Den måste anpassas till den specifika legeringen, eftersom en felaktig temperatursekvens kan leda till lokal smältning, oönskad utfällning eller överdriven korntillväxt.

Homogeniserande glödgning av stål

I stål tjänar homogenisering främst till att minska dendritisk segregation i göt och gjutgods före vidare bearbetning.
Skillnaderna i distribution är viktiga, först och främst mangan, krom, nickel, molybden, kisel och andra legeringselement.
I legerade stål kan den ojämna fördelningen av dessa komponenter orsaka lokala skillnader i härdbarhet. Efterföljande härdning olika områden av materialet kan då uppvisa olika mikrostrukturer och egenskaper.
Processen kan vara ett steg i att förbereda materialet för stora smidesstycken med öppen form och halvfabrikat från Legerade konstruktionsstål för termisk förbättring.
Exempel på arter från denna grupp är: 40HNMA / 40NiCrMo6 / 40NiCrMo7 oraz 30H2N2M / 30CrNiMo8.
Detta betyder inte att varje produkt som tillverkas av dessa kvaliteter kräver en separat homogeniseringsglödgning. Behovet av denna process bestäms av tillverkningstekniken för götet eller gjutgodset, halvfabrikatets storlek, graden av segregering och den efterföljande bearbetningstekniken.

Homogenisering och smidning och valsning

Homogenisering föregår ofta varm plastbearbetning.
Att minska mikrosegregering kan underlätta ett mer enhetligt materialbeteende under deformation. Plastbearbetning i sig spelar också en betydande roll i att forma strukturen: den bryter ner och förlänger gjutstrukturen, påverkar fasfördelningen och möjliggör önskad geometri hos halvfabrikatet.
I fallet med stora smidesstycken med öppen form Kombinationen av korrekt utformad homogenisering och efterföljande smide kan vara en del av hela processen som leder från götstrukturen till ett material med mer enhetliga egenskaper.
Homogenisering ersätter dock inte plastbearbetning och vice versa – dessa processer löser olika tekniska problem.

Homogenisering och normalisering

Långvarig exponering av stål för höga temperaturer kan orsaka spannmålstillväxtMaterialet efter homogenisering behöver inte ha en mikrostruktur som är lämplig för det färdiga elementet.
Därför kan vidare bearbetning för lämpliga stålkvaliteter innefatta plastisk bearbetning eller normalisering.
Normalisering tjänar ett annat syfte än homogenisering. Dess primära mål är att korrekt forma stålets struktur efter austenisering och luftkylning, medan homogenisering främst tjänar till att minska kemisk segregering.

Homogenisering av aluminiumlegeringar

I fötterna aluminium Homogenisering av göt är ett viktigt steg i att förbereda materialet för vidare bearbetning, inklusive valsning eller extrudering.
Processen kan:

• begränsa mikrosegregering som uppstår under koagulering,
• ändra sammansättningen och morfologin hos interdendritiska faser,
• orsaka upplösning av vissa komponenter i matrisen,
• forma fördelningen av fina utfällningar,
• påverka götets känslighet för efterföljande plastisk bearbetning.

Kisel , koppar , mangan och andra komponenter i en given legering kan spela en viktig roll .

Homogenisering av nickellegeringar

I utvalda nickelbaserade superlegeringar Segregationen som sker under stelningen är av särskild betydelse på grund av det stora antalet legeringskomponenter.
Obok nickel det kan finnas betydande mängder krom, molybden, niob, titan, aluminium, kobolt och andra element.
Homogenisering kan minska segregationen efter stelning och förbereda mikrostrukturen för vidare bearbetning.
Valet av temperatur är dock särskilt viktigt. Lokalt anrikade områden kan ha en lägre smältstarttemperatur än ett material med genomsnittlig kemisk sammansättning, så överhettning kan orsaka lokal smältning.

Inverkan av utvalda element på homogenisering

Homogenisering och andra typer av glödgning

Fördelar med homogeniseringsglödgning

En korrekt vald process kan:

• minska mikrosegregering av legeringskomponenter,
• begränsa kompositionsskillnader mellan dendritkärnor och interdendritiska områden,
• minska heterogeniteten i fördelningen av specifika faser,
• förbättra jämnheten i materialets respons på ytterligare värmebehandling,
• underlätta efterföljande plastbearbetning,
• begränsa några av orsakerna till strukturell bandning,
• förbered stora tackor och gjutgods för vidare smide eller valsning.

Emellertid bör man inte anta automatiska ökningar av hårdhet , draghållfasthet eller slagseghet . De slutliga egenskaperna beror också på kornstorlek, mikrostruktur, faser och efterföljande tekniska steg.

Begränsningar och risker med homogenisering

• Homogenisering tar inte effektivt bort makrosegregering förekommer över stora avstånd.
• Det är inte en metod för att rena legeringen z fosfor, svavel eller permanenta icke-metalliska inneslutningar.
• Tar inte bort krymphålor, sprickor eller gjutporositet.
• För hög temperatur kan orsaka lokal smältning., särskilt i områden berikade med lågsmältande komponenter.
• Överdriven uppvärmning kan orsaka korntillväxt.
• Långa processtider ökar energiförbrukningen och bearbetningskostnaderna.
• En olämplig atmosfär kan leda till ytoxidation.och i fallet med stål även för avkolning.

Hur bedöms homogeniseringens effektivitet?

Processens effektivitet bedöms främst genom att jämföra mikrostrukturen och fördelningen av komponenterna före och efter glödgning.
Följande kan användas:

• optisk mikroskopi,
• svepelektronmikroskopi SEM,
• lokala sammansättningsanalyser med EDS-metoden,
• elektronmikroanalys,
• kartläggning av fördelningen av element,
• studier av fasernas andel och fördelning,
• lokala mätningar hårdhet, om de kan ge kompletterande information om strukturens heterogenitet.

Provets genomsnittliga kemiska sammansättning är inte tillräcklig för att bekräfta homogenisering. Två material kan ha samma genomsnittliga sammansättning och ändå skilja sig avsevärt i fördelningen av element mellan dendritkärnorna och de interdendritiska regionerna.
forskning mekaniska egenskaper kompletterar bedömningen, men själva hårdhetsresultatet, draghållfasthet Rm lub slaghållfasthet bevisar inte lika kemisk sammansättning.

Homogeniseringsglödgning är en högtemperaturdiffusionsbehandling som främst är avsedd att minska mikrosegregering som uppstår under stelning. Processen används huvudsakligen inom tekniken för göt, gjutgods och stora halvfabrikat före vidare bearbetning.
Homogeniseringens effektivitet beror på temperatur, tid, diffusionsvägens längd, typ av segregerande element och de närvarande faserna. Hög temperatur accelererar diffusionen, men ökar också risken för lokal smältning och korntillväxt. Homogenisering ersätter inte normalisering, härdning och termisk förbättring eller andra slutliga processer som formar mikrostrukturen och de mekaniska egenskaperna. Det är snarare ett tidigare teknologiskt steg, vars syfte är att framställa ett mer kemiskt homogent material för efterföljande operationer.

Metoder för värme- och termokemisk behandling av stål

Homogeniseringsglödgning är bara en i en grupp processer som används för att modifiera stålets mikrostruktur och egenskaper. Beroende på önskad effekt används även normalisering, spänningsavlastning, härdning, anlöpning och termokemiska processer som karburering och nitrering.

Metoder för värmebehandling av stål

• Normalisering av stål – kornförfining och mikrostrukturförening.
• Utöka odprężające – minskning av kvarvarande spänningar.
• Mjukgöring av stål – minskar hårdheten och förbättrar känsligheten för vidare bearbetning.
• Fullständig glödgning – austenitisering och långsam kylning.
• Isotermisk glödgning – omvandling utförd medan den hålls vid en korrekt vald temperatur.
• Kulglödgning – sfäroidisering – förändring i morfologin hos cementit eller andra karbider.
• Omkristallisationsglödgning – avlägsnande av effekterna av krossning och återställande av plasticitet.
• Homogeniserande glödgning – minska segregation och homogenisera materialsammansättningen.
• Härdning och värmebehandling – forma mikrostrukturen och egenskaperna genom härdning och anlöpning.
• Härdningsstål – kontrollerad modifiering av stålegenskaper efter härdning.
• Induktionshärdning – induktionsuppvärmning och snabb kylning av ytan.
• Flamhärdning – ythärdning efter lokal uppvärmning med låga.
• Övermättnad – erhållande av en övermättad fast lösning genom en lämplig termisk cykel.
• Åldrande – kontrollerad fasseparation som leder till materialförstärkning.

Metoder för termokemisk behandling av stål

• Nitrering av stål – diffusionsanrikning av ytskiktet med kväve.
• Karburerande stål – diffusionsanrikning av ytan med kol.
• Karbonitrering – samtidig anrikning av ytskiktet med kol och kväve.
• Nitrokarburisering / nitrokarburisering – anrikning av lagret främst med kväve och kol.
• Borrning – diffusionsmättnad av ytan med bor.
• Diffusionsförkromning – diffusionsanrikning av skiktet med krom.
• Diffusionsaluminisering – diffusionsanrikning av lagret i aluminium.