Viden

Varmebehandling er et afgørende skridt for at sikre de mekaniske egenskaber af støbte ståldele. Ved at forme, hælde, ryste og rense, får støbningen sin endelige form - men den er måske ikke stærk eller fleksibel nok til endelig brug. Ved at opvarme og afkøle metallet med forskellige hastigheder kan støberier ændre dets mekaniske egenskaber. Men hvordan ændrer anvendelsen af ​​varme metallets styrke eller fleksibilitet? ​​​​​​​

Krystallisation og metalegenskaber

Når smeltet metal afkøles, størkner det til en krystallinsk struktur. Under et mikroskop ligner disse strukturer de frostmønstre, der dannes på glas om vinteren. Hver struktur vokser fra et centralt punkt, indtil den møder en anden krystalstruktur. Disse strukturer udgør "kornene" af metallet.

Ligesom forskellige vinterforhold giver forskellige typer frostmønstre, ændrer forskellige temperaturer også de krystaller, der dannes ved fremstilling af metaller. De korn, de producerer, er normalt usynlige, men bliver tydelige, når metallet ætses med syre.

Formen og forholdet mellem korn i en legering bestemmer dens mekaniske egenskaber. Når metal bliver ramt, kan runde korn glide forbi hinanden og bule i stedet for at forblive faste eller knække. Flade korn kan stables som mursten i en væg og støtte hinanden; de er stærkere end runde korn, men tillader stadig en vis bevægelse. Skarvede, sammenlåsende korn giver måske slet ikke noget at give. Varmebehandling af metaller kan omforme deres krystallisation og derved ændre deres korn og dermed metallets egenskaber.

Arbejdshærdede metaller

Billedet af en smed, der hamrer en glødende metalplade i sin smedje, selvom det ikke længere er almindeligt, er øjeblikkeligt genkendeligt. Men i det meste af menneskehedens historie har smede mekanisk bearbejdet metaller for at gøre dem stærkere. I dag bliver stål ikke længere håndsmedet af smede, men rulles ofte for at hærde det mekanisk.

En afbildning af kornstrukturen forklarer virkningen af ​​arbejdshærdning. De runde partikler i metallet deformeres, og deres nye former giver metallet styrke. For eksempel ved koldvalsning klemmes og strækkes de runde korn, så de bliver mere som stænger. Disse stænger støtter hinanden, som et bundt pinde. En smed eller metalarbejder kan hamre, vride, varme, afkøle og strække en genstand for at ændre kornens form. Hvis kornene ikke har nogen steder at tage hen, når de bliver ramt, danner de en ubevægelig uelastisk matrix, hvorved metallets hårdhed øges.

Denne hårdhed kan dog have en pris: styrke kan gøre materialet skørt. Uregelmæssigt formede korn glider ikke let forbi hinanden: de er kilet sammen. Enhver påvirkning, der er stor nok - større end styrken af ​​bindingerne mellem kornene - vil adskille dem.

Varmebehandlede metaller

Støberier begyndte at skabe de ønskede mekaniske egenskaber af stål ved at vælge en legering kendt for at producere disse egenskaber. Men da støbegodset afkølede, var krystallisationen af ​​dette metal næsten umulig at kontrollere. Da krystallisation påvirker metallets mekaniske egenskaber, fungerer legeringen muligvis ikke optimalt, medmindre den forarbejdes yderligere. Støberier kan opnå dette ved at opvarme og afkøle metallet på en kontrolleret og regelmæssig måde.

Varmebehandling er en ikke-destruktiv metode til at ændre materialers egenskaber. Det er nogle gange en sekundær proces for arbejdshærdede metaller - men det er den foretrukne metode for støberier, fordi støbegodset allerede er i den korrekte form og ikke kan bearbejdes.

Krystallisation begynder næsten altid ved den ydre overflade og bevæger sig indad, og - især i store støbegods - er der en betydelig temperaturforskel mellem skallen og midten af ​​støbningen. Krystaller vokser uregelmæssigt og er normalt skarpere og mindre duktile nær overfladen. De er som regel mere afrundede, og dermed blødere, jo længere ind de kommer. Formen af ​​støbningen og defekter eller indeslutninger i metallet kan påvirke afkølingshastigheden, hvilket resulterer i forskellige mekaniske egenskaber i forskellige områder af metallet. Disse forskelle kan forårsage intern metalspænding, hvilket fører til metaltræthed eller -fejl. Varmebehandling gør det muligt for støberier at gå tilbage i metallet og omarrangere krystallerne, der udgør det.

Iblødsætning er processen med at bringe en støbning over omkrystallisationspunktet. Den angivne "temperaturtid" for iblødsætning i varmebehandling gør det muligt for krystallerne i metallet at smelte og omorganisere. Gennemgang af jern-kulstoffasecyklussen kan hjælpe støberier med at forstå, hvor længe man skal holde en støbning ved en bestemt temperatur for at tillade specifik kulstofdiffusion.

I de fleste (men ikke alle) dele af jern-kulstoffasecyklussen reducerer gennemblødsætning af støbte eller forarbejdede metaller deres hårdhed og skørhed. Efterhånden som partiklerne i metallet vokser mere regelmæssigt, bliver de rundere og kan omarrangeres ved stød ved at glide forbi hinanden. Derudover, da emnet altid når den samme temperatur, er krystallerne normalt mere ensartede end dem i nystøbte stykker.

Annealing

Udglødning begynder med iblødsætning og fortsætter med meget langsomt at afkøle stålet i ovnen. Støbemanden slukker for ovnen og lader temperaturen falde blidt og kontrollerbart. Under opvarmning og afkøling har hele objektet termisk konsistens, hvilket betyder, at der er meget lidt intern spænding: der vil ikke være metal "regioner" med forskellige krystallinske egenskaber. Udglødede metaller har normalt meget god duktilitet med øget duktilitet, trækstyrke og forlængelse. På grund af den meget langsomme afkølingskurve er kornstørrelsen af ​​udglødede metaller normalt meget stor.

Normalisering

Normalisering af metal involverer opvarmning af det til omkrystallisationstemperaturen og derefter trække det ud af ovnen og afkøle det i atmosfæren. Mange af egenskaberne ved udglødet metal er også til stede i normaliseret metal, men på grund af den ufuldstændige ensartethed af afkøling er kornene ofte mindre regelmæssige. Ikke desto mindre er temperaturforskellen meget mindre end i kølet metal, hvilket betyder, at standardiserede produkter er mindre skøre.

Den afkølingshastighed, der findes ved normalisering, producerer mindre korn i metallet end udglødning, hvilket betyder, at det normalt er stærkere eller hårdere end udglødet metal.

quenching

Hvad hvis der kræves ekstrem høj hårdhed? Ved fremstilling af værktøj og maskindele kan blødgøring af metallet besejre formålet.

Varmebehandling kan give mulighed for specificeret og ensartet hårdhed. For at gøre stål hårdt nedsænker støberier stålet, indtil austenit bliver det dominerende molekyle og slukker det derefter i kold olie eller tvungen luft. Når austenit udsættes for et koldchok, danner det en let uregelmæssig krystalstruktur kaldet martensit. På grund af deformationen af ​​kulstof i hvert martensitmolekyle er dette materiale hårdere.

Da bratkøling sker udefra og ind, udsættes store genstande for trykket fra hurtig krystallisation, hvilket kan forårsage indre spændinger i metallet. Hvis slukningen er for ekstrem, kan disse kræfter nogle gange forårsage revner. Af denne grund er vandslukning ikke almindelig for store stålgenstande, fordi det forårsager et hurtigt fald i temperaturen, hvilket fører til dannelse af revner. Olie og luft afkøles lidt mindre aggressivt.

Men bratkøling hærder mere end bare stål. Vandslukning bruges i støberier. Ikke-stålmetaller modstår muligvis ikke det samme indre tryk, fordi deres faser og molekylære strukturer er forskellige. Mangan kan vandkøles ved en meget højere temperatur end stål uden at revne. Dog er temperaturforskellen så stor, at enhver slukning ville håndtere en stor mængde energi, der kunne gå galt! Nedenfor er en eksplosion under bratkølingsprocessen af ​​en manganstålstøbning forårsaget af en resterende sandkerne.

hærdning

At finde den rigtige balance mellem hårdhed og duktilitet kan også opnås gennem en proces kaldet temperering. Anløbning udføres normalt på bratkølet stål for at gøre det mindre skørt og samtidig bevare en vis hårdhed. Ved anløbning genopvarmes metallet, men ved en lavere temperatur end den, der bruges til udglødning, normalisering eller bratkøling.

Martensit er ikke en stabil molekylær struktur ved høje temperaturer—det dannes under chok—så hærdning af stål betyder at gøre martensitten ustabil og få den til at begynde at omdannes til cementit og ferrit. Temperaturområdet og varigheden i tempereringsovnen vil påvirke omfanget af martensittransformationen og dermed metallets blødhed. For eksempel kan metalfjedre hærdes ved en højere temperatur for at øge elasticiteten sammenlignet med værktøjer, der er hærdet ved en lavere temperatur for at bevare hårdheden.

Tempering bruges ofte til at afhjælpe indre spændinger i bratkølede materialer. Et metal, der har undergået andre termiske belastninger, såsom svejsning eller smedning, kan hærdes for at tillade de indre molekyler at slappe lidt af.

Variationer i varmebehandling

I støberier udsættes støbegods normalt for ensartet varmebehandling. Nogle gange kan genstande dog gennemgå uregelmæssig varmebehandling. Hærdede stålsværd gennemgår typisk forskellige grader af hærdning for at gøre bladet hårdt og samtidig holde kernen elastisk. Fjedre gennemgår nogle gange forskellige varmebehandlinger for at matche deres funktioner.

Vigorhar mere end 18 års erfaring med varmebehandling af støbegods, smedegods og andre metaldele.Hvis du har spørgsmål og behov for produktudvikling eller forbedre din forsyningskæde, er du velkommen til at kontakte os påinfo@castings-forging.com