Viden

I. Indledning

Inden for varmebehandling af metalliske materialer er bratkøling en yderst vigtig og almindeligt anvendt proces. Det involverer opvarmning af metalmaterialet til en passende temperatur og opretholdelse af den i en vis periode, efterfulgt af afkøling med en passende hastighed, hvorved materialets indre mikrostruktur ændres og dets mekaniske egenskaber, såsom hårdhed, styrke og slidstyrke, forbedres betydeligt. Som en avanceret form for bratkøling har ultrafinkornet bratkøling tiltrukket sig stor opmærksomhed inden for materialevidenskab i de senere år. Gennem specifikke teknologiske midler gør det det muligt for metalmaterialet at opnå en ultrafinkornet mikrostruktur efter bratkøling, hvilket yderligere giver materialet overlegen omfattende ydeevne. Det har vist et stort anvendelsespotentiale inden for adskillige områder med ekstremt høje krav til materialeydelse, såsom luftfart, bilproduktion og formindustrien.

 

II. Principper for ultrafin korndæmpning

 

(1) Forholdet mellem kornforfining og materialeegenskaber

Egenskaberne ved metalliske materialer afhænger i høj grad af deres interne mikrostruktur, især kornstørrelsen. Ifølge Hall-Petch-formlen er et materiales flydespænding omvendt proportional med kvadratroden af kornstørrelsen, hvilket betyder, at jo finere kornene er, desto højere er materialets styrke. Dette skyldes, at mindre korn indebærer en forøgelse af korngrænsearealet, og korngrænser fungerer som hindringer for dislokationsbevægelse, hvilket effektivt forhindrer dislokationsglidning og diffusion og derved forbedrer materialets modstandsdygtighed over for deformation. Derudover skal revneudbredelsen i brudprocessen af finkornede materialer krydse flere korngrænser, hvilket forbruger mere energi, og dermed har de også højere sejhed og udmattelsesmodstand.

 

(2) Mekanisme for dannelse af ultrafine korn under bratkølingsprocessen

1. Fasetransformationsdrevet kornforfining: Under bratkølingsprocessen gennemgår metalliske materialer en transformation fra højtemperaturfaser (såsom austenit) til lavtemperaturfaser (såsom martensit, bainit osv.). Under denne fasetransformation ledsages dannelsen af den nye fase ofte af gendannelse og vækst af korn. Ved præcist at kontrollere parametre som bratkølingstemperatur og afkølingshastighed kan kimdannelsen af den nye fase fremmes inden for ekstremt små områder, hvorved der dannes ultrafine kornstrukturer. For eksempel kan transformationen af austenit til martensit under hurtige afkølingsforhold fuldføres på et øjeblik, og størrelsen af martensitplader eller -lægter kan kontrolleres inden for et meget fint område.

 

2. Andenfasepartikelhæmning af kornvækst: Ved at introducere passende andenfasepartikler (såsom karbider, nitrider osv.) i metalliske materialer kan disse partikler fordeles på korngrænserne, hvilket spiller en rolle i at fastgøre korngrænserne og effektivt hæmme kornvæksten under opvarmnings- og afkølingsprocesser. Ved rationel styring af størrelsen, mængden og fordelingen af andenfasepartikler kan ultrafine korn opnås under bratkøling. For eksempel fordeles karbider i nogle legeringsstål ensartet og fint i matrixen gennem passende varmebehandlingsprocesser, hvorved væksten af austenitkorn under bratkøling hæmmes og der opnås fine, bratkølede strukturer.

 

III. Metoder til opnåelse af ultrafin korndæmpning

 

(1) Hurtig afkølings- og slukningsmetoden

Den hurtige kølende kølemetode øger kølehastigheden, hvilket gør det muligt for metalmaterialet hurtigt at passere gennem fasetransformationstemperaturzonen under køleprocessen og hæmmer kornvæksten. Almindeligt anvendte hurtige kølemedier omfatter vand, olie og nogle nye polymerkølemidler. For eksempel kan vandets høje varmeledningsevne i vandkøleprocessen hurtigt fjerne varme fra metaloverfladen, hvilket giver materialet mulighed for hurtigt at afkøle og opnå ultrafin kornforfinelse. Vandkølemiddel er dog tilbøjeligt til at forårsage deformation og revner i emnet. Derfor skal der anvendes oliekølemidler eller polymerkølemidler til nogle komplekse formede emner eller emner med strenge deformationskrav. Oliekølemiddel har en relativt langsommere kølehastighed, men kan reducere tendensen til deformation og revner i emnet; polymerkølemidler kan justere deres køleegenskaber efter behov for at opnå optimeret kølemiddel til forskellige materialer og emner.

 

Processens forløb er som følger: Først opvarmes delene med en relativt hurtig hastighed til en temperatur over Ac3, derefter udføres en kort periode med varmebevaring, efterfulgt af hurtig afkøling. Denne serie af trin med opvarmning, varmebevaring og afkøling gentages flere gange. Fordi hver gang delene gennemgår en opvarmningsproces, vil austenitkrystallerne blive raffineret én gang, så efter at have gennemført 4 sådanne cyklusser kan kornstørrelsen på 45-stål med succes raffineres fra den oprindelige grad 6 til grad 12.

 

(2) Deformationsvarmebehandlingsmetode

Varmebehandling med formdeformation er en procesmetode, der kombinerer plastisk deformation med varmebehandling. Før bratkøling påføres passende plastisk deformation (såsom valsning, smedning, trækning osv.) på metalmaterialet, hvilket kan introducere et stort antal forskydninger og defekter i materialet. Disse forskydninger og defekter kan tjene som kimdannelseskerner for nye faser under den efterfølgende bratkølingsproces, hvilket fremmer dannelsen af fine korn. Samtidig kan plastisk deformation også nedbryde de oprindelige grove korn i materialet og skabe gunstige betingelser for ultrafin kornforfining. For eksempel påføres koldvalsningsdeformation først på materialet ved varmebehandling af nogle aluminiumlegeringer, efterfulgt af bratkølingsbehandling, hvilket kan opnå en fin omkrystalliseret kornstruktur, hvilket forbedrer materialets styrke og sejhed betydeligt.

Processen er som følger: Først opvarmes stålet til en temperatur lidt over Ac3 for at opnå austenitisering; derefter udføres varmvalsning for at forårsage intens deformation af austenitten; derefter udføres en passende periode med isotermisk opbevaring for at fremme initieringen af omkrystallisation i den deformerede austenit; til sidst udføres bratkøling, før kornene begynder at vokse.

 

(3) Mikrolegeringsmetode

Mikrolegering er en metode, der involverer tilsætning af en lille mængde legeringselementer (såsom niobium, vanadium, titanium osv.) til metalliske materialer. Disse legeringselementer kan danne stabile andenfasepartikler med kulstof, nitrogen og andre elementer. Under bratkølingsprocessen kan disse andenfasepartikler effektivt hæmme kornvæksten og opnå ultrafin kornstørrelse. For eksempel, når en spormængde niobium tilsættes lavkulstofstål, kan niobium danne fine niobiumcarbidpartikler med kulstof. Disse partikler fordeles langs korngrænserne under austenitiseringen, hvilket forhindrer koalescens og vækst af korn.

 

Vigor har en professionel forsyningskæde med højtydende varmebehandling og overfladebehandling af støbegods, smedegods og vores CNC-bearbejdede dele. Hvis du har spørgsmål eller dele, der skal udvikles, er du velkommen til at kontakte os på info@castings-forging.com