Аустемперирование - Austempering

Диаграмма преобразования время-температура (TTT). Красная линия показывает кривую охлаждения при аустемперировании.

Аустемперирование является термическая обработка что применяется к железо металлы, особенно сталь и высокопрочный чугун. В стали он производит бейнит микроструктура, тогда как в чугунах он дает структуру игольчатого феррита и высокоуглеродистой, стабилизированной аустенит известный как аусферрит. Он в основном используется для улучшения механических свойств или уменьшения / устранения искажений. Аустемперирование определяется как процессом, так и получаемой микроструктурой. Типичные параметры процесса аустеперирования, применяемые к неподходящему материалу, не приведут к образованию бейнита или аусферрита, и, следовательно, конечный продукт не будет называться аустеперированным. Обе микроструктуры также могут быть получены другими способами. Например, они могут изготавливаться как литые, так и с воздушным охлаждением с надлежащим содержанием сплава. Эти материалы также не называются закаленными.

История

Впервые закалка стали была впервые применена в 1930-х годах Эдгаром С. Бэйном и Эдмундом С. Давенпортом, которые в то время работали в Стальной корпорации США. Бейнит должен был присутствовать в сталях задолго до признанной даты открытия, но не был идентифицирован из-за ограниченных доступных металлографических методов и смешанных микроструктур, сформированных практиками термической обработки того времени. Случайное совпадение вдохновило Бейна на изучение изотермических фазовых превращений. Аустенит и более высокотемпературные фазы стали становились все более понятными, и уже было известно, что аустенит может удерживаться при комнатной температуре. Благодаря своим контактам в American Steel and Wire Company, Бэйн знал об изотермических превращениях, используемых в промышленности, и начал придумывать новые эксперименты. ^[1]

Дальнейшие исследования изотермического превращения сталей стали результатом открытия Бэйном и Давенпортом новой микроструктуры, состоящей из «игольчатого темного травильного агрегата». Было обнаружено, что эта микроструктура «по твердости более жесткая, чем закаленный мартенсит».^[2] Коммерческая эксплуатация бейнитной стали не стала обычным явлением. В то время общепринятые методы термической обработки включали методы непрерывного охлаждения и на практике не позволяли получить полностью бейнитные микроструктуры. Диапазон доступных сплавов приводит либо к смешанной микроструктуре, либо к чрезмерному количеству мартенсита. Появление в 1958 году низкоуглеродистых сталей, содержащих бор и молибден, позволило производить полностью бейнитную сталь путем непрерывного охлаждения.^[1]^[3] Таким образом, коммерческое использование бейнитной стали возникло в результате разработки новых методов термообработки, которые включают этап, на котором заготовку выдерживают при фиксированной температуре в течение периода времени, достаточного для превращения, получившего общее название выдержка.

Одно из первых применений закаленной стали было в затворах винтовок во время Второй мировой войны.^[4] Высокая ударная вязкость, возможная при высокой твердости, и относительно небольшой размер сечения компонентов сделали закаленную сталь идеальной для этого применения. В последующие десятилетия технология строгания произвела революцию в производстве пружин, за ней последовали зажимы и зажимы. Эти компоненты, которые обычно представляют собой тонкие формованные детали, не требуют дорогих сплавов и обычно обладают лучшими эластичными свойствами, чем их аналоги из закаленного мартенсита. В конце концов, закаленная сталь попала в автомобильную промышленность, где одним из первых ее применений стали компоненты, важные для безопасности. Большинство кронштейнов автомобильных сидений и компонентов ремней безопасности изготовлены из закаленной стали из-за ее высокой прочности и пластичности.^[4] Эти свойства позволяют ему поглощать больше энергии во время столкновения без риска хрупкого разрушения. В настоящее время закаленная сталь также используется в подшипниках, лезвиях косилок, трансмиссии, волновой пластине и зубьях для аэрации дерна.^[4] Во второй половине двадцатого века процесс закалки стал применяться в промышленных масштабах для изготовления чугунов. Ковкий чугун после закалки (ADI) был впервые коммерциализирован в начале 1970-х годов и с тех пор стал крупной отраслью промышленности.

Процесс

Наиболее заметное различие между аустализацией и обычной закалкой и отпуском состоит в том, что при этом заготовка выдерживается при температуре закалки в течение длительного периода времени. Основные шаги одинаковы для чугуна или стали и заключаются в следующем:

Аустенизация

Для того, чтобы произошло какое-либо превращение, микроструктура металла должна быть аустенитной. Точные границы области аустенитной фазы зависят от химического состава сплава, подвергаемого термообработке. Однако температуры аустенизации обычно составляют от 790 до 915 ° C (от 1455 до 1680 ° F).^[5] Время, проведенное при этой температуре, будет зависеть от сплава и особенностей процесса сквозной закалки. Наилучшие результаты достигаются, когда аустенизация является достаточно продолжительной для получения полностью аустенитной микроструктуры металла (в чугунах все еще будет присутствовать графит) с постоянным содержанием углерода. В сталях это может занять всего несколько минут после достижения температуры аустенитизации по всему сечению детали, но в чугунах это занимает больше времени. Это связано с тем, что углерод должен диффундировать из графита до тех пор, пока не достигнет равновесной концентрации, определяемой температурой и фазовой диаграммой. Этот этап может быть выполнен во многих типах печей, в высокотемпературной солевой ванне или посредством прямого пламенного или индукционного нагрева. Во многих патентах описаны конкретные методы и варианты.

Закалка

Как и при обычной закалке и отпуске, материал, подвергаемый термообработке, должен охлаждаться от температуры аустенизации достаточно быстро, чтобы избежать образования перлит. Конкретная скорость охлаждения, необходимая для предотвращения образования перлита, является продуктом химического состава аустенитной фазы и, следовательно, обрабатываемого сплава. Фактическая скорость охлаждения является продуктом жесткости закалки, на которую влияют закалочная среда, перемешивание, нагрузка (коэффициент закалки и т. Д.), А также толщины и геометрии детали. В результате компоненты с более тяжелым сечением требовали большей закаливаемости. При аустепаринге загрузка для термообработки закаливается до температуры, которая обычно выше мартенситного начала аустенита, и выдерживается. В некоторых запатентованных процессах детали закаливают сразу после начала мартенсита, так что полученная микроструктура представляет собой контролируемую смесь мартенсита и бейнита.

Двумя важными аспектами закалки являются скорость охлаждения и время выдержки. Наиболее распространенная практика - закалить в ванну с жидкой нитритно-нитратной солью и подержать в ней. Из-за ограниченного температурного диапазона обработки обычно невозможно закалить в воде или рассоле, но высокотемпературные масла используются для узкого температурного диапазона. Некоторые процессы включают закалку с последующим удалением из закалочной среды и выдержкой в печи. Температура закалки и выдержки - это основные параметры обработки, которые определяют окончательную твердость и, следовательно, свойства материала.

Охлаждение

После закалки и выдержки опасность растрескивания отсутствует; детали обычно охлаждаются воздухом или помещаются непосредственно в систему мойки при комнатной температуре.

Темперирование

После закалки не требуется отпуск, если деталь подверглась сквозной закалке и полностью превратилась в бейнит или аусферрит.^[5] Темперирование добавляет еще одну стадию и, следовательно, стоимость процесса; он не обеспечивает такое же изменение свойств и снятие напряжений с бейнитом или аусферритом, как с чистым мартенситом.

Преимущества

Аустемперинг предлагает множество производственных и эксплуатационных преимуществ по сравнению с традиционными комбинациями материалов и процессов. Его можно применять к множеству материалов, и каждая комбинация имеет свои преимущества, которые перечислены ниже. Одним из преимуществ, общих для всех закаленных материалов, является меньшая степень деформации, чем при закалке и отпуске. Это может быть преобразовано в экономию средств за счет корректировки всего производственного процесса. Самая быстрая экономия затрат достигается за счет механической обработки перед термообработкой. Существует много возможностей такой экономии в конкретном случае преобразования компонента из закаленной и отпущенной стали в ковкий чугун после закалки (ADI). Ковкий чугун на 10% менее плотен, чем сталь, и его можно отливать почти до чистой формы, что снижает вес отливки. Литье почти чистой формы также дополнительно снижает стоимость обработки, которая уже снижается за счет обработки мягкого высокопрочного чугуна вместо закаленной стали. Более легкая готовая деталь снижает транспортные расходы, а оптимизированный производственный поток часто сокращает время выполнения заказа. Во многих случаях также можно улучшить прочность и износостойкость.^[4]

Комбинации процесса / материала включают:

Закаленная сталь
Карбо-закаленная сталь
Марбеновая сталь
Ковкий чугун после закалки (ADI)
Ковкий чугун с местной закалкой (LADI)
Шлифованный серый чугун (AGI)
Карбидный закаленный высокопрочный чугун (CADI)
Сталь, подвергнутая межкритической закалке
Ковкий чугун с межкритической закалкой

Что касается улучшений характеристик, то отпущенные материалы обычно сравнивают с материалами, прошедшими обычную закалку и отпуск, с микроструктурой из отпущенного мартенсита.

В сталях выше 40 Rc эти улучшения включают:

Более высокая пластичность, ударная вязкость и износостойкость при заданной твердости,
Воспроизводимый размерный отклик с низким уровнем искажений,
Повышенная утомляемость,
Стойкость к водороду и экологической хрупкости.

В чугунах (от 250-550 HBW ) эти улучшения включают:

Более высокая пластичность и ударопрочность при заданной твердости,
Воспроизводимый размерный отклик с низким уровнем искажений,
Повышенная утомляемость,
Повышенная износостойкость при заданной твердости.