ทำความเข้าใจเกี่ยวกับการรักษาความร้อนประเภทต่างๆ: การอบอ่อน (2023)

ฉันในงวดที่แล้วเราได้กล่าวถึงการใช้ ไดอะแกรม Time-Temperature-Transformation และ Continuous Cooling Transformation เพื่อให้เข้าใจการเปลี่ยนแปลงเฟสที่เกิดขึ้นระหว่างการบำบัดความร้อน ในคอลัมน์นี้และในตอนต่อๆ ไป เราจะพูดถึงการประยุกต์ใช้ไดอะแกรม CCT กับการบำบัดความร้อนทั่วไปที่เกิดขึ้นจริง เดือนนี้เราจะมุ่งเน้นไปที่การหลอม เราจะใช้โลหะผสมทั่วไปสองสามชนิดเพื่อแสดงโครงสร้างจุลภาคที่เกิดจากการอบชุบด้วยความร้อนที่แตกต่างกัน โครงสร้างจุลภาคที่เป็นผลลัพธ์จะถูกทำนายโดยใช้ JMatPro (Sente Software, 2018) ซึ่งเป็นโปรแกรมซอฟต์แวร์ที่ช่วยในการทำนายโครงสร้างจุลภาคสำหรับโลหะผสมต่างๆ และ ivf Integra (Swerea IVF AB, 2012) ซึ่งจะคำนวณโครงสร้างจุลภาคตามเส้นโค้งการเย็นตัวที่แท้จริงของสารดับเอนช์ .

การหลอม

จุดประสงค์ของการหลอมคือทำให้ชิ้นส่วนมีโครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอ อ่อน เพื่อให้สามารถขึ้นรูปหรือตัดเฉือนได้ การอบอ่อนสามารถดำเนินการได้ที่โรงสี และวัสดุที่ได้รับที่โรงงานพร้อมที่จะตัดเฉือน หรือสามารถทำได้ภายในบริษัทเพื่ออำนวยความสะดวกในการตัดเฉือน การอบอ่อนสามารถทำได้หลายประเภท แต่ในทุกกรณี เหตุผลหลักในการหลอมคือเพื่อทำให้ชิ้นส่วนอ่อนตัวและเพิ่มความเหนียวสำหรับการขึ้นรูปหรือการตัดเฉือน

การหลอมให้เป็นเนื้อเดียวกันเป็นวิธีการหลอมที่ใช้ในโรงถลุงเหล็ก กระบวนการหลอมนี้ค่อนข้างเชี่ยวชาญ โดยมีจุดประสงค์เพื่อปรับระดับการแยกตัวของแท่งเหล็กหรือแถบหล่ออย่างต่อเนื่อง มีการใช้อุณหภูมิที่สูงมากและใช้เวลานานมากเพื่อให้ความแปรผันทางเคมีเนื่องจากการแยกตัวลดระดับลง การแยกส่วนนี้เป็นสาเหตุที่ทำให้มีความสามารถในการชุบแข็งต่างกันที่ปลายขดลวด เมื่อพร้อมที่จะทำให้เย็นลง แท่งโลหะหรือขดลวดจะถูกนำออกจากเตาเผาและปล่อยให้อากาศเย็นลง เนื่องจากการระบายความร้อนด้วยอากาศค่อนข้างไม่มีการควบคุม การเปลี่ยนแปลงของขนาดเกรนและโครงสร้างจุลภาคอาจเกิดขึ้นได้ สิ่งนี้มักจะอธิบายถึงประสิทธิภาพที่แตกต่างกันของโรงสีหนึ่งกับอีกโรงหนึ่งในระหว่างการขึ้นรูป แม้ว่าจะเป็นไปตามข้อกำหนดการจัดซื้อก็ตาม

การหลอมเต็มรูปแบบทำได้โดยการให้ความร้อนแก่เหล็กเหนืออุณหภูมิวิกฤตส่วนบน ซึ่งเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคเป็นออสเทนไนต์อย่างสมบูรณ์ เตาถูกปิดและอุณหภูมิจะลดลง อีกทางหนึ่งคือ เตาจะลดอุณหภูมิลงในอัตราที่กำหนด (โดยทั่วไปไม่เกิน 40°C/ชั่วโมง) โดยทั่วไปอาจใช้เวลา 30 ชั่วโมงหรือมากกว่านั้นขึ้นอยู่กับโลหะผสม ในเหล็กกล้า AISI 4140 เย็นลงที่อัตรา 18°C/ชม ส่งผลให้โครงสร้างจุลภาคเป็นมุกเนื้อหยาบที่ตัดเฉือนได้ง่าย (รูปที่ 2)

การอบอ่อนแบบไอโซเทอร์มอลหรือการอบอ่อนด้วยกระบวนการจะแตกต่างจากการอบอ่อนทั้งหมดเล็กน้อย แต่ให้โครงสร้างจุลภาคที่คล้ายคลึงกัน ในกระบวนการนี้ ชิ้นส่วนจะถูกทำให้ร้อนจนสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤตด้านบน จากนั้นจะถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วจนถึงประมาณ 650°C (1,200°F) และถูกกักไว้ที่อุณหภูมิปกติเป็นระยะเวลาหนึ่ง ออสเทนไนต์เปลี่ยนเป็นเฟอร์ไรต์และเพิร์ลไลต์ จากนั้นนำชิ้นส่วนออกจากเตาเผาและปล่อยให้อากาศเย็นในลักษณะที่สะดวก ข้อดีของการหลอมแบบไอโซเทอร์มอลเหนือกระบวนการหลอมคือเวลาที่สั้นกว่าเป็นส่วนใหญ่ การอบอ่อนแบบสมบูรณ์จะใช้เวลาประมาณ 30 ชั่วโมง แต่การอบด้วยอุณหภูมิความร้อนจะใช้เวลาประมาณสี่ชั่วโมง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับโลหะผสมดังแสดงในรูปที่ 3

การทำให้เป็นมาตรฐาน

การทำให้เป็นมาตรฐานเป็นกระบวนการที่คล้ายคลึงกับการอบอ่อนทั้งหมด แต่มีความแตกต่างที่สำคัญบางประการ เมื่อทำให้เป็นมาตรฐาน อุณหภูมิจะสูงกว่าอุณหภูมิการชุบแข็งหรือออสเทนไนซ์ปกติประมาณ 25°C หลังจากเปลี่ยนเป็นออสเทนไนท์อย่างสมบูรณ์ (โดยทั่วไปจะแช่ที่อุณหภูมิหนึ่งชั่วโมงต่อนิ้วหรือความหนา 25 มม.) ชิ้นส่วนจะถูกดึงออกจากเตาเผาและปล่อยให้อากาศเย็นลง โดยทั่วไปแล้วกระบวนการเหล่านี้จะดำเนินการกับงานเชื่อม การตีขึ้นรูป หรือการหล่อ

กระบวนการตีขึ้นรูป (เช่นเดียวกับการเชื่อมและการหล่อ) เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง ซึ่งอาจทำให้เกรนหยาบขึ้นได้ ซึ่งหมายความว่าการตีขึ้นรูปอาจมีความแปรปรวนอย่างมากในขนาดเกรน โครงสร้างจุลภาคจะผสมกันและมีความแปรปรวนสูงในความแข็ง ขึ้นอยู่กับวิธีการหล่อเย็น (หรือการเชื่อม) จากอุณหภูมิการปลอมหรือการเชื่อม นอกจากนี้ยังมีความเค้นตกค้างจำนวนมาก (ความร้อนและการเปลี่ยนแปลง) ที่อาจส่งผลให้เกิดการบิดเบี้ยว จุดประสงค์ของการทำให้เป็นมาตรฐานคือการสร้างโครงสร้างจุลภาคที่มีเนื้อละเอียดและสม่ำเสมอ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นเม็ดมุกละเอียดละเอียด

ความแตกต่างที่ใหญ่ที่สุดระหว่างการหลอมแบบเต็มและการทำให้เป็นมาตรฐานคือระยะห่างระหว่างแผ่นมุกของเพิร์ลไลต์ที่ได้ ไข่มุกที่หยาบมากจะนิ่มมาก ไข่มุกเม็ดละเอียดนั้นยากกว่าและแปรรูปได้ง่ายกว่า นอกจากนี้ยังมีการชุบแข็งน้อยลงระหว่างการตัดเฉือน เนื่องจากเหล็กกล้ามี "เหนียว" น้อยกว่า สำหรับเหล็กกล้าที่มีความสามารถในการชุบแข็งต่ำ การระบายความร้อนด้วยอากาศสามารถสร้างโครงสร้างมุกจุลภาคที่มีเกรนละเอียดได้ ความแข็งที่ได้จะอยู่ในช่วง HRB บน อย่างไรก็ตาม สำหรับเหล็กกล้าที่มีความสามารถในการชุบแข็งสูง การระบายความร้อนด้วยลมอย่างรวดเร็วอาจส่งผลให้โครงสร้างจุลภาคผสมกันซึ่งมีเบไนต์ในปริมาณมาก และอาจเป็นมาร์เทนไซต์ (สำหรับเหล็กกล้าที่มีความสามารถในการชุบแข็งสูงมาก) ความแข็งที่เกิดขึ้นก็มากขึ้นเช่นกัน ตัวอย่างเช่น AISI 4140 ทำให้เป็นมาตรฐานที่ 875°C และระบายความร้อนด้วยอากาศที่ 1°C/s จะมีความแข็งประมาณ 28 HRC และโครงสร้างจุลภาคประกอบด้วยเบไนต์ 62 เปอร์เซ็นต์ โพรยูเทคตอยด์เฟอร์ไรต์ 32 เปอร์เซ็นต์ และเพิร์ลไลต์ประมาณ 6 เปอร์เซ็นต์ (รูปภาพ 4).

Spheroidizing Anneal

Spheroidizing หรือ Spheroidizing anneal เป็นกระบวนการที่แผ่นลาเมลลาของไข่มุกซึ่งประกอบด้วยธาตุเหล็กคาร์ไบด์หรือ Fe₃C ถูกเปลี่ยนเป็นทรงกลมของคาร์ไบด์เหล็ก เมทริกซ์ที่ได้คือเฟอร์ไรต์ที่มีทรงกลมของซีเมนต์ไทต์ แทนที่จะเป็นเพิร์ลไลต์ ซึ่งเป็นเมทริกซ์ของเฟอร์ไรต์กับลาเมลลาของซีเมนต์ไทต์ ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตที่ต่ำกว่า การแพร่กระจายของคาร์บอนจะช้า จึงต้องใช้เวลานานมากในการทำให้แผ่นซีเมนต์ไทต์เป็นทรงกลม

เหตุผลหลักสำหรับการทำให้เป็นทรงกลมคือการผลิตเหล็กกล้าที่มีความเหนียวสูงซึ่งเหมาะสำหรับการขึ้นรูปลึกหรือการขึ้นรูปในรูปทรงที่ซับซ้อน คาร์ไบด์ทรงกลมช่วยให้เหล็กเปลี่ยนรูปพลาสติกได้โดยไม่แตก นอกจากนี้ยังช่วยลดการสึกหรอของแม่พิมพ์ด้วยการลดแรงกดที่จำเป็นสำหรับการขึ้นรูป เนื่องจากจำเป็นต้องใช้เวลาเตาเผาที่ยาวนานในการผลิตคาร์ไบด์ทรงกลม แนวทางปฏิบัติในการหลอมนี้จึงมักสงวนไว้สำหรับชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปได้ยาก หรือเมื่ออายุการใช้งานของแม่พิมพ์ที่ยาวนานขึ้นสามารถพิสูจน์ต้นทุนที่เพิ่มขึ้นของการทำให้เป็นทรงกลมได้

มีสองวิธีพื้นฐานในการหลอมทรงกลม เหล่านี้คือการหลอมแบบกึ่งวิกฤตและการหลอมแบบระหว่างวิกฤต ในการหลอมแบบกึ่งวิกฤต เหล็กจะถูกทำให้ร้อนจนต่ำกว่าอุณหภูมิ A1 และเก็บไว้เป็นระยะเวลานาน (โดยปกติจะใช้เวลาหลายชั่วโมง) จากนั้นเหล็กจะถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้องในลักษณะที่สะดวก (โดยปกติจะเป็นการระบายความร้อนด้วยอากาศ) ชิ้นส่วนไม่เปลี่ยนเป็นออสเทนไนต์ ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่องค์ประกอบบางอย่างของโครงสร้างจุลภาคก่อนหน้าจะยังคงอยู่ สามารถรักษาโครงสร้างมุกละเอียดเพื่อลดระยะการแพร่กระจายและปรับปรุงจลนพลศาสตร์ โครงสร้างของชิ้นส่วนทรงกลมกึ่งวิกฤตมักมีซีเมนต์ไซต์ทรงกลมละเอียดอยู่ภายในเม็ดเฟอร์ไรต์ ขนาดคาร์ไบด์ขั้นสุดท้ายจะถูกปรับตามเวลาและอุณหภูมิในการอบชุบที่เลือก

ในกระบวนการทำให้เป็นทรงกลมระหว่างวิกฤต เหล็กจะถูกให้ความร้อนสูงกว่าอุณหภูมิ A1 และปล่อยให้เปลี่ยนเป็นออสเทนไนท์ สิ่งนี้ทำให้คาร์บอนทั้งหมดเข้าสู่สารละลายในออสเทนไนท์ จากนั้นชิ้นส่วนจะถูกทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ จนถึงอุณหภูมิประมาณ 650°C ซึ่งจะถูกเก็บไว้เป็นเวลาหลายชั่วโมง ซีเมนต์ไซต์ที่ตกตะกอนในรูปของไข่มุกจะจับตัวเป็นซีเมนต์ไซต์ทรงกลม อนุภาคซีเมนต์ขนาดใหญ่อาจตกตะกอนที่ขอบเกรน โดยทั่วไป การอบชุบด้วยความร้อนระหว่างวิกฤตจะสร้างอนุภาคซีเมนต์ที่ใหญ่ขึ้น โดยมีผลให้ความแข็งลดลง กระบวนการทั้งสองแสดงในรูปที่ 5

คลายเครียด

จุดประสงค์ของการคลายความเค้นคือเพื่อลดความเค้นที่เหลืออยู่จากการขึ้นรูปหรือการตัดเฉือน ไม่ได้ทำเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติทางโลหะวิทยาหรือโครงสร้างจุลภาค การทำงานเย็น การเจียร การตัดเฉือน หรือการตัดด้วยความร้อนสามารถสร้างความเค้นตกค้างในเหล็กกล้าได้อย่างมาก ในระหว่างการอบชุบด้วยความร้อน และโดยเฉพาะระหว่างรอบการให้ความร้อน ความเครียดเหล่านี้จะเกิดขึ้นอีกครั้ง สิ่งนี้แสดงให้เห็นเป็นการเปลี่ยนแปลงในรูปทรงเรขาคณิต นอกจากนี้ การบรรเทาความเครียดยังทำได้ระหว่างขั้นตอนการผลิตเพื่อให้ชิ้นส่วนที่ปราศจากความเค้นตกค้าง ซึ่งจะไม่ผูกมัดหรือเปลี่ยนรูปร่างเมื่อดำเนินการขั้นตอนการผลิตเพิ่มเติม นอกจากนี้ยังสามารถทำได้หลังการรักษาความร้อนเพื่อเพิ่มความแข็งแรงเมื่อยล้า นอกจากนี้ยังจะปรับปรุงเสถียรภาพมิติของชิ้นส่วน

สำหรับเหล็กกล้าผสมต่ำหลายชนิดที่ผ่านกระบวนการเย็นจัด การให้ความร้อนอย่างช้าๆ ถึง 200-425°C (400-800°F) ในช่วงเวลาสั้นๆ (สองถึงสี่ชั่วโมง) จะลดความเค้นตกค้าง สำหรับเหล็กกล้าผสม การลดความเครียดส่วนใหญ่จะทำที่อุณหภูมิ 480-540°C (900-1,000°F) เป็นเวลาสองถึงสี่ชั่วโมง สิ่งนี้จะลดความเครียดส่วนใหญ่ที่เหลืออยู่ หากชิ้นส่วนมีความเค้นเกิดขึ้นหลังจากการอบชุบและอบชุบด้วยความร้อน จะใช้อุณหภูมิที่ต่ำกว่าอุณหภูมิอบชุบประมาณ 30-50°C ในทุกกรณี ชิ้นส่วนต่างๆ จะถูกทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ หลังจากการคลายความเค้นเพื่อป้องกันไม่ให้ความเค้นตกค้างจากความร้อนกลับคืนสู่สภาพเดิม

ตัวอย่าง

ดังตัวอย่างประโยชน์ของการหลอม อุปกรณ์ลงจอดสำหรับเครื่องบิน Boeing F/A-18 AC ผลิตจาก 300M นี่คือโลหะผสมที่มีความสามารถในการชุบแข็งสูงมาก ซึ่งคล้ายกับ AISI 4340 แต่มีคาร์บอนและซิลิกอนเพิ่มเติม ทำให้มีความแข็งสูงมากในขณะที่ยังคงความเหนียวได้ดีที่ระดับ 2000+ mPa (290,000 psi) UTS ล้อลงจอดเริ่มต้นจากการตีขึ้นรูปขนาดใหญ่ซึ่งระบายความร้อนด้วยอากาศโดยไม่มีการควบคุม ส่งผลให้ความแข็งของพื้นผิวแตกต่างกันมาก โดยมีความแข็งตั้งแต่ 25-55 HRC ทำให้การตัดเฉือนทำได้ยาก และทำให้ได้ผิวสำเร็จที่ไม่ดี เพื่อขจัดปัญหานี้ เราใช้การอบชุบด้วยความร้อนแบบพิเศษที่เรียกว่าการอบอ่อนแบบทรงกลมหรือแบบทรงกลมเพื่อกำจัดจุดที่แข็ง และเพื่อสร้างโครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอสำหรับการตอบสนองที่เหมาะสมระหว่างการอบชุบด้วยความร้อน

หลังจากการทำให้เป็นทรงกลม (24 ชั่วโมงที่ 718°C หรือ 1325°F) โครงสร้างจุลภาคประกอบด้วยคาร์ไบด์เหล็กทรงกลมละเอียด (สเฟียโรไดต์) ในเมทริกซ์ของเฟอร์ไรต์ คาร์ไบด์ทำหน้าที่เป็นตัวหักเศษ และเฟอร์ไรต์สร้างเมทริกซ์ที่อ่อนมากสำหรับการตัดเฉือน ไม่เพียงแต่ลดเวลาการตัดเฉือนลง 50 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น แต่ยังได้ผิวสำเร็จที่สม่ำเสมอมากขึ้นอีกด้วย นอกจากนี้ การบิดเบี้ยวระหว่างกระบวนการอบชุบความร้อนยังลดลงเนื่องจากการกำจัดความเค้นตกค้างจากการปลอม

บทสรุป

ในคอลัมน์นี้ จะกล่าวถึงวิธีปฏิบัติในการหลอมประเภทต่างๆ พร้อมประโยชน์ของแต่ละประเภท ในบทความต่อๆ ไป จะกล่าวถึงการรักษาความร้อนประเภทต่างๆ