Traitement thermique des pièces moulées

Le traitement thermique transforme les moulages bruts - souvent cassants et non uniformes - dans des composants hautes performances avec des propriétés mécaniques et physiques sur mesure.

En contrôlant précisément les profils de température, tremper, et les taux de refroidissement, Les fonderies manipulent la microstructure d'un alliage pour atteindre les résultats prévisibles.

Dans cet article complet, Nous nous plongeons dans les fins, fondements métallurgiques, objectifs clés, processus primaires, Considérations spécifiques à l'alliage, contrôle des processus, et applications réelles de la coulée des traitements thermiques.

1. Introduction

Dans la production de casting, La solidification non contrôlée donne de gros grains, ségrégation, et les niveaux de stress résiduels dépassant 200 MPA.

Par conséquent, Le traitement thermique sert trois rôles critiques:

1. Modification de la microstructure: Il convertit les dendrites et les zones de ségrégation en tant que grains ou précipités raffinés, influençant directement la dureté (jusqu'à 65 HRC dans les aciers) et la ténacité.
2. Soulagement du stress: En réduisant les contraintes internes 80%, Il empêche la distorsion pendant l'usinage et élimine la fissuration en service.
3. Optimisation de la propriété: Il équilibre la dureté, ductilité, force, et la vie de la fatigue - souvent un compromis nécessitant une conception cyclable minutieuse.

De plus, alliages ferreux (aciers au carbone, aciers alliés, Fer ductile et gris) tirer parti des transformations de phase, comme l'austénite à la martensite, Pour obtenir une résistance à l'usure élevée.

En revanche, alliages non ferreux (aluminium, cuivre, nickel) Utiliser généralement le durcissement à solide et les précipitations pour atteindre les résistances à la traction de 300–800 MPA.

La compréhension de ces différences constitue les bases de stratégies efficaces de traitement de la chaleur.

2. Fondamentaux métallurgiques

Transformations de phase dans les aciers

Les aciers présentent de nombreux changements de phases:

• Austénite (γ-Fe): Écurie au-dessus 720 ° C, cubique centré sur le visage.
• Ferrite (α-Fe): Écurie ci-dessous 720 ° C, cubique centré sur le corps.
• Perlite: Des couches alternées de ferrite et de cémentite pendant le refroidissement lent.
• Martensite: Dur, Phase tétragonale centrée sur le corps réalisée par extinction à des taux de refroidissement >100 ° C / S.

Concepts TTT et CCT

• Transformation temporelle (TTT) Diagrammes montrer que l'isotherme tient ce rendement 100% perlite à 600 ° C après ~10 s.

  

• Transformation de refroidissement continu (CCT) Courbes prédire les fractions de phase lors des rampes de refroidissement réelles (Par exemple, éteindre l'huile à 20–50 ° C / S donne environ 90% de martensite).

3. Processus de traitement de la chaleur primaires

Fonderie de Langhe repose sur une suite principale de techniques de traitement thermique pour adapter les propriétés de coulée.

Chaque processus cible des modifications microstructurales spécifiques - si l'adoucissement pour la machinabilité ou le durcissement pour la résistance à l'usure.

Ci-dessous, Nous examinons les sept méthodes principales, leurs paramètres typiques, et les avantages mécaniques qu'ils offrent.

Recuit

But: Adoucir le casting, Soulager le stress, et améliorer la ductilité.

• Processus: Chauffer à une température juste au-dessus du point de recristallisation de l'alliage (aciers: 650–700 ° C; alliages en aluminium: 300–400 ° C), tenir pendant 1 à 4 heures, puis le four refrotage à 20–50 ° C / H.
• Résultat: La dureté baisse de 30 à 40 HRC dans les aciers éteintes, tandis que l'allongement augmente de 15 à 25%. Les contraintes résiduelles tombent jusqu'à 80%, Réduire le risque de distorsion pendant l'usinage.

Normalisation

But: Affiner la structure des grains et homogénéiser la microstructure pour une résistance prévisible.

• Processus: Chauffer les aciers au carbone à 900–950 ° C (au-dessus de l'ac₃), tremper 30–60 minutes, puis aérien.
• Résultat: La taille des grains affine généralement une note ASTM; La variance de la résistance à la traction se rétrécit à ± 5%, et la dureté de surface se stabilise dans ± 10 Ho.

Éteinte

But: Produire une matrice martensitique ou bainitique dure dans les alliages ferreux.

• Processus: Chauffer au-dessus de la température critique supérieure (950–1050 ° C), Puis tremper dans l'eau (taux de refroidissement > 100 ° C / S), huile (20–50 ° C / S), ou solutions en polymère.
• Résultat: Le contenu de martensite atteint ≥ 90%, produisant de la dureté de 55 à 65 HRC et des résistances à la traction ultimes jusqu'à 1200 MPA. Note: Aluminium, cuivre, et les alliages de nickel se ramollissent généralement à une condition solutive pour le vieillissement ultérieur.

Tremper

But: Réduire la fragilité des aciers éteints, Échangez une dureté contre la ténacité.

• Processus: Réchauffer les moulages martensitiques à 200–650 ° C, tremper 1 à 2 heures, puis aérien.
• Résultat: La dureté s'adapte à partir de 60 HRC jusqu'à 30 à 50 HRC, tandis que l'énergie d'impact sur les charytes augmente de 40 à 60%, améliorer considérablement la résistance aux charges dynamiques.

Durcissement des précipitations (Vieillissement)

But: Renforcer les alliages non ferreux via une formation de précipités fins.

• Processus:

• • Aluminium (6Série XXX): Traitement de la solution à 530 ° C, éteindre, alors vieillit à 160 ° C pendant 6 à 12 heures.
  • Alliages nickel: Âge à 700–800 ° C pendant 4 à 8 heures.
• Résultat: La limite d'élasticité grimpe de 30 à 50% (Par exemple, 6061-T6 donne ~ 240 MPa vs. 150 MPA en T4), Tout en conservant l'allongement ≥ 10 à 12%.

Traitement de la solution & Vieillissement (Non ferreux)

But: Dissoudre les éléments d'alliage, puis les reprociper pour une dureté optimale et une résistance à la corrosion.

• Processus: Chauffer à la température Solvus (Par exemple, 520 ° C pour 17-4 PH acier inoxydable), prise 30 minutes, counch à eau, et l'âge (Par exemple, 480 ° C pour 4 heures).
• Résultat: Atteint la dureté contrôlée (Rockwell C 38–44 en pH en acier inoxydable) et des propriétés mécaniques uniformes tout au long de la coulée.

Durcissement des boîtiers (Carburisant, Carbonitridage, Nitrative)

But: Conférer une coque de surface résistante à l'usure sur un noyau dur.

• Procéder des options:

• • Carburisant: 900–950 ° C dans une atmosphère riche en carbone pendant 2 à 8 heures; Éteindre pour former un cas de 0,5 à 2 mm à 60–65 HRC.
  • Carbonitridage: Similaire au carburisant mais avec de l'ammoniac ajouté, Création d'un boîtier mixte en carbone-azote pour une vie de fatigue améliorée.
  • Nitrotage au gaz: 520–580 ° C dans l'ammoniac pendant 10 à 20 heures, produisant de la dureté de surface jusqu'à 900 HV sans extinction.

• Résultat: Les taux d'usure en surface baissent de 70 à 90%, Alors que la ténacité centrale reste élevée - idéal pour les engrenages, arbres à cames, et les surfaces de portage.

4. Considérations spécifiques à l'alliage

Alors que les principes généraux du traitement thermique s'appliquent sur de nombreux matériaux, Chaque système d'alliage répond uniquement au traitement thermique.

Différences de composition chimique, stabilité de phase, et la conductivité thermique nécessite des stratégies spécialisées pour maximiser les performances.

Dans cette section, Nous examinerons les considérations importantes spécifiques à l'alliage pour les aciers à casting, fers, aluminium, cuivre, et systèmes à base de nickel.

Aciers au carbone & Aciers alliés

Facteurs clés:

• Durabilité: Directement influencé par la teneur en carbone et les éléments d'alliage comme CR, MO, et ni. Par exemple, 0.4% aciers au carbone atteindre ~ 55 HRC après la trempe à l'huile, tandis que les aciers à faible teneur en carbone (<0.2% C) peut à peine durcir sans alliage supplémentaire.
• Taux de refroidissement critiques: Doit éteindre assez rapidement pour former de la martensite mais éviter de craquer ou de distorsion.
  Aciers avec un contenu en alliage plus élevé (Par exemple, 4140, 4340) Autoriser des supports de trempage plus lents comme l'huile ou les solutions de polymère, Réduction du choc thermique.

Notes spéciales:

• Tremper Le post-décharge est crucial pour équilibrer la dureté et la ténacité.
• Normalisation peut aider à améliorer l'isotropie et à se préparer aux opérations de durcissement.

Duc (SG) & Irons de moulage gris

Facteurs clés:

• Contrôle de la matrice: Traitement thermique (Par exemple, température orientale) transforme les matrices perlititiques ou ferritiques en structures bainitiques dans fer à fonte ductile, augmentant la résistance à la traction à ~ 1200 MPa avec une allongement de 10 à 20%.
• Préservation de forme de graphite: Doit empêcher les nodules de graphite (Dans Sg Iron) ou flocons (en fer gris) de dégrader, Comme cela a un impact sur les performances mécaniques.

Notes spéciales:

• Recuit de soulagement du stress (~ 550–650 ° C) est courant pour réduire les contraintes internes sans modifier de manière significative la morphologie du graphite.
• Normalisation peut améliorer la force, mais il doit être soigneusement contrôlé pour éviter une dureté excessive.

Alliages en aluminium

Facteurs clés:

• Durcissement des précipitations: Domine le développement de la force en 2xxx, 6xxx, et alliages de la série 7xxx.
  Traitements T6 (Traitement thermique de la solution + vieillissement artificiel) peut doubler la limite d'élasticité par rapport aux conditions telles que coulées.
• Sensibilité à la distorsion: AluminiumLa conductivité thermique élevée et le point de fusion faible (~ 660 ° C) Faire des taux de rampe prudents et des contrôles de trempe essentiels pour minimiser la déformation.

Notes spéciales:

• Traitement T6 typique pour les pièces moulées A356:

• • Solution thermique à la solution à 540 ° C pendant 8 à 12 heures
  • Tremper dans l'eau à 60 ° C
  • Vieillir 155 ° C pendant 4 à 6 heures

Entraîne des limites d'élasticité 250 MPA, avec des allongations de ~ 5 à 8%.

Cuivre & Alliages en cuivre

Facteurs clés:

• Solution solide vs. Durcissement des précipitations: Cuivres (Cu-zn) bénéficier principalement du travail au froid et du recuit, Pendant les bronzes (Avec SN) et bronzes en aluminium (Avec) Répondez bien aux traitements durcissant l'âge.
• Risque trop: Le vieillissement excessif peut grossiner les précipités, réduisant considérablement la résistance et la résistance à la corrosion.

Notes spéciales:

• Casts en bronze en aluminium (Par exemple, C95400):

• • Traité de la solution à 900–950 ° C
  • Quench
  • Âge à 300 à 400 ° C pour atteindre les forces de traction 700 MPA.

Alliages à base de nickel

Facteurs clés:

• Alliages stimulants des précipitations (Par exemple, Décevoir, Incolorer, Hastelloy): Nécessitent un contrôle précis sur les températures et les temps vieillissants pour maximiser la limite d'élasticité sans sacrifier la ductilité.
• Résistance à la suraliment: Ces alliages offrent une excellente stabilité thermique, Mais un traitement thermique incorrect peut encore provoquer une fragilisation.

Notes spéciales:

• Traitement typique de Inconel 718 lacets:

• • Solution traitée à 980 ° C
  • Vieillir 720 ° C pour 8 heures, Puis la fournaise fraîche à 620 ° C et tenir 8 Plus d'heures.

• Résultat: Les forces de traction dépassent 1200 MPA, avec une excellente résistance au fluage et à la fatigue à des températures élevées.

5. Paramètres de traitement & Contrôle

Dans le traitement thermique des pièces moulées, Contrôle précis sur les paramètres du processus est essentiel pour atteindre les propriétés de matériau souhaitées régulièrement.

Variations de température, temps, atmosphère, et les conditions de refroidissement peuvent affecter considérablement la microstructure et, par conséquent, les performances mécaniques de la coulée.

Cette section explore les principaux paramètres et les meilleures pratiques pour les contrôler.

Types de fournaises et contrôle de l'atmosphère

Sélection de la fournaise:

• Fours à air: Convient au traitement thermique général des aciers où une légère oxydation est acceptable.
• Fours d'atmosphère protectrice: Utiliser des gaz inertes (Par exemple, azote, argon) ou réduire les gaz (Par exemple, hydrogène) pour prévenir l'oxydation et la décarburisation.
• Fours à vide: Idéal pour les alliages de grande valeur (Par exemple, Superalliages à base de nickel, titane) nécessitant des surfaces ultra-nettoyées et une contamination minimale.

Point de données:
Dans le traitement thermique sous vide, Les niveaux résiduels d'oxygène sont généralement maintenus en dessous de 10⁻⁶ ATM pour prévenir la formation d'oxyde.

Meilleure pratique:
Utilisez des capteurs de surveillance de l'atmosphère et des systèmes automatisés de contrôle des débits pour maintenir une composition de gaz cohérente pendant le traitement.

Paramètres de chauffage

Tremper la température et le temps:

• Précision de température: Doit rester à moins de ± 5 ° C de la température cible pour les applications critiques.
• Tremper: Dépend de l'épaisseur de coulée et du type d'alliage; Une règle d'or commune est 1 heure par pouce (25 mm) d'épaisseur de section.
• Taux de rampe: Taux de chauffage contrôlés (Par exemple, 50–150 ° C / heure) Empêcher les chocs thermiques et minimiser la distorsion, Surtout pour les pièces moulées en aluminium et en acier complexes.

Surveillance:
Les fours à zones multiples avec des commandes indépendantes assurent l'uniformité de la température à travers les pièces moulées grandes ou complexes.

Contrôle de refroidissement et de trempe

Support de refroidissement:

• Quench: Extrêmement rapide, Convient aux aciers mais risque la distorsion et la fissuration.
• Quench: Refroidissement plus lent, Souvent utilisé pour les aciers alliés pour réduire les contraintes thermiques.
• Trempe en polymère: Taux de refroidissement réglables en modifiant la concentration en polymère; combine les avantages de l'huile et de l'eau.
• Refroidissement à l'air ou au gaz: Utilisé où une contrainte de trempe minimale est requise (Par exemple, Quelques alliages en aluminium).

Paramètres de refroidissement clés:

• Agitation: Améliore l'extraction de chaleur et empêche la formation de couvertures de vapeur autour de la pièce.
• Contrôle de la température: Les milieux de refroidissement doivent être conservés dans des plages de température spécifiques; Par exemple, Les trempes à l'huile sont souvent maintenues entre 60 et 80 ° C pour assurer un refroidissement uniforme.

Exemple:
Pour 4340 acier, La mise en place de l'huile de 845 ° C réalise généralement des structures martensitiques avec un minimum de fissuration par rapport à l'extinction de l'eau.

Surveillance des processus et journalisation des données

Instrumentation:

• Thermocouples: Attaché directement aux pièces représentatives pour surveiller les températures en temps réel.
• Systèmes de contrôle de la fournaise: Les configurations modernes utilisent des plcs (Contrôleurs logiques programmables) Pour la gestion automatique des recettes.
• Bûcherons de données: Enregistrer les profils de température, tremper, et courbes de refroidissement pour la traçabilité complète et les audits de qualité.

Meilleure pratique:
Utiliser les systèmes de thermocouple redondants (Thermocouples de chargement et thermocouples d'enquête) pour évaluer les conditions du four.

6. Applications industrielles & Études de cas

Rotors de frein automobile

• Processus: Normaliser 900 ° C, tremper dans l'huile, tempérer 450 ° C pour 2 H.
• Résultat: Atteindre 45 HRC, déformation minimale <0.05 mm sous le cyclisme thermique.

Huile & Impulseurs de la pompe à essence

• Alliage: 718 Bas-base.
• Faire du vélo: Traité de la solution à 980 ° C, éteindre, vieillir 718 ° C pour 8 H, alors 621 ° C pour 8 H.
• Résultat: Uts 1200 MPA et la résistance au SCC dans le service sour.

Cas de turbine aérospatiale

• Matériel: 17-4 PH acier inoxydable.
• Traitement: H900 (490 ° C × 4 H) rendements 1050 MPA UTS et excellente force de fatigue.

Boîtes de vitesses d'équipement lourd

• Acier: 4340 alliage.
• Processus: Carburiner à 930 ° C pour 6 H, éteindre, tempérer 160 ° C.
• Avantage: Surface 62 HRC, cœur 35 HRC, cycles de charge lourde durables.

7. Conclusion

Le traitement thermique reste indispensable dans la production de coulée, Offrir une boîte à outils polyvalente pour modifier les microstructures et l'ingénieur Propriétés mécaniques précises.

En maîtrisant les fondamentaux métallurgiques - les transformations phases, Principes TTT / CCT, et les mécanismes de durcissement - et en exerçant un contrôle strict sur les atmosphères de la fournaise, tremper, et les taux de refroidissement,

Les fonderies livrent des moulages avec une dureté optimisée, force, ductilité, et la vie de la fatigue.

Grâce à des tests rigoureux et à des ajustements spécifiques à l'alliage, Le traitement thermique élève les composants coulés de la forme brute aux pièces prêtes à la mission à travers l'automobile, huile & gaz, aérospatial, et industries d'équipement lourd.

Aller de l'avant, Innovations dans le chauffage à induction, Contrôles de processus numériques, et la fabrication additive intégrée promet une efficacité encore plus grande, cohérence, et les performances dans le casting des traitements thermiques.

À LangIl, Nous sommes heureux de discuter de votre projet à un stade précoce du processus de conception pour nous assurer que tout le traitement de l'alliage sélectionné ou post-casting s'applique, Le résultat final répondra à vos spécifications mécaniques et de performance.

Pour discuter de vos exigences, e-mail [email protected].