热处理会转化原始铸件（通常易碎且不均匀）具有量身定制的机械和物理特性的高性能组件.
通过精确控制温度曲线, 浸泡时间, 和冷却率, 铸造厂操纵合金的微结构以实现可预测的结果.
在这篇全面的文章中, 我们深入研究目的, 冶金基础, 关键目标, 主要过程, 特定于合金的考虑因素, 过程控制, 和铸造热处理的现实应用.
1. 介绍
在铸造生产中, 不受控制的凝固产生大谷物, 隔离, 和残余应力水平超过 200 MPA.
最后, 热处理扮演三个关键角色:
- 微观结构修改: 它将铸造的树突和隔离区转换为精制的晶粒或沉淀, 直接影响硬度 (到 65 HRC 在钢中) 和韧性.
- 压力缓解: 通过减少内部压力 80%, 它可以防止加工过程中的失真并消除服务的破裂.
- 属性优化: 它与硬度平衡, 延性, 力量, 和疲劳生活 - 通常需要仔细的周期设计.
而且, 黑色合金 (碳钢, 合金钢, d) 利用相变, 例如奥氏体到马氏体, 为了获得高磨损阻力.
相比之下, 非有产合金 (铝, 铜, 镍) 通常利用固定溶液和降水硬化以达到拉伸强度 300–800 MPA.
了解这些差异构成了有效的热处理策略的基础.
2. 冶金基本面
钢中的相变
钢表现出许多相变:
- 奥氏体 (γ-FE): 上方稳定 720 °C, 以面部为中心的立方体.
- 铁矿 (α-FE): 在下面稳定 720 °C, 以身体为中心的立方体.
- 珠光体: 在缓慢冷却期间，铁氧体和泥石酸的交替层.
- 马氏体: 难的, 通过以冷却速率淬灭的人体以人体为中心的四方相 >100 °C/s.
TTT和CCT概念
- 时间温度转变 (TTT) 图 显示等温线的产量 100% 珠光体 600 °C 〜之后10 s.
TTT图 - 连续冷却转换 (CCT) 曲线 预测实际冷却坡道期间的相位分数 (例如。, 用油淬灭 20–50°C/s 产量约为90％的马氏体).
3. 主要的热处理过程
Langhe Foundry 依靠核心套件的热处理技术来量身定制铸造特性.
每个过程都针对特定的微观结构变化 - 可加工性或耐磨性可加固性变化.
以下, 我们检查了七个主要方法, 它们的典型参数, 以及他们提供的机械好处.
退火
目的: 软化铸件, 减轻压力, 并改善延展性.
- 过程: 加热到合金重结晶点上方的温度 (钢: 650–700°C; 铝合金: 300–400°C), 保持1-4小时, 然后在20–50°C/h处.
- 结果: 硬度在淬火钢中下降30-40 hrc, 而伸长率上升了15-25％. 残余压力降至 80%, 降低加工过程中失真的风险.
标准化
目的: 优化谷物结构并均质化微观结构以预测强度.
- 过程: 加热碳钢至900–950°C (高于ac₃), 浸泡30-60分钟, 然后气流.
- 结果: 晶粒尺寸通常通过一个ASTM级完美; 拉伸强度差异狭窄到±5％, 表面硬度稳定在±10 hb之内.
淬火
目的: 生产硬合金中的硬性马氏体或bainitic基质.
- 过程: 高于上部临界温度的热量 (950–1050°C), 然后在水中淬灭 (冷却速率 > 100 °C/s), 油 (20–50°C/s), 或聚合物溶液.
- 结果: 马氏体含量≥ 90%, 产生55-65 hrc的硬度，最终的拉伸强度达到 1200 MPA. 笔记: 铝, 铜, 镍合金通常会软化到溶液的条件，以进行随后的衰老.
回火
目的: 降低淬火钢的脆性, 换一些硬度换取韧性.
- 过程: 将马氏体铸件重新加热至200–650°C, 浸泡1-2个小时, 然后气流.
- 结果: 硬度从 60 HRC降至30–50 HRC, 而夏比影响能量增加了40-60％, 极大地提高了对动态载荷的阻力.
降水硬化 (老化)
目的: 通过细节形成增强非有产合金.
- 过程:
-
- 铝 (6XXX系列): 解决方案处理 530 °C, 淬火, 然后年龄 160 °C持续6-12小时.
- 镍合金: 年龄在700–800°C 4-8小时.
- 结果: 屈服强度攀升30–50％ (例如。, 6061-T6产生〜240 MPA与. 150 T4中的MPA), 同时保留伸长≥10–12％.
解决方案处理 & 老化 (无宝贵)
目的: 溶解合金元素, 然后重新安排它们以获得最佳硬度和耐腐蚀性.
- 过程: 加热到溶剂温度 (例如。, 520 °C 17-4 pH不锈钢), 抓住 30 分钟, 水桶, 和年龄 (例如。, 480 °C 4 小时).
- 结果: 实现受控硬度 (Rockwell C 38–44在pH不锈钢) 和整个铸件的均匀机械性能.
案例硬化 (化石, 碳替代, 硝化)
目的: 在坚硬的核心上赋予耐磨损的表面外壳.
- 过程选项:
- 结果: 表面磨损率下降了70-90％, 虽然核心韧性仍然很高 - 齿轮的理想, 凸轮轴, 和轴承表面.
4. 铸造特定于合金的考虑因素
热处理的一般原则适用于许多材料, 每种合金系统都唯一响应 进行热处理.
化学成分的差异, 相位稳定性, 导热率需要专门的策略来最大程度地提高性能.
在这个部分, 我们将研究铸钢的重要合金特定考虑因素, 铁, 铝, 铜, 和基于镍的系统.
碳钢 & 合金钢
关键因素:
- 坚固性: 直接受碳含量和合金元素（例如CR）的影响, 莫, 和ni. 例如, 0.4% 碳钢 淬火后达到〜55 hrc, 而低碳钢 (<0.2% c) 可能几乎不硬化而没有其他合金.
- 关键的冷却率: 必须足够快地淬火以形成马氏体，但要避免破裂或扭曲.
较高合金含量的钢 (例如。, 4140, 4340) 允许较慢的淬火培养基，例如油或聚合物溶液, 减少热冲击.
特别笔记:
- 回火 淬火对于平衡硬度和韧性至关重要.
- 正常化 可以帮助改善各向同性并为硬化操作做准备.
公爵 (SG) & 灰色铸铁
关键因素:
- 矩阵控制: 热处理 (例如。, 东部回火) 将珠光体或铁素体矩阵转换为贝纳特结构 延性铁, 将拉伸强度提升至〜1200 MPa，并以10–20％的伸长率提高.
- 石墨形状保存: 必须防止石墨结节 (在SG铁中) 或薄片 (用灰铁) 从退化, 由于这严重影响机械性能.
特别笔记:
- 压力缓解退火 (〜550–650°C) 通常会减少内部应力而不会显着改变石墨形态.
- 标准化 可以提高力量, 但是必须仔细控制它以避免过度硬度.
铝合金
关键因素:
- 降水硬化: 在2xxx中主导力量发展, 6xxx, 和7xxx系列合金.
T6治疗 (溶液热处理 + 人工衰老) 与铸造条件相比，可以两倍的屈服强度. - 失真灵敏度: 铝高温电导率和低熔点 (〜660°C) 仔细的坡道率和淬火控制，以最大程度地减少翘曲.
特别笔记:
- A356铸件的典型T6治疗:
-
- 溶液热点 540 °C持续8–12小时
- 在水中淬灭 60 °C
- 年龄 155 °C持续4-6小时
产生屈服优势 250 MPA, 伸长率约为5–8％.
铜 & 基于铜的合金
关键因素:
- 实心溶液与. 降水硬化: 黄铜 (Cu-Zn) 主要受益于寒冷的工作和退火, 同时青铜色 (与sn) 和铝制青铜 (与) 对年龄的治疗良好反应.
- 过度风险: 过度衰老会降低沉淀, 大大降低强度和耐腐蚀性.
特别笔记:
- 铝制青铜铸件 (例如。, C95400):
-
- 溶液在900–950°C下进行处理
- 水淬火
- 在300–400°C时的年龄达到拉伸强度至 700 MPA.
镍基合金
关键因素:
- 降水硬合金 (例如。, inconel, incoloy, Hastelloy): 需要精确控制衰老温度和时间，以最大化屈服强度而无需牺牲延展性.
- 抵抗过度的: 这些合金具有出色的热稳定性, 但是不正确的热处理仍会导致互惠.
特别笔记:
- 典型的inconel治疗 718 铸件:
-
- 解决方案 980 °C
- 年龄 720 °C 8 小时, 然后冷却到冷却到 620 °C并保持 8 更多小时.
- 结果: 拉伸强度超过了 1200 MPA, 在升高温度下具有出色的蠕变和抗疲劳性.
5. 过程参数 & 控制
在铸件的热处理, 精确控制过程参数 对于始终达到所需的材料特性至关重要.
温度变化, 时间, 气氛, 冷却条件会极大地影响微观结构，并且, 最后, 铸件的机械性能.
本节探讨了控制它们的主要参数和最佳实践.
炉类型和气氛控制
炉选择:
- 气炉: 适用于可以接受轻微氧化的钢的一般热处理.
- 防护气氛炉: 使用惰性气体 (例如。, 氮, 氩气) 或减少气体 (例如。, 氢) 防止氧化和脱氧.
- 真空炉: 高价值合金的理想 (例如。, 基于镍的超级合金, 钛) 需要超清洁的表面和最小的污染.
数据点:
在真空热处理中, 剩余的氧气水平通常保持在10⁻⁶atm以下以防止氧化物形成.
最佳实践:
使用气氛监测传感器和自动流控制系统来维持处理过程中一致的气体组成.
加热参数
浸泡温度和时间:
- 温度准确性: 对于关键应用，必须停留在目标温度的±5°C之内.
- 浸泡时间: 取决于铸造厚度和合金类型; 一个常见的经验法则是 1 每英寸小时 (25 毫米) 截面厚度.
- 坡道费率: 受控的加热率 (例如。, 50–150°C/小时) 防止热冲击并最大程度地减小失真, 特别是铝和复杂的钢铸件.
监视:
具有独立控制的多区域炉确保大型或复杂铸件的温度均匀性.
冷却和淬火控制
冷却媒体:
- 水淬火: 非常迅速, 适合钢，但有风险变形和破裂.
- 石油淬火: 较慢的冷却, 通常用于合金钢来减少热应力.
- 聚合物淬火: 通过修饰聚合物浓度可调节冷却速率; 结合油和水的好处.
- 空气冷却: 在需要最小的淬火应力的地方使用 (例如。, 一些铝合金).
关键冷却参数:
- 搅动: 改善热量提取并防止零件周围的蒸气毯形成.
- 温度控制: 冷却介质应保持在特定温度范围内; 例如, 油淬灭通常保持在60–80°C之间，以确保冷却均匀.
例子:
为了 4340 钢, 油从 845 °C通常可以达到马氏体结构，而与水淬灭相比.
过程监视和数据记录
仪器:
- 热电偶: 直接连接到代表性零件以监视实时温度.
- 炉控制系统: 现代设置使用PLC (可编程逻辑控制器) 用于自动食谱管理.
- 数据记录仪: 记录温度曲线, 浸泡时间, 和冷却曲线，以进行全面的可追溯性和优质审核.
最佳实践:
利用冗余热电偶系统 (加载热电偶和调查热电偶) 交叉焊炉条件.
6. 工业应用 & 案例研究
汽车制动转子
- 过程: 正常化 900 °C, 用石油淬灭, 发脾气 450 °C 2 h.
- 结果: 达到 45 HRC, 最小的翘曲 <0.05 毫米 在热循环下.
油 & 加油泵叶轮
- 合金: 718 内部.
- 循环: 解决方案对待 980 °C, 淬火, 年龄 718 °C 8 h, 然后 621 °C 8 h.
- 结果: UTS 1200 MPA 和SCC抗性服务.
航空航天涡轮机箱
- 材料: 17-4 pH不锈钢.
- 治疗: H900 (490 °C× 4 h) 产量 1050 MPA UTS和出色的疲劳强度.
重型设备变速箱
- 钢: 4340 合金.
- 过程: 碳化力 930 °C 6 h, 淬火, 发脾气 160 °C.
- 益处: 表面 62 HRC, 核 35 HRC, 持续重载周期.
7. 结论
热处理在铸造生产中仍然必不可少, 提供多功能工具包来修改微观结构和工程师精确的机械性能.
通过掌握冶金基本面 - 相变, TTT/CCT原则, 和硬化机制，并通过严格控制炉子的气氛, 浸泡时间, 和冷却率,
铸造厂以优化的硬度提供铸件, 力量, 延性, 和疲劳生活.
通过严格的测试和特定合金调整, 热处理将铸件的组件从原始形式提升到跨汽车的零件, 油 & 气体, 航天, 和重型产业.
前进, 感应加热的创新, 数字过程控制, 和集成的添加剂制造承诺甚至更高的效率, 一致性, 和铸造热处理的表现.
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