فرآیند خاموش کردن فولاد و کاربردهای طبقه بندی

کوئنچ یک فرآیند عملیات حرارتی است که در آن قطعه کار تا دمای بحرانی خاصی گرم می شود، سپس به طور انتخابی سرد می شود تا مارتنزیت با سختی بالا- یا بینیت پایین سخت به دست آید و به دنبال آن تمپر می شود.

کوئنچ مقاومت در برابر سایش و استحکام قطعات و همچنین عمر خستگی آنها را بهبود می بخشد.

 

 

اصول خاموش کردن و جریان فرآیند اساسی

 

فولاد و سایر مواد در هنگام گرم شدن دچار دگرگونی فاز می شوند و تبدیل فاز آستنیتیزه شدن پیش نیاز برای خاموش شدن است.

به طور کلی، فولاد هیپویوتکتوئید تا دمای 20 تا 30 درجه بالاتر از Ac3 خاموش می شود، در حالی که فولاد هایپریوتکتوئید تا دمای 20 تا 30 درجه بالاتر از Ac1 خاموش می شود.

هنگام خاموش کردن، اجتناب از گرم شدن بیش از حد ضروری است. زمان نگهداری باید بر اساس اندازه قطعه کار و مدل کوره تعیین شود تا از تبدیل ریزساختاری یکنواخت اطمینان حاصل شود.

فرآیند کلیدی در کوئنچ خنک کردن است. منحنی خنک‌کننده ایده‌آل از ناحیه بینی پرلیت جلوگیری می‌کند، در درجه اول برای جلوگیری از تشکیل ساختارهای غیر مارتنزیتی. برای کاهش تنش داخلی و تغییر شکل در قطعه، سرعت خنک کننده نیز باید کنترل شود.

نکته: Ac1 و Ac3 به ترتیب نشان دهنده دمایی هستند که در آن آستنیت شروع به تشکیل می کند و دمایی که در آن فولاد هیپویوتکتوئیدی به طور کامل در هنگام گرم شدن آستنیته می شود. اینها نقاط مرجع حیاتی برای تعیین فرآیند بازپخت هستند.

 

روش‌های فرآیند خاموش کردن اصلی و دستورالعمل‌های عملیاتی کلیدی

 

1. Single- Quenching مایع

کوئنچ تک-مایع ابتدایی ترین و ساده ترین روش کوئنچ است. عمدتاً برای قطعاتی با شکل‌های ساده و متقارن و حداقل تغییرات مقطعی مانند شفت‌ها و پین‌ها استفاده می‌شود.

برای کوئنچ کردن یک‌{0}مایع، خنک‌کننده مناسب باید بر اساس ضخامت ماده و قطعه کار انتخاب شود. فولادهای کم-کربن و{3}}کم آلیاژ معمولاً با آب یا آب نمک خاموش می شوند، در حالی که فولادهای{4}بالا آلیاژی و قطعات کوچک و پیچیده-شکل را می توان با روغن یا محلول پلیمری خاموش کرد.

در طول کوئنچ، اطمینان حاصل کنید که قطعه کار به طور یکنواخت در محیط غوطه ور شده است و محیط به درستی هم زده می شود تا مانع از خنک شدن لایه بخار نشود.

کوئنچ تکی-مایع پایداری با کیفیت-بالا ارائه می‌کند و برای تولید-در مقیاس بزرگ مناسب است، اما در مورد خطر تغییر شکل و ترک‌خوردگی ناشی از سرد شدن بیش از حد سریع، احتیاط توصیه می‌شود.

 

2. دو-کوئنچ مایع

دو{0}}کوئنچ مایع مزایای خنک‌سازی سریع و آهسته را با هم ترکیب می‌کند. اول، اولین محیط، مانند آب یا آب نمک، به سرعت از ناپایدارترین منطقه آستنیت مواد عبور می کند. هنگامی که دمای ماده به دمای تبدیل مارتنزیت نزدیک شد، ماده به سرعت به محیط دوم مانند روغن منتقل می شود تا تبدیل مارتنزیت کامل شود.

دو-کوئنچ مایع مخصوصاً برای قطعات کار متوسط-تا-از فولاد{3}}بالا{3}}کربن و فولادهای آلیاژی متوسط{4}} تا-مثل قالب‌ها و روکش‌های چرخ دنده معمول است.

کلید این عملیات دقیقاً کنترل زمان ماندن قطعه کار در محیط اول است. به طور معمول، زمان خاموش کردن 1 ثانیه به ازای هر 3-5 میلی متر ضخامت موثر قطعه کار استفاده می شود، اگرچه این زمان را می توان با مشاهده ناپدید شدن حباب ها در سطح قطعه کار نیز تعیین کرد.

انتقال از محیط اول به محیط دوم باید سریع و مداوم باشد تا از افزایش دما که می تواند باعث تجزیه ساختار ماده شود جلوگیری شود.

دو{0}}کوئنچ مایع به طور قابل توجهی تنش های حرارتی و ساختاری را کاهش می دهد و آن را به روشی موثر برای کنترل تغییر شکل و جلوگیری از ترک خوردن تبدیل می کند.

 

3. مرحله کوئنچ

کوئنچ مرحله ای نیاز به گرم کردن قطعه کار تا آستنیته شدن دارد، سپس آن را در یک حمام داغ کمی بالاتر از نقطه Ms، مانند حمام نیترات یا حمام قلیایی، برای نگهداری فرو می‌کنیم. هنگامی که درجه حرارت در سطح مقطع قطعه کار یکنواخت شد، قطعه کار برداشته می‌شود و با هوا خنک می‌شود.

کوئنچ مرحله ای اغلب در ابزارها و قطعاتی با اشکال پیچیده و نیازهای دقت بالا مانند شیرها، چرخ دنده های کوچک و شفت های دقیق استفاده می شود.

در طول عملیات، نوسانات دمای حمام باید به شدت کنترل شود، معمولاً در محدوده مثبت یا منفی ده درجه سانتیگراد. زمان نگهداری بر اساس بزرگترین مقطع- که معمولاً پنج میلی متر در دقیقه تخمین زده می شود، محاسبه می شود.

کوئنچ مرحله ای به طور موثر تنش های حرارتی را کاهش می دهد و به تغییر مارتنزیتی اجازه می دهد تا به تدریج در طول خنک شدن هوا ادامه یابد. این منجر به تنش کم ساختار و حداقل تغییر شکل می شود. با این حال، به دلیل ظرفیت خنک کنندگی محدود نمک های مذاب، فقط برای قطعات کار با ضخامت موثر بیش از 20 میلی متر مناسب است.

 

4. ایزوترمال کوئنچینگ

کوئنچ همدما شامل خاموش کردن کامل قطعه کار گرم شده تا دمای آستنیته در یک حمام داغ در ناحیه تبدیل بینیت است. یک دوره نگهداری طولانی مدت اجازه می دهد تا آستنیت به طور کامل به بینیت پایین تبدیل شود و به دنبال آن خنک شود. Austempering در درجه اول برای قطعاتی که به استحکام، چقرمگی و پایداری ابعادی بالا نیاز دارند، مانند یاتاقان ها و قالب های دقیق استفاده می شود. دما و مدت زمان همدما بر اساس منحنی TTT فولاد با دماهای معمولاً بین 250 تا 400 درجه تعیین می شود.

پس از آسمپر کردن، این ماده به بینیت تبدیل می‌شود و استحکام و چقرمگی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد و تمایل کمی به تغییر شکل یا ترک دارد. با این حال، austempering چرخه تولید طولانی، هزینه‌های بالا، و محدود به قطعات کار با مقاطع کوچک‌تر- دارد.

 

مشکلات رایج و کنترل کیفیت

 

کوئنچ اغلب منجر به نقص هایی مانند سختی ناکافی، لکه های نرم، تغییر شکل، ترک خوردگی، اکسیداسیون و کربن زدایی می شود.

سختی ناکافی عموماً به دلیل گرمایش در دمای بسیار پایین یا سرمایش ناکافی ایجاد می شود. علت دیگر کربن زدایی سطح قطعه کار است.

لکه های نرم عموماً در اثر محیط های خاموش کننده آلوده یا وجود رسوب اکسید روی سطح قطعه کار ایجاد می شوند. تغییر شکل و ترک می تواند در اثر تنش حرارتی یا ساختاری بیش از حد ایجاد شود.

بنابراین، کنترل کیفیت در حین خاموش کردن نیاز به نظارت جامع فرآیند، به ویژه کنترل دقیق دما در مرحله گرمایش دارد. در طول فاز سرد شدن، دما، غلظت و سرعت گردش محیط باید ثابت نگه داشته شود. برای از بین بردن تنش های پسماند در قطعات، بلافاصله پس از خاموش کردن، تلطیف لازم است.

در طول تولید انبوه، باید به طور منظم بررسی نقطه ای ساختار متالوگرافی و گرادیان سختی انجام شود. تست غیر مخرب را می توان بر روی قطعات حیاتی برای تشخیص ترک استفاده کرد.

 

سازگاری مواد و انتخاب فرآیند

 

تفاوت در ترکیب بین مواد منجر به سختی‌پذیری متفاوت، دمای شروع تبدیل مارتنزیتی و نرخ‌های خنک‌سازی بحرانی می‌شود. بنابراین، یک فرآیند خاموش کردن خاص باید بر اساس ویژگی های ماده انتخاب شود.

فولاد ساختاری{0}کم کربن و-فولاد کم آلیاژ سختی پذیری نسبتاً کمی دارند و عموماً برای بهبود سختی سطح و مقاومت در برابر سایش قطعات با آب یا دو{2}}کوئنچ مایع خاموش می شوند.

فولاد با کربن متوسط-کوئنچ شده و سکوریت شده نیاز به اطمینان از سخت شدن کامل هسته دارد، بنابراین معمولاً برای جلوگیری از تغییر شکل و ترک از خاموش کردن روغن یا خاموش کردن سریع روغن استفاده می شود.

فولاد ابزار{0}با کربن بالا مستعد گرم شدن بیش از حد است که احتمال تغییر شکل را افزایش می‌دهد. بنابراین، می توان از کوئنچ مرحله ای یا کوئنچ حمام قلیایی با دمای پایین- استفاده کرد.

فولادهای قالب آلیاژی بالا مانند H13 سخت‌شدگی عالی دارند، بنابراین می‌توان آن‌ها را با گاز خاموش کرد یا در حمام نمک با دمای بالا-سخت کرد تا اعوجاج به حداقل برسد.

قطعات کار کربوریزه به چقرمگی هسته بالایی نیاز دارند، بنابراین به دمای نسبتاً پایینی نیاز دارند، یا به طور مستقیم خاموش شوند یا در حمام نمک سخت شوند.

فولاد زنگ نزن و فولاد سریع{0}}به پیش گرمایش و خاموش کردن حمام نمک برای جلوگیری از ترک خوردگی و بارش کاربید نیاز دارند.

کوئنچ یک فرآیند پیچیده و حیاتی است، بنابراین روش کوئنچ مناسب باید بر اساس خواص مواد، شکل قطعه و شرایط عملیاتی انتخاب شود.

کوئنچ به کنترل دقیق فرآیندهای گرمایش و سرمایش برای دستیابی به ریزساختار و خواص مورد نظر نیاز دارد و در عین حال کیفیت محصول ثابت و قابل اعتمادی را تضمین می کند.