Охлаждение металла на воздухе: Скорость охлаждения металла на воздухе. Охлаждение заготовок

alexxlab | 09.12.1979 | 0 | Разное

Содержание

Скорость охлаждения при закалке металла

Скорость охлаждения при закалке должна обеспечить получение структуры мартенсита. Для этого охлаждение должно вестись со скоростью больше критической скорости закалки.

Если быстрое охлаждение не будет обеспечено, то в стали получатся иные структуры: троостит, сорбит или перлит, и она не приобретет желаемую твердость и прочность.

Однако большая скорость охлаждения необходима не при всех температурах.

В нижнем интервале температур 300—200° скорость охлаждения может быть меньше критической скорости закалки, так как при любой скорости, иногда даже и на воздухе, аустенит будет превращаться в мартенсит.

По этим соображениям охлаждающей жидкости совсем необязательно обладать большой охлаждающей способностью в интервале 300—200°.

Большая скорость охлаждения в изделиях сложной формы или в деталях из высокоуглеродистой или легированной хромом и другими элементами стали может вызвать лишь внутренние напряжения, которые приводят зачастую к закалочным трещинам.

Все применяемые в практике закалки охлаждающие среды обеспечивают желаемое быстрое охлаждение в интервале температур 600—550° и более медленное охлаждение в интервале температур 300-200°, что видно из табл. 11.

Таким образом, для того чтобы выбрать охлаждающую среду для стали при закалке, необходимо охлаждающую способность различных сред в интервале 650—550° сравнить с критической скоростью закалки, которая определяется химическим составом стали.

Из всех углеродистых сталей наименьшую критическую скорость закалки имеет сталь с содержанием углерода 0,9% (Vкрит 400 град/сек).

Наибольшая критическая скорость закалки

Наибольшую критическую скорость закалки (Vкрит 1200 град/сек) имеют низкоуглеродистые стали с содержанием углерода менее 0,3%.

Остальные углеродистые стали имеют критическую скорость закалки 400—600

град/сек.

Поэтому все углеродистые стали с содержанием углерода более 0,3% закаливаются в воде.

Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода менее 0,3% вообще не закаливаются.

Большинство легированных сталей имеет критическую скорость закалки менее 120 град/сек и поэтому закаливается в масле.

§

Что такое термическая обработка металлов? Методы и преимущества

Термическая обработка – это процесс нагрева и охлаждения металлов с использованием определенных заранее выбранных методов для получения желаемых свойств. Как черные, так и цветные металлы проходят термическую обработку перед их применением.

Со временем было разработано множество различных методов. Даже сегодня металлурги постоянно работают над улучшением результатов и рентабельности этих процессов.

Для этого они разрабатывают новые графики или циклы для производства различных сортов. Каждый график относится к разной скорости нагрева, выдержки и охлаждения металла.

При тщательном соблюдении этих методов можно производить металлы различных стандартов с удивительно конкретными физическими и химическими свойствами.

Польза

Причины проведения термообработки могут быть разными. Некоторые процедуры делают металл мягким, а другие повышают твердость . Они также могут влиять на электрическую и теплопроводность этих материалов.

Некоторые методы термообработки снимают напряжения, возникшие в более ранних процессах холодной обработки. Другие придают металлам желаемые химические свойства. Выбор идеального метода зависит от типа металла и требуемых свойств.

В некоторых случаях металлическая деталь может пройти несколько процедур термической обработки. Например, некоторые суперсплавы, используемые в авиастроении, могут пройти до шести различных этапов термообработки, чтобы оптимизировать их для применения.

Этапы процесса термообработки

Проще говоря, термическая обработка – это процесс нагрева металла, выдержки его при этой температуре и последующего охлаждения. В процессе обработки металлическая деталь претерпевает изменения своих механических свойств. Это связано с тем, что высокая температура изменяет микроструктуру металла, которая играет важную роль в механических свойствах материала.

Конечный результат зависит от множества различных факторов. К ним относятся время нагрева, время выдержки металлической детали при определенной температуре, скорость охлаждения, окружающие условия и т. д. Параметры зависят от метода термообработки, типа металла и размера детали.

В ходе этих процессов свойства металла изменятся. Среди этих свойств – электрическое сопротивление, магнетизм, твердость, вязкость, пластичность, хрупкость и коррозионная стойкость.

Нагрев

Детали реактивного двигателя, направляемые в печь

Как мы уже обсуждали, микроструктура сплавов будет изменяться в процессе термообработки. Нагрев осуществляется в соответствии с заданным термическим профилем.

При нагревании сплав может находиться в одном из трех различных состояний. Это может быть механическая смесь, твердый раствор или их комбинация.

Механическая смесь аналогична бетонной смеси, в которой цемент связывает песок и гравий. Песок и гравий все еще видны как отдельные частицы. В случае металлических сплавов механическая смесь удерживается основным металлом.

С другой стороны, в твердом растворе все компоненты смешиваются гомогенно. Это означает, что их невозможно идентифицировать индивидуально даже под микроскопом.

Каждое состояние приносит с собой разные качества. По фазовой диаграмме возможно изменение состояния путем нагрева. Однако охлаждение определяет конечный результат. Сплав может оказаться в одном из трех состояний, в зависимости только от метода.

Выдержка

Во время выдержки металл выдерживается при достигнутой температуре. Продолжительность зависит от требований.

Например, поверхностное упрочнение требует только структурных изменений поверхности металла, чтобы повысить твердость поверхности. В то же время для других методов требуются единые свойства. В этом случае период выдержки больше.

Время выдержки также зависит от типа материала и размера детали. Более крупным деталям требуется больше времени, когда целью являются однородные свойства. Это происходит из-за того, что сердцевине большой части требуется больше времени, чтобы достичь необходимой температуры.

Охлаждение

После завершения этапа выдержки металл необходимо охладить в установленном порядке. На этом этапе тоже происходят структурные изменения. Твердый раствор при охлаждении может оставаться неизменным, полностью или частично превращаться в механическую смесь, в зависимости от различных факторов.

Скорость охлаждения регулируется различными средами, такими как солевой раствор, вода, масло или воздух. Вышеупомянутая последовательность охлаждающих сред находится в порядке убывания эффективной скорости охлаждения. Солевой раствор быстрее всего поглощает тепло, а воздух – медленнее всего.

Также возможно использование печи в процессе охлаждения. Контролируемая среда обеспечивает высокую точность, когда необходимо медленное охлаждение.

Фазовые диаграммы

У каждого металлического сплава своя фазовая диаграмма. Как уже было сказано ранее, термическая обработка проводится по этим схемам. Они показывают структурные изменения, происходящие при разных температурах и различном химическом составе.

Давайте возьмем фазовую диаграмму железо-углерод в качестве примера, так как она наиболее известна и широко преподается в университетах.

Фазовая диаграмма железо-углерод является важным инструментом при изучении поведения различных углеродистых сталей при термообработке. Ось x показывает содержание углерода в сплаве, а ось y – температуру.

Обратите внимание, что 2,14% углерода – это предел, при котором сталь становится чугуном.

На диаграмме показаны различные области, где металл существует в различных микросостояниях, таких как аустенит, цементит, перлит. Эти области обозначены границами A1, A2, A3 и Acm. На этих границах происходят фазовые изменения, когда через них проходит температура или значение содержания углерода.

A1: Верхняя граница фазы цементит/феррит.

A2: предел, при котором железо теряет свой магнетизм. Температура, при которой металл теряет свой магнетизм, также называется температурой Кюри.

A3: Граница раздела, отделяющая фазу аустенит + феррит от фазы γ (гамма) аустенита.

Acm: Граница раздела, отделяющая аустенит γ от аустенита + цементита.

Фазовая диаграмма является важным инструментом, позволяющим определить, будет ли термообработка полезной или нет. Каждая структура привносит определенные качества в конечный продукт, и выбор термообработки делается на основе этого.

Распространенные методы термической обработки

Существует довольно много методов термической обработки. Каждый из них обладает определенными качествами.

К наиболее распространенным методам термообработки относятся:

  • Отжиг;
  • Нормализация;
  • Закаливание;
  • Старение;
  • Снятие напряжения;
  • Темперирование;
  • Цементация.

Отжиг

При отжиге металл нагревается выше верхней критической температуры, а затем охлаждается с медленной скоростью.

Отжиг проводится для размягчения металла. Это делает металл более пригодным для холодной обработки и формовки. Он также повышает обрабатываемость, пластичность и вязкость металла.

Отжиг также полезен для снятия напряжений в детали, вызванных предшествующими процессами холодной обработки. Присутствующие пластические деформации устраняются во время рекристаллизации, когда температура металла пересекает верхнюю критическую температуру.

Металлы могут подвергаться множеству методов отжига, таких как рекристаллизационный отжиг, полный отжиг, частичный отжиг и окончательный отжиг.

Нормализация

Нормализация – это процесс термообработки, используемый для снятия внутренних напряжений, вызванных такими процессами, как сварка, литье или закалка.

В этом процессе металл нагревается до температуры, которая на 40° C выше его верхней критической температуры.

Эта температура выше, чем при закалке или отжиге. После выдержки при этой температуре в течение определенного периода времени его охлаждают на воздухе. Нормализация создает однородный размер зерна и состав по всей детали.

Нормализованная сталь тверже и прочнее отожженной стали. Фактически, в нормализованном виде сталь прочнее, чем в любом другом состоянии. Вот почему детали, которые требуют ударной вязкости или должны выдерживать большие внешние нагрузки, почти всегда будут нормализованы.

Закалка

Самый распространенный процесс термообработки – закалка – используется для увеличения твердости металла. В некоторых случаях затвердеть может только поверхность.

Заготовку закаляют, нагревая ее до заданной температуры, а затем быстро охлаждают, погружая в охлаждающую среду. Можно использовать масло, солевой раствор или воду. Полученная деталь будет иметь повышенную твердость и прочность, но одновременно возрастет и хрупкость.

Цементное упрочнение – это тип процесса упрочнения, при котором упрочняется только внешний слой заготовки. Используемый процесс такой же, но поскольку тонкий внешний слой подвергается процессу, полученная в результате заготовка имеет твердый внешний слой, но более мягкую сердцевину.

Это обычное дело для валов. Твердый внешний слой защищает его от износа материала . В противном случае при установке подшипника на вал он может повредить поверхность и сместить некоторые частицы, которые ускорят процесс износа. Закаленная поверхность обеспечивает защиту от этого, а сердечник по-прежнему обладает необходимыми свойствами, чтобы выдерживать усталостные напряжения.

Другие типы процессов закалки включают индукционную закалку, дифференциальную закалку и закалку пламенем. Однако закалка пламенем может привести к образованию зоны термического влияния, которая возникает после охлаждения детали.

Старение

График старения алюминия 6061

Старение или дисперсионное твердение – это метод термообработки, который в основном используется для повышения предела текучести ковких металлов. В ходе процесса образуются равномерно диспергированные частицы в структуре зерна металла, которые вызывают изменения в свойствах.

Осадочное твердение обычно происходит после еще одного процесса термообработки, при котором достигается более высокая температура. Однако старение только повышает температуру до среднего уровня и снова быстро снижает ее.

Некоторые материалы могут стареть естественным образом (при комнатной температуре), в то время как другие стареют только искусственно, то есть при повышенных температурах. Для естественно стареющих материалов может быть удобно хранить их при более низких температурах.

Снятие напряжения

Снятие напряжения особенно часто используется для деталей котлов, баллонов с воздухом, аккумуляторов и т. д. При этом методе нагревают металл до температуры чуть ниже его нижней критической границы. Процесс охлаждения медленный и, следовательно, равномерный.

Это делается для снятия напряжений, которые возникли в деталях из-за более ранних процессов, таких как формовка, механическая обработка, прокатка или правка.

Отпуск

Отпуск – это процесс уменьшения избыточной твердости и, следовательно, хрупкости, возникающей в процессе закалки. Также снимаются внутренние напряжения. Прохождение этого процесса может сделать металл пригодным для многих применений, в которых требуются такие свойства.

Температура обычно намного ниже температуры затвердевания. Чем выше используемая температура, тем мягче становится конечная заготовка. Скорость охлаждения не влияет на структуру металла во время отпуска, и обычно металл охлаждается на неподвижном воздухе.

Цементация стали

В этом процессе термообработки металл нагревается в присутствии другого материала, который выделяет углерод при разложении.

Освободившийся углерод поглощается поверхностью металла. Содержание углерода на поверхности увеличивается, что делает ее более твердой, чем внутреннее ядро.

Какие металлы подходят для термической обработки?

Хотя черные металлы составляют большинство термообработанных материалов, сплавы меди, магния, алюминия, никеля, латуни и титана также могут подвергаться термообработке.

Около 80% термически обрабатываемых металлов – это разные марки стали. Черные металлы, которые можно подвергать термической обработке, включают чугун, нержавеющую сталь и различные марки инструментальной стали.

Такие процессы, как закалка, отжиг, нормализация, снятие напряжений, цементирование, азотирование и отпуск, обычно выполняются на черных металлах.

Медь и медные сплавы подвергаются таким методам термической обработки, как отжиг, старение и закалка.

Алюминий подходит для таких методов термообработки, как отжиг, термообработка на твердый раствор, естественное и искусственное старение. Термическая обработка алюминия – это точный процесс. Объем процесса должен быть установлен, и его следует тщательно контролировать на каждом этапе для достижения желаемых характеристик.

Очевидно, не все материалы подходят для термической обработки. Точно так же не обязательно использовать каждый метод для отдельного материала. Поэтому каждый материал нужно изучать отдельно, чтобы добиться желаемого результата. Использование фазовых диаграмм и доступной информации о влиянии вышеупомянутых методов является отправной точкой.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!

Закалка стали – способы, температура, правила

Одним из наиболее распространенных способов термообработки металлов является закалка стали. Именно при помощи закаливания формируются требуемые характеристики готового изделия, а ее неправильное выполнение может привести к излишней мягкости металла (непрокаливание) или к его чрезмерной хрупкости (перекаливание). В нашей статье речь пойдет о том, что такое правильная закалка и что нужно сделать, чтобы ее выполнить.

Закалка стали

Какой бывает закалка металла

О том, что воздействие высокой температуры на металл может изменить его структуру и свойства, знали еще древние кузнецы и активно использовали это на практике. В дальнейшем уже научно было установлено, что закалка изделий, изготовленных из стали, предполагающая нагрев и последующее охлаждение металла, позволяет значительно улучшать механические характеристики готовых изделий, значительно увеличивать срок их службы и даже в итоге уменьшать их вес за счет увеличения прочности детали. Что примечательно, закалка деталей из недорогих сортов стали позволяет придать им требуемые характеристики и успешно использовать вместо более дорогостоящих сплавов.

Смысл процесса, который называется закалка изделий из стальных сплавов, заключается в нагреве металла до критической температуры и его последующем охлаждении. Основная цель, которая преследуется такой технологией термообработки, заключается в повышении твердости и прочности металла с одновременным уменьшением его пластичности.

Существуют различные виды закалки и последующего отпуска, отличающиеся режимами проведения, которые и определяют конечный результат. К режимам закалки относятся температура нагрева, время и скорость его выполнения, время выдержки детали в нагретом до заданной температуры состоянии, скорость, с которой осуществляется охлаждение.

Наиболее важным параметром при закалке металлов является температура нагрева, при достижении которой происходит перестройка атомной решетки. Естественно, что для сталей разных сортов значение критической температуры отличается, что зависит, в первую очередь, от уровня содержания в их составе углерода и различных примесей.

После выполнения закалки повышается как твердость, так и хрупкость стали, а на ее поверхности, потерявшей значительное количество углерода, появляется слой окалины. Толщину этого слоя обязательно следует учитывать для расчета припуска на дальнейшую обработку детали.

Диаграмма состояний железо-углерод

При выполнении закалки изделий из стальных сплавов, очень важно обеспечить заданную скорость охлаждения детали, в противном случае, уже перестроенная атомная структура металла может перейти в промежуточное состояние. Между тем, слишком быстрое охлаждение тоже нежелательно, так как оно может привести к появлению на детали трещин или к ее деформации. Для того, чтобы избежать образования таких дефектов, скорость охлаждения после падения температуры нагретого металла до 200 градусов Цельсия, несколько замедляют.

Для нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, используют камерные печи, которые могут прогреваться до 800 градусов Цельсия. Для закалки отдельных марок стали критическая температура может составлять 1250–1300 градусов Цельсия, поэтому детали из них нагреваются в печах другого типа. Удобство закалки сталей таких марок заключается в том, что изделия из них не подвержены растрескиванию при охлаждении, что исключает необходимость в их предварительном прогреве.

Очень ответственно следует подходить к закалке деталей сложной конфигурации, имеющих тонкие грани и резкие переходы. Чтобы исключить растрескивание и коробление таких деталей в процессе нагрева, его следует проводить в два этапа. На первом этапе такую деталь предварительно прогревают до 500 градусов Цельсия и лишь затем доводят температуру до критического значения.

Нагрев стали при закалке токами высокой частоты

Для качественной закалки сталей важно обеспечить не только уровень нагрева, но и его равномерность. Если деталь отличается массивностью или сложной конфигурацией, обеспечить равномерность ее нагрева можно только в несколько подходов. В таких случаях нагревание производится с двумя выдержками, которые необходимы для того, чтобы достигнутая температура равномерно распределилась по всему объему детали. Увеличивается суммарное время нагревания и в том случае, если в печь одновременно помещаются сразу несколько деталей.

Как избежать образования окалины и обезуглероживания при закалке

Многие детали из стали проходят закалку уже после того, как была выполнена их финишная обработка. В таких случаях недопустимо, чтобы поверхность деталей была обезуглерожена или на ней образовалась окалина. Существуют способы закалки изделий из стали, которые позволяют избежать таких проблем. Закалка, выполняемая в среде защитного газа, который нагнетается в полость нагревательной печи, может быть отнесена к наиболее передовому из таких способов. Следует иметь в виду, что используют такой метод лишь в том случае, если печь для нагрева полностью герметична.

На фото виден момент гидросбива на стане горячей прокатки — удаление окалины

Более простым способом, позволяющим избежать обезуглероживания поверхности металла при закалке, является применение чугунной стружки и отработанного карбюризатора. Для того чтобы защитить поверхность детали при нагревании, ее помещают в специальную емкость, в которую предварительно засыпаны эти компоненты. Для предотвращения попадания в такую емкость окружающего воздуха, который может вызвать процессы окисления, снаружи ее тщательно обмазывают глиной.

Если после закалки металла его охлаждают не в масле, а в соляной ванне, ее следует регулярно раскислять (не менее двух раз за смену), чтобы избежать обезуглероживания поверхности детали и появления на ней окисла. Для раскисления соляных ванн могут быть использованы борная кислота, бурая соль или древесный уголь. Последний обычно помещают в специальный стакан с крышкой, в стенках которого имеется множество отверстий. Опускать такой стакан в соляную ванну следует очень осторожно, так как в этот момент на ее поверхности вспыхивает пламя, которое затухает через некоторое время.

Существует простой способ, позволяющий проверить качество раскисления соляной ванны. Для этого в такой ванне нескольких минут (3–5) нагревают обычное лезвие из нержавеющей стали. После соляной ванны лезвие помещают в воду для охлаждения. Если после такой процедуры лезвие не гнется, а ломается, то раскисление ванны прошло успешно.

Объемная закалка толстостенных заготовок

Охлаждение стали при закалке

Основу большинства охлаждающих жидкостей, используемых при закалке изделий из сталей, составляет вода. При этом важно, чтобы такая вода не содержала в своем составе примесей солей и моющих средств, которые могут значительно повлиять на скорость охлаждения. Емкость, в которой содержится вода для закалки изделий из металла, не рекомендуется использовать в других целях. Важно также учитывать и то, что для охлаждения металла в процессе закалки, нельзя использовать проточную воду. Оптимальной для охлаждающей жидкости считается температура в 30 градусов Цельсия.

Закалка изделий из стали с использованием для их охлаждения обычной воды, имеет ряд существенных недостатков. Самый главный из них — это растрескивание и коробление деталей после их охлаждения. Как правило, таким способом охлаждения пользуются, когда выполняется цементирование металла, поверхностная закалка стали или термическая обработка деталей простой конфигурации, которые в дальнейшем будут подвергаться финишной обработке.

Для изделий сложной формы, изготовленных из конструкционных сталей, применяют другой тип охлаждающей жидкости – 50%-й раствор каустической соды, нагретый до температуры 60 градусов Цельсия. После охлаждения в таком растворе закаленная сталь приобретает светлый оттенок.

Очень важно при работе с каустической содой соблюдать технику безопасности, обязательно использовать вытяжку, размещаемую над ванной. При опускании раскаленной детали в раствор образуются пары, очень вредные для здоровья человека.

Закалка стали в муфельной печи

Лучшей охлаждающей жидкостью для тонкостенных деталей из углеродистых сталей и изделий, выполненных из легированных сплавов, являются минеральные масла, которые обеспечивают постоянную (изотермическую) температуру охлаждения, вне зависимости от условий окружающей среды. Главное, чего следует избегать при использовании такой технической жидкости, — это попадания в нее воды, что может привести к растрескиванию деталей в процессе их охлаждения. Однако, если в такую охлаждающую жидкость все же попала вода, ее можно легко удалить из нее, нагрев масло до температуры, превышающей температуру кипения воды.

У закалки стали с использованием масла в качестве охлаждающей жидкости есть ряд существенных недостатков, о которых обязательно стоит знать. При контакте масла с раскаленной деталью выделяются пары, вредные для человеческого здоровья, кроме того, масло в этот момент может загореться. У масляной ванны есть и такое свойство: после ее использования на детали остается налет, а сама охлаждающая жидкость со временем теряет свою эффективность.

Все эти факторы следует учитывать при выполнении закалки металлов в масляной среде и принимать следующие меры безопасности:

  • погружать детали в масляную ванну при помощи щипцов с длинными ручками;
  • все работы выполнять в специальной маске из закаленного стекла и в перчатках, изготовленных из толстой ткани с огнеупорными свойствами или из грубой кожи;
  • надежно защищать плечи, шею, грудь рабочей одеждой, изготовленной из толстой огнеупорной ткани.

Охлаждение в масляной ванне

Для закалки сталей отдельных марок охлаждение осуществляют при помощи потока воздуха, создаваемого специальным компрессором. Очень важно, чтобы охлаждающий воздух был совершенно сухим, так как содержащаяся в нем влага может вызвать растрескивание поверхности металла.

Существуют способы закалки стали, при которых используют комбинированное охлаждение. К ним обращаются для охлаждения деталей из углеродистых сталей, имеющих сложный химический состав. Суть таких способов закалки заключается в том, что сначала нагретую деталь помещают в воду, где за короткое время (несколько секунд) ее температура снижается до 200 градусов, дальнейшее охлаждение детали проводят уже в масляной ванне, куда ее следует переместить очень оперативно.

Выполнение закалки и отпуска стальных деталей в домашних условиях

Термическая обработка металлических изделий, в том числе поверхностная закалка стали, не только увеличивает твердость и прочность сплава, но и значительно повышает внутренние напряжения в его структуре. Чтобы снять эти напряжения, способные в процессе эксплуатации детали привести к ее поломке, необходимо отпустить изделие из стали.

Следует иметь в виду, что такая технологическая операция приводит к некоторому снижению твердости стали, но увеличивает ее пластичность. Для выполнения отпуска, суть которого состоит в постепенном уменьшении температуры нагретой детали и ее выдерживании при определенном температурном режиме, используются печи, соляные и масляные ванны.

Закалка и отпуск стали в домашних условиях

Температуры, при которых выполняется отпуск, отличаются для различных сортов стали. Так, отпуск быстрорежущих сплавов проводится при температуре 540 градусов Цельсия, а для сталей с твердостью на уровне HRC 59-60 достаточно и 150 градусов. Что характерно, при отпуске быстрорежущих сплавов их твердость даже возрастает, а во втором случае ее уровень понижается, но значительно повышается показатель пластичности.

Закалка и отпуск изделий из стали, в том числе и нержавеющих сортов, вполне допустима (и, более того, часто практикуется) и в домашних условиях, если в этом возникла необходимость. В таких случаях для нагрева изделий из стали можно использовать электроплиты, духовки и даже раскаленный песок. Температуры, до которых следует нагревать стальные изделия в таких случаях, можно подобрать по специальным таблицам. Перед закалкой или отпуском стальных изделий, их необходимо тщательно очистить, на их поверхности не должно содержаться грязи, следов масла и ржавчины.

После очистки изделие из стали следует нагреть так, чтобы оно равномерно раскалилось докрасна. Для того чтобы раскалить его до такого состояния, необходимо выполнять нагрев в несколько подходов. После того, как требуемое состояние достигнуто, нагреваемое изделие следует охладить в масле, а затем сразу поместить в духовку, предварительно разогретую до 200 градусов Цельсия. Затем необходимо постепенно снизить температуру в духовке, доведя ее до отметки в 80 градусов Цельсия.

Данный процесс занимает обычно час. Дальнейшее охлаждение следует проводить на открытом воздухе, исключение составляют лишь изделия из хромоникелевых сталей, для снижения температуры которых используются масляные ванны. Обусловлено это тем, что стали таких марок при медленном охлаждении могут приобрести так называемую отпускную хрупкость.

Время охлаждения (нагрева). Расчет в Excel.

Опубликовано 14 Июл 2018
Рубрика: Теплотехника | 53 комментария

Нестационарный режим теплообмена – это режим, когда температура тел или сред, участвующих в  процессе обмена тепловой энергией изменяется во времени. При этом время охлаждения (нагрева) – это аргумент функции температуры тела. Зависимость температуры от времени…

…характеризуется скоростью теплового обмена, которая пропорциональна разности температур тела и окружающего пространства. В отличие от стационарного режима, при котором температуры всех точек системы остаются неизменными длительное время, нестационарный теплообмен возникает, например, при помещении тела в среду с более низкой или более высокой температурой. Если среда – это условно бесконечное пространство (например, атмосферный воздух или вода в «большой» ёмкости), то влияние тела на температуру среды ничтожно, поэтому охлаждение (нагрев) тела происходит при условно постоянной температуре окружающего газа или жидкости.

Заметим, что охлаждение тела сточки зрения математики – это нагрев со знаком «минус». И нагрев, и охлаждение описываются одними и теми же формулами!

О каких задачах может идти речь? Представим небольшой перечень вопросов, на которые можно попытаться ответить, используя предложенный далее расчет в Excel:

  • Сколько времени будет нагреваться деталь в печи?
  • Сколько времени остывает отливка после выбивки из формы?
  • Сколько времени требуется для нагрева воды в бочке на даче?
  • Через какое время перемерзнет наружный водопровод при отсутствии разбора?
  • Сколько времени нужно на охлаждение банки пива в холодильнике?

Расчет в Excel времени охлаждения (нагрева).

Алгоритм расчета базируется на законе Ньютона-Рихмана и на теоретических и практических исследованиях регулярного теплового режима советскими учеными Г.М. Кондратьевым («Регулярный тепловой режим», Москва, 1954г.) и М.А. Михеевым («Основы теплопередачи», Москва, 1977 г.).

Для примера выбран расчет времени нагрева до +22 °C в комнате с температурой воздуха +24 °C пивной алюминиевой банки с водой, предварительно охлажденной до +13 °C.

Исходные данные:

Параметров, необходимых для выполнения расчета времени охлаждения (нагрева) – 12 (см. скриншот).

Ориентировочные сведения о значениях коэффициента теплоотдачи α приведены в примечании к ячейке D3.

Теплофизические характеристики материала тела λ, a, ρ, c легко можно найти в справочниках или по запросу в Интернете. В нашем примере – это параметры воды.

В принципе, для выполнения расчета достаточно знать значения любой из пар характеристик:  λ, a или ρ, c. Но для возможности выполнения проверки и минимизации вероятности ошибки рекомендую заполнить значениями все 4 ячейки.

Вводим значения исходных данных в соответствующие ячейки листа Excel и считываем результат: нагрев воды от +13 °C до +22 °C в спокойном воздухе комнаты с постоянной температурой +24 °C   будет длиться 3 часа 25 минут.

Для справки в самом конце таблицы вычислено время нагрева без учета формы тела – 3 часа 3 минуты.

Алгоритм расчета:

  • 13.1. F=2·H·L+2·B·L+2·H·B – для параллелепипеда;
  • 13.2. F·D·L+2·π·D2/4 – для цилиндра;
  • 13.3. F=π·D2 – для шара.
  • 14.1. V=H·L·B – для параллелепипеда;
  • 14.2. V=L·π·D2/4 – для цилиндра;
  • 14.3. V=π·D3/6 – для шара.
  • 15. G=ρ·V
  • 16.1 K=((π/H)2+(π/L)2+(π/B)2)-1 – для параллелепипеда;
  • 16.2 K=((2,405/(D/2))2+(π/L)2)-1 – для цилиндра;
  • 16.3 K=((D/2)/π)2 – для шара.
  • 17. m=a/K
  • 18. Bi=α·K·F/(λ·V)
  • 19. Ψ=(1+1,44·Bi+Bi2)-0,5
  • 20. M=Ψ·Bi
  • 21. mαλ=M·m
  • 22. m=Ψ·α·F/(c·ρ·V)
  • 23. Δ=ABS (1-mαλ/m100
  • 24. t=(LN (ABS (tc-t1)) -LN (ABS (tc-t2))/mαλ
  • 25. tN=(LN (ABS (tc-t1)) -LN (ABS (tc-t2)))·c·ρ·V/(α·F)

Проверка расчета опытом.

Как не трудно догадаться такой несколько странный пример выбран не случайно, а для возможности проведения простого опыта и последующего сравнения результатов. Были взяты термометр, часы и произведены замеры температуры воды в банке в процессе нагревания. Результаты расчетов и опыта отражены на графиках.

Результаты проведенного опыта показали, что нагрев банки с водой от +13 °C до +22 °C в комнате (+24 °C) продолжался примерно 3 часа 20 минут. Это на 5 минут меньше расчетного времени по Кондратьеву и на 17 минут дольше времени по классическому закону Ньютона-Рихмана.

Близость результатов и радует, и удивляет. Но не стоит переоценивать полученные итоги! Время охлаждения (нагрева), вычисленное по предложенной программе расчета в Excel, можно использовать лишь для приблизительных оценок продолжительности процессов! Дело в том, что принятые в расчете константами теплофизические характеристики тела и коэффициент теплоотдачи таковыми на самом деле не являются. Они зависят от изменяющейся температуры! К тому же регулярный режим теплообмена устанавливается не сразу после помещения тела в среду, а спустя какое-то время.

Обратите внимание, что полученные из опыта значения температур банки с водой в течение первого часа расположены выше теоретической расчетной кривой (см. графики). Это означает, что коэффициент теплоотдачи в этом периоде времени был больше выбранного нами значения α=8,3 Вт/(м2·К).

Определим среднее значение α в первые 58 минут из результатов опыта. Для этого:

  • Запишем t2=17,5 °C в ячейку D6.
  • Активируем («встанем мышью») ячейку D28.
  • Выполним: Сервис – Подбор параметра.
  • И установим в D28 значение 58 минут, изменяя ячейку D3.

α=9,2 Вт/(м2·К)!!!

Проделав ту же процедуру для t2=22,5 °C и t=240 мин, получим α=8,3 Вт/(м2·К).

Выбранное при теоретическом расчете значение α (по рекомендации СП 50.13330.2012 и формуле из Справочника по физике – см. примечание к ячейке D3) чудесным образом, хотя и совершенно случайно, совпало со значением α, вычисленным по опытным данным.

Рассмотренным способом можно определять реальные точные средние значения коэффициента теплоотдачи тел с любой формой поверхности по практическим замерам всего двух значений температуры тела и промежутка времени между этими замерами.

Остается добавить, что температура банки с водой после рассмотренных 4-х часов в последующее время будет асимптотически приближаться к 24 °C.

Прошу уважающих труд автора  скачивать файл с программой расчетов после подписки на анонсы статей!

Ссылка на скачивание файла: vremya-ohlazhdeniya (xls 55,5KB).

P.S.

Так сколько часов составит время охлаждения алюминиевой банки с пивом 0,45 л от +20 °C до +8 °C в  холодильнике (+3°C)? По расчету в программе – 2,2…2,4 часа. Опытом не проверял… 🙂

P.P.S.

Любопытный (возможно, только для меня) факт обнаружился при работе над статьей. И у куба с размером ребер a, и у цилиндра с диаметром а и длиной а, и у шара с диаметром а отношение объема к площади поверхности одинаковое: V/F=a/6!!!

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Термическая обработка деталей – заказать тепловую обработку (термообработку) стали в Самаре

При изготовлении, детали должны проходить особую обработку – термообработку. Для изменения характеристик металла. Например, нужно придать детали антикоррозионные свойства или повысить ее твердость, этого можно добиться, если изменить внутреннюю структуру металла, а сделать это можно как раз с помощью термообработки.

Процедура термообработки включает следующие этапы:

  • загрузка материала через специальное окно;
  • нагрев металла с определенной скоростью до определенной температуры;
  • в зависимости от типов обработки, выдержка при этой температуре на заданное время или сразу же охлаждение, либо снова деталь подвергают нагреву, только при более низкой температуре;
  • охлаждение с определенной скоростью: мгновенно или постепенно.

Справка. Мгновенное охлаждение детали необходимо для получения более твердых и прочных металлов. Для охлаждения используют воду. Постепенное охлаждение необходимо для получения пластичности (чтобы металл обладал хорошей ковкостью), для охлаждения используется масло, есть еще охлаждение на воздухе – это еще более медленное охлаждение.

Благодаря обработкам, металл приобретает различные свойства и характеристики, что приводит к его эксплуатации во многих сферах.

Самые распространенные виды оборудования для термической обработки:

  • шахтные печи – подходят для многих процедур обработки: нагрева под закалку, отжига, отпуска, цементации;
  • камерные печи, которые больше подходят для маленьких и средних заготовок;
  • печи с выдвижным подом реализуют термообработку крупногабаритных деталей;
  • цементация.

Преимущества термообработки

  • металл широко применяется в различных сферах;
  • любую заготовку можно подвергнуть обработке;
  • высокое качество обработанного металла;
  • резко снижается процент брака;
  • благодаря некоторым видам обработки, можно уменьшить вес детали, не затрагивая такие качества данной заготовки, как твердость и прочность;
  • более дешевые сорта металла можно преобразовать в наиболее качественные, а соответственно дорогие.

Принципы обработки

Основной принцип обработки: время, требуемое на обработку материала, равняется времени необходимому на ее нагрев до требуемой температуры, времени выдержки и способа охлаждения.

Параметры температуры и времени, а также способ охлаждения меняются в зависимости от характера металла. В зависимости от марки материала прописывается режим, на каждый миллиметр сечения устанавливается время. Температура тоже зависит от марки, материал может закаляться при температуре от 800 до 1200 градусов С. Выдерживается заготовка от одного часа до трех часов.

Время также зависит от таких факторов:

  • габариты заготовки;
  • тип детали;
  • оборудование, на котором данная деталь проходит процесс обработки;
  • скорость изменения механических свойств материала;
  • количество углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала.

Классификация и виды термообработки

Встречаются такие виды обработки стали:

  • термическая, заключается в температурном воздействии на характер металла;
  • термомеханическая обработка. Заключает в себя два воздействия – температурное и деформационное. Подразделяют два вида такой обработки:
    • высотемпературная, которая заключается в нагреве металла до аустенического состояния, при котором осуществляют деформацию детали, что ведет к наклепу аустенита. Благодаря этой обработке устраняется развитие отпускной хрупкости при условиях критических температур;
    • низкотемпературная, при ней производят нагрев стали до аустенического состояния, выдерживают при высокой температуре и производят охлаждение до температуры выше уровня 600 градусов. Этот способ дает высокую прочность, но не снижает хрупкость. Для этого процесса требуется очень мощное оборудование, потому что необходима большая степень деформации;
  • химико-термическая обработка. Происходит благодаря воздействию температуры и химических веществ. Основными ее параметрами являются температура нагрева и режим выдержки. Она используется для поверхностного упрочнения деталей. При этом изменяется химический состав и структура поверхностного строя.

Также подразделяются и виды обработки

Выделяют несколько типов обработки:

  • отжиг;
  • нормализация;
  • закалка;
  • обработка холодом;
  • отпуск;
  • азотирование.

Термообработка широко применяется для металлов, которые используются практически во всех отраслях – от больших станков до режущих инструментов, также такие металлы используются и в космических целях.

Отжиг

При этом процессе металл нагревается до очень высокой температуры, затем выдерживается определенное время, а затем проходит процедуру медленного охлаждения. Необходим для снижения хрупкости и повышения прочности и пластичности, для повышения уровня ударной вязкости.

Отжиг делится на два типа – 1-го рода и 2-го.

Отжиг первого рода применяется для всех металлов. Устраняет химические и физические неоднородности при температуре ниже или выше фазовых превращений, которые не определяют цели термообработки. Для этого отжига важны время, в течение которого происходит выдержка металла, и температура нагрева. Именно от них зависит результат процесса.

Виды отжига первого рода:

  • диффузионный отжиг или гомогенизация. Применяется для крупных отливок металла, с целью уменьшения склонности стали к хрупкости и слоистости, пластичности и вязкости.
    Режим, при котором производятся обработки:
    – температура нагрева составляет 1100-1200 градусов, выдержка 8 – 20 часов,
    – охлаждение производится медленно до 200-250 градусов.
    Общее время, занимаемое на этот вид обработки, составляет 50-100 часов.
  • отжиг методом рекристаллизации.
    Нагрев деформированной детали в холодном состоянии, то есть наклепанной стали, выше температуры рекристаллизации, выдержка и последующее охлаждение.
    Температура нагрева зависит от характера стали:
    – малоуглеродистая и низколегированная сталь подвергается температуре 600-700 градусов С;
    – среднелегированная сталь 750-770 градусов;
    – для высокоуглеродистых, легированных сталей температура составляет 1100-1150 градусов.
    Режим нагрева составляет от 30 минут до полутора часов. При отжиге, кроме рекристаллизации ферритом, могут протекать процессы коагуляции, то есть укрупнения, или сфероидизации – цементита, при которых сталь становится еще более пластичной.
  • низкий отжиг (отжиг, уменьшающий напряжение).
    Термическая обработка, которая заключается в нагреве деталей после механической обработки, в интервале 200-700 градусов С, с выдержкой около 2-3 часов и последующим охлаждением с целью снижения внутренних напряжений после технологических операций (шлифования, литья, сварки), например, детали станков, ходовые винты, червяки, зубчатые колеса. Для снятия сварочных напряжений: температура нагрева 650-700 градусов С.

Отжиг второго рода. К нему относится нормализиционный отжиг или нормализация, т.е. это вид отжига второго рода. Изделие нагревают до температуры 30-50 градусов С, с последующим охлаждением на воздухе. Применяют для неответственных деталей из среднеуглеродистой стали. При этом виде отжига для среднеуглеродистых сталей повышается твердость и прочность. Рекомендован для улучшения структуры перегретого металла и обрабатываемости конструкционных сталей.

Закалка

Закалка – способ термообработки, благодаря которому улучшаются механические свойства детали, такие как твердость, прочность. Также этот процесс приводит к снижению веса при сохранении твердости и прочности.

При выборе металла под закалку стоит руководствоваться тем, что температура нагрева зависит от содержания углерода. Предпочтением будут металлы с более высоким углеродистым содержанием. Нужно помнить, что для закалки не используют прокат и изделия из него с низким содержанием углерода.

Деталь при закалке нагревают до уровня температуры выше критической и затем отпускают в водную среду или масляную, в зависимости от того, какого характера деталь вы хотите получить. Также используют водные растворы солей, щелочей и кислот.

Наиболее значимыми режимами нагрева можно назвать температуру, время выдержки металла при данной температуре, скорость охлаждения.

Выделяют несколько способов закалки:

  • в одном охладителе. Используют для деталей несложной конфигурации;
  • в двух охладителях. Используют для высокоуглеродистых материалов, которые вначале подвергают быстрому охлаждению, а затем – медленному;
  • струйчатый способ. Осуществляется обрызгиванием мощной струей воды. Применяется для углеродистых деталей, диаметром до 10-12 мм, а для деталей из легированных сталей до 20-30 мм;
  • изотермический способ, при этом способе необходимо выдерживать деталь в закалочной среде до завершения изотермического превращения аустенита. Используют для деталей, склонных к короблению и образованию трещин;
  • ступенчатый. При этом процессе деталь остывает в закалочной среде, приобретая температуру ванны, в которой охлаждается. Окончательное охлаждение осуществляют медленно.

Для каждой стали подходит определенная среда. Воду используют для углеродистых сталей. В масле охлаждают легированную сталь и высокоуглеродистую при тонких сечениях.

Преимущество воды в том, что она быстро охлаждает и придает твердость металлу. Недостаток воды в том, что она создает опасность возникновения трещин. Добавление к воде солей, щелочей и кислот увеличивают закаливаемую способность.

Преимущество масла в том, что оно охлаждает медленно и придает пластичность. Недостаток масла: легкая воспламеняемость, может подгорать к поверхностям детали. Повышает вязкость, густеет при высоких температурах. Понижается закаливающая способность.

Способы охлаждения могут по-разному влиять на закалку стали:

  • в одном охладителе деталь приобретает напряжения, которые могут привести к короблению, а если они превысят предел прочности, то могут образоваться трещины. Поэтому при этом способе применяют подстуживание;
  • в двух охладителях напряжение уменьшается, что не приводит к короблению и трещинам;
  • при ступенчатом охлаждении достигается наибольшая степень твердости без структурных и термических напряжений;
  • при изотермическом способе деталь получает структуру бейнита с твердость 45-55 HRC, имеющую достаточную вязкость.

Важно: к мало и среднеуглеродистой стали ступенчатый и изотермический способы не подходят.

Отпуск

Это термическая обработка деталей, прошедших закалку. Отпуск заключается в ослаблении напряжений. С понижением напряжения снижается твердость материала, зато растет пластичность и вязкость.

Процесс отпуска выглядит так: деталь после закалки снова нагревают в печи, но при низких температурах от 150 до 650 градусов С. Затем происходит охлаждение на воздухе.

Существует три вида отпуска:

  • низкий отпуск. Нагрев производится до температуры не выше 250 градусов С, затем следуют выдержка и последующее охлаждение. При этом процессе частично снимается напряжение, твердость практически не снижается, повышаются ударная вязкость и пластичность. Используется для режущего и измерительного инструмента;
  • средний. Нагрев допускается до температуры 350-450 градусов С. Используют для пружин, рессор, зубил. Твердость при этом процессе значительно снижается, но повышается упругость;
  • высокий. Нагрев производят до 450-650 градусов С. Твердость снижается, но повышается прочность, пластичность и вязкость. Этой операции подвергают шатуны, коленчатые валы.
Азотирование

При температуре 530 градусов С детали томятся в течение 30 часов. Туда подается аммиак, и происходит химическая реакция, благодаря которой деталь на своей поверхности приобретает твердую оболочку.

Криогенная обработка или обработка металлов с помощью очень низкой температуры.

Детали промораживают, обработка происходит в криогенной установке с температурой до минус 196 градусов С. Затем детали должны постоять, вернуться к температуре цеха и отправиться на отпуск. Все это нужно для изменения фасц: в структуре металла создается напряжение, которое приводит металл к увеличению механических свойств или их ослаблению.

Цены на термообработку

Зависит от многих параметров:

  • при отжиге цена зависит от температуры, получаемой в печи, времени, затраченного на весь процесс, а также использованной технологии;
  • при закалке большое влияние на стоимость имеет способ закалки, а также то, какие составы применяются для процедуры;
  • при отпуске деталей нужно ускорить процесс охлаждения в два раза, что также оказывает влияние на стоимость.

Здесь приведены только некоторые примеры. В целом стоимость зависит от скорости охлаждения, режима, температуры, состава охлаждения, технологии термообработки.

температура, режимы, технология, твердость стали после закалки

Для придания стали определенных эксплуатационных качеств на протяжении многих десятилетий проводится термообработка. Сегодня, как и несколько столетий назад, закалка стали предусматривает нагрев металла и его последующее охлаждение в определенной среде. Температура нагрева стали под закалку должна быть выбрана в соответствии с составом металла и механическими свойствами, которые нужно получить. Допущенные ошибки при выборе режимов закалки приведут к повышению хрупкости структуры или мягкости поверхностного слоя. Именно поэтому рассмотрим способы закалки стали, особенности применяемых технологий, а также многие другие моменты.

Закалка стали

Какой бывает закалка метала?

Для чего нужна закалка стали знали еще древние кузнецы. Правильно выбранная температура закалки стали позволяет изменять основные эксплуатационные характеристики материала, так как происходит преобразование структуры.

Закалка – термообработка стали, которая сегодня проводится для улучшения механических качеств металла. Процесс основан на перестроении атомной решетки за счет воздействия высокой температуры с последующим охлаждением.

Технология закалки стали позволяет придать недорогим сортам металла более высокие эксплуатационные качества. За счет этого снижается стоимость изготавливаемых изделий, повышается прибыльность налаженного производства.

Основные цели, которые преследуются при проведении закалки:

  1. Повышение твердости поверхностного слоя.
  2. Увеличение показателя прочности.
  3. Уменьшение пластичности до требуемого значения, что существенно повышает сопротивление на изгиб.
  4. Уменьшение веса изделий при сохранении прочности и твердости

Существуют самые различные методы закалки стали с последующим отпуском, которые существенно отличаются друг от друга. Наиболее важными режимами нагрева можно назвать:

  1. Температуру нагрева.
  2. Время, требующееся для нагрева.
  3. Время выдержки металла при заданной температуре.
  4. Скорость охлаждения.

Изменение свойств стали при закалке может проходить в зависимости от всех вышеприведенных показателей, но наиболее значимым называют температуру нагрева. От нее зависит то, как будет происходить перестроение атомной решетки. К примеру, время выдержки при закалке стали выбирается в соответствии с тем, какой прочностью и твердостью должно обладать зубчатое колесо для обеспечения длительной эксплуатации в условиях повышенного износа.

Цвета закалки стали

При рассмотрении того, какие стали подвергаются закалке стоит учитывать, что температура нагрева зависит от уровня содержания углерода и различных примесей. Единицы закалки стали представлены максимальной температурой, а также временем выдержки.

При рассмотрении данного процесса изменения основных эксплуатационных свойств следует учитывать нижеприведенные моменты:

  1. Закалка направлена на повышение твердости. Однако с увеличением твердости металл становится и более хрупким.
  2. На поверхности может образовываться слой окалины, так как потеря углерода и других примесей у поверхностных слоев больше, чем в середине. Толщина данного слоя учитывается при расчета припуска, максимальных размеров будущих деталей.

Выполняется закалка углеродистой стали с учетом того, с какой скоростью будет проходить охлаждение. При несоблюдении разработанных технологий может возникнуть ситуация, когда перестроенная атомная решетка перейдет в промежуточное состояние. Это существенно ухудшит основные качества материала. К примеру, охлаждение со слишком большой скоростью становится причиной образования трещин и различных дефектов, которые не позволяют использовать заготовку в дальнейшем.

Процесс закалки сталей предусматривает применение камерных печей, которые могут нагревать среду до температуры 800 градусов Цельсия и поддерживать ее на протяжении длительного периода. Это позволяет продлить время закалки стали и повысить качество получаемых заготовок. Некоторые стали под закалку пригодны только при условии нагрева среды до температуры 1300 градусов Цельсия, для чего проводится установка иных печей.

Отдельная технология разрабатывается для случая, когда заготовка имеет тонкие стены и грани. Представлена она поэтапным нагревом.

Полную закалку используют обычно для сталей и деталей, которые не подвержены растрескиванию или короблению.

Зачастую технология поэтапного нагрева предусматривает достижение температуры 500 градусов Цельсия на первом этапе, после чего выдерживается определенный промежуток времени для обеспечения равномерности нагрева и проводится повышение температуры до критического значения. Холодная закалка стали не приводит к перестроению всей атомной сетки, что определяет только несущественное увеличение эксплуатационных характеристик.

Как ранее было отмечено, есть различные виды закалки стали, но всегда нужно обеспечить равномерность нагрева. В ином случае перестроение атомной решетки будет проходить так, что могут появиться серьезные дефекты.

Методы предотвращения образования окалины и критического снижения концентрации углерода

Назначение закалки стали проводится с учетом того, какими качествами должна обладать деталь. Процесс перестроения атомной сетки связан с большими рисками появления различных дефектов, что учитывается на этапе разработки технологического процесса.

Даже наиболее распространенные методы, к примеру, закалка стали в воде, характерно появления окалины или существенного повышения хрупкости структуры при снижении концентрации углерода. В некоторых случаях закалка стали проводится уже после финишной обработки, что не позволяет устранить даже мелкие дефекты. Именно поэтому были разработаны технологии, которые снижают вероятность появления окалины или трещин. Примером можно назвать технологию, когда закалка стали проходит в среде защитного газа. Однако сложные способы закалки стали существенно повышают стоимость проведения процедуры, так как газовая среда достигается при установке печей с высокой степенью герметичности.

Более простая технология, при которой проводится закалка углеродистой стали, предусматривает применение чугунной стружки или отработанного карбюризатора. В данном случае сталь под закалку помещают в емкость, заполненную рассматриваемыми материалами, после чего только проводится нагрев. Температура закалки несущественно корректируется с учетом созданной оболочки из стружки. Технология предусматривает обмазывание емкости снаружи глиной для того, чтобы избежать попадание кислорода, из-за чего начинается процесс окислений.

Температура нагрева стали при термообработке

Как ранее было отмечено, термообработка предусматривает и охлаждение сталей, для чего может использоваться не только водяная, но, к примеру, и соляная ванная. При использовании кислот в качестве охлаждающей жидкости одним из требований является периодическое раскисление сталей. Данный процесс позволяет исключить вероятность снижения показателя концентрации углерода в поверхностном слое. Чтобы провести процесс раскисления используется борная кислота или древесный уголь. Также не стоит забывать о том, что процесс раскисления сталей приводит к появлению пламя на заготовки во время ее опускания в ванную. Поэтому при закалке, закалкой сталей с применением соляных ванн следует соблюдать разработанную технику безопасности.

Рассматривая данные методы термической обработки с последующим охлаждением следует отметить, что они существенно повышают себестоимость заготовки. Однако сегодня охлаждение в воде или закалка при заполнении камеры кислородом не позволяют повысить показатели свойств стали без появления дефектов.

Закалка стали — технологический процесс

Процедура охлаждения

Рассматривая все виды закалки стали стоит учитывать, что не только температура нагрева оказывает сильное воздействие на структуру, но и время выдержки, а также процедура охлаждения. На протяжении многих лет для охлаждения сталей использовали обычную воду, в составе которой нет большого количества примесей. Стоит учитывать, что примеси в воде не позволяют провести полную закалку с соблюдением скорости охлаждения. Оптимальной температурой воды, используемой для охлаждения закалённой детали, считают показатель 30 градусов Цельсия. Однако стоит учитывать, что жидкость подвергается нагреву при опускании раскаленных заготовок. Холодная проточная вода не может использоваться при охлаждении.

Обычно используют воду при охлаждении для получения не ответственных деталей. Это связано с тем, что изменение атомной сетки в данном случае обычно приводят к короблению и появлению трещин. Закаливание с последующим охлаждением в воде проводят в нижеприведенных случаях:

  1. При цементировании металла.
  2. При поверхностной закалке.
  3. При простой форме заготовки.

Детали после финишной обработки подобным образом не охлаждаются.

Для придания нужной твердости заготовкам сложной формы используют охлаждающую жидкость, состоящую из каустической соды, нагреваемой до температуры 60 градусов Цельсия. Стоит учитывать, что закаленное железо при использовании данной охлаждающей жидкости приобретает более светлый оттенок. Специалисты уделяют внимание важности соблюдения техники безопасности, так как могут выделяться токсичные вещества при нагреве рассматриваемых веществ.

Процесс закалки стали

Тонкостенные детали также подвергаются термической обработке. Закалочное воздействие с последующим неправильным охлаждением приведет к тому, что концентрация углерода снизиться до критических значений. Выходом из сложившейся ситуации становится использование минеральных масел в качестве охлаждающей среды. Используют их по причине того, что масло способствует равномерному охлаждению. Однако попадание воды в состав масла становится причиной появления трещин. Поэтому заготовки должны подвергаться охлаждению при использовании масла с соблюдением мер безопасности.

Рассматривая назначение минеральных масел в качестве охлаждающей жидкости следует учитывать и некоторые недостатки этого метода:

  1. Соблюдая режимы нагрева можно создать ситуацию, когда раскаленная заготовка контактирует с маслом, что приводит к выделению вредных веществ.
  2. В определенном интервале воздействия высокой температуры масло может загореться.
  3. Подобный метод охлаждения позволяет выдержать требуемую твердость, измеряемую в определенных единицах, а также избежать появления трещин в структуре, но на поверхности остается налет, удаление которого также создает весьма большое количество проблем.
  4. Само масло со временем теряет свои свойства, а его стоимость довольно велика.

Какие именно жидкости используют для охлаждения стали?

Вышеприведенная информация определяет то, что жидкость и режим охлаждения выбираются в зависимости от формы, размеров заготовки, а также того, насколько качественной должна быть поверхность после закалки.  Комбинированным методом охлаждения называется процесс применения нескольких охлаждающих жидкостей. Примером можно назвать закалку детали сложной формы, когда сначала охлаждение проходит в воде, а потом масляной ванне. В этом случае учитывается то, до какой температуры на каком этапе охлаждается металл.

Закалка стали – виды термообработки металла

 

Знание об изменениях металла под воздействием высоких температур легло в основу кузнечного дела. Сейчас научно установлено, что закалка металла путем нагревания и последующего охлаждения улучшает рабочие качества изделий, увеличивает прочность и срок службы. При этом уменьшается их вес и себестоимость: качественную вещь можно создать из недорогого сплава.

Виды закаливания стали

Суть стальной закалки – в нагревании металла до нужных температур и дальнейшем охлаждении. Металл в результате термообработки становится твердым и прочным, и при этом менее пластичным.

Есть разные виды закалки стали и дальнейшего отпуска. Выбранный режим зависит от состава металла, требующейся прочности и правил охлаждения. Наиболее часто используемые типы закаливания:

Виды термической обработки стали

  • в одной среде;
  • ступенчатое;
  • изотермическое;
  • светлое;
  • с самоотпуском.

Суть первого из них состоит в том, что стальную деталь погружают в жидкость и оставляют до окончательного охлаждения. При ступенчатой закалке изделие помещают сначала в соляную среду, а потом в масло, либо остужают на воздухе. Изотермическая закалка стали проходит аналогично ступенчатой. Но процесс нагрева длится дольше. Два последних способа гарантируют, что металл не покоробится и не потрескается.

Светлая закалка ведется в специально оснащенных печах с защитной средой для достижения чистой и ясной поверхности. Суть закалки с самоотпуском в том, что детали не держат до полного охлаждения. Их вынимают из охлаждающей жидкости раньше стандартного времени. Отпуск проходит за счет тепла, оставшегося в центре слоя металла. После этого предмет окончательно охлаждают в жидкости для закалки.

Иногда деталям из металла требуется лишь поверхностная закалка. Ее проводят плазменным, лазерным методом, токами высокой частоты и другими менее популярными способами.

Температурные режимы при закалке металла

Качественная термообработка металлов требует соблюдения правильных режимов температур. Зависят они от состава стального сплава. Существуют цветовые таблицы, подсказывающие, как правильно нагревать или охлаждать стальную деталь в зависимости от марки. Большинство сталей достигают нужных характеристик при равномерном прогреве до 780–850 °C и быстром охлаждении до температуры 300–450 °C. После этого идет медленное охлаждение до нормальной температуры.

Как определить температуру отпуска (побежалости) металла на глаз

Нагревание металла свыше уровня рекристаллизации сделает изделие хрупким. Металл потрескается за счет изменения структуры до крупной зернистости.

Иногда для снятия напряжения после нагрева охлаждение проводят постепенно. Такой способ термообработки металлов не только сохранит его лучшие качества, но и увеличит твердость.

Выбор среды для охлаждения

Закаливание сталей регламентирует и правила охлаждения изделия из металла. Так, излишняя скорость охлаждения может привести к серьезному внутреннему напряжению металла и последующему растрескиванию, короблению. Во избежание подобных проблем раскаленный предмет опускают в масляную среду. Но охлаждение углеродистых сталей возможно лишь в воде. Иногда проводят двойное охлаждение – в масле и воде либо ступенчатым способом. Снизить температуру водой можно, опустив в нее деталь, или струйным способом.

На качество закалки металла влияет не только среда, но и способ погружения:

Тип изделияСпособ погружения
ЦельнометаллическиеОдномоментный
Имеющие утолщения и тонкие частиДвухфазный: вначале опускают толстую часть, потом – тонкую
Вытянутой формыВертикальный

Если не соблюдать эти условия, предметы из металла могут покоробиться.

Если нужно закалить только часть изделия, используется местная закалка стали. Деталь раскаляют не полностью, а только нужный отдел. Но в среду для охлаждения ее помещают целиком.

Немаловажным фактором является и скорость охлаждения. Она должна быть не менее 150 °C за секунду. За три секунды раскаленный металл обязан охладиться в среднем до 300 °C. Так его структура не разрушится. Далее процесс охлаждения может идти с любой скоростью. Чересчур быстрое охлаждение металла также неприемлемо – он станет излишне хрупким.

Предупреждение обезуглероживания и появления окалины

Закалка большинства изделий из металла проводится после окончательной обработки. Образование окалины либо обезуглероживание недопустимо – эти недостатки будет уже не исправить. Чтобы их избежать, применяют особые методы закалки стали. Для этого используются:

Поверхностное насыщение стали защитным газом

  • защитная газовая среда;
  • отработанный карбюризатор и чугунная стружка;
  • раскислители для соляных ванн.

Защитный газ можно нагнетать только в герметичную печь. Стружку и карбюризатор насыпают на поверхность металла, а затем предмет помещают в герметичный контейнер, дно которого покрыто этими же компонентами. Чтобы не просочилась даже малая толика воздуха (это вызовет окисление), контейнер нужно обмазать глиной.

Если нагревание металла идет в соляной среде, ее надо раскислять. Этот процесс должен проходить за смену не реже двух раз. Иначе поверхность металла может быть обезуглерожена либо на ней появится окисел. Чтобы раскислить соляную среду, применяют:

  • бурую соль;
  • борную кислоту;
  • древесный уголь.

Последний компонент нужно опустить в особую емкость с крышкой. В ее стенках сделано большое количество отверстий. Когда стакан с древесным углем аккуратно опускают в соляную среду, ее поверхность воспламеняется. Огонь быстро затухнет, но действовать нужно очень осторожно, чтобы избежать пожара.

Проверяют качество раскисляющего процесса следующим способом:

  1. Нагревают бритвенное лезвие из нержавейки в этой среде на протяжении пяти минут.
  2. Затем его достают и опускают для охлаждения в простую воду.
  3. Холодное лезвие проверяют на ломкость. Если оно переломилось, а не согнулось, раскисление было выполнено правильно.

Применение кальциевого сплава для окончательного раскисления

Закалка металла в домашних условиях

Закаливание сталей, включая нержавеющие, реально провести дома самостоятельно, без использования сложного оборудования. Это делают для придания прочности стальным предметам быта. Для нагрева инструментов применяют электрические и газовые плиты, духовые шкафы, печи, раскаленный песок.

Закалка бытового инструмента

Процесс закалки стали требует внимательного отслеживания, особенно если он проводится в домашних условиях. Нагрев бытового инструмента, кроме ножей, не должен превышать 780 °C. Металл при этом принимает бордовый оттенок.

Можно вычислить допустимую температуру и при помощи магнита. Если металл к нему не «приклеивается», значит, температура достигла 768 °C, можно проводить охлаждение.

Перед закалкой инструмент нужно хорошо очистить от ржавчины и масляных пятен, а острые края, например, у топора, слегка затупить. Дальнейшая последовательность действий с инструментом из металла такова:

Как провести закалку инструментов из стали

  1. Нагреть до темно-красного цвета в несколько подходов.
  2. Опустить в масло для охлаждения.
  3. Направить в духовку, прогретую до 200 °C.

В духовом шкафу потихоньку снижают температуру до 80 °C. Все это займет приблизительно час. Затем инструмент держат на открытом воздухе.

Метод медленного охлаждения не подойдет для хромоникелевых сплавов – изделие станет хрупким. Такие предметы охлаждают в масляной ванне.

Повышение твердости клинка

Недостаточно крепкому клинку ножа можно придать твердость путем закалки в печи или духовке. Перед этим пластиковую либо деревянную ручку требуется снять и поместить лезвие в холодную печь. Затем нужно:

  1. Нагреть печь до 900 °C (клинок станет ярко-алым).
  2. Порезать горячим лезвием сургуч 10 раз.
  3. Сделать 5 циклов нагрева и охлаждения в сургуче.

Таблица температур закалки быстрорежущих инструментальных сталей

Погружать клинок в сургуч нужно на полтора сантиметра в глубину. Смоченным в скипидаре лоскутом снимают остатки охладителя. Если печь стоит не на улице, а в помещении, нужна хорошая вентиляция – при нагревании сургуч издает отвратительный запах. Чтобы избежать этого, процесс можно проделать на свежем воздухе, распалив костер.

Если изучить поведение металла при термообработке, в домашних условиях можно придать твердость и крепость даже не очень качественным стальным инструментам небольших размеров.

Самое важное в процессе закалки стали – полностью соблюдать технологические правила. Любые ошибки и неточности приведут к порче металла. Но если следовать технологии, закалить металл несложно даже в домашних условиях.

Видео по теме: Термообработка, отпуск, отжиг, нормализация, побежалость

Что такое закалка на воздухе? | J.F. Heat Treating Inc

Закалка на воздухе – важная часть процесса производства металла, но не все знакомы с этим термином. Если вам нужно закалить и закалить в Гастонии, Северная Каролина, важно узнать об этом методе.

Ниже приводится краткий обзор закалки на воздухе. Если у вас есть дополнительные вопросы, не стесняйтесь обращаться к специалистам по металлу в J.F. Heat Treating Inc.

Что такое закалка на воздухе?

Закалка на воздухе – это процесс охлаждения металла воздухом или инертным газом.Этот процесс быстрого охлаждения происходит после нагрева металла для достижения желаемых свойств. Воздух или газ пропускают через металл, чтобы охладить материал.

Есть ли другие методы закалки?

В процессе нагрева обычно используется один из двух методов закалки металла. Помимо закалки на воздухе, закалка в жидкости является эффективным способом охлаждения металла. В этом методе для охлаждения материала используются химические вещества или другие жидкости, такие как рассол, масло или вода. Металл помещают в охлаждающую ванну с веществом, или вещество нагнетают по металлу, чтобы охладить его.Этот метод также называют закалкой в ​​масле.

Почему так важна закалка на воздухе?

Закалка и отпуск в Гастонии, Северная Каролина, необходимы для изменения свойств металла. Это необходимо для упрочнения и упрочнения металлов, чтобы сделать их достаточно прочными для работы в тяжелых условиях. Процесс отпуска и закалки изменяет основную структуру металла, делая его прочным и надежным.

Когда используется закалка на воздухе?

Закалка на воздухе используется во многих областях.Во многих производственных и промышленных ситуациях требуется закалка на воздухе. Алюминий и другие сплавы часто подвергаются закалке на воздухе, чтобы металл соответствовал конкретным конструкциям. Строительная промышленность часто использует этот метод для создания материалов, необходимых для конкретных проектов.

Есть ли преимущества закалки на воздухе?

Да. Использование этого метода дает техническим специалистам возможность затвердевать материалы с разной скоростью. Это часто бывает необходимо, поскольку для различных применений требуются разные уровни твердости используемых металлов.Кроме того, закалка на воздухе позволяет техническим специалистам создавать прочные и долговечные металлы. Без этих материалов производители не смогли бы создавать многие продукты и конструкции, которые нас окружают каждый день.

Кто имеет право выполнять закалку на воздухе?

Закалка на воздухе и закалка в жидкости требуют надлежащих знаний свойств металла, процессов охлаждения и производства металла. Только обученные техники должны пробовать эти методы. Обладая необходимыми знаниями и навыками, эти обученные техники могут произвести необходимую твердость, чтобы превратить металл в желаемый продукт.

Узнать больше

Если у вас есть дополнительные вопросы о том, как закаливать и отпускать в Гастонии, Северная Каролина, свяжитесь с командой JF Heat Treating Inc. Семья, которой владеют и управляют, мы являемся постоянным поставщиком услуг по термообработке металла в этом районе с 1980 года. Мы специализируются на закалке и карбонизации различных стальных изделий в металлургической лаборатории. Наши услуги по термообработке включают отжиг, старение, закалку и отпуск для размягчения, упрочнения, снятия напряжения, удаления загрязнений или придания деталям и компонентам других характеристик материала.Для нас большая честь работать с производителями и производителями, чтобы поставлять лучшие доступные продукты.

Как закалка упрочняет сталь в металлообработке

Закалка – это быстрый способ вернуть металл к комнатной температуре после термообработки, чтобы предотвратить резкое изменение микроструктуры металла в процессе охлаждения. Металлисты делают это, помещая горячий металл в жидкость или иногда с принудительным воздухом. Выбор жидкости или нагнетаемого воздуха называется средой.

Как выполняется тушение

Обычные среды для закалки включают полимеры специального назначения, принудительную конвекцию воздуха, пресную воду, соленую воду и масло. Вода – эффективная среда, когда цель – добиться максимальной твердости стали. Однако использование воды может привести к растрескиванию или деформации металла.

Если особая жесткость не требуется, вместо этого в процессе закалки можно использовать минеральное масло, китовый жир или хлопковое масло. Процесс закалки может показаться драматичным для тех, кто с ним не знаком.По мере того, как слесари переносят горячий металл в выбранную среду, пар поднимается от металла в большом объеме.

Влияние скорости закалки

Более медленные скорости закалки дают термодинамическим силам больше возможностей для изменения микроструктуры, и это часто может быть плохо, если это изменение микроструктуры ослабляет металл. Иногда этот результат является предпочтительным, поэтому для закалки используются разные среды. Масло, например, имеет скорость закалки намного ниже, чем вода.Закалка в жидкой среде требует перемешивания жидкости вокруг куска металла, чтобы уменьшить количество пара с поверхности. Пузырьки пара могут препятствовать процессу закалки, поэтому их необходимо избегать.

Почему проводится закалка

Часто применяемая для закалки сталей закалка в воде от температуры выше аустенитной температуры приводит к тому, что углерод застревает внутри аустенитной планки. Это приводит к твердой и хрупкой мартенситной стадии. Аустенит относится к сплавам железа на основе гамма-железа, а мартенсит – это твердый тип кристаллической структуры стали.

Мартенсит из закаленной стали очень хрупок и подвержен нагрузкам. В результате закаленная сталь обычно проходит процесс отпуска. Это включает повторный нагрев металла до температуры ниже критической точки с последующим охлаждением на воздухе.

Обычно сталь впоследствии подвергают отпуску в масляных, соляных, свинцовых ваннах или печах с циркуляцией воздуха вентиляторами для восстановления некоторой пластичности (способности выдерживать растягивающее напряжение) и ударной вязкости, потерянных в результате преобразования в мартенсит.После отпуска металл охлаждается быстро, медленно или совсем не охлаждается, в зависимости от обстоятельств, особенно от того, подвержен ли рассматриваемый металл хрупкости после отпуска.

Помимо температур мартенсита и аустенита, термическая обработка металла включает температуры феррита, перлита, цементита и бейнита. Преобразование дельта-феррита происходит, когда железо нагревается до высокотемпературной формы железа. По данным Института сварки в Великобритании, он образуется «при охлаждении низких концентраций углерода в сплавах железа с углеродом из жидкого состояния перед превращением в аустенит.”

Перлит образуется в процессе медленного охлаждения сплавов железа. Бейнит бывает двух видов: верхний и нижний бейнит. Его получают при более низких скоростях охлаждения, чем образование мартенсита, но при более высоких скоростях охлаждения, чем феррит и перлит.

Закалка предотвращает распад стали с аустенита на феррит и цементит. Цель состоит в том, чтобы сталь достигла мартенситной фазы.

Различные закалочные среды

Каждая среда, доступная для процесса закалки, имеет свои преимущества и недостатки, и слесарям решать, что лучше всего подходит для конкретной работы.Вот некоторые из вариантов:

Каустика

К ним относятся вода, соленая вода разной концентрации и сода. Это самые быстрые способы охлаждения металлов в процессе закалки. Помимо возможного деформации металла, при использовании каустической соды необходимо соблюдать меры предосторожности, так как они могут быть вредными для кожи или глаз.

Масла

Это, как правило, самый популярный метод, потому что некоторые масла все еще могут быстро охлаждать металлы, но без такого же риска, как вода или другие щелочи.Однако масла сопряжены с риском, потому что они легковоспламеняющиеся. Поэтому слесарям важно знать пределы используемых масел с точки зрения температуры и веса груза, чтобы избежать пожаров.

Газы

Хотя нагнетаемый воздух является обычным явлением, азот – еще один популярный вариант. Газы часто используются для обработки готовых металлов, например инструментов. Регулируя давление и воздействие газов, можно контролировать скорость охлаждения.

Гибкий металлический прототип системы охлаждения демонстрирует исключительную эффективность

Немецкая группа исследователей создала прототип необычной системы нагрева / охлаждения, которая нагружает и разгружает никель-титановые «мышечные провода» для создания нагретого и охлажденного воздуха с эффективностью в два или три раза выше, чем у теплового насоса. эффективность кондиционера.Важно отметить, что устройство также не использует газообразные хладагенты, а это означает, что это гораздо более экологически чистый способ обогрева или охлаждения помещения.

Устройство основано на особом свойстве некоторых металлических сплавов с памятью формы, которые возвращаются в форму после деформации. В некоторых случаях, особенно в случае никель-титана, также известного как нитинол, эти металлы поглощают значительное количество тепла, когда они изгибаются, а затем выделяют это тепло, когда им позволяют вернуться к своей нормальной форме.Разница между нагруженной проволокой и выпущенной проволокой может достигать 20 ° C (36 ° F).

Таким образом, охлаждающее устройство имеет довольно простую концепцию. В нем используется вращающийся цилиндр, покрытый жгутом нитиноловой проволоки. Провода нагружаются, когда проходят через одну сторону, высасывая тепло из воздуха и накапливая его. Затем, когда они вращаются мимо другой стороны, им позволяют вернуться в форму, отводя тепло на вторую сторону. Воздух проходит через камеры с каждой стороны, давая вам одну подачу нагретого воздуха и другую подачу холодного воздуха.

Команда Саарландского университета экспериментировала с устройством, чтобы определить оптимальную сходимость нагрузки проволоки, скорости вращения и количества проводов в пучке, чтобы создать максимально возможную разницу в тепле между двумя сторонами при заданном вводе энергии. .

И результаты кажутся очень впечатляющими. Команда Саарландского университета утверждает, что «мощность нагрева или охлаждения системы до 30 раз превышает механическую мощность, необходимую для загрузки и разгрузки связок проволоки из сплава», в зависимости от типа используемого сплава.Они говорят, что благодаря этому их новая система более чем в два раза лучше обычного теплового насоса и в три раза лучше обычного холодильника.

«Наша новая технология также безвредна для окружающей среды и не наносит вреда климату, поскольку в механизме теплопередачи не используются жидкости или пары», – говорит профессор Стефан Зелеке, председатель университета интеллектуальных металлических систем. «Таким образом, воздух в системе кондиционирования можно охлаждать напрямую, без использования промежуточного теплообменника, и нам не нужно использовать герметичные трубопроводы высокого давления.«

Аспиранты Феликс Велш и Сюзанна Мари Кирш с первой машиной, которая охлаждает воздух с помощью никель-титановых мышц

Оливер Дитце

Идея достижения эффекта охлаждения или нагрева воздуха путем простого сгибания и разгибания маленьких металлических кусочков кажется странной. А как насчет усталости металла? Как долго эти легированные проволоки прослужат в этих условиях с переменной температурой, прежде чем они станут хрупкими и сломаются?

Ну, это та область, в которой нитинол сильно отличается от других металлов.Действительно, он наиболее известен тем, что используется в медицинских устройствах, особенно в имплантируемых, таких как стенты, где его замечательная гибкость позволяет стенту сгибаться, раздавливаться, растягиваться и скручиваться вместе с артерией при движении тела.

Verdict Medical Devices резюмировал усталостные свойства нитинола следующим образом: «Это, безусловно, самый стойкий металл, известный в условиях усталости с высокой амплитудой, управляемой деформацией. В некоторых областях … нитинол используется исключительно из-за его исключительной усталостной прочности».

Охлаждающее устройство, описанное выше, похоже, соответствует описанию высокоамплитудного приложения с контролируемой деформацией.Но, конечно же, исследователи или будущая коммерческая команда должны будут продемонстрировать, как долго вы можете рассчитывать на работу кондиционера с обратным циклом на нитиноле.

Это, безусловно, выглядит как захватывающая технология, позволяющая снизить потребление энергии при нагреве / охлаждении, а также исключить газообразные хладагенты.

Источник: Саарский университет

Инженеры разрабатывают холодильник будущего – ScienceDaily

Охлаждение – чрезвычайно важный процесс в современном мире.Но как в будущем обеспечить охлаждение, чтобы не нанести вреда климату и сохранить природные ресурсы? Подход, принятый профессорами Стефаном Зелеке и Андреасом Шютце из Саарландского университета, сосредоточен на системах, в которых используются материалы с памятью формы, также известные как «металлические мышцы» или «искусственные мышцы». Работая вместе с исследователями из Бохума, они разрабатывают новый метод охлаждения, при котором тепло и холод передаются с помощью «мускулов» из никель-титанового сплава.Обширная серия испытаний дала результаты, которые в настоящее время используются для разработки прототипа охлаждающего контура, который будет использоваться для дальнейшего повышения эффективности процесса. Немецкий исследовательский фонд (DFG), который финансировал проект в течение последних трех лет, согласился инвестировать еще 500 000 евро. В общей сложности проект принес региону около 950 000 евро.

Охлаждение осуществляется во всех частях света. Холодильники работают круглосуточно, кондиционеры охлаждают офисы, системы охлаждения помогают поддерживать бесперебойную работу компьютеров и двигателей.Спрос на охлаждение обусловлен как изменением климата, так и ростом мирового населения. Но большее количество систем охлаждения имеет свою цену – и не только финансовую. Повышенное охлаждение означает повышенное потребление электроэнергии и, следовательно, более высокие выбросы парниковых газов в атмосферу, что еще больше ускоряет глобальное потепление. Более экологически безопасный метод охлаждения был разработан исследовательскими группами под руководством инженеров Стефана Зелеке и Андреаса Шютце совместно с учеными-материаловедами Гюнтером Эггелером и Яном Френцелем из Рурского университета в Бохуме.Процесс охлаждения, который они разрабатывают, не требует вредных для климата хладагентов и должен потреблять меньше энергии, чем традиционные технологии охлаждения, используемые до сих пор.

«В наших системах сплавы с памятью формы (SMA) используются для отвода тепла», – объясняет Стефан Зелеке, профессор интеллектуальных систем материалов в Саарландском университете. «Память формы» означает, что проволока или листы из никель-титанового сплава обладают определенной способностью запоминать свою первоначальную форму: если они подвергаются деформации, они возвращаются к своей прежней форме.Таким образом, они могут напрягаться и сгибаться, как мышцы. Тот факт, что они при этом поглощают и выделяют тепло, – это то, что мы используем для достижения охлаждения », – объясняет Зелеке.

Если никель-титановая проволока или лист деформируются или растягиваются, структура кристаллической решетки может измениться, создавая напряжение в материале. Это изменение кристаллической структуры, известное как фазовый переход, вызывает нагревание сплава с памятью формы. Если напряженному образцу дать расслабиться после выравнивания температуры с окружающей средой, он подвергнется существенному охлаждению до температуры примерно на 20 градусов ниже температуры окружающей среды.«Основная идея заключалась в том, чтобы отвести тепло из пространства – например, изнутри холодильника – за счет того, что предварительно напряженный сверхэластичный материал с памятью формы расслабился и, таким образом, значительно охладился. Тепло, поглощаемое в этом процессе, затем передается в окружающую среду. Затем SMA повторно нагружается в окружающей среде, тем самым повышая ее температуру, прежде чем цикл начнется снова », – объясняет Зелеке.

В проведенных экспериментальных и модельных исследованиях исследователи из Саарландского университета и Центра мехатроники и технологий автоматизации (ZeMA) в Саарбрюккене продемонстрировали, что этот тип охлаждения работает и может быть использован на практике.Они использовали модельную систему, чтобы определить, как оптимизировать эффективность процесса охлаждения, исследуя такие факторы, как то, насколько сильно материал должен быть удлинен или изогнут, чтобы достичь определенной эффективности охлаждения, или является ли процесс более эффективным при его проведении. медленно или быстрее. Была развернута тепловизионная камера, чтобы точно проанализировать, как протекают стадии нагрева и охлаждения.

«В настоящее время мы используем эти результаты для создания оптимизированного прототипа системы воздушного охлаждения.Мы создаем цикл охлаждения, в котором горячий воздух проходит через одну сторону вращающегося пучка проволок с памятью формы. Для увеличения охлаждающей способности используется несколько проводов. При вращении жгут испытывает механическое напряжение с одной стороны, нагревая, таким образом, провода SMA, поскольку при дальнейшем вращении SMA расслабляется и охлаждается. Охлаждаемый воздух проходит мимо пучка холодных проводов, охлаждая, таким образом, прилегающее пространство », – говорит профессор Шютце из лаборатории измерительных технологий Университета. Команда инженеров в настоящее время настраивает процесс, чтобы оптимизировать его эффективность.«Дальнейшая оптимизация процесса охлаждения будет включать моделирование всех стадий компонентов, а затем уточнение этих моделей путем сравнения прогнозов с экспериментальными результатами. Данные моделирования и экспериментальной работы должны позволить нам определить идеальное количество проволок с памятью формы для нашего вращающегося пучка проволоки, а также оптимальную скорость вращения », – поясняет Шютце.

История Источник:

Материалы предоставлены Саарским университетом . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Усилители воздушного потока сокращают время охлаждения

Обзор компании

Недавно мы имели возможность работать с крупным производителем и поставщиком штампованных и чистовых деталей. В основном известные своим производством автомобильных запчастей, они предоставляют широкий спектр промышленного оборудования для нескольких отраслей по всему миру, включая сельское хозяйство, судостроение, мотоциклы, энергию ветра и солнца, производство аккумуляторов и многое другое.

Вызов

Инженер-технолог на одном из предприятий в США связался с Vortec с вопросами о возможных решениях по охлаждению для их автомобильной линии. Они работали с нержавеющей сталью типа 409, сваренной роботом. Прежде чем эти детали можно будет перейти на следующие этапы производства, формовки торцов и испытаний на герметичность, сварные детали необходимо охладить. Детали размером 3-1 / 4 “x 8” и весом 2 фунта необходимо охладить от более чем 500 ° F до 100 ° F.Если эти металлические детали не охлаждаются достаточно быстро или до достаточно низкой температуры, очень горячие детали могут повредить калибровочный инструмент и машины для проверки герметичности на следующем этапе производства.

После роботизированной сварки горячие детали помещаются на конвейер, который продвигается в «охлаждающую камеру». Пытаясь быстро охладить стальные детали, инженер-технолог установил в охлаждающей камере вентиляторы, которые обдували детали воздухом в течение 25 секунд. Используя температурные мониторы и датчики, они смогли определить, была ли деталь охлаждена до требуемых 100 ° F после прохождения процесса охлаждения с помощью вентилятора.Если температура компонента все еще превышала 100 ° F, он автоматически отбраковывался и отключался до тех пор, пока он не мог охладиться дальше. Излишне говорить, что вентиляторы обеспечивали недостаточное охлаждение и создавали серьезное узкое место в производственном процессе.

Решение

После того, как наши прикладные инженеры пошагово рассмотрели производственный процесс, мы смогли рассчитать охлаждающую способность, необходимую для охлаждения деталей из нержавеющей стали менее чем за 25 секунд.Инженер по применению Vortec рекомендовал установить усилители воздушного потока

.

Усилители воздушного потока позволят обдувать детали большим объемом окружающего воздуха с высокой скоростью. Такая высокая скорость воздуха быстро охладит компоненты, позволяя перейти к следующему этапу производства. Инженер по применению Vortec рекомендовал, чтобы четыре усилителя воздушного потока Vortec 903 охладили детали до 100 ° F менее чем за 25 секунд.

Результат

Инженер-технолог заменил вентиляторы двумя усилителями воздушного потока и сразу заметил значительное улучшение производительности.Производителю больше не нужно было отключать детали и ждать, пока они остынут до 100 ° F. Этот коммутатор помог компании сократить время простоя, снизить затраты на техническое обслуживание и избавить компанию от головной боли. Увидев, насколько эффективны два усилителя воздушного потока 903, инженер-технолог решил установить два дополнительных усилителя воздушного потока, чтобы дополнительно сократить время охлаждения и ускорить производство.

Как это работает
Усилители воздушного потока

работают с использованием эффекта Коанда, явления, при котором струйный поток прикрепляется к ближайшей поверхности.Что делает его уникальным, так это то, что поверхность изгибается, воздушный поток остается прикрепленным к изогнутой поверхности, даже когда он отклоняется от струи.

Чтобы усилитель воздушного потока мог значительно увеличить поток воздуха, сжатый воздух объединяется с окружающим воздухом и втягивается в блок усилителя воздуха. Когда сжатый воздух соединяется с окружающим воздухом, он становится «смешанным» воздухом, который имеет гораздо более высокую скорость и силу, чем раньше. Вот почему усилителям воздушного потока требуется лишь небольшое количество сжатого воздуха для значительного увеличения воздушного потока.Эффект Коанда – это то же явление, которое позволяет самолетам создавать подъемную силу, необходимую для взлета.

Посмотрите, как работают усилители воздушного потока, нажав здесь: https://www.vortec.com/air-flow-amplifiers-convey

Дополнительную информацию о продукте можно найти здесь: https://www.vortec.com/air-amplifiers/overview

Rapid Cooling – обзор

4.3.9.2 Электронная и лазерная сварка сплава 718

Несмотря на то, что сплав 718 имеет очень хорошую свариваемость по сравнению с другими суперсплавами с усилением γ ′, одна из сохраняющихся проблем, связанных со сваркой сплав 718 представляет собой микротрещины в ЗТВ.Ликвидационные трещины (микротрещины) в ЗТВ обычно возникают из-за взаимодействия между ликвацией границ зерен и растягивающим напряжением. Микротрещины обычно возникают под шляпкой гвоздя и перпендикулярны границе сращения. Другой основной проблемой для сплава 718 является сегрегация элемента Nb и последующее образование фазы Лавеса, богатой Nb, хрупкого интерметаллического соединения, представленного как (Ni, Cr, Fe) 2 (Nb, Mo, Ti), в междендритных областях при затвердевании металла шва.Исследования показали, что образование фазы Лавеса (1) истощает основные легирующие элементы, необходимые для упрочнения, из матрицы, (2) представляет собой микроструктуру со слабыми зонами между фазой Лавеса и границей раздела матрицы, (3) действует как предпочтительные места для легкое зарождение и распространение трещин из-за присущей ей хрупкой природы и (4) ухудшает механические свойства, особенно пластичность при растяжении, вязкость разрушения, усталость и свойства разрушения при ползучести (Ram et al., 2005; Biswas et al., 2004). Поскольку образование фазы Лавеса происходит из-за сегрегации во время затвердевания сварного шва, любые усилия по минимизации образования фазы Лавеса должны быть направлены на минимизацию сегрегации. Это хорошо достигается при использовании сварочного процесса с низким подводом тепла или высокой скорости охлаждения, такого как метод LB. LB с высокой плотностью энергии отличается высокой скоростью сварки, гибкостью и простотой автоматизации. Кроме того, его низкое общее тепловложение также обеспечивает низкие искажения и минимизирует ширину FZ и HAZ (Hirose et al., 1998). Поэтому лазерная сварка очень привлекательна для сплава 718. Сообщалось, что микротрещин можно избежать даже с помощью лазера с импульсной волной малой мощности Nd: YAG (Gobbi et al., 1996; Ram et al., 2005; Li et al., 1991) и мощный CO 2 лазер (Fontana et al., 1999). Было выполнено очень мало работы с использованием мощного непрерывного твердотельного лазера на Nd: YAG для сварки сплава 718. Обычно рекомендуется (1) сваривать дисперсионно-твердые никелевые сплавы в состоянии, обработанном раствором, и (2) для дисперсионного твердения следует проводить обработку раствором после сварки и старением (Cornu et al., 1995). Поэтому некоторые интересные темы состоят в том, чтобы исследовать, можно ли использовать высокомощный Nd: YAG-лазер для уменьшения полной PWHT только до старения или для сварки материалов непосредственно в растворе и в состаренном состоянии. Такое исследование влияния условий термообработки до и после сварки на качество соединения было инициировано Cao et al., 2009. Они изучили свариваемость сплава 718 толщиной 3,18 мм с использованием непрерывной лазерной системы Nd: YAG мощностью 4 кВт и Влияние предварительной тепловой обработки и условий PWHT на качество сварки также исследовалось с точки зрения дефектов сварных швов, микроструктуры, твердости и свойств при растяжении.

Сплав 718 обычно сваривается лазером автогенно, но использование присадочной проволоки может снизить чувствительность к зазорам в стыках, устранить дефекты недозаливки и поднутрения и, следовательно, улучшить процесс сварки. Оптимизированные параметры: зазор стыка 0,3 мм, скорость сварки 3,0 м / мин и мощность лазера 4 кВт. Чтобы предотвратить окисление во время сварки, аргон (со скоростью потока 23,6 л / мин) должен быть нанесен на верхнюю часть и гелий (47,2 л / мин) на хвостовую и нижнюю поверхности соединения. Расстояние расфокусировки должно быть порядка -1.0 мм. Расстояние расфокусировки, которое относится к расстоянию перетяжки луча (фокусного пятна) от верхней поверхности заготовки, положительно выше и отрицательно под верхней поверхностью. Другие параметры, такие как параметры волокна и фокусирующей оптики, такие как диаметр волокна (0,6 мм), коллимационная линза (200 мм), фокусирующая линза (150 мм) и диаметр пятна фокусировки (0,45 мм). Присадочную проволоку из сплава 718 с номинальным диаметром 0,89 мм (0,03500) использовали под углом 30 градусов к поверхности заготовки и скорости подачи проволоки 4.5 м / мин. Скорость подачи присадочной проволоки рассчитывается по принципу постоянства объемного расхода. Образцы подвергались термообработке на твердый раствор при 993 ° C в течение 1 ч, а затем закалке в аргон, при этом процесс старения сварных соединений проводился, как описано ранее. Обработка раствора после сварки рассматривалась как возможная альтернатива для преодоления проблем, связанных с сегрегацией ниобия и образованием фазы Лавеса. Однако это соображение практически ограничило температуру обработки раствором приблизительно до 995 ° C, что является температурой сольвуса ромбического Ni . 3 Nb дельта-фаза (температура осаждения для дельта-фазы колеблется от 860 ° C до 995 ° C), чтобы избежать нежелательного укрупнения зерна при более высоких температурах раствора.На основании результатов было доказано, что поглощающая способность сплава 718 в отношении предварительной термообработки (обработка на раствор или обработка на раствор и старение) не оказывала значительного влияния, как видно из фиг. 4.66.

Рисунок 4.66. Поперечные сечения сварных соединений (A) STed / As-welded, (B) STAed / As-welded, (C) STed / Aged, (D) STAed / Aged, (E) STed / STAed, (F) STAed / STAed . (Условия термообработки указаны до / после сварки.) STAed , Обработка раствора и старение; СТед , раствор обработанный.

В ФЗ макротрещин и микротрещин не наблюдалось. Однако в ЗТВ часто наблюдаются ликвационные микротрещины, как показано на рис. 4.67 и 4.68. Сообщалось, что микротрещин можно избежать, используя лазер Nd: YAG с импульсной волной малой мощности (Gobbi et al., 1996; Ram et al., 2005; Li et al., 1991) и мощный CO 2 лазер ( Fontana et al., 1999). Поэтому растрескивание HAZ по-прежнему является проблемой при высокомощной лазерной сварке Nd: YAG сплава Inconel 718. Ликационные трещины обычно возникают перпендикулярно линии плавления и по границам зерен в ЗТВ.Наблюдалась засыпка трещин вблизи ЗО, как показано на рис. 4.68. Они в основном наблюдаются под областью «шляпки гвоздя» лазерных сварных швов, как и в сварных швах ЭП (Lingenfelter, 1989).

Рисунок 4.67. Микротрещины в ЗТВ. (A) STed / As-welded, (B) STAed / As-welded, (C) STed / Aged, (D) STAed / Aged, (E) STed / STAed и (F) STAed / STAed. ЗТ , Зона термического влияния; STAed , обработанный раствором и выдержанный; СТед , раствор обработанный.

Рисунок 4.68. Микрофотографии электронно-лучевых (ЭЛ) сварных швов (после сварки) в отраженных электронах. (A) неосциллируемые, (B) треугольные, (C) наклонные, (D) квадратные, (E) круглые, (F) синусоидальные, (G) эллиптические и (H) сравнительные механические свойства.

Составляющие границы зерен имеют заметно более высокое содержание Nb. Следовательно, растрескивание / расслоение границ зерен ЗТВ может быть связано с богатыми Nb компонентами на границе зерен в соответствии с опубликованными данными, относящимися к микротрещинам ЗТВ к структурной ликвидации частиц NbC на границах зерен ЗТВ (Lingenfelter, 1989).Томпсон и др. (1986) также предположили, что сегрегация элемента S на границе зерен является причиной растрескивания HAZ в сплаве 718. Также сообщалось, что сегрегация элемента B, депрессора точки плавления Ni, на границах зерен является основная причина ликвационного растрескивания в сплаве Inconel 718 (Chaturvedi, 2007). После обработки и старения сварных швов наблюдается гораздо меньшее растрескивание границ зерен (рис. 4.67E и F). Механизм остается загадочным.Дальнейшая работа необходима, чтобы прояснить это в будущем.

Предыдущие исследования показали, что микротрещина в ЗТВ усиливается сваркой в ​​старом состоянии; крупнозернистый; наличие фазы Лавеса; чрезмерное количество NbC и дельта-фаз на границе зерен; большее количество бора в основном металле; резкие изменения сечения формы сварного шва, как в сварных швах в форме шляпки гвоздя; и другие условия сварки, которые могут способствовать возникновению высоких напряжений затвердевания (Ram et al., 2005).Как показано на рис. 4.67A – D, существенной разницы в микротрещинах в ЗТВ в условиях STed перед сваркой или STAed не обнаружено. Центральная линия границы зерен наблюдалась часто. Обычно он виден с верхней поверхности по всей толщине шва. Следует избегать осевой границы зерен, поскольку это может представлять потенциальную проблему свариваемости (Hunziker et al., 2000; Dye et al., 2001). Центральная линия границы зерен представляет собой потенциально опасный дефект в сварном шве, поскольку это последняя область сварного шва, которая затвердевает, и, следовательно, обычно обогащена легирующими элементами и примесями.Следовательно, осевая граница зерен может содержать (1) компоненты с низкой температурой плавления, что делает их потенциально подверженными начальному плавлению во время термообработки или эксплуатации; (2) эвтектические и хрупкие фазы, вызывающие более низкую механическую или коррозионную стойкость, чем BM; и (3) низкая ударная вязкость по сравнению с другими границами зерен в сварном соединении, что делает распространение трещин по ним более легким и потенциально опасным из-за их регулярного характера. В некоторых случаях образование центральных границ зерен может быть связано с возникновением трещин при затвердевании из-за низкой пластичности и положительного поперечного напряжения (Huzniker et al., 2000; Dye et al., 2001). Центральная линия границы зерен обычно формируется при высоких скоростях сварки, как это обычно бывает при лазерной сварке. В этом случае сварочная ванна обычно имеет заднюю кромку со стрелкой или каплевидную форму и / или вогнутая (Tillack, 2007). Это связано как с удлинением температурного поля, так и с увеличением переохлаждения нарастания со скоростью сварки. Дендриты, растущие с обеих сторон, встречаются вдоль центральной линии сварного шва, образуя плоскую центральную границу зерен (Huznikar et al., 2000). Это слабая плоскость, связанная с высоким растягивающим напряжением, вызванным процессом сварки и затвердевания, которое приводит к растрескиванию вдоль центральной линии сварного шва (Tillack, 2007). В сплаве 718 центральные границы зерен и междендритные области могут содержать некоторые богатые ниобием фазы Лавеса из-за сегрегации ниобия, который накапливается в передней части границы раздела жидкость-твердое тело (Gobbi et al., 1996; Ram et al., 2005; Zhang et al., 1997; Ram, 2004). Сообщалось, что морфология фазы Лавеса связана с морфологией дендритов (Ram et al., 2005). Кроме того, фаза Лавеса может быть соединена между собой, что, как известно, более пагубно сказывается на свойствах растяжения, чем мелкие частицы Лавеса. Чтобы избежать границ зерен по средней линии, сварочная ванна должна иметь эллиптическую или округлую форму и быть выпуклой. Затвердевающие зерна более беспорядочно рассредоточены и не пересекаются по прямой линии в центре сварного шва, что значительно снижает вероятность растрескивания по средней линии (Tillack, 2007).

Влияние техники колебаний ЭП (синусоидальной, квадратной, треугольной, пилообразной, круговой и эллиптической) на регулирование сегрегации ниобия, образования Лавеса и поведения при растяжении ЭП сварных швов Inconel 718 было изучено Мадхусудхана Редди и др.(2009). Сравнивалось влияние различных PWHT на поведение при растяжении. Техника осцилляции эллиптической балки привела к меньшей сегрегации Nb и прерывистым более мелким лавам в междендритных областях по сравнению с таковой при сварке с неподвижной балкой, как показано на рис. 4.68A – G. Реакция на старение была лучше для сварных швов, выполненных с помощью эллиптической колеблющейся балки, по сравнению со сварными швами, выполненными с помощью не колеблющейся балки. Сварные швы с колеблющейся балкой показали лучшие механические свойства, чем сварные швы с неподвижной балкой, как в условиях обработки на твердый раствор, так и в условиях старения и прямого старения.Сравнение механических свойств с другими исследовательскими работами и различными условиями предварительной термообработки и PWHT показано на рис. 4.68H.

Влияние предварительной термообработки и PWHT на микроструктуру FZ показано на рис. 4.69. Обычно получали удлиненные дендриты. Сплав 718, являясь высоколегированным материалом, затвердевает в дендритном режиме. Дендриты простираются от границы ЗП до центра шва. При лазерной сварке высокая скорость охлаждения приводит к очень мелким дендритным структурам в FZ.Как показано на оптических микрофотографиях (рис. 4.69), Лавес и другие твердые фазы в междендритных областях становятся темными после травления по сравнению с дендритными ядрами.

Рисунок 4.69. Микроструктуры зоны плавления. (A) STed / As-welded, (B) STAed / As-welded, (C) STed / Aged, (D) STAed / Aged, (E) STed / STAed и (F) STAed / STAed. STAed , Обработка раствора и выдержка; СТед , раствор обработанный.

Однако фаза Лавеса оказалась белой на вторичных изображениях, полученных с помощью SEM, как показано на рис.4.70 из-за более высокой эмиссии электронов из фазы Лавеса (Sivaprasad and Ganesh Sundararaman, 2008).

Рисунок 4.70. СЭМ вторичные электронные изображения, указывающие на микроструктуру зоны плавления. (A) STed / As-welded, (B) STAed / As-welded, (C) STed / Aged и (D) STAed / Aged. STAed , Обработка раствора и выдержка; СТед , раствор обработанный.

При лазерной сварке высокая скорость охлаждения может также увеличить растворимость растворенных веществ, что предотвращает заметную сегрегацию и образование большой эвтектики.Во время затвердевания элементы Nb, Ti и Mo накапливаются в передней части границы раздела жидкость / твердое тело и разделяются на междендритные области, где карбид (NbC, ГЦК) и Лавес (Ni 3 Nb, гексагональный тип MgZn 2 ) могут форме (Li et al., 1991). Эвтектика гамма + NbC подавляется во время быстрого охлаждения (Li et al., 1991). Как показано на рис. 4.70, междендритная фаза Лавеса, богатая Nb, морфология которой связана со структурой дендритов, может образовывать взаимосвязанную сеть (Ram et al., 2005). Исследования показали, что образование фазы Лавеса

1.

истощает основные легирующие элементы, необходимые для упрочнения, из матрицы,

2.

представляет собой более слабую микроструктуру FZ между фазой Лавеса и границей раздела матрицы. путем разделения полезных упрочняющих легирующих элементов, и

3.

выступает в качестве предпочтительных участков для легкого зарождения и распространения трещин. Собственная хрупкая природа фазы Лавеса приводит к плохой пластичности при растяжении, вязкости разрушения, усталости и свойствам разрушения при ползучести в сварных швах и отливках из сплава 718 (Biswas et al., 2004; Рам и др., 2005; Радхакришна и Прасад Рао, 1997).

Следовательно, фаза Лавеса вредна, и поэтому ее следует тщательно контролировать. По сравнению с условиями после сварки, небольшое количество частиц Лавеса наблюдается в междендритных областях после обработки раствором после сварки и старением. Таким образом, обработка раствором после сварки при 993 ° C привела к значительному растворению частиц Лавеса. В этом случае наблюдалось меньше междендритных составляющих. Начальная температура растворения фазы Лавеса составляет около 1010 ° C.Таким образом, температура обработки раствора после сварки должна быть выше 1000 ° C для полного растворения фазы Лавеса (Li et al., 1991). Однако улучшенные характеристики растворения фазы Лавеса в лазерных сварных швах, полученные при более низкой температуре (993 ° C), являются результатом ее мелкой, относительно дискретной морфологии частиц и низкой концентрации Nb (Ram et al., 2005).

Затвердевание сплава Inconel 718 начинается с реакции первичной жидкости с образованием γ, в результате чего происходит обогащение Nb, Mo, Ti и C междендритной жидкостью.Последующая эвтектическая реакция жидкости до (γ + NbC) потребляет большую часть углерода, доступного в материале, до тех пор, пока не произойдет другая реакционная жидкость эвтектического типа до (γ + Laves), завершая процесс затвердевания (Ram et al., 2005). Вредная фаза Лавеса является неизбежной конечной фазой затвердевания в сплаве 718. Однако условия затвердевания могут сильно влиять на степень сегрегации ниобия и, следовательно, на количество фазы Лавеса. Частицы Лавеса обычно богаты Nb, Ti, Mo, Si и бедны Fe, Cr и Ni по сравнению с основным металлом (Ram et al., 2005). И количество фазы Лавеса, и сегрегация Nb зависят от условий затвердевания.

По сравнению с обычными процессами дуговой сварки чрезвычайно высокая скорость охлаждения, наблюдаемая при лазерной сварке, приводит к гораздо меньшей степени сегрегации Nb из-за недостаточного времени для перераспределения растворенных веществ. Следовательно, получается меньше частиц Лавеса и более низкая концентрация Nb в Лавесе (Ram et al., 2005). По сравнению с микроструктурой основного металла с такой же предварительной термообработкой и PWHT, аналогичные микроструктуры также наблюдаются в ЗТВ (рис.4.67). ЗТВ была чрезвычайно узкой без значительного роста зерна.

Эффективность сварки 100% может быть получена при сварке в состоянии, обработанном раствором. Кроме того, сварные соединения в состоянии после сварки имеют 100% эффективность соединения. В случае BM, сваренного в состоянии, обработанном раствором и состаренном, эффективность сварки составила около 74%. То есть предел текучести и предел прочности сварных соединений в состоянии после сварки снижены по сравнению с таковыми для основного металла.Комбинация предварительной сварки в условиях обработки на твердый раствор и обработки старением после сварки значительно повысила эффективность сварки до 160%. Традиционная обработка старением после сварки сочетает в себе снятие напряжения с выделением фазы упрочнения (Яман и Кушан, 1998). При сварке в состоянии, обработанном раствором и состаренном, обработка старением после сварки может восстановить предел текучести и прочности на разрыв до уровней основного металла, то есть 100% эффективность соединения может быть получена только после обработки старением после сварки.По сравнению с состоянием после сварки, старение после сварки или полная термообработка может значительно повысить текучесть и предел прочности на разрыв, особенно если сварка выполняется в условиях обработки на твердый раствор. Эффективность сварки 150% была продемонстрирована сваркой в ​​состоянии, обработанном раствором, с последующей обработкой раствором после сварки и обработкой старением. Если сваривать в условиях обработки на твердый раствор и состаривать, то раствор после сварки и обработка старением могут восстановить текучесть и предел прочности почти до уровня основного металла, то есть может быть получена эффективность соединения приблизительно 94%.По сравнению с обработкой старением после сварки, раствор после сварки и обработка старением приводят к небольшому снижению текучести и прочности на разрыв. Более низкая прочность в условиях STAed, чем в старых, вероятно, связана с наличием большего количества игл δ -фазы, которые действовали как концентраторы напряжения при статической нагрузке (Sivaprasad and Ganesh Sundararaman, 2008). Послесварочной обработки старением достаточно для укрепления сварных швов. Это сильно отличается от результатов, представленных Ram et al. (2005). Они пришли к выводу, что после сварки раствор и обработка старением улучшили все свойства растяжения, включая предел текучести, предел прочности и удлинение, по сравнению с обработкой старением после сварки в сплаве 718, сваренном импульсным лазером.Из-за свариваемости и механических свойств обычно рекомендуется (1) сваривать эти материалы в состоянии, обработанном раствором, и (2) проводить обработку раствором и старением после сварки с дисперсионным упрочнением (Cornu et al., 1995). . В процессе ремонтной сварки сплава 718 дисперсионно-твердые суперсплавы также должны подвергаться PWHT, то есть термообработке на твердый раствор с последующим старением после ремонта сварного шва для восстановления механических свойств (Qian and Lippold, 2003). Работы Cao et al.(2009) на LBW Inconel 718 показали, что старение после сварки может привести к лучшему пределу прочности на растяжение, чем полная термообработка после сварки. Следовательно, обработка раствором после сварки может быть устранена. Обработка раствора при высокой температуре не только потребляет энергию, но и вызывает искажения. Обработка старением также может снизить остаточное напряжение сварки, улучшить коррозионное растрескивание под напряжением и уменьшить деформацию сварного шва. Кроме того, при старении в ЗТВ не наблюдается значительного роста зерна. Более высокая эффективность соединения может быть получена в предварительно обработанном растворе, чем при полностью термообработке.Старение после сварки или полная термообработка могут повысить эффективность соединения. Наивысшая эффективность соединения достигается в условиях старения после сварки.

В ЗО не наблюдается ни макротрещин, ни микротрещин. Однако ликвационное растрескивание ЗТВ часто наблюдается в соединениях сплава 718, сваренных с использованием мощных лазеров на Nd: YAG. Ликвационные микротрещины обычно появляются под областью «шляпки гвоздя» лазерных сварных швов, перпендикулярно границе FZ и вдоль границ зерен в HAZ. Значительное увеличение размера зерна сварных швов наблюдается после обработки на твердый раствор и старения.Более высокие показатели текучести и прочности на разрыв в сварных соединениях достигаются при сварке в условиях обработки на твердый раствор и в условиях старения, чем в условиях обработки на основе раствора перед сваркой. По сравнению с состоянием после сварки, обработка старением после сварки может значительно повысить предел текучести и предел прочности, особенно при сварке в состоянии, обработанном раствором. По сравнению с обработкой старением после сварки, обработка раствором после сварки и старение приводит к небольшому снижению текучести и прочности на разрыв.Другими словами, для упрочнения сварных соединений достаточно только обработки старением после сварки. Обработка раствора при высокой температуре не только потребляет энергию, но и вызывает искажения. Следовательно, обработка раствором после сварки не требуется для восстановления прочности.

Hong et al. (2008) исследовали характеристики лазерной сварки CO 2 Inconel 718, влияние термообработки на микроструктуры и свойства при растяжении / усталости. Пластина из инконеля 718 толщиной 5 мм с двумя разными размерами зерен ASTM No.4 и нет. 10 были проанализированы. Микротрещины HAZ наблюдались в крупнозернистом Inconel 718 (ASTM № 4), как показано на рис. 4.71. Аналогичным образом, три условия предварительной термообработки, такие как получение, обработка раствором 955 ° C и обработка раствором 955 ° C + старение (955STA), также были исследованы Hong et al. (2008). После сварки сварные швы были подвергнуты четырем различным условиям PWHT, таким как, непосредственно после сварки, обработка раствором 955 ° C + старение, обработка модифицированным циклическим раствором (выдержка при 1000 ° C в течение 3 минут с последующим охлаждением в печи со скоростью 3 ° C. / мин, а затем выдержка при 985 ° C в течение 8 минут, охлаждение на воздухе до комнатной температуры) и обработка прямым старением (DA).Было продемонстрировано, что термическая обработка модифицированным циклическим раствором показала уменьшение микротрещин и улучшение свойств при растяжении и усталости.

Рисунок 4.71. Поперечные сечения и микроструктура зоны термического влияния (HAZ) крупнозернистого образца (A) и мелкозернистого образца (B) при условиях сварки 6 кВт, 2,5 м / мин.

Закалка на воздухе – определение и использование

Что такое закалка на воздухе?

Закалка – это термин, используемый при термической обработке металлов как процесс быстрого охлаждения нагретого металла с использованием жидкости в качестве охлаждающей среды.Закалочная жидкость может быть водой, рассолом, маслом или воздухом или инертными газами. Закалка на воздухе – это просто тип закалки, при котором поток воздуха направляется на заготовку, чтобы охладить ее выше критической температуры.


Важность закалки

Закалка – важная часть процесса закалки металлов. Процесс упрочнения стали и родственных ей сплавов осуществляется для преобразования мягкой структуры зерен перлита, не подходящей для практического использования, в гораздо более твердую форму, известную как мартенсит.

Закалка достигается путем нагрева металла выше его критической температуры или эвтектоидной точки, выдерживания его в течение некоторого времени с последующим быстрым охлаждением ниже критической температуры. Это сделано для того, чтобы дать возможность развиться меньшему размеру зерна, что приведет к упрочнению материала.


Прочие процессы термообработки: отжиг, закалка на воздухе и т. Д.


Применение закалки на воздухе

Жидкость, используемая для закалки заготовки, зависит от требуемой скорости охлаждения для этого конкретного сплава.Скорость определяется составом и размером заготовки. Например, низкоуглеродистые сплавы обычно требуют быстрой закалки, а сплавы с большим содержанием марганца. Никель или другие легирующие элементы могут потребовать более медленной закалки. Закалка на воздухе используется, когда требуется более медленное и равномерное охлаждение заготовки, такой как высоколегированная сталь.

Также прочтите Концепции процессов обработки металлов давлением

Тем не менее, для охлаждения заготовки можно использовать воздух или сжатый воздух, хотя необходимо следить за тем, чтобы охлаждение было равномерным, чтобы предотвратить растрескивание или деформацию.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.