Applikasjoner for bråkjøling og klassifisering av stål

Bråkjøling er en varmebehandlingsprosess der arbeidsstykket varmes opp til en viss kritisk temperatur, og deretter selektivt avkjøles for å oppnå martensitt med høy-hardhet eller seig lavere bainitt, etterfulgt av herding.

Bråkjøling forbedrer slitestyrken og styrken til delene, samt deres utmattelseslevetid.

 

 

Slukkingsprinsipper og grunnleggende prosessflyt

 

Stål og andre materialer gjennomgår fasetransformasjoner ved oppvarming, og austenitiseringsfasetransformasjonen er forutsetningen for bråkjøling.

Generelt bråkjøles hypoeutectoid stål til en temperatur 20 til 30 grader over Ac3, mens hypereutectoid stål bråkjøles til en temperatur 20 til 30 grader over Ac1.

Ved bråkjøling er det avgjørende å unngå overdreven oppvarming. Holdetiden bør bestemmes basert på arbeidsstykkets størrelse og ovnsmodell for å sikre ensartet mikrostrukturell transformasjon.

Nøkkelprosessen i bråkjøling er kjøling. Den ideelle kjølekurven unngår perlittneseregionen, først og fremst for å forhindre dannelse av ikke-martensittiske strukturer. Avkjølingshastigheten må også kontrolleres for å redusere indre spenninger og deformasjoner i delen.

Merk: Ac1 og Ac3 representerer henholdsvis temperaturen der austenitt begynner å dannes og temperaturen der hypoeutectoid stål austenitiserer fullstendig når det varmes opp. Dette er kritiske referansepunkter for å bestemme utglødningsprosessen.

 

Hovedherdeprosessmetoder og sentrale operasjonelle retningslinjer

 

1. Enkel-væskeslukking

Enkel-væskeslukking er den mest grunnleggende og enkleste bråkjølingsmetoden. Den brukes først og fremst for deler med enkle, symmetriske former og minimale tverrsnittsvariasjoner, for eksempel skafter og pinner.

For enkel-væskekjøling må passende kjølevæske velges basert på materialet og arbeidsstykkets tykkelse. Lav-karbon og lav-legert stål bråkjøles vanligvis med vann eller saltlake, mens høy-legert stål og små, komplekse-formede deler kan bråkjøles med olje eller en polymerløsning.

Under bråkjøling, sørg for at arbeidsstykket er jevnt nedsenket i mediet og at mediet er skikkelig omrørt for å forhindre at en dampfilm hindrer avkjøling.

Enkel-væskeavkjøling gir høy-kvalitetsstabilitet og er egnet for produksjon i stor-skala, men det anbefales forsiktighet med hensyn til risikoen for deformasjon og sprekkdannelse forårsaket av for rask avkjøling.

 

2. To-væskeslukking

To-væskekjøling kombinerer fordelene med rask og langsom avkjøling. Først føres et første medium, slik som vann eller saltvann, raskt gjennom materialets mest ustabile austenittområde. Når materialets temperatur nærmer seg martensitttransformasjonstemperaturen, overføres materialet raskt til et andre medium, for eksempel olje, for å fullføre martensitttransformasjonen.

To-væskekjøling er spesielt vanlig for middels-til-store arbeidsstykker laget av høy-karbonstål og middels-til-høylegert stål, for eksempel støpeformer og giremner.

Nøkkelen til denne operasjonen er nøyaktig å kontrollere arbeidsstykkets oppholdstid i det første mediet. Vanligvis brukes en bråkjølingstid på 1 sekund per 3-5 mm effektiv arbeidsstykketykkelse, men dette kan også bestemmes ved å observere forsvinningen av bobler på arbeidsstykkets overflate.

Overføringen fra det første mediet til det andre mediet må være rask og kontinuerlig for å unngå temperaturstigning som kan forårsake nedbrytning av materialstrukturen.

To-væskekjøling reduserer termiske og strukturelle spenninger betydelig, noe som gjør det til en effektiv metode for å kontrollere deformasjon og forhindre sprekkdannelse.

 

3. Trinnslukking

Trinnskjøling krever oppvarming av arbeidsstykket til austenitisering, og deretter bråkjøling i et varmt bad litt over Ms-punktet, for eksempel et nitratbad eller alkalisk bad, for å holde det. Når temperaturen er jevn over arbeidsstykkets tverrsnitt-, fjernes arbeidsstykket og luft-avkjøles.

Step quenching brukes ofte på verktøy og deler med komplekse former og høye presisjonskrav, slik som kraner, små tannhjul og presisjonsaksler.

Under drift må svingninger i badets temperatur kontrolleres strengt, vanligvis innenfor et område på pluss eller minus ti grader Celsius. Holdetiden beregnes basert på det største-tverrsnittet, vanligvis anslått til fem millimeter per minutt.

Trinnskjøling reduserer effektivt termiske spenninger, slik at martensittisk transformasjon kan fortsette gradvis under luftkjøling. Dette resulterer i lav mikrostrukturspenning og minimal deformasjon. På grunn av den begrensede kjølekapasiteten til smeltede salter er den imidlertid kun egnet for arbeidsstykker med en effektiv tykkelse på ikke mer enn 20 mm.

 

4. Isotermisk quenching

Isotermisk bråkjøling innebærer fullstendig bråkjøling av et arbeidsstykke oppvarmet til austenitiseringstemperaturen til et varmt bad i bainitt-transformasjonssonen. En forlenget holdeperiode gjør at austenitten fullstendig transformeres til lavere bainitt, etterfulgt av luftkjøling. Austempering brukes først og fremst for deler som krever høy styrke, seighet og dimensjonsstabilitet, for eksempel lagre og presisjonsformer. Den isotermiske temperaturen og varigheten bestemmes basert på stålets TTT-kurve, med temperaturer typisk mellom 250 og 400 grader.

Etter austempering blir materialet bainitt, og viser utmerket styrke og seighet, med liten tendens til deformasjon eller sprekkdannelse. Austempering har imidlertid en lang produksjonssyklus, høye kostnader og er begrenset til arbeidsstykker med mindre tverrsnitt.

 

Vanlige problemer og kvalitetskontroll

 

Bråkjøling resulterer ofte i defekter som utilstrekkelig hardhet, myke flekker, deformasjon, sprekker, oksidasjon og avkulling.

Utilstrekkelig hardhet er vanligvis forårsaket av oppvarming ved for lav temperatur eller utilstrekkelig kjøling. En annen årsak er overflateavkulling av arbeidsstykket.

Myke flekker er vanligvis forårsaket av forurensede bråkjølingsmedier eller tilstedeværelsen av oksidbelegg på arbeidsstykkets overflate. Deformasjon og sprekker kan være forårsaket av overdreven termisk eller strukturell påkjenning.

Derfor krever kvalitetskontroll under bråkjøling omfattende prosessovervåking, spesielt presis temperaturkontroll under oppvarmingsfasen. Under avkjølingsfasen må temperaturen, konsentrasjonen og sirkulasjonshastigheten til mediet holdes stabil. Herding er nødvendig umiddelbart etter bråkjøling for å eliminere restspenninger i delene.

Under masseproduksjon bør det utføres regelmessige stikkprøver av metallografisk struktur og hardhetsgradient. Ikke-destruktiv testing kan brukes på kritiske deler for å oppdage sprekker.

 

Materialkompatibilitet og prosessvalg

 

Forskjeller i sammensetning mellom materialer resulterer i varierende herdbarhet, starttemperaturer for martensittisk transformasjon og kritiske kjølehastigheter. Derfor må en spesifikk bråkjølingsprosess velges basert på materialets egenskaper.

Lav-karbonstål og lav-legert konstruksjonsstål har relativt lav herdbarhet og bråkjøles vanligvis med vann eller to-væskekjøling for å forbedre overflatehardheten og slitestyrken til delene.

Medium-karbonkjølt og herdet stål krever å sikre en grundig herding av kjernen, så oljekjøling eller rask oljekjøling brukes vanligvis for å unngå deformasjon og sprekker.

Verktøystål med høy-karbon er utsatt for overoppheting, noe som øker sannsynligheten for deformasjon. Derfor kan trinnslukking eller bråkjøling med lav-temperatur alkalisk bad brukes.

Høy-legert formstål som H13 har utmerket herdbarhet, så de kan gasskjøles eller herdes i et saltbad med høy-temperatur for å minimere forvrengning.

Karburerte arbeidsstykker krever spesielt høy kjerneseighet, så de krever relativt lave temperaturer, enten direkte bråkjøling eller herding i et saltbad.

Rustfritt stål og høyhastighetsstål krever forvarming og bråkjøling av saltbad for å forhindre sprekkdannelse og karbidutfelling.

Bråkjøling er en kompleks og kritisk prosess, så den riktige bråkjølingsmetoden må velges basert på materialegenskaper, delform og driftsforhold.

Bråkjøling krever streng kontroll av oppvarmings- og kjøleprosessene for å oppnå ønsket mikrostruktur og egenskaper, samtidig som konsistent og pålitelig produktkvalitet sikres.