EN
Pagrindiniai anglies plieno šiluminio apdorojimo metodai: tikslai, procedūros ir veiksmingumas
Atpūdimas: šaltai deformuoto anglies plieno plastšumos atkūrimas ir mikrostruktūros modifikavimas
Stiprus plieno šaltasis deformavimas gali sukelti per didelį plieno kietėjimą, kuris gali būti sumažintas taikant žinomą kaip atvirinimas procesą. Šiame procese metalas įkaitinamas iki temperatūros, kuri paprastai yra apie 600–700 °C, apytiksliai 1–2 valandas, o po to metalas leidžiamas lėtai atvėsti krosnyje. Šio proceso rezultatas – pašalinamos vidinės įtempimų jėgos, susikaupusios medžiagos struktūroje, ir susidaro naujos, be įtemptumo kristalinės struktūros. Po atvirinimo medžiaga paprastai atgauna apie 30 % prarastos plastinės deformacijos gebėjimo ir vėliau gali būti stipriau deformuojama, kol pasiekiamas lūžio taškas. Automobilių pramonės inžinieriams vienodas ferito ir perlito struktūros susidarymas yra itin svarbus, ypač gaminant kėbulo plokštes ir konstrukcines atraminės dalis, kurios turi išlaikyti savo formą veikiant apkrovai ir, jei reikia, turėti galimybę deformuotis ir lenktis.
Normalizavimas užtikrina vienodą grūdelių struktūrą ir pagerina anglies plieno apdirbamumą kalant arba valcuojant.
Normalizavimas prasideda šildant plieną iki 800–900 °C temperatūros ir lėtai vėsinant jį nejudančiame ore. Šis metodas pašalina didelius ir nevienodus grūdelių darinius, likusius po ankstesnio karštojo deformavimo, ir sukuria mažiau grubią, vienodesnę ferito/pearlito mikrostruktūrą. Palyginti su nenormalizuotu plienu, normalizavimas padidina apdirbimą 15–20 %. Įrankių nusidėvėjimo sumažėjimas ir geresnė paviršiaus baigiamoji apdorojimo kokybė žymiai padidina įrankių tarnavimo laiką bei detalių kokybę. Tai paaiškina, kodėl normalizavimas taikomas gamyboje ir apdirbime tiksliajam komponentų gamybai, pvz., pavaroms ir velenams.
Kietinimas ir kalvinimas: svarbiausia seka, optimizuojanti vidutinio anglies kiekio plieno stiprumo ir kietumo santykį
Norint pradėti plieno kietinimo procesą, plienas pirmiausia turi būti įkaitintas iki 800–900 °C temperatūros, kad būtų susidaręs austenitas (šis etapas vadinamas austenitizavimu). Po šio įkaitinimo plienas nedelsiant greitai (arba akimirksniu) aušinamas vandens arba alyvos vonioje – tai leidžia austenito struktūrą pakeisti į martensitą, kuris yra labai kietas, tačiau tuo pačiu ir itin trapus. Šis procesas gali sukurti martensitinę struktūrą, kurios Rockvelo C skalės kietumas siekia 65, o tempimo stipris – 1000 megapaskalių. Problema ta, kad po aušinimo martensitinė struktūra yra pernelyg trapi, kad galėtų atlaikyti realaus pasaulio apkrovas. Šios problemos sprendimas – kalvystė (temperavimas), kai plienas įkaitinamas iki 400–700 °C temperatūros maždaug vieną valandą ar ilgiau. Šis įkaitinimas sumažina vidines įtempimis, kas yra esminis veiksnys, ir padidina struktūros tvirtumą dėl mažų karbido dalelių susidarymo, todėl pagerinamas tiek tvirtumas, tiek stiprumas. Šis dviejų etapų šiluminis apdorojimas vis dar yra būtinas šiuolaikinėje gamyboje komponentams, kurie turi atlaikyti didelius apkrovos, pvz., automobilių ašims, variklių krumpliaratinėms velenams ir įvairioms pramoninėms pavaroms.
Anglies turinys kaip lemiamasis veiksnys pasirenkant anglies plieno šiluminio apdorojimo būdus
<0,3 % C plienas: kietumo formavimo problemos – kodėl geriau pasirinkti atviržimą ir normalizavimą
Žemo anglies kiekio plienai neturi pakankamai anglies, kad iškaitinus susidarytų reikšmingas martensito kiekis, todėl šiems plienams negalima taikyti tradicinių kietinimo technikų. Vietoj to dažniausiai naudojamas atvirinimas, kuris leidžia visiškai atstatyti šaltai deformuotą mikrostruktūrą ir atkurti plastinį lankstumą. Normalizavimas taip pat padeda išlyginti grūdelių dydžio pasiskirstymą metaluose, kurie buvo kalti arba valcuoti. Abi šios metodikos palengvina vėlesnius formavimo procesus ir plieno apdirbimą, taip pat sumažina iškaitinimo metu kylančias deformacijas ar įtrūkimus. Šios rūšies terminio apdorojimo metodai taikomi paprastų detalių, pvz., automobilių karoserijos lakštų, laikiklių ir konstrukcinių elementų, gamyboje automobilių pramonėje. Šiuose taikymuose inžinieriai svarbiausia vertina tokias savybes kaip geriausia suvirinamumas, gilus deformavimas (deep draw ability) ir matmenų pastovumas, o ne maksimalią pasiekiamą stiprumą.
Vidutinio anglies kiekio plienas (0,3–0,5 % C): užšaldymas ir kalimas – tinkamos našumo charakteristikos
Vidutinio anglies kiekio plienai – tai plienai, turintys 0,3–0,5 proc. anglies. Šie plienai yra idealūs kietinimo procesams, nes jų anglies kiekis pakankamas, kad užšaldant susidarytų tam tikro kiekio martensito, tačiau nepakankamas, kad plienas būtų linkęs į įtrūkimus šiluminės apdorojimo metu. Iškaltas plienas išlaiko gerą kietumą ir atsparumą deformacijoms; pavyzdžiui, AISI 1045 rūšies plieno tempimo stipris gali viršyti 800 MPa. Be to, AISI 1045 rūšies plienas pasižymi geru nuovargio atsparumu ir geru dėvėjimosi atsparumu. Dėl šių savybių ši plieno rūšis inžinieriams yra pageidautina naudoti stipriai apkraunamoms detalėms, pvz., automobilių ašims, variklio jungiamosioms rankenoms ir pramoniniams pavarų dėžės gearams.
Užšaldymo terpės pasirinkimas ir aušinimo kontrolė patikimam anglies plieno kietinimui
Užšaldymas vandenyje arba alyvoje: martensito susidarymo ir įtrūkimų rizikos subalansavimas anglies plienui
Pasirinkto aušinimo medio tipas tiesiogiai veikia šilumos pašalinimo greitį, fazių virsmus bei likutinių įtempimų metalo viduje dydį. Aušinimo greitis apie 130 °C/s sukuria reikšmingą martensito kiekį, dėl ko susidaro labai kietas struktūrinis paviršius. Pavyzdžiui, vandens aušinimas yra labai veiksmingas paprastoms formoms, kurios reikalauja didelės dilimo atsparumo, pvz., žemės ūkio įrankiams ar įrankių kaladėms. Priešingai, alyvos aušinimo aušinimo greitis yra vidutinis – apie 80 °C/s. Šiuo atveju lėtesnis aušinimas yra pranašumas, nes jis sumažina šiluminio smūgio ir formos iškraipymo riziką, tuo pat metu užtikrindamas būtiną martensito susidarymą vidutinio anglies kiekio plienuose. Dauguma dirbtuvių pirmenybę teikia alyvos aušinimui dirbant su plonais sienomis, sudėtingomis geometrijomis arba aukšto anglies kiekio plienais, kai įtrūkimų rizika yra žymiai didesnė nei nedidelis kietumo padidėjimas.
Nors oro aušinimas nekietina metalų, jis padeda normalizuoti procesą, leidžiant įtempties laisvai susiformuoti mikrostruktūrinėms ferito ir perlito fazėms.
Oro aušinimas normalizuojant: vienodas ferito–perlito pasiskirstymas be likutinės įtampos
Normalizavimo procesas skiriasi nuo užšaldymo tuo, kad jame naudojama oru aušinama, o ne kitos greitesnės metodikos. Šis lėtesnis požiūris palengvina medžiagos neperskaitomą perėjimą iš austenito į ferito ir perlito fazes. Aušinimo greičiu apie 5 laipsniai Celsijaus per sekundę šis greitis yra pakankamai lėtas, kad būtų išvengta šilumos gradientų, kurie bent jau deformuotų medžiagą ir paliktų likutines įtempimus. Be to, lėtesnis aušinimo greitis skatina vienodą grūdelių dydį visame skerspjūvyje iki pat išorinio paviršiaus. Tai užtikrina pageidaujamą viso skerspjūvio poveikį. Dirbant su žemo anglies kiekio plieno detalėmis šis metodas ypač svarbus užtikrinant, kad komponentas būtų matmeniškai stabilus, pvz., suvirintose konstrukcinėse sijose ar tiksliai apdirbtuose korpusuose. Tai tokios situacijos, kai eksploatacijos metu medžiaga neturi rodyti jokio netikėto elgesio.
Geriausi klausimai
Koks yra anglies plienų kaitinimo tikslas?
Anglies plienų kaitinimo tikslas – atkurti plastšumą ir mikrostruktūrą, kad po šalto deformavimo plienas būtų lengviau apdorojamas ir formuojamas.
Kaip normalizavimas pagerina anglies plieno savybes?
Normalizavimas pagerina anglies plieno savybes suformuodamas vienodą grūdelių struktūrą, todėl plienas lengviau apdirbamas įrankiais, o vidinė įtempis sumažėja – tai naudinga mažiems ir tiksliesiems mašinų elementams.
Koks yra vidutinio anglies kiekio plienų užšaldymo ir kalimo privalumas?
Vidutinio anglies kiekio plienų užšaldymo ir kalimo privalumas – padidinama tiek stiprumo, tiek kietumo savybės, todėl jie tinka didesnėms ir atsparesnėms konstrukcijoms.
Kokia problema kyla dėl anglies plienų vandens užšaldymo?
Greitas aušinimas dėl vandens užšaldymo sukelia anglies plienų išsivertimą ir įtrūkimus, tačiau tuo pačiu padidina kietumą.
Kodėl kai kuriose srityse yra pageidaujamas žemo anglies kiekio plienas?
Žemo anglies kiekio plieno pasirinkimo kai kuriuose taikymuose priežastis yra tai, kad žemo anglies kiekio plienas lengviau suvirinamas ir formuojamas taikymuose, pvz., automobilių korpusų plokštėse ir dalyse, kurios suteikia konstrukciją transporto priemonei, kai reikalavimai dėl atramos yra žemi.