ความสัมพันธ์ระหว่างกระบวนการอบชุบด้วยความร้อน การดำเนินงาน และการเสียรูปคืออะไร?

ในระหว่างการอบชุบด้วยความร้อนของอลูมิเนียมและโลหะผสมอลูมิเนียม มักพบปัญหาต่างๆ มากมาย เช่น:

-การวางชิ้นส่วนที่ไม่เหมาะสม: อาจทำให้ชิ้นส่วนเสียรูปได้ มักเกิดจากตัวกลางการดับระบายความร้อนได้ไม่เพียงพอด้วยอัตราที่รวดเร็วเพียงพอที่จะบรรลุคุณสมบัติเชิงกลตามต้องการ

-การให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว: อาจทำให้เกิดการเสียรูปเนื่องจากความร้อน การวางชิ้นส่วนอย่างถูกต้องจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะได้รับความร้อนอย่างทั่วถึง

-ความร้อนสูงเกินไป: อาจทำให้เกิดการหลอมละลายบางส่วนหรือการหลอมละลายแบบยูเทกติกได้

-การเกิดตะกรันบนพื้นผิว/ออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง

-การบำบัดที่มากเกินไปหรือไม่เพียงพอ ทั้งสองกรณีอาจส่งผลให้สูญเสียคุณสมบัติเชิงกลได้

- ความผันผวนของเวลา/อุณหภูมิ/พารามิเตอร์การดับที่อาจทำให้เกิดความเบี่ยงเบนในคุณสมบัติเชิงกลและ/หรือทางกายภาพระหว่างชิ้นส่วนและชุดการผลิต

นอกจากนี้ ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิที่ไม่เพียงพอ เวลาฉนวนที่ไม่เพียงพอ และการระบายความร้อนที่ไม่เพียงพอในระหว่างการอบด้วยความร้อนสารละลาย ล้วนเป็นสาเหตุที่ทำให้ผลลัพธ์ออกมาไม่ดี

การอบชุบด้วยความร้อนถือเป็นกระบวนการทางความร้อนที่สำคัญในอุตสาหกรรมอลูมิเนียม มาดูความรู้ที่เกี่ยวข้องเพิ่มเติมกันดีกว่า

1.การเตรียมการก่อนการรักษา

กระบวนการเตรียมผิวโลหะเบื้องต้นที่ช่วยปรับปรุงโครงสร้างและคลายความเครียดก่อนการชุบแข็งมีประโยชน์ในการลดการบิดเบี้ยว โดยทั่วไปแล้ว กระบวนการเตรียมผิวโลหะเบื้องต้นประกอบด้วยกระบวนการต่างๆ เช่น การอบอ่อนแบบทรงกลม (spheroidizing annealing) และการอบอ่อนแบบคลายความเครียด (stress relief annealing) และบางกระบวนการยังใช้การชุบแข็ง (quenching) การอบคืนตัว (tempering) หรือการปรับสภาพให้เป็นปกติ (normalizing treatment) ด้วย

การอบคลายเครียด:ในระหว่างการตัดเฉือน ความเค้นตกค้างอาจเกิดขึ้นได้เนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น วิธีการตัดเฉือน การเข้าจับเครื่องมือ และความเร็วในการตัด การกระจายความเค้นที่ไม่สม่ำเสมอเหล่านี้อาจทำให้เกิดการบิดเบี้ยวระหว่างการชุบแข็ง เพื่อลดผลกระทบเหล่านี้ จำเป็นต้องอบอ่อนเพื่อคลายความเค้นก่อนการชุบแข็ง อุณหภูมิสำหรับการอบอ่อนเพื่อคลายความเค้นโดยทั่วไปอยู่ที่ 500-700°C เมื่อให้ความร้อนในอากาศ จะใช้อุณหภูมิ 500-550°C โดยมีระยะเวลาการอบ 2-3 ชั่วโมง เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและการสลายตัวของคาร์บอน ควรพิจารณาการบิดเบี้ยวของชิ้นส่วนเนื่องจากน้ำหนักตัวเองในระหว่างการรับน้ำหนัก และขั้นตอนอื่นๆ ก็คล้ายคลึงกับการอบอ่อนมาตรฐาน

การอบความร้อนล่วงหน้าเพื่อปรับปรุงโครงสร้าง:ซึ่งรวมถึงการอบชุบ การดับ และการแบ่งเบาภาระแบบทรงกลม และการบำบัดให้เป็นปกติ

-การอบแบบสเฟรอยด์:จำเป็นสำหรับเหล็กกล้าเครื่องมือคาร์บอนและเหล็กกล้าเครื่องมือโลหะผสมในระหว่างการอบชุบด้วยความร้อน โครงสร้างที่ได้หลังจากการอบอ่อนแบบทรงกลมส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อแนวโน้มการบิดเบี้ยวในระหว่างการชุบแข็ง การปรับโครงสร้างหลังการอบอ่อนช่วยลดการบิดเบี้ยวที่เกิดขึ้นเป็นประจำในระหว่างการชุบแข็ง

-วิธีการเตรียมการล่วงหน้าอื่นๆ:สามารถใช้วิธีการต่างๆ เพื่อลดการบิดเบี้ยวจากการชุบแข็งได้ เช่น การชุบแข็งและการอบคืนตัว และการอบคืนตัวแบบนอร์มอลไลเซชั่น การเลือกวิธีการเตรียมผิวที่เหมาะสม เช่น การชุบแข็งและการอบคืนตัว การอบคืนตัวแบบนอร์มอลไลเซชั่น โดยพิจารณาจากสาเหตุของการบิดเบี้ยวและวัสดุของชิ้นงาน สามารถลดการบิดเบี้ยวได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องระมัดระวังเรื่องความเค้นตกค้างและความแข็งที่เพิ่มขึ้นหลังจากการอบคืนตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งการชุบแข็งและการอบคืนตัวสามารถลดการขยายตัวระหว่างการชุบแข็งสำหรับเหล็กที่มี W และ Mn แต่มีผลเพียงเล็กน้อยต่อการลดการเสียรูปสำหรับเหล็ก เช่น GCr15

ในการผลิตจริง การระบุสาเหตุของการบิดเบี้ยวจากการชุบแข็ง ไม่ว่าจะเกิดจากความเค้นตกค้างหรือโครงสร้างที่ไม่ดี ถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการบำบัดที่มีประสิทธิภาพ ควรทำการอบอ่อนเพื่อบรรเทาความเค้นตกค้างสำหรับความบิดเบี้ยวที่เกิดจากความเค้นตกค้าง ในขณะที่ไม่จำเป็นต้องทำการอบอ่อนเพื่อเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง และในทางกลับกัน การอบอ่อนเพื่อบรรเทาความเค้นตกค้างจะทำให้บรรลุเป้าหมายในการลดความบิดเบี้ยวจากการชุบแข็ง เพื่อลดต้นทุนและรับประกันคุณภาพ

2. การดำเนินการให้ความร้อนแบบดับไฟ

อุณหภูมิการดับ:อุณหภูมิการชุบแข็งส่งผลกระทบอย่างมากต่อการบิดเบี้ยว เราสามารถบรรลุวัตถุประสงค์ในการลดรูปร่างได้โดยการปรับอุณหภูมิการชุบแข็ง หรือค่าเผื่อการตัดเฉือนที่สำรองไว้เท่ากับอุณหภูมิการชุบแข็งเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการลดรูปร่าง หรือเลือกและสำรองค่าเผื่อการตัดเฉือนและอุณหภูมิการชุบแข็งอย่างเหมาะสมหลังจากการทดสอบการอบชุบ เพื่อลดค่าเผื่อการตัดเฉือนที่ตามมา ผลของอุณหภูมิการชุบแข็งต่อการเสียรูปจากการชุบแข็งไม่ได้ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ในชิ้นงานเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับขนาดและรูปร่างของชิ้นงานด้วย เมื่อรูปร่างและขนาดของชิ้นงานแตกต่างกันมาก แม้ว่าวัสดุของชิ้นงานจะเหมือนกัน แต่แนวโน้มการเสียรูปจากการชุบแข็งก็แตกต่างกันมาก ผู้ปฏิบัติงานควรใส่ใจกับสถานการณ์นี้ในการผลิตจริง

ระยะเวลาการชุบแข็ง:การเลือกระยะเวลาในการคงสภาพไม่เพียงแต่ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการให้ความร้อนอย่างทั่วถึงและการได้ความแข็งหรือคุณสมบัติเชิงกลตามที่ต้องการหลังการชุบแข็งเท่านั้น แต่ยังคำนึงถึงผลกระทบต่อการบิดตัวด้วย การยืดระยะเวลาในการคงสภาพการชุบแข็งออกไปนั้น ส่งผลให้อุณหภูมิการชุบแข็งเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเหล็กกล้าคาร์บอนสูงและเหล็กกล้าโครเมียมสูง

วิธีการโหลด:หากชิ้นงานถูกวางในรูปทรงที่ไม่เหมาะสมในระหว่างการให้ความร้อน จะทำให้เกิดการเสียรูปเนื่องจากน้ำหนักของชิ้นงานหรือการเสียรูปอันเนื่องมาจากการอัดรีดซึ่งกันและกันระหว่างชิ้นงานหรือการเสียรูปอันเนื่องมาจากการให้ความร้อนและความเย็นที่ไม่สม่ำเสมออันเนื่องมาจากการวางชิ้นงานซ้อนกันมากเกินไป

วิธีการให้ความร้อนสำหรับชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อนและมีความหนาแตกต่างกัน โดยเฉพาะชิ้นงานที่มีคาร์บอนและโลหะผสมสูง กระบวนการให้ความร้อนที่ช้าและสม่ำเสมอเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง การอุ่นชิ้นงานล่วงหน้ามักจำเป็น บางครั้งอาจต้องอุ่นชิ้นงานล่วงหน้าหลายรอบ สำหรับชิ้นงานขนาดใหญ่ที่การอุ่นชิ้นงานล่วงหน้าไม่มีประสิทธิภาพ การใช้เตาเผาแบบต้านทานกล่องที่มีการควบคุมความร้อนจะช่วยลดความบิดเบี้ยวที่เกิดจากการให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว

3. การทำงานระบบทำความเย็น

การเสียรูปจากการดับส่วนใหญ่เกิดจากกระบวนการหล่อเย็น การเลือกวัสดุหล่อเย็นที่เหมาะสม การปฏิบัติงานอย่างชำนาญ และแต่ละขั้นตอนของกระบวนการหล่อเย็น ล้วนส่งผลโดยตรงต่อการเสียรูปจากการดับ

การเลือกสื่อการดับ:ขณะเดียวกันก็ควรเลือกวัสดุชุบแข็งที่อ่อนกว่าเพื่อให้เกิดการบิดเบี้ยวน้อยที่สุด แนะนำให้ใช้วัสดุชุบแข็งในอ่างอุ่นเพื่อระบายความร้อน (เพื่อให้ยืดตรงได้ง่ายในขณะที่ชิ้นงานยังร้อนอยู่) หรือแม้แต่ระบายความร้อนด้วยอากาศ วัสดุชุบแข็งที่มีอัตราการระบายความร้อนระหว่างน้ำและน้ำมันสามารถใช้แทนวัสดุชุบแข็งแบบคู่น้ำและน้ำมันได้

—การระบายความร้อนด้วยอากาศการชุบแข็งด้วยอากาศมีประสิทธิภาพในการลดการเสียรูปจากการชุบแข็งของเหล็กกล้าความเร็วสูง เหล็กกล้าแม่พิมพ์โครเมียม และเหล็กกล้าไมโครดีเฟชันที่ระบายความร้อนด้วยอากาศ สำหรับเหล็กกล้า 3Cr2W8V ที่ไม่ต้องการความแข็งสูงหลังการชุบแข็ง การชุบแข็งด้วยอากาศก็สามารถใช้เพื่อลดการเสียรูปได้โดยการปรับอุณหภูมิการชุบแข็งให้เหมาะสม

—การระบายความร้อนและการดับของน้ำมัน: น้ำมันเป็นสารดับความร้อนที่มีอัตราการเย็นตัวต่ำกว่าน้ำมาก แต่สำหรับชิ้นงานที่มีความสามารถในการชุบแข็งสูง ขนาดเล็ก รูปทรงซับซ้อน และมีแนวโน้มการเสียรูปสูง อัตราการเย็นตัวของน้ำมันจะสูงเกินไป แต่สำหรับชิ้นงานขนาดเล็กแต่ความสามารถในการชุบแข็งต่ำ อัตราการเย็นตัวของน้ำมันจะไม่เพียงพอ เพื่อแก้ไขข้อขัดแย้งข้างต้นและใช้ประโยชน์จากการดับความร้อนด้วยน้ำมันอย่างเต็มที่เพื่อลดการเสียรูปของชิ้นงานจากการดับความร้อน ผู้คนจึงใช้วิธีการปรับอุณหภูมิน้ำมันและเพิ่มอุณหภูมิการดับความร้อนเพื่อขยายการใช้น้ำมัน

—การเปลี่ยนอุณหภูมิของน้ำมันดับ:การใช้อุณหภูมิน้ำมันเดียวกันในการชุบแข็งเพื่อลดการเสียรูปจากการชุบแข็งยังคงมีปัญหาดังต่อไปนี้ กล่าวคือ เมื่ออุณหภูมิน้ำมันต่ำ การเสียรูปจากการชุบแข็งยังคงมีมาก และเมื่ออุณหภูมิน้ำมันสูง เป็นการยากที่จะรับประกันความแข็งของชิ้นงานหลังจากการชุบแข็ง ภายใต้อิทธิพลของรูปร่างและวัสดุของชิ้นงานบางชนิด การเพิ่มอุณหภูมิของน้ำมันชุบแข็งอาจทำให้การเสียรูปเพิ่มขึ้นได้เช่นกัน ดังนั้นจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องกำหนดอุณหภูมิของน้ำมันชุบแข็งหลังจากผ่านการทดสอบตามสภาพจริงของวัสดุ ขนาดหน้าตัด และรูปร่างของชิ้นงาน

เมื่อใช้น้ำมันร้อนในการดับไฟ เพื่อป้องกันการเกิดเพลิงไหม้ที่เกิดจากอุณหภูมิน้ำมันที่สูงอันเนื่องมาจากการดับไฟและการหล่อเย็น ควรติดตั้งอุปกรณ์ดับเพลิงที่จำเป็นไว้ใกล้กับถังน้ำมัน นอกจากนี้ ควรตรวจสอบดัชนีคุณภาพของน้ำมันดับไฟอย่างสม่ำเสมอ และควรเติมหรือเปลี่ยนน้ำมันใหม่ให้ทันเวลา

—เพิ่มอุณหภูมิการดับ:วิธีนี้เหมาะสำหรับชิ้นงานเหล็กกล้าคาร์บอนหน้าตัดขนาดเล็กและชิ้นงานเหล็กกล้าอัลลอยด์ขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อยที่ไม่สามารถบรรลุข้อกำหนดด้านความแข็งหลังจากการให้ความร้อนและการเก็บรักษาความร้อนที่อุณหภูมิการชุบแข็งปกติและการชุบแข็งด้วยน้ำมัน การเพิ่มอุณหภูมิการชุบแข็งและการชุบแข็งด้วยน้ำมันอย่างเหมาะสมจะช่วยให้เกิดการชุบแข็งและลดการเสียรูปได้ เมื่อใช้วิธีการนี้ในการชุบแข็ง ควรระมัดระวังเพื่อป้องกันปัญหาต่างๆ เช่น เกรนหยาบ สมบัติเชิงกลลดลง และอายุการใช้งานของชิ้นงานลดลงเนื่องจากอุณหภูมิการชุบแข็งที่เพิ่มขึ้น

—การจำแนกประเภทและการปรับอุณหภูมิ:เมื่อความแข็งในการชุบแข็งสามารถตอบสนองความต้องการการออกแบบได้ ควรใช้ประโยชน์จากการจำแนกประเภทและการออสเทมเปอร์ของวัสดุในอ่างน้ำร้อนอย่างเต็มที่เพื่อลดการเสียรูปจากการชุบแข็ง วิธีการนี้ยังมีประสิทธิภาพสำหรับเหล็กกล้าโครงสร้างคาร์บอนขนาดเล็กที่มีความสามารถในการชุบแข็งต่ำและเหล็กกล้าเครื่องมือ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหล็กกล้าแม่พิมพ์ที่มีโครเมียมและชิ้นงานเหล็กกล้าความเร็วสูงที่มีความสามารถในการชุบแข็งสูง การจำแนกประเภทวัสดุในอ่างน้ำร้อนและวิธีการหล่อเย็นออสเทมเปอร์เป็นวิธีดับไฟพื้นฐานสำหรับเหล็กกล้าประเภทนี้ นอกจากนี้ ยังมีประสิทธิภาพสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าโครงสร้างโลหะผสมต่ำที่ไม่ต้องการความแข็งในการชุบแข็งสูง

เมื่อดับกระหายด้วยการอาบน้ำร้อน ควรใส่ใจเรื่องต่อไปนี้:

ประการแรก เมื่อใช้การอาบน้ำมันเพื่อการจัดระดับและการดับความร้อนแบบคงที่ ควรควบคุมอุณหภูมิของน้ำมันอย่างเคร่งครัดเพื่อป้องกันการเกิดไฟไหม้

ประการที่สอง เมื่อทำการดับด้วยเกลือไนเตรต ควรติดตั้งอุปกรณ์ที่จำเป็นและอุปกรณ์ระบายความร้อนด้วยน้ำไว้ในถังเกลือไนเตรต สำหรับข้อควรระวังอื่นๆ โปรดดูข้อมูลที่เกี่ยวข้อง และจะไม่กล่าวซ้ำอีกในที่นี้

ประการที่สาม ควรควบคุมอุณหภูมิคงที่ (isothermal temperature) อย่างเคร่งครัดในระหว่างการชุบแข็งแบบ isothermal อุณหภูมิที่สูงหรือต่ำเกินไปไม่เอื้อต่อการลดการเสียรูปจากการชุบแข็ง นอกจากนี้ ในระหว่างการอบชุบ ควรเลือกวิธีการแขวนชิ้นงานเพื่อป้องกันการเสียรูปที่เกิดจากน้ำหนักของชิ้นงาน

ประการที่สี่ เมื่อใช้การชุบแข็งแบบอุณหภูมิคงที่หรือการชุบแข็งแบบไล่ระดับเพื่อแก้ไขรูปร่างของชิ้นงานในขณะที่ยังร้อนอยู่ เครื่องมือและอุปกรณ์จับยึดควรมีอุปกรณ์ครบครัน และการทำงานควรรวดเร็วระหว่างการทำงาน เพื่อป้องกันผลกระทบด้านลบต่อคุณภาพการชุบแข็งของชิ้นงาน

การดำเนินการทำความเย็น:การปฏิบัติงานอย่างชำนาญในระหว่างกระบวนการทำความเย็นมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการเสียรูปจากการดับ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการใช้ตัวกลางการดับที่เป็นน้ำหรือน้ำมัน

-ทิศทางที่ถูกต้องของการเข้าตัวกลางการดับโดยทั่วไปแล้ว ชิ้นงานรูปทรงแท่งที่สมดุลสมมาตรหรือยาวควรได้รับการชุบแข็งในแนวตั้งลงในตัวกลาง ส่วนชิ้นงานที่ไม่สมมาตรสามารถชุบแข็งในมุมเอียงได้ ทิศทางที่ถูกต้องมีจุดมุ่งหมายเพื่อให้แน่ใจว่าชิ้นส่วนทุกชิ้นได้รับการหล่อเย็นอย่างทั่วถึง โดยเริ่มจากส่วนที่หล่อเย็นช้าๆ เข้าสู่ตัวกลางก่อน ตามด้วยส่วนที่หล่อเย็นเร็ว การพิจารณารูปร่างของชิ้นงานและอิทธิพลต่อความเร็วในการหล่อเย็นเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในทางปฏิบัติ

-การเคลื่อนตัวของชิ้นงานในวัสดุชุบแข็ง:ชิ้นงานที่เย็นตัวช้าควรหันหน้าเข้าหาตัวกลางการชุบแข็ง ชิ้นงานที่มีรูปร่างสมมาตรควรเคลื่อนที่ไปตามตัวกลางที่สมดุลและสม่ำเสมอ โดยรักษาแอมพลิจูดขนาดเล็กและการเคลื่อนที่ที่รวดเร็ว สำหรับชิ้นงานที่บางและยาว ความมั่นคงระหว่างการชุบแข็งเป็นสิ่งสำคัญ หลีกเลี่ยงการแกว่งและพิจารณาใช้แคลมป์แทนการรัดลวดเพื่อการควบคุมที่ดีขึ้น

-ความเร็วในการดับ:ชิ้นงานควรได้รับการชุบแข็งอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นงานที่บางคล้ายแท่ง ความเร็วในการชุบแข็งที่ช้าลงอาจนำไปสู่การเสียรูปจากการดัดที่เพิ่มขึ้นและความแตกต่างของการเสียรูประหว่างส่วนที่ชุบแข็งในเวลาที่ต่างกัน

-ระบบทำความเย็นแบบควบคุม:สำหรับชิ้นงานที่มีขนาดหน้าตัดแตกต่างกันอย่างมาก ให้ปกป้องชิ้นงานที่เย็นตัวเร็วขึ้นด้วยวัสดุ เช่น เชือกใยหินหรือแผ่นโลหะ เพื่อลดอัตราการเย็นตัวและให้การเย็นตัวสม่ำเสมอ

-เวลาในการทำให้เย็นลงในน้ำ:สำหรับชิ้นงานที่เสียรูปเป็นหลักเนื่องจากแรงเค้นโครงสร้าง ควรลดระยะเวลาในการหล่อเย็นในน้ำ สำหรับชิ้นงานที่เสียรูปเป็นหลักเนื่องจากแรงเค้นความร้อน ควรยืดระยะเวลาในการหล่อเย็นในน้ำเพื่อลดการเสียรูปจากการชุบแข็ง

แก้ไขโดย May Jiang จาก MAT Aluminum