Terminio apdorojimo metodai: išsamus vadovas pasaulinei pramonei

Terminis apdorojimas yra esminis procesas įvairiose pramonės šakose visame pasaulyje, nuo aviacijos ir kosmoso bei automobilių pramonės iki gamybos ir statybos. Tai apima kontroliuojamą medžiagų, daugiausia metalų ir lydinių, kaitinimą ir aušinimą, siekiant pakeisti jų fizines ir mechanines savybes. Šiame vadove pateikiama išsami įvairių terminio apdorojimo metodų, jų pritaikymo ir optimalių rezultatų pasiekimo rekomendacijų apžvalga.

Terminio apdorojimo pagrindų supratimas

Iš esmės terminis apdorojimas remiasi metalurgijos principais, siekiant manipuliuoti medžiagos mikrostruktūra. Kruopščiai kontroliuodami temperatūrą, išlaikymo laiką ir aušinimo greitį, galime paveikti fazių dydį, formą ir pasiskirstymą medžiagoje, taip paveikdami jos kietumą, stiprumą, plastiškumą, tvirtumą ir atsparumą dilimui. Konkretūs terminio apdorojimo tikslai skiriasi priklausomai nuo norimų savybių ir numatomo medžiagos panaudojimo.

Pagrindiniai veiksniai, darantys įtaką terminio apdorojimo rezultatams

• Temperatūra: Temperatūra, iki kurios kaitinama medžiaga, yra kritinė. Ji turi būti pakankamai aukšta, kad sukeltų norimus mikrostruktūros pokyčius, bet pakankamai žema, kad būtų išvengta nepageidaujamų reiškinių, tokių kaip grūdelių augimas ar lydymasis.
• Išlaikymo laikas (mirkymo laikas): Laikas, kurį medžiaga laikoma nurodytoje temperatūroje, leidžia užtikrinti vienodą įkaitimą ir norimų fazių virsmų užbaigimą.
• Aušinimo greitis: Greitis, kuriuo medžiaga atvėsinama nuo aukštos temperatūros, ženkliai veikia galutinę mikrostruktūrą. Greitas aušinimas dažnai lemia kietesnes ir stipresnes medžiagas, o lėtas aušinimas skatina minkštesnes ir plastiškesnes medžiagas.
• Atmosfera: Aplinkos atmosfera terminio apdorojimo metu gali paveikti paviršiaus chemiją ir užkirsti kelią oksidacijai ar dekarbonizacijai. Dažnai naudojamos kontroliuojamos atmosferos, pvz., inertinės dujos ar vakuumas.

Įprasti terminio apdorojimo metodai

Įvairiose pramonės šakose taikomi keli terminio apdorojimo metodai. Kiekvienas metodas pritaikytas tam tikroms medžiagų savybėms pasiekti.

1. Atkaitinimas

Atkaitinimas – tai terminio apdorojimo procesas, naudojamas kietumui sumažinti, plastiškumui padidinti ir vidiniams įtempiams medžiagoje pašalinti. Jo metu medžiaga kaitinama iki tam tikros temperatūros, laikoma joje iš anksto nustatytą laiką, o po to lėtai atvėsinama iki kambario temperatūros. Lėtas aušinimo greitis yra labai svarbus norint pasiekti norimą minkštinimo efektą.

Atkaitinimo tipai:

• Pilnas atkaitinimas: Medžiagos kaitinimas virš viršutinės kritinės temperatūros, išlaikymas ir lėtas aušinimas krosnyje. Naudojamas maksimaliam minkštumui pasiekti ir grūdelių struktūrai pagerinti.
• Procesinis atkaitinimas: Medžiagos kaitinimas žemiau jos apatinės kritinės temperatūros, siekiant pašalinti įtempius, atsiradusius dėl šalto apdirbimo. Dažnai naudojamas gamybos procesuose, apimančiuose formavimą ar tempimą.
• Atkaitinimas įtempiams pašalinti: Medžiagos kaitinimas iki palyginti žemos temperatūros, siekiant pašalinti liekamuosius įtempius, žymiai nekeičiant jos mikrostruktūros. Naudojamas matmenų stabilumui pagerinti ir įtrūkimams išvengti.
• Sferoidizavimas: Medžiagos kaitinimas iki temperatūros, esančios šiek tiek žemiau apatinės kritinės temperatūros, ilgesnį laiką, siekiant paversti karbidus sferine forma. Pagerina apdirbamumą ir plastiškumą.

Atkaitinimo pritaikymas:

• Automobilių pramonė: Plieninių komponentų atkaitinimas siekiant pagerinti formavimąsi ir sumažinti įtrūkimų riziką gamybos metu.
• Aviacijos ir kosmoso pramonė: Aliuminio lydinių įtempių šalinimas, siekiant išvengti deformacijos apdirbimo ir eksploatacijos metu.
• Gamyba: Grūdintų plieninių komponentų apdirbamumo gerinimas.
• Vielos tempimas: Vielos atkaitinimas tarp tempimo etapų, siekiant atkurti plastiškumą ir išvengti lūžių.

2. Grūdinimas

Grūdinimas yra greito aušinimo procesas, naudojamas medžiagoms, ypač plienui, kietinti. Jo metu medžiaga kaitinama iki tam tikros temperatūros, o po to greitai atvėsinama panardinant ją į aušinimo terpę, pavyzdžiui, vandenį, alyvą ar sūrymą. Greitas aušinimas austenito fazę paverčia martensitu – labai kieta ir trapia faze.

Grūdinimo terpės ir jų poveikis:

• Vanduo: Užtikrina greičiausią aušinimo greitį ir paprastai naudojamas mažai anglies turinčiam plienui grūdinti. Tačiau jis gali sukelti didelės anglies turinčio plieno deformaciją ir įtrūkimus.
• Alyva: Užtikrina lėtesnį aušinimo greitį nei vanduo ir naudojama vidutinio ir didelio anglies turinčio plieno grūdinimui, siekiant sumažinti deformaciją ir įtrūkimus.
• Sūrymas (sūrus vanduo): Dėl ištirpusių druskų užtikrina greitesnį aušinimo greitį nei vanduo. Naudojamas tam tikrų tipų plienui grūdinti.
• Oras: Užtikrina lėčiausią aušinimo greitį ir naudojamas ore grūdinamiems plienams, kuriuose yra legiruojančiųjų elementų, skatinančių martensito susidarymą net ir lėtai aušinant.

Grūdinimo pritaikymas:

• Įrankių ir presformų gamyba: Pjovimo įrankių, presformų ir liejimo formų grūdinimas, siekiant pagerinti atsparumą dilimui ir pjovimo našumą.
• Automobilių pramonė: Krumpliaračių, velenų ir guolių grūdinimas, siekiant padidinti jų stiprumą ir ilgaamžiškumą.
• Aviacijos ir kosmoso pramonė: Važiuoklės komponentų ir kitų svarbių dalių grūdinimas.
• Gamyba: Mašinų komponentų grūdinimas, siekiant pagerinti jų atsparumą dilimui ir deformacijai.

3. Atleidimas

Atleidimas yra terminio apdorojimo procesas, atliekamas po grūdinimo. Jo metu užgrūdinta medžiaga kaitinama iki temperatūros, žemesnės už apatinę kritinę temperatūrą, laikoma joje tam tikrą laiką, o po to atvėsinama iki kambario temperatūros. Atleidimas sumažina martensito trapumą, padidina jo tvirtumą ir pašalina vidinius įtempius, atsiradusius grūdinimo metu. Kuo aukštesnė atleidimo temperatūra, tuo minkštesnė ir tvirtesnė tampa medžiaga.

Veiksniai, darantys įtaką atleidimui:

• Atleidimo temperatūra: Pagrindinis veiksnys, lemiantis galutines atleistos medžiagos savybes. Aukštesnė temperatūra lemia mažesnį kietumą ir didesnį tvirtumą.
• Atleidimo laikas: Atleidimo trukmė taip pat veikia galutines savybes. Ilgesnis atleidimo laikas skatina pilnesnį martensito virsmą.
• Atleidimo ciklų skaičius: Keli atleidimo ciklai gali dar labiau pagerinti tvirtumą ir matmenų stabilumą.

Atleidimo pritaikymas:

• Įrankių ir presformų gamyba: Grūdintų įrankių ir presformų atleidimas, siekiant pasiekti norimą kietumo ir tvirtumo balansą.
• Automobilių pramonė: Grūdintų krumpliaračių, velenų ir guolių atleidimas, siekiant pagerinti jų atsparumą smūginėms apkrovoms.
• Aviacijos ir kosmoso pramonė: Grūdintų orlaivių komponentų atleidimas, siekiant užtikrinti, kad jie atlaikytų skrydžio įtempius.
• Gamyba: Grūdintų mašinų komponentų atleidimas, siekiant pagerinti jų atsparumą dilimui ir nuovargiui.

4. Paviršiaus kietinimas

Paviršiaus kietinimas – tai terminio apdorojimo procesas, naudojamas kietam ir dilimui atspariam paviršiaus sluoksniui (angl. „case“) sukurti, išlaikant minkštesnę ir plastiškesnę šerdį. Tai ypač naudinga komponentams, kuriems reikalingas didelis paviršiaus kietumas, bet taip pat reikia atlaikyti smūgio ar lenkimo jėgas. Įprasti paviršiaus kietinimo metodai yra cementavimas, azotavimas ir indukcinis kietinimas.

Paviršiaus kietinimo tipai:

• Cementavimas: Anglies įvedimas į plieno komponento paviršių aukštoje temperatūroje, po kurio seka grūdinimas ir atleidimas. Anglimi praturtintas paviršius grūdinimo metu virsta kietu martensitiniu sluoksniu.
• Azotavimas: Azoto įvedimas į plieno komponento paviršių santykinai žemoje temperatūroje. Azotas sudaro kietus nitridus paviršiniame sluoksnyje, padidindamas jo atsparumą dilimui ir nuovargio stiprumą.
• Cianinimas: Panašus į cementavimą, bet naudojamos cianido druskos, siekiant į paviršių įvesti ir anglį, ir azotą.
• Indukcinis kietinimas: Elektromagnetinės indukcijos naudojimas greitam plieno komponento paviršiaus kaitinimui, po kurio seka grūdinimas. Šis metodas leidžia tiksliai kontroliuoti sukietintą plotą ir gylį.
• Kietinimas liepsna: Aukštos temperatūros liepsnos naudojimas greitam plieno komponento paviršiaus kaitinimui, po kurio seka grūdinimas. Panašus į indukcinį kietinimą, bet mažiau tikslus.

Paviršiaus kietinimo pritaikymas:

• Krumpliaračiai: Krumpliaračių dantų paviršiaus kietinimas, siekiant pagerinti atsparumą dilimui ir išvengti duobučių susidarymo.
• Paskirstymo velenai: Kumštelių paviršiaus kietinimas, siekiant pagerinti atsparumą dilimui ir sumažinti trintį.
• Guoliai: Guolių paviršių kietinimas, siekiant padidinti jų apkrovos gebą ir atsparumą dilimui.
• Rankiniai įrankiai: Plaktukų ir kitų įrankių smūginių paviršių kietinimas, siekiant pagerinti jų ilgaamžiškumą.

5. Normalizavimas

Normalizavimas yra terminio apdorojimo procesas, naudojamas metalo grūdelių struktūrai pagerinti, jo apdirbamumui ir mechaninėms savybėms pagerinti. Jo metu medžiaga kaitinama virš viršutinės kritinės temperatūros, laikoma joje tam tikrą laiką, o po to aušinama ramiame ore. Aušinimo ore greitis yra didesnis nei aušinimo krosnyje, bet lėtesnis nei grūdinimo, todėl gaunama smulkesnė ir vienodesnė grūdelių struktūra, palyginti su atkaitinimu.

Normalizavimo privalumai:

• Pagerinta grūdelių struktūra: Normalizavimas sukuria smulkesnę ir vienodesnę grūdelių struktūrą, kuri pagerina medžiagos stiprumą, tvirtumą ir plastiškumą.
• Pagerintas apdirbamumas: Normalizavimas gali pagerinti tam tikrų plienų apdirbamumą, sumažindamas jų kietumą ir skatindamas vienodesnį pjovimą.
• Įtempių šalinimas: Normalizavimas gali pašalinti vidinius įtempius, atsiradusius dėl ankstesnio apdorojimo, pavyzdžiui, liejimo, kalimo ar suvirinimo.
• Pagerintas matmenų stabilumas: Normalizavimas gali pagerinti komponento matmenų stabilumą, homogenizuodamas jo mikrostruktūrą.

Normalizavimo pritaikymas:

• Liejiniai: Plieninių liejinių normalizavimas, siekiant pagerinti jų grūdelių struktūrą ir mechanines savybes.
• Kaliniai: Plieninių kalinių normalizavimas, siekiant pašalinti vidinius įtempius ir pagerinti jų apdirbamumą.
• Suvirintos konstrukcijos: Plieninių suvirintų konstrukcijų normalizavimas, siekiant pagerinti jų grūdelių struktūrą ir tvirtumą.
• Bendroji paskirtis: Plienų paruošimas vėlesnėms terminio apdorojimo operacijoms, tokioms kaip kietinimas ir atleidimas.

6. Kriogeninis apdorojimas

Kriogeninis apdorojimas yra procesas, kurio metu medžiagos atšaldomos iki ypač žemų temperatūrų, paprastai žemiau -150°C (-238°F). Nors tai nėra griežtai terminis apdorojimas tradicine prasme, jis dažnai naudojamas kartu su terminio apdorojimo procesais, siekiant dar labiau pagerinti medžiagų savybes. Kriogeninis apdorojimas gali pagerinti atsparumą dilimui, padidinti kietumą ir sumažinti liekamuosius įtempius.

Kriogeninio apdorojimo mechanizmas:

Tikslių kriogeninio apdorojimo mechanizmų tyrimai vis dar vyksta, tačiau manoma, kad jis apima šiuos procesus:

• Liekamojo austenito transformacija: Kriogeninis apdorojimas gali transformuoti liekamąjį austenitą (minkštą, nestabilią fazę) į martensitą, taip padidindamas kietumą.
• Smulkių karbidų išsiskyrimas: Kriogeninis apdorojimas gali skatinti smulkių karbidų išsiskyrimą medžiagos mikrostruktūroje, o tai gali dar labiau padidinti kietumą ir atsparumą dilimui.
• Įtempių šalinimas: Kriogeninis apdorojimas gali padėti pašalinti liekamuosius įtempius medžiagoje, o tai gali pagerinti jos matmenų stabilumą ir atsparumą nuovargiui.

Kriogeninio apdorojimo pritaikymas:

• Pjovimo įrankiai: Pjovimo įrankių kriogeninis apdorojimas, siekiant pagerinti jų atsparumą dilimui ir pjovimo našumą.
• Guoliai: Guolių kriogeninis apdorojimas, siekiant padidinti jų apkrovos gebą ir atsparumą dilimui.
• Variklio komponentai: Variklio komponentų kriogeninis apdorojimas, siekiant pagerinti jų našumą ir ilgaamžiškumą.
• Muzikos instrumentai: Muzikos instrumentų komponentų kriogeninis apdorojimas, siekiant pagerinti jų rezonansą ir toną.

Tinkamo terminio apdorojimo metodo pasirinkimas

Tinkamo terminio apdorojimo metodo pasirinkimas yra labai svarbus norint pasiekti norimas medžiagų savybes ir našumą. Reikia atsižvelgti į kelis veiksnius, įskaitant:

• Medžiagos sudėtis: Skirtingos medžiagos skirtingai reaguoja į terminį apdorojimą. Medžiagoje esančių legiruojančiųjų elementų tipas ir kiekis turės įtakos tinkamų terminio apdorojimo parametrų pasirinkimui.
• Norimos savybės: Norimas kietumas, stiprumas, plastiškumas, tvirtumas ir atsparumas dilimui nulems terminio apdorojimo metodo pasirinkimą.
• Komponento dydis ir forma: Komponento dydis ir forma gali paveikti kaitinimo ir aušinimo greitį, o tai savo ruožtu gali paveikti galutinę mikrostruktūrą ir savybes.
• Gamybos apimtis: Gamybos apimtis gali turėti įtakos terminio apdorojimo įrangos ir proceso pasirinkimui. Pavyzdžiui, periodinio veikimo krosnys gali būti tinkamos mažos apimties gamybai, o nepertraukiamo veikimo krosnys gali būti efektyvesnės didelės apimties gamybai.
• Išlaidų aspektai: Reikėtų atsižvelgti į terminio apdorojimo proceso išlaidas, įskaitant energijos suvartojimą, darbo jėgą ir įrangą.

Pasauliniai standartai ir specifikacijos

Daugelis tarptautinių standartų ir specifikacijų reglamentuoja terminio apdorojimo procesus. Šie standartai užtikrina terminio apdorojimo operacijų nuoseklumą ir kokybę įvairiose pramonės šakose ir šalyse. Pavyzdžiui, standartai iš tokių organizacijų kaip ASTM International (Amerikos bandymų ir medžiagų draugija), ISO (Tarptautinė standartizacijos organizacija) ir EN (Europos normos).

Naujos terminio apdorojimo tendencijos

Terminio apdorojimo sritis nuolat tobulėja, atsirandant naujoms technologijoms ir medžiagų mokslo pasiekimams. Kai kurios naujos tendencijos apima:

• Tikslusis terminis apdorojimas: Pažangių valdymo sistemų ir jutiklių naudojimas, siekiant tiksliai kontroliuoti kaitinimo ir aušinimo greitį, temperatūros vienodumą ir atmosferos sudėtį.
• Vakuuminis terminis apdorojimas: Terminio apdorojimo atlikimas vakuuminėje aplinkoje, siekiant išvengti oksidacijos ir dekarbonizacijos, o tai lemia geresnę paviršiaus kokybę ir mechanines savybes.
• Plazminis terminis apdorojimas: Plazmos naudojimas greitam ir vienodam medžiagos paviršiaus kaitinimui, leidžiantis tiksliai kontroliuoti sukietintą plotą ir gylį.
• Adityviosios gamybos terminis apdorojimas: Terminio apdorojimo procesų kūrimas, specialiai pritaikytų unikaliems adityviosios gamybos (3D spausdinimo) dalių iššūkiams spręsti.
• Tvarus terminis apdorojimas: Dėmesys energijos vartojimo efektyvumui ir terminio apdorojimo procesų poveikio aplinkai mažinimui.

Išvada

Terminis apdorojimas yra universalus ir esminis procesas, skirtas medžiagų savybėms gerinti įvairiose pramonės šakose visame pasaulyje. Įvairių terminio apdorojimo metodų, jų pritaikymo ir veiksnių, turinčių įtakos jų efektyvumui, supratimas yra labai svarbus inžinieriams, metalurgams ir gamybos profesionalams. Kruopščiai parinkdami ir kontroliuodami terminio apdorojimo procesą, gamintojai gali optimizuoti savo gaminių našumą, ilgaamžiškumą ir patikimumą.