Breve introducción al nuevo proceso de enfriamiento

El enfriamiento rápido es un proceso de tratamiento térmico rápido para transformar la transformación de martensita (o bainita) por debajo de la temperatura de Ms o cerca de la Sra. El método detallado es calentar el acero a una temperatura superior a la temperatura crítica de Ac3 (acero hipoeutectoide) o Ac1 (acero hiper-eutectoide) ), luego retiene su calor durante un período de tiempo, lo hace austenitizado total o parcialmente, y finalmente lo enfría a una velocidad de enfriamiento crítica. El tratamiento en solución de materiales como aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre, aleaciones de titanio, vidrio templado o procesos de tratamiento térmico con procesos de enfriamiento rápido también se conoce como enfriamiento rápido. El enfriamiento es un proceso genérico de tratamiento térmico utilizado principalmente para aumentar la dureza de los materiales. Por lo general, por categorías de medios de enfriamiento rápido, se puede dividir en enfriamiento rápido con agua, enfriamiento rápido con aceite, enfriamiento orgánico y similares. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, han surgido algunos nuevos procesos de enfriamiento.

La pieza de trabajo se enfría rápida y uniformemente en un fuerte flujo de gas inerte, que puede evitar la oxidación de la superficie, evitar grietas, reducir la distorsión y garantizar la dureza requerida. HPGQ se utiliza principalmente para el temple de acero para herramientas, que recientemente ha progresado rápidamente. En la actualidad, hay una presión negativa (<1 × 105 Pa) de refrigeración por aire de alto caudal, presión (1 × 105 ～ 4 × 105 Pa) refrigeración por aire y alta presión (5 × 105 ～ 10 × 105 Pa) Aire -refrigerado, de ultra alta presión (10 × 105 ～ 20 × 105 Pa) de refrigeración por aire y otras nuevas tecnologías que mejoran en gran medida no solo la capacidad de enfriamiento con gas de vacío, sino también el estado de la pieza de trabajo enfriada, que tiene una buena superficie Brillo y pequeña deformación. Los HPGQ se utilizan principalmente para enfriar y templar materiales, solución sólida de acero inoxidable y aleaciones especiales. Cuando se enfría con nitrógeno de alta presión 6 × 105 Pa, la templabilidad del acero de alta velocidad (W6Mo5Cr4V2) se puede endurecer a 70-100 mm, y el acero de alta aleación puede alcanzar 25-100 mm. El acero de matriz de trabajo en frío (como Cr12) puede alcanzar 80 ~ 100 mm.

Cuando se enfría con 10 x 105 Pa de gas nitrógeno a alta presión, la densidad de carga se incrementa en aproximadamente 30% a 40% cuando se enfría con una carga de enfriamiento de 6 × 105 Pa. Cuando se enfría con 20 × 105 Pa de nitrógeno a alta presión o una mezcla de helio y nitrógeno, la densidad de la carga enfriada es 80%-150% más alta que la de enfriamiento de nitrógeno 6 × 105 Pa, que puede enfriar todo acero de alta velocidad y acero de alta aleación. , acero de troquel de trabajo en caliente, acero al cromo Cr13%, y más acero templado con aceite de aleación, como acero de 9Mn2V de mayor tamaño. Además, un horno de enfriamiento de doble cámara enfriado por aire con una cámara de enfriamiento separada tiene una mejor capacidad de enfriamiento que un horno de cámara única del mismo tipo. El efecto de enfriamiento de un horno de cámara doble enfriado con nitrógeno de 2 x 105 Pa es comparable a un horno de cámara única de 4 x 105 Pa. Los hornos de una cámara tienen menores costos de operación y mantenimiento.

Figura 1 Horno de vacío refrigerado por gas a alta presión

El enfriamiento convencional generalmente se lleva a cabo con aceite, agua o una solución de polímero, mientras que el enfriamiento intenso se lleva a cabo con agua o una baja concentración de salmuera. La fuerte característica de enfriamiento es que la velocidad de enfriamiento es extremadamente rápida sin preocuparse por la distorsión excesiva y el agrietamiento del acero.

Cuando el enfriamiento convencional se enfría a la temperatura del agente de enfriamiento rápido, la superficie de la parte de acero forma un esfuerzo de tensión o un estado de bajo esfuerzo, mientras que el enfriamiento intenso detiene el enfriamiento mientras el núcleo de la pieza de trabajo todavía está en estado caliente, y el La capa superficial forma una tensión de compresión. En condiciones de enfriamiento intenso, cuando la velocidad de enfriamiento de la zona de transformación de martensita es> 30 ° C / s, la austenita sobreenfriada de la superficie del acero se somete a un esfuerzo de compresión de 1200 MPa, lo que aumenta el límite elástico del acero después de apagado por al menos 25%.

El principio del enfriamiento intenso: cuando el acero se enfría de la temperatura de austenización, la diferencia de temperatura entre la superficie y el núcleo causará tensión interna. El cambio de volumen específico y la plasticidad de cambio de fase de la estructura de cambio de fase también causan tensión de transformación de fase adicional. Si el esfuerzo térmico y el esfuerzo de transición de fase se superponen, es decir, el esfuerzo compuesto excede el límite elástico del material, se produce deformación plástica; Si la tensión combinada excede la resistencia a la tracción del acero caliente, se forma una grieta de temple. Durante el proceso de enfriamiento intenso, el estrés residual causado por la plasticidad de la transformación de fase y el cambio de volumen específico causado por el cambio de volumen específico de la transformación austenita-martensita aumentan. Durante el enfriamiento intenso, la superficie de la pieza de trabajo se enfría inmediatamente a la temperatura del baño, y casi no hay cambios en la temperatura central. El enfriamiento rápido provoca tensiones elevadas debido a la contracción de la capa superficial y al equilibrio de tensiones por el núcleo. El aumento del gradiente de temperatura aumenta la tensión de tracción causada por la transformación inicial de martensita, y el aumento de la temperatura de inicio de transformación de martensita Ms provoca la expansión de la capa superficial causada por la plasticidad de la transformación de fase, y la tensión de tensión superficial se reduce significativamente y se convierte en estrés compresivo. El valor del esfuerzo de compresión superficial es proporcional a la cantidad de martensita superficial formada. Este esfuerzo de compresión superficial determina si el núcleo sufrirá una transformación martensítica bajo compresión o revertirá el esfuerzo de tensión superficial al enfriarse más. Si la transformación de martensita hace que el volumen del núcleo se expanda lo suficiente, y la martensita de la superficie es muy dura y quebradiza, la capa superficial se romperá debido a la inversión de la tensión. Por esta razón, la tensión de compresión en la superficie del acero y la transformación del núcleo en martensita deberían ocurrir lo más tarde posible.

Prueba de temple fuerte y propiedades después del temple de acero: La ventaja del método de temple fuerte es que se forma tensión de compresión en la capa superficial, se reduce la probabilidad de grietas y se mejora la dureza y resistencia. La capa superficial forma una estructura de martensita 100%, que proporcionará la capa endurecida más grande para un grado de acero dado. Por lo tanto, se puede usar acero al carbono en lugar del acero de aleación más caro. El enfriamiento rápido también puede promover propiedades mecánicas uniformes y minimizar la distorsión de la pieza de trabajo. Después de un enfriamiento intenso de la pieza, la vida útil bajo carga alterna se puede aumentar en un orden de magnitud. [1]

Figura 2 Relación entre la probabilidad de formación intensa de grietas de enfriamiento rápido y la velocidad de enfriamiento

Al ajustar la presión del agua y el aire y la distancia entre la boquilla atomizadora y la superficie de la pieza de trabajo, la capacidad de enfriamiento de la mezcla de agua y aire puede variar y el enfriamiento puede hacerse uniforme. La práctica de producción muestra que el temple por calentamiento por inducción superficial de piezas complejas de acero al carbono o de acero aleado puede prevenir eficazmente la aparición de grietas de temple.

Fig. 3 Mezcla agua-aire

Enfriando con agua hirviendo a 100 ° C, se puede obtener un mejor efecto de endurecimiento para enfriar o normalizar el acero. Esta tecnología se ha aplicado con éxito al temple del hierro dúctil. Tomando la aleación de aluminio como ejemplo: de acuerdo con las especificaciones actuales de tratamiento térmico para forjados de aleación de aluminio y forjados de troquel, la temperatura del agua de enfriamiento generalmente se controla por debajo de 60 ° C.La temperatura del agua de enfriamiento es baja, la velocidad de enfriamiento es rápida y un gran El estrés residual se genera después del enfriamiento. Cuando el producto finalmente se mecaniza, debido a la forma y el tamaño inconsistentes de la superficie, la tensión interna está fuera de balance, lo que resulta en la liberación de la tensión residual, causando distorsión, flexión, elipse y otras deformaciones de las piezas mecanizadas, convirtiéndose en un final irreparable desperdicio, con graves pérdidas. . Por ejemplo: las piezas forjadas de aleación de aluminio, como las hélices y los discos de las palas del compresor, obviamente se deforman después del mecanizado, lo que resulta en piezas de gran tamaño. Cuando la temperatura del agua de enfriamiento se eleva de la temperatura ambiente (30-40 ° C) al agua hirviendo (90-100 ° C), el estrés residual de la forja se reduce en aproximadamente 50% en promedio. [2]

Figura 4 Diagrama esquemático del enfriamiento con agua hirviendo

El aceite de enfriamiento en caliente se usa para hacer que la temperatura de la pieza de trabajo antes o después de un enfriamiento adicional sea igual o cercana a la temperatura del punto Ms, para minimizar la diferencia de temperatura y prevenir efectivamente la distorsión y el agrietamiento de la pieza de trabajo enfriada. Enfriar un troquel de refrigeración de acero para herramientas de aleación de tamaño pequeño en aceite caliente a 160-200 ° C puede reducir efectivamente la distorsión y evitar grietas.

Figura 5 Diagrama esquemático del enfriamiento con aceite caliente

[1] Fan Dongli. Enfriamiento fuerte: un nuevo método de tratamiento térmico para acero reforzado [J]. Tratamiento térmico, 2005, 20 (4): 1-3

[2] Song Wei, Hao Dongmei, Wang Chengjiang. Efecto del enfriamiento con agua hirviendo sobre la microestructura y las propiedades mecánicas de los forjados de aleación de aluminio [J]. Mecanizado de aluminio, 2002, 25