Techniki obróbki cieplnej form do odlewania ciśnieniowego – przewodnik

Techniki obróbki cieplnej są szeroko stosowane w produkcji form do odlewania ciśnieniowego; mogą one znacznie poprawić mikrostrukturę i wydajność elementów form, przedłużyć żywotność form, poprawić jakość obróbki skrawaniem i zmniejszyć zużycie narzędzi.

Formy do odlewania ciśnieniowego są zazwyczaj wykonane ze stopowych stali narzędziowych. Typowe sekwencje obróbki cieplnej obejmują wyżarzanie sferoidalne, odprężanie/stabilizację, hartowanie (lub hartowanie i odpuszczanie) oraz wielokrotne operacje odpuszczania. Dzięki doborowi odpowiedniej kombinacji obróbek cieplnych można uzyskać wymaganą wytrzymałość, odporność i właściwości w wysokich temperaturach.

Obróbka wstępna:

1. Cel: usunięcie naprężeń szczątkowych powstałych podczas kucia lub obróbki zgrubnej, zmniejszenie twardości w celu ułatwienia cięcia oraz przygotowanie jednolitej struktury do późniejszego hartowania i odpuszczania.
2. Metody i efekty: wyżarzanie sferoidalne powoduje powstanie jednolitej mikrostruktury z drobno rozproszonymi węglikami, co poprawia wytrzymałość. Hartowanie i odpuszczanie (tj. hartowanie, a następnie odpuszczanie) często zapewnia doskonałą równowagę między wytrzymałością a twardością, dlatego w przypadku matryc wymagających wysokiej wytrzymałości zamiast sferoidyzacji stosuje się zazwyczaj odpuszczanie po hartowaniu.
3. Zalecenie: należy przeprowadzić obróbkę wstępną odkuwek lub wstępnie obrobionych półfabrykatów i rejestrować partie procesu, aby ułatwić późniejszą identyfikację jakości.

Obróbka stabilizacyjna:

1. Cel: usunięcie naprężeń wewnętrznych powstałych podczas obróbki zgrubnej oraz zmniejszenie ryzyka odkształcenia i pękania podczas hartowania. Jest to szczególnie ważne w przypadku matryc o skomplikowanych kształtach.
2. Typowy proces: ogrzanie do temperatury 650 °C do 680 °C, utrzymanie temperatury przez 2 do 4 godzin, a następnie wyjęcie z pieca i schłodzenie na powietrzu. W przypadku matryc o złożonej geometrii należy schłodzić je w piecu do temperatury poniżej 400 °C przed schłodzeniem na powietrzu, aby jeszcze bardziej zmniejszyć naprężenia wewnętrzne.
3. Przypadki szczególne: powierzchnie zmodyfikowane za pomocą EDM (obróbka elektroerozyjna) mogą tworzyć warstwę odlewaną lub uszkodzoną i są podatne na pęknięcia spowodowane cięciem drutem; w celu usunięcia naprężeń lokalnych należy przeprowadzić wyżarzanie odprężające w niższej temperaturze.

Podgrzewanie przed hartowaniem:

1. Powód: matryce odlewnicze są często wykonane ze stali wysokostopowych o słabej przewodności cieplnej; szybkie bezpośrednie ogrzewanie może powodować duże gradienty temperatury, powodując pękanie lub odkształcenia. Dlatego konieczne jest stopniowe podgrzewanie wstępne.
2. Metody i temperatury podgrzewania wstępnego: podgrzewanie wstępne w niższej temperaturze (od 400 °C do 650 °C) można przeprowadzić w piecu skrzynkowym lub powietrznym. Podgrzewanie wstępne w wyższej temperaturze lepiej przeprowadzać w piecu solnym, aby poprawić równomierność ogrzewania.
3. Liczba etapów podgrzewania i wymagania: matryce o niskich wymaganiach dotyczących kontroli odkształceń mogą wymagać mniejszej liczby etapów podgrzewania; w przypadku ścisłej kontroli odkształceń należy stosować wieloetapowe podgrzewanie, aby zmniejszyć naprężenia związane z gradientem termicznym. Typowy empiryczny szacunek czasu podgrzewania wynosi 1 min/mm (tylko dla celów informacyjnych; należy zweryfikować w oparciu o materiał i grubość elementu).

Ogrzewanie do hartowania i wyżarzanie:

1. Cel: uzyskanie austenitu o jednolitym składzie i wystarczające rozpuszczenie węglików, co poprawia wytrzymałość w wysokich temperaturach i odporność na mięknienie.
2. Wybór temperatury: temperatura hartowania powinna być wybrana w granicach określonych dla danego materiału. Wyższe temperatury hartowania sprzyjają stabilności termicznej, ale mogą powodować wzrost ziarna i zmniejszać wytrzymałość; matryce wymagające wysokiej wytrzymałości zazwyczaj wykorzystują stosunkowo niższe temperatury hartowania.
3. Czas wygrzewania: aby zapewnić homogenizację, hartowanie w kąpieli solnej zazwyczaj wymaga stosunkowo długiego wygrzewania; powszechnie przyjmuje się wartość od 0,8 min/mm do 1,0 min/mm (wartość referencyjna; należy ją zweryfikować).

Chłodzenie podczas hartowania:

1. Wybór metody chłodzenia: matryce o prostym kształcie i niskiej wrażliwości na odkształcenia mogą być hartowane w oleju. Matryce o złożonych kształtach lub wysokich wymaganiach dotyczących odporności na odkształcenia lepiej poddawać hartowaniu stopniowemu (przyspieszając chłodzenie w etapach z płynnymi przejściami).
2. Wyrównanie przed odpuszczaniem: aby zapobiec pękaniu i odkształceniom, niezależnie od metody chłodzenia, nie należy schładzać bezpośrednio do temperatury pokojowej, lecz najpierw schłodzić do temperatury 150 °C do 180 °C w celu wyrównania. Czas wyrównywania można oszacować na 0,6 min/mm (wartość odniesienia), a następnie natychmiast przystąpić do odpuszczania.
3. Uwagi: należy kontrolować profil szybkości chłodzenia, aby uniknąć koncentracji naprężeń termicznych na powierzchni i w rdzeniu. W przypadku stosowania hartowania stopniowego lub lokalnego należy zapewnić kontrolę odkształceń i przewidywać procedury korygujące.

Odpuszczanie:

1. Konieczność: wystarczające wyżarzanie usuwa naprężenia szczątkowe po hartowaniu i dostosowuje twardość i wytrzymałość. Formy do odlewania ciśnieniowego wymagają zazwyczaj dokładnego wyżarzania, które zwykle przeprowadza się w trzech etapach.
2. Pierwsza temperatura odpuszczania jest zazwyczaj wybierana w zakresie wtórnego utwardzania materiału (w celu ustabilizowania struktury).
3. Temperatura drugiego wyżarzania jest wybierana w celu uzyskania wymaganej twardości.
4. Temperatura trzeciego wyżarzania jest o 10 °C do 20 °C niższa niż temperatura drugiego wyżarzania i służy do usunięcia naprężeń szczątkowych i udoskonalenia struktury.
5. Chłodzenie podczas odpuszczania: po odpuszczaniu można zastosować chłodzenie olejem lub powietrzem. Czas utrzymywania temperatury podczas odpuszczania w jednym cyklu nie powinien być krótszy niż 2 godziny (dokładny czas należy określić na podstawie grubości części i wymagań materiałowych).