Wie kann man das Auftreten von Mischkristallen reduzieren?

Schlüsselmaßnahmen zur Reduzierung des Auftretens von Einschlüssen

Die Bildung von Einschlüssen steht in engem Zusammenhang mit dem gesamten Prozess der Materialvorbereitung, Verarbeitung und Wärmebehandlung. Es ist notwendig, das Problem aus mehreren Aspekten wie der Optimierung der Prozessparameter, der Verbesserung der Ausrüstung und der Qualitätskontrolle anzugehen. Die spezifischen Lösungen sind wie folgt: 

I. Kontrolle der Rohstoffe und des Gießprozesses

Optimierung der Einheitlichkeit der chemischen Zusammensetzung

Verwendung von Raffinationstechniken (z. B. Vakuumschmelzen, elektromagnetisches Rühren) zur Reduzierung der Segregation von Legierungselementen und Minimierung der dendritischen Segregation, um Unterschiede im Kornwachstum aufgrund ungleichmäßiger Zusammensetzung zu vermeiden.

Bei Legierungen mit hoher Segregationsneigung (z. B. Aluminiumlegierungen, Superlegierungen) kann ein Ausgleichsglühprozess hinzugefügt werden, um die Zusammensetzungsinhomogenität durch Diffusion zu beseitigen.

Verbesserung der Gießkühlbedingungen

Verwendung von thermostatisierten Formen oder temperaturkontrollierten Gießsystemen, um gleichmäßige Abkühlraten in allen Teilen der Gussstücke sicherzustellen und anomales Kornwachstum aufgrund von lokaler Überhitzung oder Unterkühlung zu vermeiden.

Steuerung der Gießtemperatur: Übermäßig hohe Temperaturen können zu groben Körnern führen, während übermäßig niedrige Temperaturen aufgrund einer schnellen Erstarrung zu einer ungleichmäßigen Mikrostruktur führen können. Die optimale Gießtemperatur sollte gemäß den Legierungseigenschaften festgelegt werden (z. B. werden Stahlgussstücke normalerweise 50 - 100°C über der Liquiduslinie kontrolliert). 

II. Präzise Steuerung der Warmverarbeitungstechniken

Steuerung der Verformungsmenge und der Gleichmäßigkeit der Verformung

Vermeidung, dass die Verformungsmenge in der "kritischen Verformungszone" (5% - 15%) liegt, und Gewährleistung, dass die Gesamtverformungsmenge die für die Rekristallisation erforderliche Mindestverformung übersteigt (normalerweise ≥ 20%), damit die Körner vollständig aufgebrochen und rekristallisiert werden können.

Verwendung von mehrseitigem Schmieden, Kreuzwalzen und anderen Verfahren, um die Verformungsunterschiede im Querschnitt des Werkstücks zu verringern (z. B. der Unterschied in der Verformungsmenge zwischen der Mitte und der Kante des Schmiedeteils ≤ 10%), und bei Bedarf Verbesserung der anfänglichen Mikrostrukturgleichmäßigkeit durch Vorverformungsbehandlung.

Strengere Kontrolle der Warmverarbeitungstemperatur und -zeit

Einstellen eines angemessenen Verarbeitungstemperaturbereichs: Die Temperatur sollte höher als die Rekristallisationstemperatur, aber niedriger als die "Überhitzungstemperatur" sein, bei der die Körner schnell wachsen (bei Kohlenstoffstahl liegt die Warmverarbeitungstemperatur normalerweise zwischen 900 - 1150℃), um lokale Kornanomalien aufgrund von Temperaturschwankungen zu vermeiden.

Verringerung der Haltezeit bei hoher Temperatur, Einsatz von Schnellerhitzung oder segmentierten Isolationsverfahren und Reduzierung der Triebkraft für das Kornwachstum.

III. Optimierung der Wärmebehandlungsverfahren

Verbesserung der Glüh- und Normalisierungsverfahren

Homogenisierungsglühen: Bei Materialien mit Zusammensetzungssegregation nach Gießen oder Schmieden wird ein Hochtemperatur- und Langzeitglühen durchgeführt (z. B. bei Aluminiumlegierungen bei 400 - 450°C für 10 - 20 Stunden). Durch die Atomdiffusion wird die Inhomogenität der Mikrostruktur beseitigt.

Rekristallisationsglühen: Bei kaltverformten Materialien wird eine Glühtemperatur gewählt, die etwas über der Rekristallisationstemperatur liegt (z. B. bei Kupferlegierungen bei etwa 250 - 300°C). Die Haltezeit wird so gewählt, dass die Körner vollständig rekristallisieren, aber nicht grob werden (normalerweise 1 - 3 Stunden).

Isothermale Normalisierung: Bei mittelkohligen Stählen oder Legierungsstählen wird anstelle der normalen Normalisierung die isothermale Normalisierung eingesetzt. Durch die Kontrolle der Austenitisierungstemperatur (z. B. 30 - 50°C über Ac3) und der Isothermaltemperatur (Spitze der Perlitumwandlungszone) wird eine einheitliche feine Perlith mikrostruktur erhalten.

Vorbehandlung vor dem Härten

Bei Stählen mit Bandstruktur oder Karbidsegregation wird zunächst eine Kugelglühung oder Diffusionsglühung durchgeführt, um die ursprünglichen Gefügedefekte zu beseitigen, und dann wird das Härten durchgeführt, um die durch ungleichmäßige Austenitisierung verursachten Mischkristalle zu vermeiden.

IV. Präzise Steuerung von Anlagen und Prozessparametern

Aufrüstung der Heizanlagen

Aufrüsten auf Vakuumöfen, Atmosphärenöfen oder mehrzonig temperaturgesteuerte Öfen, um eine gleichmäßige Heiztemperatur des Werkstücks sicherzustellen (Temperaturabweichung ≤ ±5℃) und lokale Kristallanomalien, die durch Temperaturgradienten im Ofen verursacht werden, zu vermeiden.

Online-Überwachung und Feedback

Während der Heißerstellung oder Wärmebehandlung wird das Temperaturfeld des Werkstücks in Echtzeit mithilfe von Infrarot-Temperaturmessung, Thermografie usw. überwacht und in Kombination mit dem PLC-Steuerungssystem die Heizleistung oder die Abkühlrate dynamisch angepasst, um stabile Prozessparameter sicherzustellen. 

V. Qualitätsprüfung und Prozessvalidierung

Mikrostrukturprüfung

An Rohmaterialien und Werkstücken in jeder Verarbeitungsstufe werden metallographische Tests durchgeführt. Die Kornfeinheitseinteilung (z. B. nach der ASTM E112-Norm) wird verwendet, um die Gleichmäßigkeit der Körner zu überwachen. Wenn Einschlüsse festgestellt werden, wird der nachfolgende Prozess umgehend angepasst.

Simulationsoptimierung

Finite-Elemente-Analyse-Software (z. B. Deform, Simufact) wird eingesetzt, um das Temperaturfeld, das Spannungsfeld und das Kornwachstumsverhalten während der Wärmeverarbeitung oder Wärmebehandlung zu simulieren. Das Risiko von Einschlüssen wird im Voraus vorhergesagt und die Prozessparameter optimiert. 

Typische Fälle und Anwendungen

Aluminiumlegierungsschmieden: Ein Schmiedeteil aus einer 7er-Serie Aluminiumlegierung litt unter einer inhomogenen Kristallbildung aufgrund von Temperaturschwankungen (±20℃) während des Schmiedevorgangs. Durch den Wechsel auf einen Ofen mit zonenweise geregelter Temperatur (mit einer Abweichung von ≤±3℃) und die Optimierung der Verformungsmenge auf 30% wurde das Problem der inhomogenen Kristalle deutlich verbessert.

Wärmebehandlung von Zahnradstahl: Vor dem Härten hatte der 20CrMnTi-Zahnradstahl aufgrund einer unzureichenden Anlasstemperatur (780℃) verbliebene grobe Kristalle. Durch die Anpassung der Anlasstemperatur auf 850℃ und die Haltezeit von 2 Stunden entsprach die Kornhomogenität den Standards (Kornfeinheit 8 - 9 Grade).

Durch die gesamte Prozesskontrolle, vom Schmelzen des Rohmaterials bis zur Wärmebehandlung des Fertigprodukts, kann die genaue Regelung der Temperatur, der Verformungsmenge und der Abkühlbedingungen in jeder Stufe effektiv das Auftreten von inhomogenen Kristallen reduzieren und die gleichmäßigen und stabilen Materialeigenschaften gewährleisten.