Wie kann man das Auftreten von Mischkristallen reduzieren?

Schlüsselmaßnahmen zur Reduzierung des Auftretens von Einschlüssen

Die Bildung von Einschlüssen hängt eng mit dem gesamten Prozess der Materialvorbereitung, Verarbeitung und Wärmebehandlung zusammen. Es ist erforderlich, das Problem aus mehreren Aspekten wie der Optimierung der Verarbeitungsparameter, der Verbesserung der Ausrüstung und der Qualitätskontrolle anzugehen. Die spezifischen Lösungen sind wie folgt: 

I. Kontrolle der Rohstoffe und des Gießprozesses

Optimieren Sie die Einheitlichkeit der chemischen Zusammensetzung

Verwenden Sie Raffinationstechniken (z. B. Vakuumschmelzen, elektromagnetisches Rühren), um die Segregation der Legierungselemente zu reduzieren und die dendritische Segregation zu minimieren, und vermeiden Sie die Unterschiede im Kornwachstum, die durch ungleichmäßige Zusammensetzung verursacht werden.

Bei Legierungen mit hoher Segregationstendenz (z. B. Aluminiumlegierungen, Hochtemperaturlegierungen) kann ein Homogenisierungsglühprozess hinzugefügt werden, um die Zusammensetzungsinhomogenität durch Diffusion zu beseitigen.

Verbessern Sie die Gießkühlbedingungen

Verwenden Sie konstant temperierte Formen oder temperaturgesteuerte Gießsysteme, um gleichmäßige Abkühlraten in allen Teilen der Gussteile zu gewährleisten und das abnormale 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 der schnellen Erstarrung zu ungleichmäßigen Gefügen 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 Sicherstellung, dass die gesamte Verformungsmenge die für die Rekristallisation erforderliche Mindestverformung überschreitet (normalerweise ≥ 20%), damit die Körner vollständig zerkleinert und rekristallisiert werden können.

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

Striktes Kontrollieren der Warmverarbeitungstemperatur und -zeit

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

Verringerung der Hochtemperaturhaltezeit, Verwendung von Schnellaufheiz- oder segmentierten Isolationsprozessen und Reduzierung der Triebkraft für das Kornwachstum.

III. Optimierung der Wärmebehandlungsprozesse

Verbesserung der Anlass- und Normalisierungsverfahren

Homogenisierungsglühen: Für Materialien mit Zusammensetzungssegregation nach Gießen oder Schmieden wird Hochtemperatur-Langzeitglühen (z. B. für Aluminiumlegierungen bei 400-450℃ für 10-20 Stunden) angewendet. Durch die atomare Diffusion wird die Inhomogenität der Struktur beseitigt.

Rekristallisationsglühen: Für kaltverformte Materialien wird eine Glühtemperatur leicht über der Rekristallisationstemperatur gewählt (z. B. für Kupferlegierungen bei ungefähr 250-300℃). Die Haltezeit wird so gewählt, dass die Körner vollständig rekristallisieren, aber nicht grob werden (normalerweise 1-3 Stunden).

Isothermale Normalisierung: Bei mittelkohlenstoffhaltigen Stählen oder Legierungsstählen wird anstelle der normalen Normalisierung die isothermale Normalisierung angewendet. Durch die Kontrolle der Austenitisierungstemperatur (z. B. 30 - 50℃ über Ac3) und der Isothermaltemperatur (Spitze der Perlitumwandlungszone) wird eine gleichmäßige, feine Perlitstruktur erhalten.

Vorbehandlung vor dem Härten

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

IV. Präzise Steuerung der Anlagen und Prozessparameter

Aufrüstung der Heizanlagen

Aufrüsten auf Vakuumöfen, Atmosphärenöfen oder mehrzonig temperaturgesteuerte Öfen, um eine gleichmäßige Heiztemperatur des Werkstücks sicherzustellen (Temperaturabweichung ≤ ±5℃) und lokale Kornanomalien aufgrund von Temperaturgradienten im Ofen zu vermeiden.

Online-Überwachung und Feedback

Während der Heißverarbeitung oder Wärmebehandlung wird das Temperaturfeld des Werkstücks in Echtzeit mithilfe von Infrarottemperaturmessung, 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 Korngrößenklassifizierung (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 genutzt, 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

Aluminiumlegierungs-Schmiedeteile: Ein Schmiedeteil aus einer 7er-Serie Aluminiumlegierung hatte Probleme mit inhomogener Kristallbildung aufgrund von Temperaturschwankungen (±20℃) während des Schmiedevorgangs. Durch die Umstellung des Ofens auf ein zonengesteuertes Temperatursystem (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 von 20CrMnTi Zahnradstahl führte eine unzureichende Anlasstemperatur (780℃) zu verbleibenden groben Kristallen. Durch die Anpassung der Anlasstemperatur auf 850℃ und die Haltezeit von 2 Stunden wurde die Kornuniformität den Standards entsprechen (Kornfeinheit 8-9 Stufen).

Durch den gesamten Prozess der 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.