Előnyök érhetők el, ha betekintést nyerünk a rozsdamentes acél mechanikai viselkedését szabályozó szemcseszerkezet egyik rétegébe. Getty Images
A rozsdamentes acél és az alumíniumötvözetek kiválasztása általában a szilárdság, a képlékenység, a nyúlás és a keménység köré összpontosul. Ezek a tulajdonságok jelzik, hogy a fém építőelemei hogyan reagálnak az alkalmazott terhelésekre. Hatékony mutatói a nyersanyag-korlátok kezelésének, azaz annak, hogy mennyire hajlik meg, mielőtt eltörik. A nyersanyagnak képesnek kell lennie arra, hogy törés nélkül ellenálljon a fröccsöntési folyamatnak.
A roncsolásos szakító- és keménységvizsgálat megbízható és költséghatékony módszer a mechanikai tulajdonságok meghatározására. Ezek a vizsgálatok azonban nem mindig olyan megbízhatóak, ha a nyersanyag vastagsága korlátozni kezdi a vizsgálati minta méretét. A sík fémtermékek szakítóvizsgálata természetesen továbbra is hasznos, de előnyökkel járhat, ha mélyebben megvizsgáljuk a szemcseszerkezet egyik rétegét, amely a mechanikai viselkedését szabályozza.
A fémek mikroszkopikus kristályok, úgynevezett szemcsék sorozatából épülnek fel. Ezek véletlenszerűen oszlanak el a fémben. Az ausztenites rozsdamentes acélokban található ötvözőelemek, például a vas, króm, nikkel, mangán, szilícium, szén, nitrogén, foszfor és kén atomjai egyetlen szemcsét alkotnak. Ezek az atomok fémionok szilárd oldatát alkotják, amelyek a közös elektronjaikon keresztül kötődnek a kristályrácshoz.
Az ötvözet kémiai összetétele határozza meg az atomok termodinamikailag előnyös elrendezését a szemcsékben, amelyet kristályszerkezetnek nevezünk. Egy fém homogén részei, amelyek ismétlődő kristályszerkezetet tartalmaznak, egy vagy több szemcsét alkotnak, amelyeket fázisoknak nevezünk. Az ötvözet mechanikai tulajdonságai az ötvözet kristályszerkezetének függvényei. Ugyanez vonatkozik az egyes fázisok szemcséinek méretére és elrendeződésére is.
A legtöbb ember ismeri a víz halmazállapotait. Amikor a folyékony víz megfagy, szilárd jéggé válik. A fémek esetében azonban nem csak egyetlen szilárd fázis létezik. Bizonyos ötvözetcsaládokat a fázisaikról neveztek el. A rozsdamentes acélok közül az ausztenites 300-as sorozatú ötvözetek lágyítás után elsősorban ausztenitből állnak. A 400-as sorozatú ötvözetek azonban ferritből állnak a 430-as rozsdamentes acélban, vagy martenzitből a 410-es és 420-as rozsdamentes acélötvözetekben.
Ugyanez vonatkozik a titánötvözetekre is. Az egyes ötvözetcsoportok neve jelzi a szobahőmérsékleten uralkodó fázisukat – alfa, béta vagy ezek keveréke. Léteznek alfa, közel alfa, alfa-béta, béta és közel béta ötvözetek.
Amikor a folyékony fém megszilárdul, a termodinamikailag előnyös fázis szilárd részecskéi kicsapódnak, ahol a nyomás, a hőmérséklet és a kémiai összetétel lehetővé teszi. Ez általában a határfelületeken történik, mint például a jégkristályok egy meleg tó felszínén egy hideg napon. Amikor a szemcsék nukleálódnak, a kristályszerkezet az egyik irányba növekszik, amíg egy másik szemcsével nem találkozik. A szemcsehatárok az eltérő rácsok metszéspontjainál alakulnak ki a kristályszerkezetek eltérő orientációja miatt. Képzeljen el egy csomó különböző méretű Rubik-kockát egy dobozba. Minden kocka négyzet alakú rácselrendezésű, de mindegyik más véletlenszerű irányban lesz elrendezve. Egy teljesen megszilárdult fém munkadarab látszólag véletlenszerűen orientált szemcsék sorozatából áll.
Amikor egy szemcse kialakul, fennáll a vonalhibák lehetősége. Ezek a hibák a kristályszerkezet hiányzó részei, amelyeket diszlokációknak nevezünk. Ezek a diszlokációk és az azt követő mozgásuk a szemcsén belül és a szemcsehatárokon át alapvető fontosságúak a fém képlékenysége szempontjából.
A munkadarab keresztmetszetét felszerelik, köszörülik, polírozzák és maratják, hogy látható legyen a szemcseszerkezet. Ha egyenletesek és egyenlő tengelyűek, az optikai mikroszkópon megfigyelhető mikroszerkezetek kicsit olyanok, mint egy kirakós játék. A valóságban a szemcsék háromdimenziósak, és az egyes szemcsék keresztmetszete a munkadarab keresztmetszetének orientációjától függően változik.
Amikor egy kristályszerkezet tele van atomokkal, nincs hely a mozgásra, kivéve az atomkötések megnyúlását.
Amikor eltávolítasz egy atomsor felét, lehetőséget teremtesz egy másik atomsornak, hogy becsúszjon abba a pozícióba, gyakorlatilag elmozdítva a diszlokációt. Amikor erő hat a munkadarabra, a diszlokációk aggregált mozgása a mikrostruktúrában lehetővé teszi, hogy az hajlítsa, nyújtsa vagy összenyomja magát törés vagy törés nélkül.
Amikor egy erő egy fémötvözetre hat, a rendszer energiája megnő. Ha elegendő energiát adunk hozzá a képlékeny deformációhoz, a rács deformálódik és új diszlokációk alakulnak ki. Logikusnak tűnik, hogy ez növelje a képlékenységet, mivel több helyet szabadít fel, és így nagyobb diszlokációs mozgás lehetőségét teremti meg. Amikor azonban a diszlokációk ütköznek, rögzíthetik egymást.
Ahogy a diszlokációk száma és koncentrációja növekszik, egyre több diszlokáció tapad össze, csökkentve a képlékenységet. Végül annyi diszlokáció jelenik meg, hogy a hidegalakítás már nem lehetséges. Mivel a meglévő rögzítő diszlokációk már nem tudnak elmozdulni, a rácsban lévő atomos kötések addig nyúlnak, amíg el nem szakadnak vagy el nem szakadnak. Ezért keményednek meg a fémötvözetek, és ezért van egy határa annak, hogy egy fém mennyi képlékeny alakváltozást bír ki, mielőtt eltörik.
A szemcseméret szintén fontos szerepet játszik a lágyításban. A hidegalakítással edzett anyag lágyítása lényegében visszaállítja a mikroszerkezetet, és így visszaállítja a képlékenységet. A lágyítási folyamat során a szemcsék három lépésben alakulnak át:
Képzelj el egy embert, aki egy zsúfolt vonatkocsiban sétál. A tömeget csak úgy lehet összenyomni, ha réseket hagyunk a sorok között, mint egy rácsban lévő elmozdulások. Ahogy haladtak előre, a mögöttük lévő emberek kitöltötték az általuk hagyott űrt, miközben új teret teremtettek előttük. Amikor elérték a kocsi másik végét, az utasok elrendezése megváltozik. Ha túl sokan próbálnak egyszerre elhaladni mellettük, az utasok, akik megpróbálnak helyet teremteni nekik, összeütköznek, és a vonatkocsik falának csapódnak, mindenkit a helyükre szorítva. Minél több elmozdulás jelenik meg, annál nehezebb egyszerre mozogniuk.
Fontos megérteni a rekristályosodás kiváltásához szükséges minimális deformációs szintet. Ha azonban a fém nem rendelkezik elegendő deformációs energiával a hevítés előtt, az rekristályosodás nem következik be, és a szemcsék egyszerűen tovább nőnek eredeti méretüknél nagyobbra.
A mechanikai tulajdonságok a szemcsék növekedésének szabályozásával hangolhatók. A szemcsehatár lényegében egy diszlokációkból álló fal. Ezek akadályozzák a mozgást.
Ha a szemcsék növekedése korlátozott, több apró szemcse keletkezik. Ezeket a kisebb szemcséket a szemcseszerkezet szempontjából finomabbnak tekintik. Több szemcsehatár kevesebb diszlokációs mozgást és nagyobb szilárdságot jelent.
Ha a szemcseméret növekedését nem korlátozzuk, a szemcseszerkezet durvábbá válik, a szemcsék nagyobbak, a határok vékonyabbak, és a szilárdság csökken.
A szemcseméretet gyakran egység nélküli számként emlegetik, valahol 5 és 15 között. Ez egy relatív arány, és az átlagos szemcseátmérőhöz kapcsolódik. Minél nagyobb a szám, annál finomabb a szemcseméret.
Az ASTM E112 szabvány a szemcseméret mérésének és értékelésének módszereit vázolja fel. Ez magában foglalja a szemcseméret megszámlálását egy adott területen. Ezt általában úgy végzik, hogy a nyersanyag keresztmetszetét kivágják, megőrlik és polírozzák, majd savval maratják, hogy a részecskék láthatóvá váljanak. A számlálást mikroszkóp alatt végzik, és a nagyítás lehetővé teszi a szemcsék megfelelő mintavételét. Az ASTM szemcseméret-számok hozzárendelése a szemcse alakjának és átmérőjének ésszerű egyenletességét jelzi. Akár előnyös is lehet a szemcseméret változásának két vagy három pontra korlátozása, hogy a munkadarabon egységes teljesítményt biztosítsanak.
Alakkeményedés esetén a szilárdság és a képlékenység fordított arányban áll egymással. Az ASTM szemcseméret és a szilárdság közötti kapcsolat általában pozitív és erős, a nyúlás általában fordítottan arányos az ASTM szemcsemérettel. A túlzott szemcsenövekedés azonban azt okozhatja, hogy a „halott lágy” anyagok már nem keményednek hatékonyan alakkeményedni.
A szemcseméretet gyakran egység nélküli számként emlegetik, valahol 5 és 15 között. Ez egy relatív arány, és az átlagos szemcseátmérőhöz kapcsolódik. Minél nagyobb az ASTM szemcseméret értéke, annál több szemcse jut egységnyi területre.
A lágyított anyag szemcsemérete az idő, a hőmérséklet és a hűtési sebesség függvényében változik. A lágyítást általában az ötvözet átkristályosodási hőmérséklete és olvadáspontja között végzik. Az ausztenites 301-es rozsdamentes acélötvözet ajánlott lágyítási hőmérséklet-tartománya 1900 és 2050 Fahrenheit-fok között van. Olvadása körülbelül 2550 Fahrenheit-fokon kezdődik. Ezzel szemben a kereskedelmi tisztaságú 1-es minőségű titánt 1292 Fahrenheit-fokon kell lágyítani, és körülbelül 3000 Fahrenheit-fokon kell olvadni.
A lágyítás során a visszanyerési és átkristályosodási folyamatok versengenek egymással, amíg az átkristályosodott szemcsék el nem fogyasztják az összes deformált szemcsét. Az átkristályosodási sebesség a hőmérséklettől függ. Miután az átkristályosodás befejeződött, a szemcsenövekedés veszi át az irányítást. Egy 1900°F-on egy órán át lágyított 301-es rozsdamentes acél munkadarab finomabb szemcseszerkezettel rendelkezik, mint ugyanaz a munkadarab, amelyet ugyanennyi ideig 2000°F-on lágyítottak.
Ha az anyagot nem tartják elég sokáig a megfelelő lágyítási tartományban, a kapott szerkezet régi és új szemcsék kombinációja lehet. Ha a fém egészében egységes tulajdonságokra van szükség, a lágyítási folyamatnak egyenletes, egyenlőtengelyű szemcseszerkezet elérésére kell törekednie. Az egyenletes azt jelenti, hogy minden szemcse megközelítőleg azonos méretű, az egyenlőtengelyű pedig azt, hogy megközelítőleg azonos alakúak.
Az egyenletes és egyenlő tengelyű mikroszerkezet eléréséhez minden munkadarabot azonos mennyiségű hőnek kell kitenni azonos ideig, és azonos sebességgel kell hűlniük. Ez szakaszos hőkezelés esetén nem mindig könnyű vagy lehetséges, ezért fontos, hogy legalább megvárjuk, amíg a teljes munkadarab eléri a megfelelő hőmérsékletet, mielőtt kiszámítanánk az áztatási időt. A hosszabb áztatási idők és a magasabb hőmérsékletek durvább szemcsés szerkezetet/lágyabb anyagot eredményeznek, és fordítva.
Ha a szemcseméret és a szilárdság összefügg, és a szilárdság ismert, akkor miért kell a szemcséket kiszámítani, igaz? Minden roncsolásos vizsgálatnak van változékonysága. A szakítóvizsgálat, különösen kisebb vastagságok esetén, nagymértékben függ a minta előkészítésétől. Azok a szakítószilárdsági eredmények, amelyek nem tükrözik a tényleges anyagtulajdonságokat, idő előtt meghibásodhatnak.
Ha a tulajdonságok nem egyenletesek a munkadarabon, akkor egy szakítópróba vagy mintavétel az egyik élről nem feltétlenül árulja el a teljes képet. A minta előkészítése és tesztelése időigényes is lehet. Hány vizsgálat végezhető el egy adott fém esetében, és hány irányban megvalósítható? A szemcseszerkezet értékelése további biztosítást jelent a meglepetések ellen.
Anizotróp, izotróp. Az anizotrópia a mechanikai tulajdonságok irányítottságára utal. A szilárdság mellett az anizotrópia jobban megérthető a szemcseszerkezet vizsgálatával.
Az egyenletes és egyenlőtengelyű szemcseszerkezetnek izotrópnak kell lennie, ami azt jelenti, hogy minden irányban azonos tulajdonságokkal rendelkezik. Az izotrópia különösen fontos a mélyhúzási folyamatoknál, ahol a koncentricitás kritikus fontosságú. Amikor a nyersdarabot behúzzák a formába, az anizotróp anyag nem folyik egyenletesen, ami fülesedésnek nevezett hibához vezethet. A fülesedés ott keletkezik, ahol a csésze felső része hullámos sziluettet alkot. A szemcseszerkezet vizsgálata feltárhatja a munkadarabban lévő inhomogenitások helyét, és segíthet diagnosztizálni a kiváltó okot.
A megfelelő lágyítás kritikus fontosságú az izotrópia eléréséhez, de fontos megérteni a deformáció mértékét a lágyítás előtt. Ahogy az anyag képlékenyen deformálódik, a szemcsék elkezdenek deformálódni. Hidegen hengerlés esetén, a vastagságot hosszúsággá alakítva, a szemcsék megnyúlnak a hengerlési irányban. Ahogy a szemcseméret-arány változik, úgy változik az izotrópia és az általános mechanikai tulajdonságok is. Erősen deformált munkadarabok esetén bizonyos orientáció megmaradhat még a lágyítás után is. Ez anizotrópiát eredményez. Mélyhúzott anyagok esetében néha szükséges korlátozni a deformáció mértékét a végső lágyítás előtt a kopás elkerülése érdekében.
narancshéj. A felszedés nem az egyetlen mélyhúzási hiba, ami a szerszámmal kapcsolatos. A narancshéj akkor fordul elő, amikor túl durva szemcséjű nyersanyagokat húznak. Minden szemcse függetlenül és a kristályorientációjának függvényében deformálódik. A szomszédos szemcsék deformációjának különbsége a narancshéjhoz hasonló texturált megjelenést eredményez. A textúra a csésze falának felületén látható szemcsés szerkezet.
Csakúgy, mint a tévéképernyő képpontjainál, a finomszemcsés szerkezetnek köszönhetően az egyes szemcsék közötti különbség kevésbé lesz észrevehető, ami hatékonyan növeli a felbontást. A mechanikai tulajdonságok önmagukban történő megadása nem feltétlenül elegendő a narancshéjhatás megelőzéséhez szükséges finom szemcseméret biztosításához. Amikor a munkadarab méretváltozása kevesebb, mint a szemcseátmérő tízszerese, az egyes szemcsék tulajdonságai határozzák meg az alakítási viselkedést. Nem deformálódik egyenletesen sok szemcsén keresztül, hanem az egyes szemcsék specifikus méretét és orientációját tükrözi. Ez a húzott csészék falán lévő narancshéjhatásból látható.
8-as ASTM szemcseméret esetén az átlagos szemcseátmérő 885 µin. Ez azt jelenti, hogy a 0,00885 hüvelyk vagy annál kisebb vastagságcsökkenést befolyásolhatja ez a mikroformázási hatás.
Bár a durva szemcsék mélyhúzási problémákat okozhatnak, néha ajánlottak nyomtatáshoz. A sajtolás egy deformációs folyamat, amelynek során egy nyersanyagot összenyomnak, hogy a kívánt felületi topográfiát kapják, például George Washington arckontúrjainak negyedét. A dróthúzással ellentétben a sajtolás általában nem jár nagy mennyiségű anyagáramlással, de sok erőt igényel, ami deformálhatja a nyersanyag felületét.
Emiatt a felületi áramlási feszültség minimalizálása durvább szemcseszerkezet alkalmazásával segíthet enyhíteni a megfelelő öntőforma-kitöltéshez szükséges erőket. Ez különösen igaz a szabad szerszámnyomásra, ahol a felületi szemcséken lévő diszlokációk szabadon áramolhatnak, ahelyett, hogy a szemcsehatárokon felhalmozódnának.
Az itt tárgyalt trendek általánosítások, amelyek nem feltétlenül vonatkoznak bizonyos szakaszokra. Rávilágítottak azonban a nyersanyag szemcseméretének mérésének és szabványosításának előnyeire az új alkatrészek tervezésekor, a gyakori hibák elkerülése és a fröccsöntési paraméterek optimalizálása érdekében.
A precíziós fémsajtológépek és a fém alkatrészeket formázó mélyhúzó gépek gyártói jól együttműködnek a műszakilag képzett precíziós újrahengerlők kohászaival, akik segíthetnek nekik az anyagok szemcseméretig történő optimalizálásában. Amikor a kapcsolat mindkét oldalán a kohászati ​​és mérnöki szakértők egy csapatba integrálódnak, az átalakító hatást gyakorolhat, és pozitívabb eredményeket hozhat.
A STAMPING Journal az egyetlen iparági folyóirat, amely a fémsajtolási piac igényeinek kiszolgálására specializálódott. 1989 óta a kiadvány a legmodernebb technológiákat, iparági trendeket, legjobb gyakorlatokat és híreket ismerteti, hogy segítsen a sajtolási szakembereknek hatékonyabban működtetni vállalkozásukat.
Mostantól teljes hozzáféréssel a The FABRICATOR digitális kiadásához, könnyű hozzáféréssel az értékes iparági forrásokhoz.
A The Tube & Pipe Journal digitális kiadása mostantól teljes mértékben hozzáférhető, könnyű hozzáférést biztosítva az értékes iparági forrásokhoz.
Élvezze a STAMPING Journal digitális kiadásának teljes hozzáférését, amely a fémbélyegző piac legújabb technológiai fejlesztéseit, legjobb gyakorlatait és iparági híreit tartalmazza.
Mostantól teljes hozzáféréssel a The Fabricator en Español digitális kiadásához, könnyű hozzáféréssel az értékes iparági forrásokhoz.