Ο χάλυβας H13 παρουσιάζει υψηλή σκληρότητα, εξαιρετική αντοχή στη φθορά και τη θερμότητα, διατηρώντας σχετικά υψηλή σκληρότητα και αντοχή κάτω από τους 600°C, μαζί με ανώτερη αντοχή στην κόπωση σε κρύο και ζεστό περιβάλλον και καλή σταθερότητα θερμοκρασίας. Χρησιμοποιείται ευρέως σε καλούπια χύτευσης με πίεση για αλουμίνιο, χαλκό και τα κράματά τους, αποφέροντας σημαντικά οικονομικά οφέλη. Ωστόσο, τα πάνελ H13 που παράγονται από την εταιρεία παρουσίασαν επιφανειακές ρωγμές, ατελή σφαιροποίηση και ανομοιόμορφη μικροδομή κατά τη διάρκεια της δοκιμαστικής παραγωγής. Αυτή η εργασία εισάγει μια διαδικασία ομαλοποίησης σε υψηλή θερμοκρασία ακολουθούμενη από διαδικασία σφαιροειδοποίησης ανόπτησης για τη βελτίωση της ποιότητας των πάνελ και την επίτευξη ομοιόμορφης μικροδομής.

1. Εντοπίστηκαν προβλήματα κατά τη διαδικασία ανάπτυξης του πρωτοτύπου.

Η πειραματική μονάδα κατασκευάστηκε από χάλυβα H13 με διαστάσεις 400 mm × 1000 mm × 3000 mm, και η τελική θερμοκρασία σφυρηλάτησης ήταν περίπου 950°C. Λόγω της απουσίας έγκαιρης θερμικής επεξεργασίας μετά τη σφυρηλάτηση, εμφανίστηκε επιφανειακή ρωγμή μετά την ψύξη με αέρα σε θερμοκρασία δωματίου, η οποία επεκτάθηκε στο εσωτερικό της μονάδας. Η ανάλυση αποκάλυψε ότι ο χάλυβας H13 είναι σκληρυνόμενος χάλυβας, που σημαίνει ότι η μαρτενσιτική δομή του σχηματίζεται κατά την ψύξη με αέρα. Η εκτεταμένη μικροδομική τάση που δημιουργήθηκε κατά τη διαδικασία ψύξης με αέρα μετά τη σφυρηλάτηση οδήγησε σε επιφανειακή ρωγμή της μονάδας.

Για την αποφυγή ρωγμών, οι χαλύβδινες μονάδες H13 υποβλήθηκαν απευθείας σε αργή ψύξη στον κλίβανο μετά τη σφυρηλάτηση, ακολουθούμενη από σφαιροειδική ανόπτηση. Μετά τη σφαιροειδική ανόπτηση, η σκληρότητα της μονάδας μετρήθηκε χρησιμοποιώντας έναν ελεγκτή σκληρότητας Brinell. Δοκιμάστηκαν τρία δείγματα, με μετρήσεις σκληρότητας να λαμβάνονται σε οκτώ σημεία το καθένα (βλ. Πίνακα 1). Όπως φαίνεται στον Πίνακα 1, η σκληρότητα γενικά πληρούσε τις απαιτήσεις, αλλά η ομοιομορφία δεν ήταν ικανοποιητική λόγω σημαντικής διακύμανσης της σκληρότητας, με μεμονωμένα σημεία να υπερβαίνουν το καθορισμένο όριο (≤220 HB). Η μεταλλογραφική ανάλυση των μονάδων αποκάλυψε τη μικροδομή όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 1.

Το Σχήμα 1 δείχνει τη μικροδομή μετά από ισοθερμική σφαιροειδοποίηση, με τη διαδικασία σφαιροειδοποίησης να αποτελείται από ένα στάδιο υψηλής θερμοκρασίας στους 870°C για 8 ώρες και ένα στάδιο χαμηλής θερμοκρασίας στους 730°C για 14 ώρες. Στο Σχήμα 1(α), είναι εμφανής ο σοβαρός διαχωρισμός δικτύου καρβιδίου και η σημαντική ανάμειξη κόκκων. Το Σχήμα 1(β) αποκαλύπτει άφθονα διασκορπισμένα σωματίδια καρβιδίου, υποδεικνύοντας ότι το φαινόμενο σφαιροειδοποίησης επιτυγχάνει τον επιδιωκόμενο στόχο. Ωστόσο, ο διαχωρισμός παραμένει έντονος, με ορισμένα καρβίδια να σχηματίζουν μια κατανομή τύπου δικτύου που μειώνει την αποτελεσματικότητα της σφαιροειδοποίησης σε αυτές τις περιοχές. Τα δικτυωμένα καρβίδια ενέχουν σοβαρούς κινδύνους για τον χάλυβα χύτευσης, καθώς χρησιμεύουν εύκολα ως πηγές ρωγμών κατά τη λειτουργία, οδηγώντας σε αστοχία υλικού. Επομένως, τέτοια δίκτυα καρβιδίου πρέπει να ελέγχονται εντός αποδεκτών ορίων. Αυτή η μελέτη υπέβαλε την παρτίδα χάλυβα H13 που παρουσίαζε σοβαρό διαχωρισμό καρβιδίου σε ομαλοποίηση υψηλής θερμοκρασίας ακολουθούμενη από ισοθερμική σφαιροειδοποίηση για να αξιολογηθεί η βελτίωση στη μικροδομή της υπό αυτές τις συνθήκες.

2 Πειραματικά Υλικά και Μέθοδοι

Μικρά δείγματα ελήφθησαν από τις μονάδες που παρουσίαζαν σοβαρό διαχωρισμό για φασματική ανάλυση. Οι χημικές τους συνθέσεις παρουσιάζονται στον Πίνακα 2. Η χημική σύνθεση αυτού του χάλυβα H13 συμμορφώνεται με το πρότυπο GB/T 1299–2000 "Χάλυβας Εργαλείων Κραμάτων". Οι μονάδες χωρίστηκαν σε τρεις ομάδες και υποβλήθηκαν σε ομαλοποίηση υψηλής θερμοκρασίας στους 970 °C, με χρόνους διατήρησης 5, 7 και 10 ωρών, αντίστοιχα. Η διαδικασία θερμικής επεξεργασίας συνίστατο σε ομαλοποίηση υψηλής θερμοκρασίας (αερόψυξη) ακολουθούμενη από ισόθερμη σφαιροειδοποίηση. Οι παράμετροι ισόθερμης σφαιροειδοποίησης ήταν: στάδιο υψηλής θερμοκρασίας στους 870 °C για 8 ώρες και στάδιο χαμηλής θερμοκρασίας στους 730 °C για 14 ώρες. Με βάση την επίδραση του χρόνου ομαλοποίησης υψηλής θερμοκρασίας στη μικροδομή των μονάδων, αναπτύχθηκε μια νέα διαδικασία θερμικής επεξεργασίας.

Μετά από 5 ώρες ομαλοποίησης σε υψηλή θερμοκρασία, ο βαθμός διαχωρισμού (βλ. Σχήμα 2(α)) έδειξε σημαντική βελτίωση σε σύγκριση με το Σχήμα 1, αν και ο διαχωρισμός παρέμεινε. Όταν ο χρόνος διατήρησης ομαλοποίησης παρατάθηκε στις 7 ώρες, ο διαχωρισμός ουσιαστικά εξαλείφθηκε. Ωστόσο, το δίκτυο καρβιδίου παρέμεινε σχετικά διακριτό, με τα λεπτά δευτερογενή δίκτυα καρβιδίου να διαλύονται πλήρως στη μήτρα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ωστενιτοποίησης, ενώ τα χονδροειδή δίκτυα καρβιδίου παρέμειναν αδιάλυτα - εμπίπτοντας στην κατηγορία μη συμμορφούμενων σύμφωνα με τα πρότυπα της North American Die Casting Association. Η επέκταση του χρόνου διατήρησης στις 10 ώρες εξάλειψε τα περισσότερα δίκτυα καρβιδίου, αφήνοντας μόνο τα αρχικά χονδροειδή δίκτυα καρβιδίου. Η επακόλουθη σφαιροειδοποίηση ανόπτησης είχε ως αποτέλεσμα μια πιο ομοιόμορφη σφαιροειδή μικροδομή, χαρίζοντας στο υλικό την κατηγορία AS4 σύμφωνα με τα πρότυπα της North American Die Casting Association και πληρώντας τα κριτήρια αποδοχής. Η ανάλυση καταδεικνύει ότι η ομαλοποίηση σε υψηλή θερμοκρασία απομακρύνει αποτελεσματικά τον διαχωρισμό και βελτιώνει τη μορφολογία και την κατανομή των δικτύων καρβιδίου. Καθώς αυξάνεται ο χρόνος διατήρησης, τα σωματίδια καρβιδίου διαλύονται σταδιακά, οδηγώντας σε προοδευτική εξάλειψη του διαχωρισμού και των δικτύων καρβιδίου, ενισχύοντας έτσι σημαντικά τη μικροδομή του υλικού.

Μετά τη σφυρηλάτηση, ο χάλυβας H13 είναι επιρρεπής σε σχηματισμό χονδροειδών κόκκων λόγω της υπερβολικά υψηλής τελικής θερμοκρασίας σφυρηλάτησης και των αργών ρυθμών ψύξης. Ως υπερευτηκτοειδής χάλυβας, ο H13 εμφανίζει δικτυωτή καθίζηση δευτερογενούς καρβιδίου κατά τη διάρκεια της αργής ψύξης και η υψηλή περιεκτικότητά του σε κράματα αναπόφευκτα οδηγεί σε διαχωρισμό υλικού. Για τη βελτίωση της μικροδομής των χαλύβδινων μονάδων H13 μετά τη σφυρηλάτηση, συνιστάται η επεξεργασία ομαλοποίησης σε υψηλή θερμοκρασία για την επίτευξη ομοιόμορφης μικροδομής.

Για την απομάκρυνση των δικτυωτών καρβιδίων, το τεμάχιο εργασίας πρέπει να θερμανθεί σε θερμοκρασία επαρκή για τη διάλυση των δευτερογενών καρβιδίων. Ωστόσο, η θερμοκρασία σφαιροειδοποίησης (870 °C) δεν επαρκεί για να επιτευχθεί αυτή η διάλυση. Κατά συνέπεια, χωρίς ομαλοποίηση σε υψηλή θερμοκρασία, το δίκτυο καρβιδίου παραμένει δύσκολο να αφαιρεθεί και ο διαχωρισμός δεν μπορεί να βελτιωθεί, με αποτέλεσμα η μονάδα H13 να μην πληροί τα πρότυπα. Μετά την ομαλοποίηση σε υψηλή θερμοκρασία, τα λεπτά σωματίδια καρβιδίου διαλύονται πλήρως στη μήτρα, το δίκτυο καρβιδίου σταδιακά βελτιώνεται μέχρι να σπάσει και η μικροδομή γίνεται πιο ομοιόμορφη. Μετά την περίοδο διατήρησης της ομαλοποίησης, η ταχεία ψύξη με αέρα αποτρέπει τον σχηματισμό δικτυωτών δευτερογενών καρβιδίων. Στη συνέχεια, η σφαιροειδοποίηση προάγει την ανάπτυξη ομοιόμορφα διασκορπισμένων καρβιδίων από τη μήτρα σε σφαιρικές δομές, ενισχύοντας έτσι την ανοπτημένη μικροδομή.

Συνοπτικά, η αργή ψύξη μετά τη σφυρηλάτηση οδηγεί σε χονδροειδείς μικροδομές και στο σχηματισμό δικτυωμένων καρβιδίων, ενώ η ομαλοποίηση σε υψηλή θερμοκρασία βελτιώνει τόσο τα δικτυωμένα καρβίδια όσο και τον διαχωρισμό του υλικού. Επομένως, η μικροδομή ανόπτησης μπορεί να βελτιστοποιηθεί μέσω δύο προσεγγίσεων: κατάλληλη ταχεία ψύξη μετά τη σφυρηλάτηση, ακολουθούμενη από ομαλοποίηση σε υψηλή θερμοκρασία και τελική σφαιροειδοποίηση. Με βάση την ανάλυση αυτών των παραδειγμάτων, καθορίστηκε η βέλτιστη διαδικασία όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Μετά τη σφυρηλάτηση, το υλικό ψύχεται στον αέρα και διατηρείται πάνω από το σημείο Ms για ένα χρονικό διάστημα για να αποφευχθεί ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός, ακολουθούμενη από ομαλοποίηση σε υψηλή θερμοκρασία και ισόθερμη σφαιροειδοποίηση. Το Σχήμα 4 απεικονίζει τη μικροδομή που λαμβάνεται με αυτή τη νέα διαδικασία, επιδεικνύοντας εξαιρετικά σημαντική σφαιροειδοποίηση με ρυθμό σφαιροειδοποίησης που υπερβαίνει το 95% και μέγεθος κόκκων περίπου βαθμού 7. Κατατασσόμενο ως AS1 σύμφωνα με τα πρότυπα της North American Die Casting Association, το προϊόν έχει λάβει θετικά σχόλια από τους πελάτες.

4 Συμπέρασμα

1) Η αργή ψύξη μετά τη σφυρηλάτηση του χάλυβα H13 οδηγεί στο σχηματισμό μιας καθίζησης καρβιδίου τύπου δικτύου. Όσο πιο αργός είναι ο ρυθμός ψύξης, τόσο πιο έντονο γίνεται το δίκτυο καρβιδίου. Αν και η επακόλουθη ομαλοποίηση μπορεί να βελτιώσει αυτό, ορισμένες ανώμαλες μικροδομές επιμένουν στη μήτρα και είναι δύσκολο να εξαλειφθούν. Επιπλέον, η αργή ψύξη έχει ως αποτέλεσμα ασυνήθιστα μεγάλα μεγέθη κόκκων, τα οποία είναι κληρονομικά και δύσκολο να βελτιωθούν αργότερα.

2) Η ομαλοποίηση σε υψηλή θερμοκρασία βελτιώνει τον διαχωρισμό και τα δικτυωμένα καρβίδια που υπάρχουν στη μικροδομή μετά τη σφυρηλάτηση του χάλυβα H13. Εντός ενός συγκεκριμένου χρονικού εύρους, η βελτίωση στη μικροδομή γίνεται πιο έντονη καθώς αυξάνεται ο χρόνος διατήρησης της ομαλοποίησης.

3) Μετά τη σφυρηλάτηση, ο χάλυβας H13 ψύχεται με αέρα πάνω από τη θερμοκρασία Ms και στη συνέχεια υποβάλλεται σε ομαλοποίηση υψηλής θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα μια πιο ομοιόμορφη και διασκορπισμένη σφαιροειδή δομή με ανώτερο αποτέλεσμα σφαιροειδοποίησης.