Ⅰ. Основната концепция за термична обработка.
A. Основната концепция за термична обработка.
Основните елементи и функции натермична обработка:
1.Отопление
Целта е да се получи еднаква и фина аустенитна структура.
2.Холдинг
Целта е да се гарантира, че детайлът е напълно нагрят и да се предотврати обезвъглеродяване и окисление.
3.Охлаждане
Целта е да се трансформира аустенитът в различни микроструктури.
Микроструктури след термична обработка
По време на процеса на охлаждане след нагряване и задържане аустенитът се трансформира в различни микроструктури в зависимост от скоростта на охлаждане. Различните микроструктури проявяват различни свойства.
Б. Основната концепция за термична обработка.
Класификация въз основа на методите за нагряване и охлаждане, както и микроструктурата и свойствата на стоманата
1.Конвенционална топлинна обработка (обща топлинна обработка): закаляване, отгряване, нормализиране, закаляване
2.Повърхностна топлинна обработка: Повърхностно охлаждане, Индукционно нагряване на повърхностно охлаждане, Пламъчно нагряване на повърхностно охлаждане, Електрическо контактно нагряване на повърхностно охлаждане.
3. Химическа топлинна обработка: карбуризиране, азотиране, карбонитриране.
4.Други термични обработки: Термична обработка в контролирана атмосфера, Вакуумна термична обработка, Деформационна топлинна обработка.
C. Критична температура на стоманите
Критичната температура на трансформация на стоманата е важна основа за определяне на процесите на нагряване, задържане и охлаждане по време на топлинна обработка. Определя се от фазовата диаграма желязо-въглерод.
Ключово заключение:Действителната критична температура на трансформация на стоманата винаги изостава от теоретичната критична температура на трансформация. Това означава, че при нагряване е необходимо прегряване, а при охлаждане е необходимо преохлаждане.
Ⅱ. Отгряване и нормализиране на стомана
1. Определение за отгряване
Отгряването включва нагряване на стомана до температура над или под критичната точка Ac₁, поддържайки я при тази температура и след това бавно охлаждайки, обикновено в пещта, за да се постигне структура, близка до равновесието.
2. Цел на отгряването
①Регулиране на твърдостта за машинна обработка: Постигане на твърдост, която може да се обработва, в диапазона от HB170~230.
②Намаляване на остатъчното напрежение: Предотвратява деформация или напукване по време на последващи процеси.
③Подобряване на структурата на зърната: Подобрява микроструктурата.
④Подготовка за крайна термична обработка: Получава гранулиран (сфероидизиран) перлит за последващо закаляване и темпериране.
3. Сфероидизиращо отгряване
Спецификации на процеса: Температурата на нагряване е близо до точката Ac₁.
Предназначение: За сфероидизиране на циментита или карбидите в стоманата, което води до гранулиран (сфероидизиран) перлит.
Приложим диапазон: Използва се за стомани с евтектоиден и хиперевтектоиден състав.
4. Дифузно отгряване (хомогенизиращо отгряване)
Спецификации на процеса: Температурата на нагряване е малко под линията на солвус на фазовата диаграма.
Цел: Премахване на сегрегацията.
①За ниско-въглеродна стоманасъс съдържание на въглерод по-малко от 0,25%, нормализирането е за предпочитане пред отгряването като подготвителна топлинна обработка.
②За средно въглеродна стомана със съдържание на въглерод между 0,25% и 0,50%, или отгряване, или нормализиране може да се използва като подготвителна топлинна обработка.
③За средно до високо въглеродна стомана със съдържание на въглерод между 0,50% и 0,75%, се препоръчва пълно отгряване.
④За високо-въглеродна стоманасъс съдържание на въглерод над 0,75%, първо се използва нормализиране за елиминиране на мрежата Fe3C, последвано от сфероидизиращо отгряване.
Ⅲ.Закаляване и темпериране на стомана
А. Закаляване
1. Определение за закаляване: Закаляването включва нагряване на стомана до определена температура над точката Ac3 или Ac1, задържането й при тази температура и след това охлаждането й със скорост, по-висока от критичната скорост на охлаждане, за да се образува мартензит.
2. Цел на закаляването: Основната цел е да се получи мартензит (или понякога по-нисък бейнит), за да се повиши твърдостта и устойчивостта на износване на стоманата. Закаляването е един от най-важните процеси на термична обработка на стоманата.
3. Определяне на температурите на закаляване за различни видове стомана
Хипоевтектоидна стомана: Ac₃ + 30°C до 50°C
Евтектоидна и хиперевтектоидна стомана: Ac₁ + 30°C до 50°C
Легирана стомана: 50°C до 100°C над критичната температура
4. Охлаждащи характеристики на идеална среда за охлаждане:
Бавно охлаждане преди температурата на "носа": За достатъчно намаляване на топлинния стрес.
Висок капацитет на охлаждане Близо до температурата на "носа": За да се избегне образуването на немартензитни структури.
Бавно охлаждане близо до точката M₅: За минимизиране на напрежението, предизвикано от мартензитна трансформация.
5. Методи за охлаждане и техните характеристики:
①Просто закаляване: Лесен за работа и подходящ за малки детайли с проста форма. Получената микроструктура е мартензит (М).
②Двойно закаляване: По-сложно и трудно за контролиране, използвано за детайли със сложна форма от високовъглеродна стомана и по-големи детайли от легирана стомана. Получената микроструктура е мартензит (М).
③Broken Quenching: По-сложен процес, използван за големи детайли от легирана стомана със сложна форма. Получената микроструктура е мартензит (М).
④Изотермично закаляване: Използва се за малки детайли със сложна форма с високи изисквания. Получената микроструктура е долен бейнит (B).
6. Фактори, влияещи върху закаляемостта
Степента на закаляване зависи от стабилността на преохладения аустенит в стоманата. Колкото по-висока е стабилността на преохладения аустенит, толкова по-добра е закаляемостта и обратно.
Фактори, влияещи върху стабилността на преохладения аустенит:
Позиция на C-кривата: Ако C-кривата се измества надясно, критичната скорост на охлаждане за охлаждане намалява, подобрявайки закаляването.
Ключово заключение:
Всеки фактор, който измества С-кривата надясно, увеличава закаляемостта на стоманата.
Основен фактор:
Химичен състав: С изключение на кобалта (Co), всички легиращи елементи, разтворени в аустенит, повишават закаляването.
Колкото по-близо е съдържанието на въглерод до евтектоидния състав във въглеродната стомана, толкова повече C-кривата се измества надясно и толкова по-висока е закаляемостта.
7. Определяне и представяне на втвърдяемостта
①Тест за закаляване при крайно закаляване: Способността за закаляване се измерва с помощта на метода за изпитване за закаляване при крайно охлаждане.
②Метод с критичен диаметър на охлаждане: Критичният диаметър на охлаждане (D₀) представлява максималния диаметър на стоманата, която може да бъде напълно закалена в специфична среда за охлаждане.
Б. Закаляване
1. Определение за закаляване
Закаляването е процес на термична обработка, при който закалената стомана се нагрява отново до температура под точката A₁, поддържа се при тази температура и след това се охлажда до стайна температура.
2. Цел на закаляването
Намалете или елиминирайте остатъчното напрежение: Предотвратява деформация или напукване на детайла.
Намалете или елиминирайте остатъчния аустенит: Стабилизира размерите на детайла.
Премахване на крехкостта на закалената стомана: Регулира микроструктурата и свойствата, за да отговарят на изискванията на детайла.
Важна забележка: Стоманата трябва да се темперира веднага след закаляването.
3. Процеси на темпериране
1. Ниско темпериране
Предназначение: За намаляване на напрежението при закаляване, подобряване на якостта на детайла и постигане на висока твърдост и устойчивост на износване.
Температура: 150°C ~ 250°C.
Производителност: Твърдост: HRC 58 ~ 64. Висока твърдост и устойчивост на износване.
Приложения: Инструменти, форми, лагери, карбуризирани части и повърхностно закалени компоненти.
2.Високо закаляване
Предназначение: За постигане на висока здравина при достатъчна якост и твърдост.
Температура: 500°C ~ 600°C.
Производителност: Твърдост: HRC 25 ~ 35. Добри общи механични свойства.
Приложения: Валове, зъбни колела, биели и др.
Термично рафиниране
Определение: Закаляването, последвано от темпериране при висока температура, се нарича термично рафиниране или просто темпериране. Стоманата, обработена чрез този процес, има отлична обща производителност и се използва широко.
Ⅳ.Повърхностна термична обработка на стомана
A. Повърхностно закаляване на стомани
1. Определение за повърхностно втвърдяване
Повърхностното закаляване е процес на топлинна обработка, предназначен за укрепване на повърхностния слой на детайла чрез бързото му нагряване, за да се трансформира повърхностния слой в аустенит и след това бързото му охлаждане. Този процес се извършва, без да се променя химичният състав на стоманата или основната структура на материала.
2. Материали, използвани за повърхностно втвърдяване и структура след втвърдяване
Материали, използвани за повърхностно втвърдяване
Типични материали: Средно въглеродна стомана и средно въглеродна легирана стомана.
Предварителна обработка: Типичен процес: Закаляване. Ако основните свойства не са критични, вместо това може да се използва нормализиране.
Структура след втвърдяване
Повърхностна структура: Повърхностният слой обикновено образува втвърдена структура като мартензит или бейнит, която осигурява висока твърдост и устойчивост на износване.
Структура на сърцевината: Сърцевината на стоманата обикновено запазва оригиналната си структура, като например перлитно или закалено състояние, в зависимост от процеса на предварителна обработка и свойствата на основния материал. Това гарантира, че ядрото поддържа добра издръжливост и здравина.
B. Характеристики на индукционно повърхностно закаляване
1. Висока температура на нагряване и бързо покачване на температурата: Индукционното повърхностно втвърдяване обикновено включва високи температури на нагряване и бързи скорости на нагряване, което позволява бързо нагряване за кратко време.
2. Фина аустенитна зърнеста структура в повърхностния слой: По време на бързото нагряване и последващия процес на охлаждане, повърхностният слой образува фини аустенитни зърна. След закаляване, повърхността се състои основно от фин мартензит, с твърдост обикновено 2-3 HRC по-висока от конвенционалното закаляване.
3. Добро качество на повърхността: Поради краткото време за нагряване, повърхността на детайла е по-малко склонна към окисление и обезвъглеродяване, а деформацията, предизвикана от закаляването, е сведена до минимум, осигурявайки добро качество на повърхността.
4. Висока якост на умора: Мартензитната фазова трансформация в повърхностния слой генерира напрежение на натиск, което увеличава якостта на умора на детайла.
5. Висока производствена ефективност: Индукционното повърхностно втвърдяване е подходящо за масово производство, като предлага висока оперативна ефективност.
C. Класификация на химичната топлинна обработка
Карбуризиране, карбуризиране, карбуризиране, хромиране, силиконизиране, силиконизиране, силиконизиране, карбонитиране, борокарбюризиране
D. Газова карбуризация
Газовото карбуризиране е процес, при който детайлът се поставя в запечатана газова карбуризираща пещ и се нагрява до температура, която превръща стоманата в аустенит. След това в пещта се накапва карбуризиращ агент или директно се въвежда карбуризираща атмосфера, което позволява на въглеродните атоми да дифундират в повърхностния слой на детайла. Този процес увеличава въглеродното съдържание (wc%) върху повърхността на детайла.
√Карбуризиращи агенти:
• Богати на въглерод газове: като въглищен газ, втечнен нефтен газ (LPG) и др.
•Органични течности: като керосин, метанол, бензол и др.
√ Параметри на процеса на карбуризиране:
•Температура на карбуризиране: 920~950°C.
•Време за карбуризиране: Зависи от желаната дълбочина на карбуризирания слой и температурата на карбуризиране.
E. Термична обработка след карбуризиране
Стоманата трябва да бъде подложена на термична обработка след карбуризиране.
Процес на топлинна обработка след карбуризиране:
√Закаляване + Нискотемпературно темпериране
1. Директно охлаждане след предварително охлаждане + нискотемпературно темпериране: Заготовката се охлажда предварително от температурата на карбуризиране до малко над температурата на Ar₁ на сърцевината и след това веднага се охлажда, последвано от нискотемпературно темпериране при 160~180°C.
2. Единично охлаждане след предварително охлаждане + нискотемпературно темпериране: След карбуризиране детайлът бавно се охлажда до стайна температура, след което се загрява отново за охлаждане и нискотемпературно темпериране.
3. Двойно закаляване след предварително охлаждане + закаляване при ниска температура: След карбуризиране и бавно охлаждане детайлът преминава през два етапа на нагряване и закаляване, последвани от закаляване при ниска температура.
Ⅴ.Химическа термична обработка на стомани
1. Определение за химическа топлинна обработка
Химическата топлинна обработка е процес на топлинна обработка, при който стоманен детайл се поставя в специфична активна среда, нагрява се и се поддържа при температура, позволяваща на активните атоми в средата да дифундират в повърхността на детайла. Това променя химическия състав и микроструктурата на повърхността на детайла, като по този начин променя свойствата му.
2. Основен процес на химическа топлинна обработка
Разлагане: При нагряване активната среда се разлага, освобождавайки активни атоми.
Абсорбция: Активните атоми се адсорбират от повърхността на стоманата и се разтварят в твърдия разтвор на стоманата.
Дифузия: Активните атоми, абсорбирани и разтворени на повърхността на стоманата, мигрират във вътрешността.
Видове индукционно повърхностно закаляване
a.Високочестотно индукционно нагряване
Текуща честота: 250~300 kHz.
Дълбочина на втвърдения слой: 0,5~2,0 mm.
Приложения: Средни и малки модулни зъбни колела и малки до средни валове.
b. Средночестотно индукционно нагряване
Текуща честота: 2500~8000 kHz.
Дълбочина на втвърдения слой: 2~10 мм.
Приложения: По-големи валове и големи до средни модулни предавки.
c. Индукционно нагряване с мощност и честота
Текуща честота: 50 Hz.
Дълбочина на втвърдения слой: 10~15 мм.
Приложения: Заготовки, изискващи много дълбок закален слой.
3. Индукционно повърхностно закаляване
Основен принцип на индукционно повърхностно закаляване
Ефект върху кожата:
Когато променливият ток в индукционната намотка индуцира ток върху повърхността на детайла, по-голямата част от индуцирания ток е концентриран близо до повърхността, докато почти никакъв ток не преминава през вътрешността на детайла. Това явление е известно като ефект на кожата.
Принцип на индукционно повърхностно втвърдяване:
Въз основа на скин-ефекта, повърхността на детайла се нагрява бързо до температурата на аустенизиране (повишава се до 800~1000°C за няколко секунди), докато вътрешността на детайла остава почти незагрята. След това детайлът се охлажда чрез пръскане с вода, като се постига повърхностно втвърдяване.
4.Темпер крехкост
Закаляване на крехкостта в закалената стомана
Крехкостта при закаляване се отнася до явлението, при което ударната якост на закалената стомана значително намалява, когато се темперира при определени температури.
Първи тип темперираща крехкост
Температурен диапазон: 250°C до 350°C.
Характеристики: Ако закалената стомана се темперира в този температурен диапазон, е много вероятно да се развие този тип крехкост при темпериране, която не може да бъде елиминирана.
Решение: Избягвайте темперирането на закалената стомана в този температурен диапазон.
Първият тип темперираща крехкост е известен също като нискотемпературна темперираща крехкост или необратима темперираща крехкост.
Ⅵ.Темпериране
1. Закаляването е окончателен процес на термична обработка, който следва закаляването.
Защо закалените стомани се нуждаят от закаляване?
Микроструктура след охлаждане: След охлаждане микроструктурата на стоманата обикновено се състои от мартензит и остатъчен аустенит. И двете са метастабилни фази и ще се трансформират при определени условия.
Свойства на мартензита: Мартензитът се характеризира с висока твърдост, но също така и с висока крехкост (особено при високовъглероден игловиден мартензит), който не отговаря на изискванията за ефективност за много приложения.
Характеристики на мартензитната трансформация: Превръщането в мартензит става много бързо. След закаляването детайлът има остатъчни вътрешни напрежения, които могат да доведат до деформация или напукване.
Заключение: Заготовката не може да се използва директно след закаляване! Закаляването е необходимо за намаляване на вътрешните напрежения и подобряване на издръжливостта на детайла, което го прави подходящ за употреба.
2. Разлика между втвърдяемост и втвърдяващ капацитет:
Втвърдяемост:
Закаляването се отнася до способността на стоманата да постигне определена дълбочина на закаляване (дълбочината на закаления слой) след закаляване. Зависи от състава и структурата на стоманата, по-специално от нейните легиращи елементи и вида на стоманата. Закаляването е мярка за това колко добре стоманата може да се втвърди по цялата си дебелина по време на процеса на охлаждане.
Твърдост (капацитет на втвърдяване):
Твърдостта или капацитетът на закаляване се отнася до максималната твърдост, която може да бъде постигната в стоманата след закаляване. До голяма степен се влияе от съдържанието на въглерод в стоманата. По-високото съдържание на въглерод обикновено води до по-висока потенциална твърдост, но това може да бъде ограничено от легиращите елементи на стоманата и ефективността на процеса на охлаждане.
3. Закаляемост на стоманата
√Концепция за закаляемост
Закаляването се отнася до способността на стоманата да постигне определена дълбочина на мартензитно втвърдяване след закаляване от температурата на аустенизиране. По-просто казано, това е способността на стоманата да образува мартензит по време на охлаждане.
Измерване на закаляемост
Размерът на втвърдяемостта се показва от дълбочината на втвърдения слой, получен при определени условия след закаляването.
Дълбочина на втвърдения слой: Това е дълбочината от повърхността на детайла до областта, където структурата е полумартензитна.
Обща среда за охлаждане:
•Вода
Характеристики: Икономичен със силна способност за охлаждане, но има висока скорост на охлаждане близо до точката на кипене, което може да доведе до прекомерно охлаждане.
Приложение: Обикновено се използва за въглеродни стомани.
Солена вода: Разтвор на сол или основа във вода, който има по-висок охлаждащ капацитет при високи температури в сравнение с водата, което го прави подходящ за въглеродни стомани.
• Масло
Характеристики: Осигурява по-бавна скорост на охлаждане при ниски температури (близо до точката на кипене), което ефективно намалява тенденцията за деформация и напукване, но има по-ниска охлаждаща способност при високи температури.
Приложение: Подходящ за легирани стомани.
Видове: Включва масло за охлаждане, машинно масло и дизелово гориво.
Време за нагряване
Времето за нагряване се състои както от скоростта на нагряване (времето, необходимо за достигане на желаната температура), така и от времето на задържане (времето, поддържано при целевата температура).
Принципи за определяне на времето за нагряване: Осигурете равномерно разпределение на температурата в детайла, както вътре, така и отвън.
Уверете се, че образуваният аустенит е еднороден и фин.
Основа за определяне на времето за нагряване: Обикновено се изчислява с помощта на емпирични формули или се определя чрез експериментиране.
Охлаждаща среда
Два ключови аспекта:
a. Скорост на охлаждане: По-високата скорост на охлаждане насърчава образуването на мартензит.
b. Остатъчно напрежение: По-високата скорост на охлаждане увеличава остатъчното напрежение, което може да доведе до по-голяма тенденция за деформация и напукване в детайла.
Ⅶ.Нормализиране
1. Определение за нормализиране
Нормализирането е процес на топлинна обработка, при който стоманата се нагрява до температура от 30°C до 50°C над температурата Ac3, поддържа се при тази температура и след това се охлажда на въздух, за да се получи микроструктура, близка до равновесното състояние. В сравнение с отгряването, нормализирането има по-бърза скорост на охлаждане, което води до по-фина перлитна структура (P) и по-висока якост и твърдост.
2. Цел на нормализирането
Целта на нормализирането е подобна на тази на отгряването.
3. Приложения на нормализиране
• Елиминирайте мрежестия вторичен цементит.
•Служи за окончателна топлинна обработка на части с по-ниски изисквания.
• Действа като подготвителна топлинна обработка за ниско и средно въглеродна структурна стомана за подобряване на обработваемостта.
4. Видове отгряване
Първи тип отгряване:
Цел и функция: Целта не е да се предизвика фазова трансформация, а да се преведе стоманата от небалансирано състояние в балансирано състояние.
Видове:
• Дифузионно отгряване: има за цел да хомогенизира състава чрез елиминиране на сегрегацията.
•Рекристализиращо отгряване: Възстановява пластичността чрез елиминиране на ефектите от работното втвърдяване.
• Отгряване за облекчаване на напрежението: Намалява вътрешните напрежения, без да променя микроструктурата.
Втори тип отгряване:
Предназначение и функция: има за цел да промени микроструктурата и свойствата, постигайки микроструктура, доминирана от перлит. Този тип също така гарантира, че разпределението и морфологията на перлит, ферит и карбиди отговарят на специфични изисквания.
Видове:
•Пълно отгряване: Нагрява стоманата над температурата Ac3 и след това бавно я охлажда, за да се получи еднаква перлитна структура.
• Непълно отгряване: Нагрява стоманата между температури Ac1 и Ac3, за да трансформира частично структурата.
•Изотермично отгряване: Нагрява стоманата до над Ac3, последвано от бързо охлаждане до изотермична температура и задържане, за да се постигне желаната структура.
• Сфероидизиращо отгряване: Създава сфероидна карбидна структура, подобряваща обработваемостта и якостта.
Ⅷ.1. Определение за термична обработка
Термичната обработка се отнася до процес, при който металът се нагрява, държи при определена температура и след това се охлажда, докато е в твърдо състояние, за да се промени вътрешната му структура и микроструктура, като по този начин се постигат желаните свойства.
2. Характеристики на термичната обработка
Топлинната обработка не променя формата на детайла; вместо това, той променя вътрешната структура и микроструктурата на стоманата, което от своя страна променя свойствата на стоманата.
3. Цел на термичната обработка
Целта на топлинната обработка е да се подобрят механичните или обработващите свойства на стоманата (или детайлите), да се използва напълно потенциалът на стоманата, да се подобри качеството на детайла и да се удължи неговият експлоатационен живот.
4. Ключово заключение
Дали свойствата на даден материал могат да бъдат подобрени чрез топлинна обработка зависи критично от това дали има промени в неговата микроструктура и структура по време на процеса на нагряване и охлаждане.
Време на публикуване: 19 август 2024 г