Ⅰ.Osnovni koncept termičke obrade.
A. Osnovni koncept termičke obrade.
Osnovni elementi i funkcijetermička obrada:
1.Grijanje
Svrha je da se dobije ujednačena i fina struktura austenita.
2.Holding
Cilj je osigurati da se radni komad temeljito zagrije i spriječi dekarbonizaciju i oksidaciju.
3.Hlađenje
Cilj je transformacija austenita u različite mikrostrukture.
Mikrostrukture nakon termičke obrade
Tokom procesa hlađenja nakon zagrijavanja i držanja, austenit se pretvara u različite mikrostrukture ovisno o brzini hlađenja. Različite mikrostrukture pokazuju različita svojstva.
B. Osnovni koncept termičke obrade.
Klasifikacija na osnovu metoda grijanja i hlađenja, kao i mikrostrukture i svojstava čelika
1.Konvencionalna toplinska obrada (ukupna toplinska obrada): kaljenje, žarenje, normalizacija, gašenje
2. Površinska toplinska obrada: površinsko gašenje, indukcijsko grijanje površinsko gašenje, površinsko gašenje plamenom grijanjem, površinsko gašenje s električnim kontaktom.
3. Hemijska toplinska obrada: karburizacija, nitriranje, karbonitriranje.
4.Ostali toplinski tretmani: kontrolirana atmosferska toplinska obrada, vakuumska toplinska obrada, deformacijska toplinska obrada.
C.Kritična temperatura čelika
Kritična temperatura transformacije čelika je važna osnova za određivanje procesa grijanja, držanja i hlađenja tokom toplinske obrade. Određuje se faznim dijagramom željezo-ugljik.
Ključni zaključak:Stvarna kritična temperatura transformacije čelika uvijek zaostaje za teoretskom kritičnom temperaturom transformacije. To znači da je potrebno pregrijavanje tokom grijanja, a podhlađenje tokom hlađenja.
Ⅱ. Žarenje i normalizacija čelika
1. Definicija žarenja
Žarenje uključuje zagrijavanje čelika na temperaturu iznad ili ispod kritične tačke Ac₁ koja ga drži na toj temperaturi, a zatim ga polako hladi, obično unutar peći, kako bi se postigla struktura blizu ravnoteže.
2. Svrha žarenja
①Podesite tvrdoću za obradu: Postizanje obradive tvrdoće u rasponu od HB170~230.
②Oslobodite preostalog naprezanja: Sprečava deformaciju ili pucanje tokom narednih procesa.
③Pročistite strukturu zrna: Poboljšava mikrostrukturu.
④Priprema za finalnu termičku obradu: Dobija granulirani (sferoidizirani) perlit za naknadno gašenje i kaljenje.
3.Sferoidizirajuće žarenje
Specifikacije procesa: Temperatura grijanja je blizu Ac₁ tačke.
Svrha: Za sferoidizaciju cementita ili karbida u čeliku, što rezultira granuliranim (sferoidiziranim) perlitom.
Primjenjivi raspon: Koristi se za čelike sa eutektoidnim i hipereutektoidnim sastavima.
4. Difuzno žarenje (Homogenizirajuće žarenje)
Specifikacije procesa: Temperatura grijanja je malo ispod solvus linije na faznom dijagramu.
Svrha: Uklanjanje segregacije.
①Za niske-ugljenični čeliksa sadržajem ugljika manjim od 0,25%, normalizacija je poželjnija u odnosu na žarenje kao pripremna toplinska obrada.
②Za čelik srednjeg ugljika sa sadržajem ugljika između 0,25% i 0,50%, ili žarenje ili normalizacija može se koristiti kao pripremna toplinska obrada.
③Za srednje do visokougljični čelik sa sadržajem ugljika između 0,50% i 0,75%, preporučuje se potpuno žarenje.
④Za visoko-ugljenični čeliksa sadržajem ugljika većim od 0,75%, normalizacija se prvo koristi za uklanjanje mreže Fe₃C, nakon čega slijedi sferoidizirajuće žarenje.
Ⅲ.Kaljenje i kaljenje čelika
A. Gašenje
1. Definicija gašenja: Kašenje uključuje zagrijavanje čelika na određenu temperaturu iznad Ac₃ ili Ac₁ tačke, održavanje na toj temperaturi, a zatim hlađenje brzinom većom od kritične brzine hlađenja kako bi se formirao martenzit.
2. Svrha gašenja: Primarni cilj je dobivanje martenzita (ili ponekad nižeg bainita) kako bi se povećala tvrdoća i otpornost na habanje čelika. Kašenje je jedan od najvažnijih procesa termičke obrade čelika.
3. Određivanje temperatura kaljenja za različite vrste čelika
Hipoeutektoidni čelik: Ac₃ + 30°C do 50°C
Eutektoidni i hipereutektoidni čelik: Ac₁ + 30°C do 50°C
Legirani čelik: 50°C do 100°C iznad kritične temperature
4. Karakteristike hlađenja idealnog medija za gašenje:
Sporo hlađenje prije temperature "nosa": Za dovoljno smanjenje toplinskog stresa.
Visok kapacitet hlađenja blizu "nosne" temperature: Da bi se izbjeglo stvaranje nemartenzitnih struktura.
Sporo hlađenje blizu tačke M₅: da se smanji napon izazvan martenzitnom transformacijom.
5. Metode gašenja i njihove karakteristike:
①Jednostavno gašenje: Jednostavan za rukovanje i pogodan za male obradake jednostavnog oblika. Rezultirajuća mikrostruktura je martenzit (M).
②Dvostruko gašenje: Složenije i teže za kontrolisanje, koristi se za složene oblike čelika sa visokim udjelom ugljika i veće obrade od legiranog čelika. Rezultirajuća mikrostruktura je martenzit (M).
③Polomljeno gašenje: Složeniji proces, koji se koristi za velike, složene obradke od legiranog čelika. Rezultirajuća mikrostruktura je martenzit (M).
④Izotermno gašenje: Koristi se za male komade složenog oblika sa visokim zahtjevima. Rezultirajuća mikrostruktura je niži bainit (B).
6. Faktori koji utiču na otvrdnjavanje
Nivo kaljivosti ovisi o stabilnosti prehlađenog austenita u čeliku. Što je veća stabilnost superohlađenog austenita, to je bolja otvrdljivost i obrnuto.
Faktori koji utječu na stabilnost superohlađenog austenita:
Položaj C-krive: Ako se C-kriva pomjeri udesno, kritična brzina hlađenja za gašenje se smanjuje, poboljšavajući otvrdljivost.
Ključni zaključak:
Bilo koji faktor koji pomiče C-krivu udesno povećava otvrdljivost čelika.
Glavni faktor:
Hemijski sastav: Osim kobalta (Co), svi legirajući elementi rastvoreni u austenitu povećavaju otvrdljivost.
Što je sadržaj ugljika bliži eutektoidnom sastavu u ugljičnom čeliku, to se C-kriva više pomiče udesno i veća je otvrdljivost.
7. Određivanje i predstavljanje otvrdljivosti
①Test otvrdnjavanja na kraju gašenja: Otvrdljivost se mjeri korištenjem metode testa završnog gašenja.
②Metoda kritičnog prečnika gašenja: Kritični prečnik gašenja (D₀) predstavlja maksimalni prečnik čelika koji se može u potpunosti očvrsnuti u određenom mediju za gašenje.
B.Kaljenje
1. Definicija kaljenja
Kaljenje je proces toplinske obrade u kojem se kaljeni čelik ponovo zagrijava na temperaturu ispod A₁ tačke, održava na toj temperaturi, a zatim se hladi na sobnu temperaturu.
2. Svrha kaljenja
Smanjite ili eliminišite zaostalo naprezanje: Sprečava deformaciju ili pucanje radnog komada.
Smanjite ili eliminišite rezidualni austenit: Stabilizira dimenzije radnog komada.
Eliminišite lomljivost kaljenog čelika: Prilagođava mikrostrukturu i svojstva kako bi zadovoljila zahteve radnog komada.
Važna napomena: Čelik treba brzo kaliti nakon gašenja.
3. Procesi kaljenja
1.Low Tempering
Svrha: Smanjenje naprezanja pri kaljenju, poboljšanje žilavosti radnog komada i postizanje visoke tvrdoće i otpornosti na habanje.
Temperatura: 150°C ~ 250°C.
Performanse: Tvrdoća: HRC 58 ~ 64. Visoka tvrdoća i otpornost na habanje.
Primjene: Alati, kalupi, ležajevi, karburizirani dijelovi i površinski kaljene komponente.
2.High Tempering
Svrha: Postizanje visoke žilavosti uz dovoljnu čvrstoću i tvrdoću.
Temperatura: 500°C ~ 600°C.
Performanse: Tvrdoća: HRC 25 ~ 35. Dobra ukupna mehanička svojstva.
Primjene: Osovine, zupčanici, klipnjače, itd.
Thermal Rafining
Definicija: Kaljenje nakon čega slijedi kaljenje na visokim temperaturama naziva se termičko rafiniranje ili jednostavno kaljenje. Čelik obrađen ovim postupkom ima odlične ukupne performanse i široko se koristi.
Ⅳ.Površinska toplinska obrada čelika
A. Površinsko gašenje čelika
1. Definicija površinskog očvršćavanja
Površinsko otvrdnjavanje je proces termičke obrade dizajniran da ojača površinski sloj obratka brzim zagrijavanjem kako bi se površinski sloj pretvorio u austenit, a zatim se brzo hlađen. Ovaj proces se izvodi bez promjene kemijskog sastava čelika ili strukture jezgre materijala.
2. Materijali koji se koriste za površinsko očvršćavanje i strukturu nakon stvrdnjavanja
Materijali koji se koriste za površinsko očvršćavanje
Tipični materijali: Čelik srednjeg ugljika i legirani čelik srednjeg ugljika.
Prethodni tretman: Tipičan proces: kaljenje. Ako osnovna svojstva nisu kritična, umjesto toga se može koristiti normalizacija.
Struktura nakon stvrdnjavanja
Površinska struktura: Površinski sloj tipično formira očvrsnu strukturu kao što je martenzit ili bainit, koji pruža visoku tvrdoću i otpornost na habanje.
Struktura jezgre: Jezgro čelika općenito zadržava svoju originalnu strukturu, kao što je perlit ili kaljeno stanje, ovisno o procesu predobrade i svojstvima osnovnog materijala. Ovo osigurava da jezgro zadrži dobru žilavost i čvrstoću.
B.Karakteristike indukcijskog površinskog kaljenja
1. Visoka temperatura grijanja i brzi porast temperature: indukcijsko površinsko očvršćavanje obično uključuje visoke temperature grijanja i brze stope zagrijavanja, što omogućava brzo zagrijavanje u kratkom vremenu.
2. Struktura finog austenitnog zrna u površinskom sloju: Tokom brzog zagrijavanja i naknadnog procesa gašenja, površinski sloj formira fina zrna austenita. Nakon kaljenja, površina se prvenstveno sastoji od finog martenzita, čija je tvrdoća tipično 2-3 HRC veća od konvencionalnog kaljenja.
3. Dobar kvalitet površine: Zbog kratkog vremena zagrijavanja, površina radnog komada je manje sklona oksidaciji i razugljikovanju, a deformacija izazvana gašenjem je minimizirana, osiguravajući dobar kvalitet površine.
4. Visoka zamorna čvrstoća: Martenzitna fazna transformacija u površinskom sloju stvara tlačno naprezanje, što povećava zamornu čvrstoću obratka.
5. Visoka proizvodna efikasnost: Indukcijsko površinsko stvrdnjavanje je pogodno za masovnu proizvodnju, nudeći visoku operativnu efikasnost.
C.Klasifikacija hemijske termičke obrade
Pougljičenje, naugljičenje, naugljičenje, hromiranje, silikoniziranje, silikoniziranje, silikoniziranje, karbonitridiranje, borocarburizacija
D. Gas Carburizing
Gasno naugljičenje je proces u kojem se radni komad stavlja u zatvorenu plinsku peć za naugljičenje i zagrijava do temperature koja pretvara čelik u austenit. Zatim se u peć ukapa agens za naugljičenje ili se direktno uvodi atmosfera za naugljičenje, omogućavajući atomima ugljika da difundiraju u površinski sloj obratka. Ovaj proces povećava sadržaj ugljika (wc%) na površini radnog komada.
√ Sredstva za naugljičenje:
• Gasovi bogati ugljenikom: kao što su gas iz uglja, tečni naftni gas (LPG) itd.
• Organske tečnosti: kao što su kerozin, metanol, benzol, itd.
√Parametri procesa karburizacije:
• Temperatura karburizacije: 920~950°C.
• Vrijeme naugljičenja: Zavisi od željene dubine naugljičenog sloja i temperature naugljičenja.
E. Toplinska obrada nakon karburizacije
Čelik mora proći termičku obradu nakon karburizacije.
Proces toplinske obrade nakon karburizacije:
√Kaljenje + kaljenje na niskim temperaturama
1. Direktno kaljenje nakon prethodnog hlađenja + kaljenje na niskim temperaturama: Radni komad se prethodno ohladi od temperature karburizacije na nešto iznad temperature Ar₁ jezgra, a zatim se odmah ugasi, nakon čega slijedi kaljenje na niskoj temperaturi na 160~180°C.
2.Pojedinačno gašenje nakon prethodnog hlađenja + kaljenje na niskoj temperaturi: Nakon karburizacije, radni komad se polako hladi na sobnu temperaturu, a zatim se ponovo zagrijava za kaljenje i kaljenje na niskim temperaturama.
3. Dvostruko kaljenje nakon prethodnog hlađenja + kaljenje na niskoj temperaturi: Nakon karburizacije i sporog hlađenja, radni komad prolazi kroz dvije faze zagrijavanja i kaljenja, nakon čega slijedi kaljenje na niskim temperaturama.
Ⅴ. Hemijska termička obrada čelika
1.Definicija hemijske termičke obrade
Hemijska toplinska obrada je proces toplinske obrade u kojem se čelični radni komad stavlja u određeni aktivni medij, zagrijava i održava na temperaturi, omogućavajući aktivnim atomima u mediju da difundiraju u površinu obratka. Time se mijenja hemijski sastav i mikrostruktura površine obratka, čime se mijenjaju njegova svojstva.
2.Osnovni proces hemijske termičke obrade
Razgradnja: Tokom zagrijavanja, aktivni medij se razgrađuje, oslobađajući aktivne atome.
Apsorpcija: aktivni atomi se adsorbiraju na površini čelika i otapaju u čvrstu otopinu čelika.
Difuzija: aktivni atomi apsorbirani i otopljeni na površini čelika migriraju u unutrašnjost.
Vrste indukcijskog površinskog otvrdnjavanja
a. Visokofrekventno indukcijsko grijanje
Trenutna frekvencija: 250~300 kHz.
Dubina očvrslog sloja: 0,5~2,0 mm.
Primjene: Zupčanici srednjeg i malog modula i mala do srednje velika vratila.
b. Srednjefrekventno indukcijsko grijanje
Trenutna frekvencija: 2500~8000 kHz.
Dubina očvrslog sloja: 2~10 mm.
Primjene: Veće osovine i zupčanici velikih do srednjih modula.
c. Indukcijsko grijanje snage-frekvencije
Trenutna frekvencija: 50 Hz.
Dubina očvrslog sloja: 10~15 mm.
Primjene: Radni predmeti koji zahtijevaju veoma dubok kaljen sloj.
3. Indukcijsko očvršćavanje površine
Osnovni princip indukcijskog površinskog kaljenja
Skin efekat:
Kada naizmjenična struja u indukcijskom svitku inducira struju na površini obratka, većina inducirane struje je koncentrirana blizu površine, dok gotovo nikakva struja ne prolazi kroz unutrašnjost obratka. Ovaj fenomen je poznat kao kožni efekat.
Princip indukcijskog površinskog otvrdnjavanja:
Na osnovu skin efekta, površina obratka se brzo zagreva do temperature austenitizacije (podiže se na 800~1000°C za nekoliko sekundi), dok unutrašnjost obratka ostaje gotovo nezagrejana. Radni komad se zatim hladi raspršivanjem vode, čime se postiže površinsko očvršćavanje.
4. Krhkost temperamenta
Kaljenje lomljivosti u kaljenom čeliku
Krtost pri kaljenju odnosi se na pojavu u kojoj se udarna žilavost kaljenog čelika značajno smanjuje pri kaljenju na određenim temperaturama.
Prva vrsta kaljenja krhkosti
Raspon temperature: 250°C do 350°C.
Karakteristike: Ako je kaljeni čelik kaljen unutar ovog temperaturnog raspona, velika je vjerovatnoća da će razviti ovu vrstu krtosti pri kaljenju, koja se ne može eliminirati.
Rješenje: Izbjegavajte kaljenje kaljenog čelika unutar ovog temperaturnog raspona.
Prvi tip lomljivosti pri kaljenju poznat je i kao lomljivost pri niskoj temperaturi ili nepovratna lomljivost kaljenja.
Ⅵ.Kaljenje
1.Kaljenje je završni proces termičke obrade koji slijedi nakon gašenja.
Zašto je kaljenom čeliku potrebno kaljenje?
Mikrostruktura nakon gašenja: Nakon kaljenja, mikrostruktura čelika se obično sastoji od martenzita i rezidualnog austenita. Obje su metastabilne faze i transformisaće se pod određenim uslovima.
Osobine martenzita: martenzit se odlikuje velikom tvrdoćom, ali i visokom lomljivošću (posebno u martenzitu sa visokim sadržajem ugljika), koji ne zadovoljava zahtjeve performansi za mnoge primjene.
Karakteristike martenzitne transformacije: Transformacija u martenzit se dešava veoma brzo. Nakon kaljenja, radni komad ima zaostala unutrašnja naprezanja koja mogu dovesti do deformacije ili pucanja.
Zaključak: Radni komad se ne može koristiti neposredno nakon gašenja! Kaljenje je neophodno kako bi se smanjila unutrašnja naprezanja i poboljšala žilavost radnog komada, što ga čini pogodnim za upotrebu.
2. Razlika između otvrdnjavanja i kapaciteta stvrdnjavanja:
Otvrdnjavanje:
Kaljivost se odnosi na sposobnost čelika da postigne određenu dubinu kaljenja (dubinu očvrslog sloja) nakon kaljenja. Zavisi od sastava i strukture čelika, posebno njegovih legirajućih elemenata i vrste čelika. Kaljivost je mjera koliko dobro čelik može očvrsnuti u cijeloj svojoj debljini tokom procesa kaljenja.
Tvrdoća (kapacitet stvrdnjavanja):
Tvrdoća, ili kapacitet otvrdnjavanja, odnosi se na maksimalnu tvrdoću koja se može postići u čeliku nakon kaljenja. Na to u velikoj mjeri utiče sadržaj ugljika u čeliku. Veći sadržaj ugljika općenito dovodi do veće potencijalne tvrdoće, ali to može biti ograničeno legirajućim elementima čelika i djelotvornošću procesa kaljenja.
3.Kaljivost čelika
√Koncept kaljivosti
Kaljivost se odnosi na sposobnost čelika da postigne određenu dubinu martenzitnog stvrdnjavanja nakon gašenja od temperature austenitizacije. Jednostavnije rečeno, to je sposobnost čelika da formira martenzit tokom gašenja.
Merenje otvrdljivosti
Veličina otvrdljivosti je naznačena dubinom očvrslog sloja dobivenog pod određenim uvjetima nakon gašenja.
Dubina očvrslog sloja: Ovo je dubina od površine obratka do regije u kojoj je struktura polumartenzitna.
Uobičajeni mediji za gašenje:
•Voda
Karakteristike: Ekonomičan sa jakom sposobnošću hlađenja, ali ima visoku brzinu hlađenja blizu tačke ključanja, što može dovesti do prekomernog hlađenja.
Primjena: Obično se koristi za ugljične čelike.
Slana voda: otopina soli ili alkalija u vodi, koja ima veći kapacitet hlađenja pri visokim temperaturama u odnosu na vodu, što ga čini pogodnim za ugljične čelike.
•Ulje
Karakteristike: Omogućava sporiju brzinu hlađenja na niskim temperaturama (blizu tačke ključanja), što efektivno smanjuje sklonost deformacijama i pucanju, ali ima nižu sposobnost hlađenja na visokim temperaturama.
Primjena: Pogodno za legirane čelike.
Vrste: Uključuje ulje za gašenje, mašinsko ulje i dizel gorivo.
Vrijeme grijanja
Vrijeme grijanja se sastoji od brzine zagrijavanja (vrijeme potrebno za postizanje željene temperature) i vremena održavanja (vrijeme održavanja na ciljnoj temperaturi).
Principi za određivanje vremena zagrevanja: Obezbedite ravnomernu distribuciju temperature kroz radni komad, kako iznutra tako i spolja.
Osigurati potpunu austenitizaciju i da je formirani austenit ujednačen i fin.
Osnova za određivanje vremena zagrijavanja: Obično se procjenjuje korištenjem empirijskih formula ili se određuje eksperimentalno.
Mediji za gašenje
Dva ključna aspekta:
a. Brzina hlađenja: Veća brzina hlađenja potiče stvaranje martenzita.
b. Preostalo naprezanje: Veća brzina hlađenja povećava zaostalo naprezanje, što može dovesti do veće tendencije deformacije i pucanja u radnom komadu.
Ⅶ.Normalizacija
1. Definicija normalizacije
Normalizacija je proces toplinske obrade u kojem se čelik zagrijava na temperaturu od 30°C do 50°C iznad temperature Ac3, održava na toj temperaturi, a zatim se hladi zrakom da bi se dobila mikrostruktura bliska ravnotežnom stanju. U poređenju sa žarenjem, normalizacija ima bržu brzinu hlađenja, što rezultira finijom perlitnom strukturom (P) i većom čvrstoćom i tvrdoćom.
2. Svrha normalizacije
Svrha normalizacije je slična onoj kod žarenja.
3. Primene normalizacije
• Eliminišite umreženi sekundarni cementit.
•Služi kao završna termička obrada za dijelove sa nižim zahtjevima.
• Djeluje kao pripremna toplinska obrada za konstrukcijski čelik sa niskim i srednjim ugljikom radi poboljšanja obradivosti.
4.Vrste žarenja
Prva vrsta žarenja:
Svrha i funkcija: Cilj nije inducirati faznu transformaciju, već prevesti čelik iz neuravnoteženog stanja u uravnoteženo stanje.
Vrste:
• Difuzijsko žarenje: Cilj je homogenizirati sastav eliminacijom segregacije.
• Rekristalizaciono žarenje: Vraća duktilnost eliminišući efekte očvršćavanja.
• Žarenje za ublažavanje naprezanja: Smanjuje unutrašnja naprezanja bez promjene mikrostrukture.
Drugi tip žarenja:
Svrha i funkcija: Cilj je promijeniti mikrostrukturu i svojstva, postižući mikrostrukturu u kojoj dominira perlit. Ovaj tip također osigurava da distribucija i morfologija perlita, ferita i karbida ispunjavaju specifične zahtjeve.
Vrste:
•Potpuno žarenje: Zagreva čelik iznad Ac3 temperature, a zatim ga polako hladi kako bi se dobila jednolična perlitna struktura.
• Nepotpuno žarenje: zagrijava čelik između Ac1 i Ac3 temperatura kako bi se djelomično transformirala struktura.
•Izotermno žarenje: Zagreva čelik do iznad Ac3, nakon čega sledi brzo hlađenje do izotermne temperature i zadržavanje da bi se postigla željena struktura.
• Sferoidizirajuće žarenje: proizvodi sferoidnu karbidnu strukturu, poboljšavajući obradivost i žilavost.
Ⅷ.1.Definicija toplinske obrade
Toplotna obrada se odnosi na proces u kojem se metal zagrijava, drži na određenoj temperaturi, a zatim hladi dok je u čvrstom stanju kako bi se promijenila njegova unutrašnja struktura i mikrostruktura, čime se postižu željena svojstva.
2.Karakteristike termičke obrade
Toplinska obrada ne mijenja oblik obratka; umjesto toga, mijenja unutrašnju strukturu i mikrostrukturu čelika, što zauzvrat mijenja svojstva čelika.
3.Svrha toplinske obrade
Svrha termičke obrade je poboljšati mehanička ili procesna svojstva čelika (ili obratka), u potpunosti iskoristiti potencijal čelika, poboljšati kvalitetu radnog komada i produžiti njegov vijek trajanja.
4. Ključni zaključak
Da li se svojstva materijala mogu poboljšati toplotnom obradom u velikoj meri zavisi od toga da li postoje promene u njegovoj mikrostrukturi i strukturi tokom procesa grejanja i hlađenja.
Vrijeme objave: 19.08.2024