Ⅰ.Základní koncept tepelného zpracování.
A. Základní koncept tepelného zpracování.
Základní prvky a funkcetepelné zpracování:
1.Vytápění
Účelem je získat jednotnou a jemnou strukturu austenitu.
2. Držení
Cílem je zajistit důkladné zahřátí obrobku a zabránit oduhličení a oxidaci.
3.Chlazení
Cílem je transformovat austenit do různých mikrostruktur.
Mikrostruktury po tepelném zpracování
Během procesu chlazení po zahřátí a udržení se austenit přeměňuje na různé mikrostruktury v závislosti na rychlosti chlazení. Různé mikrostruktury vykazují různé vlastnosti.
B.Základní koncepce tepelného zpracování.
Klasifikace založená na metodách ohřevu a chlazení, stejně jako na mikrostruktuře a vlastnostech oceli
1. Konvenční tepelné zpracování (celkové tepelné zpracování): Popouštění, žíhání, normalizace, kalení
2. Povrchové tepelné zpracování: povrchové kalení, indukční ohřev povrchového kalení, plamenový ohřev povrchu kalení, elektrický kontaktní ohřev povrchu kalení.
3. Chemické tepelné zpracování: nauhličování, nitridování, karbonitridování.
4. Jiné tepelné zpracování: Tepelné zpracování s řízenou atmosférou, vakuové tepelné zpracování, deformační tepelné zpracování.
C. Kritická teplota ocelí
Kritická transformační teplota oceli je důležitým základem pro stanovení procesů ohřevu, udržování a chlazení během tepelného zpracování. Je určen fázovým diagramem železo-uhlík.
Klíčový závěr:Skutečná kritická transformační teplota oceli vždy zaostává za teoretickou kritickou transformační teplotou. To znamená, že při ohřevu je nutné přehřátí a při chlazení je nutné podchlazení.
Ⅱ. Žíhání a normalizace oceli
1. Definice žíhání
Žíhání zahrnuje zahřívání oceli na teplotu nad nebo pod kritickým bodem Ac1, přičemž se udržuje na této teplotě a poté se pomalu ochlazuje, obvykle v peci, aby se dosáhlo struktury blízké rovnováze.
2. Účel žíhání
①Nastavení tvrdosti pro obrábění: Dosažení obrobitelné tvrdosti v rozsahu HB170~230.
②Uvolnění zbytkového napětí: Zabraňuje deformaci nebo praskání během následných procesů.
③Refine Grain Structure: Zlepšuje mikrostrukturu.
④Příprava na konečné tepelné zpracování: Získává zrnitý (sféroidizovaný) perlit pro následné kalení a temperování.
3.Sferoidizační žíhání
Specifikace procesu: Teplota ohřevu je blízko bodu Ac₁.
Účel: Sferoidizace cementitu nebo karbidů v oceli, výsledkem čehož je granulovaný (sféroidizovaný) perlit.
Použitelný rozsah: Používá se pro oceli s eutektoidním a hypereutektoidním složením.
4. Difuzní žíhání (homogenizační žíhání)
Specifikace procesu: Teplota ohřevu je mírně pod čárou solvus na fázovém diagramu.
Účel: Eliminovat segregaci.
①Pro nízkéuhlíková ocels obsahem uhlíku menším než 0,25 %, normalizace je výhodnější než žíhání jako přípravné tepelné zpracování.
②U středně uhlíkové oceli s obsahem uhlíku mezi 0,25 % a 0,50 % lze jako přípravné tepelné zpracování použít buď žíhání, nebo normalizaci.
③Pro středně až vysoce uhlíkovou ocel s obsahem uhlíku mezi 0,50 % a 0,75 % se doporučuje úplné žíhání.
④Pro vysoké-uhlíková ocels obsahem uhlíku vyšším než 0,75 % se nejprve použije normalizace k odstranění sítě Fe3C, po níž následuje sféroidizační žíhání.
Ⅲ. Kalení a temperování oceli
A. Kalení
1. Definice kalení: Kalení zahrnuje zahřátí oceli na určitou teplotu nad bodem Ac3 nebo Ac1, její udržení na této teplotě a následné ochlazení rychlostí vyšší, než je kritická rychlost ochlazování za vzniku martenzitu.
2. Účel kalení: Primárním cílem je získat martenzit (nebo někdy nižší bainit) pro zvýšení tvrdosti a odolnosti oceli proti opotřebení. Kalení je jedním z nejdůležitějších procesů tepelného zpracování oceli.
3.Stanovení kalících teplot pro různé druhy oceli
Hypoeutektoidní ocel: Ac3 + 30 °C až 50 °C
Eutektoidní a hypereutektoidní ocel: Ac1 + 30 °C až 50 °C
Legovaná ocel: 50°C až 100°C nad kritickou teplotou
4. Charakteristiky chlazení ideálního kalícího média:
Pomalé chlazení před teplotou "nosu": Pro dostatečné snížení tepelného namáhání.
Vysoká chladicí kapacita v blízkosti teploty "nosu": Aby se zabránilo tvorbě nemartenzitických struktur.
Pomalé ochlazování v blízkosti bodu M₅: Pro minimalizaci napětí vyvolaného martenzitickou transformací.
5. Metody kalení a jejich vlastnosti:
①Jednoduché kalení: Snadné ovládání a vhodné pro malé obrobky jednoduchého tvaru. Výsledná mikrostruktura je martenzit (M).
②Dvojité kalení: Složitější a obtížněji ovladatelné, používá se u složitě tvarovaných obrobků z vysoce uhlíkové oceli a větších obrobků z legované oceli. Výsledná mikrostruktura je martenzit (M).
③Zlomené kalení: Složitější proces používaný pro velké obrobky z legované oceli se složitým tvarem. Výsledná mikrostruktura je martenzit (M).
④Izotermické kalení: Používá se pro malé obrobky složitého tvaru s vysokými požadavky. Výsledná mikrostruktura je nižší bainit (B).
6. Faktory ovlivňující kalitelnost
Úroveň prokalitelnosti závisí na stabilitě podchlazeného austenitu v oceli. Čím vyšší je stabilita podchlazeného austenitu, tím lepší je prokalitelnost a naopak.
Faktory ovlivňující stabilitu podchlazeného austenitu:
Poloha C-křivky: Pokud se C-křivka posune doprava, kritická rychlost ochlazování pro kalení se sníží, čímž se zlepší prokalitelnost.
Klíčový závěr:
Jakýkoli faktor, který posune C-křivku doprava, zvyšuje prokalitelnost oceli.
Hlavní faktor:
Chemické složení: Kromě kobaltu (Co) zvyšují prokalitelnost všechny legující prvky rozpuštěné v austenitu.
Čím blíže je obsah uhlíku eutektoidnímu složení v uhlíkové oceli, tím více se C-křivka posouvá doprava a tím vyšší je prokalitelnost.
7. Stanovení a vyjádření kalitelnosti
①Test kalitelnosti na konci kalení: Kalitelnost se měří pomocí metody testu kalení na konci kalení.
②Metoda kritického průměru kalení: Kritický průměr kalení (D₀) představuje maximální průměr oceli, kterou lze plně kalit ve specifickém kalicím médiu.
B. Temperování
1. Definice temperování
Popouštění je proces tepelného zpracování, při kterém se kalená ocel znovu zahřeje na teplotu pod bodem A1, udržuje se na této teplotě a poté se ochladí na teplotu místnosti.
2. Účel temperování
Snížení nebo odstranění zbytkového napětí: Zabraňuje deformaci nebo praskání obrobku.
Snížení nebo odstranění zbytkového austenitu: Stabilizuje rozměry obrobku.
Eliminujte křehkost kalené oceli: Upravuje mikrostrukturu a vlastnosti tak, aby vyhovovaly požadavkům obrobku.
Důležitá poznámka: Ocel by měla být po kalení ihned popuštěna.
3. Procesy temperování
1. Nízké temperování
Účel: Snížit namáhání při kalení, zlepšit houževnatost obrobku a dosáhnout vysoké tvrdosti a odolnosti proti opotřebení.
Teplota: 150 °C ~ 250 °C.
Výkon: Tvrdost: HRC 58 ~ 64. Vysoká tvrdost a odolnost proti opotřebení.
Použití: Nástroje, formy, ložiska, nauhličené díly a povrchově kalené součásti.
2.Vysoké temperování
Účel: Dosáhnout vysoké houževnatosti při dostatečné pevnosti a tvrdosti.
Teplota: 500 °C ~ 600 °C.
Výkon: Tvrdost: HRC 25 ~ 35. Celkové dobré mechanické vlastnosti.
Použití: Hřídele, ozubená kola, ojnice atd.
Tepelná rafinace
Definice: Kalení s následným vysokoteplotním temperováním se nazývá tepelná rafinace nebo jednoduše popouštění. Ocel ošetřená tímto procesem má vynikající celkový výkon a je široce používána.
Ⅳ.Povrchové tepelné zpracování oceli
A. Povrchové kalení ocelí
1. Definice povrchového kalení
Povrchové kalení je proces tepelného zpracování určený ke zpevnění povrchové vrstvy obrobku rychlým zahřátím, aby se povrchová vrstva přeměnila na austenit, a poté se rychle ochladí. Tento proces se provádí bez změny chemického složení oceli nebo struktury jádra materiálu.
2. Materiály používané pro povrchové kalení a strukturu po kalení
Materiály používané pro povrchové kalení
Typické materiály: Středně uhlíková ocel a středně uhlíková legovaná ocel.
Předúprava: Typický proces: Temperování. Pokud vlastnosti jádra nejsou kritické, lze místo toho použít normalizaci.
Struktura po vytvrzení
Struktura povrchu: Povrchová vrstva typicky tvoří tvrzenou strukturu, jako je martenzit nebo bainit, která poskytuje vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebení.
Struktura jádra: Jádro oceli si obecně zachovává svou původní strukturu, jako je perlit nebo temperovaný stav, v závislosti na procesu předúpravy a vlastnostech základního materiálu. To zajišťuje, že jádro si zachová dobrou houževnatost a pevnost.
B. Charakteristika indukčního povrchového kalení
1. Vysoká teplota ohřevu a rychlý nárůst teploty: Indukční povrchové kalení obvykle zahrnuje vysoké teploty ohřevu a rychlé rychlosti ohřevu, což umožňuje rychlý ohřev během krátké doby.
2. Jemná struktura zrna austenitu v povrchové vrstvě: Během procesu rychlého ohřevu a následného kalení tvoří povrchová vrstva jemná zrna austenitu. Po kalení se povrch primárně skládá z jemného martenzitu s tvrdostí obvykle o 2-3 HRC vyšší než u běžného kalení.
3. Dobrá kvalita povrchu: Díky krátké době ohřevu je povrch obrobku méně náchylný k oxidaci a oduhličení a deformace vyvolaná kalením je minimalizována, což zajišťuje dobrou kvalitu povrchu.
4. Vysoká únavová pevnost: Martenzitická fázová transformace v povrchové vrstvě vytváří tlakové napětí, které zvyšuje únavovou pevnost obrobku.
5. Vysoká efektivita výroby: Indukční povrchové kalení je vhodné pro hromadnou výrobu a nabízí vysokou provozní efektivitu.
C. Klasifikace chemického tepelného zpracování
Nauhličování, Nauhličování, Nauhličování, Chromování, Silikonizace, Silikonizace, Silikonizace, Karbonitridace, Borokarburizace
D. Nauhličování plynem
Plynové nauhličování je proces, kdy se obrobek umístí do uzavřené plynové nauhličovací pece a zahřeje se na teplotu, která přemění ocel na austenit. Poté se do pece nakape nauhličovací činidlo nebo se přímo zavede nauhličovací atmosféra, která umožní atomům uhlíku difundovat do povrchové vrstvy obrobku. Tento proces zvyšuje obsah uhlíku (wc%) na povrchu obrobku.
√ Carburizační činidla:
•Plyny bohaté na uhlík: jako je uhelný plyn, zkapalněný ropný plyn (LPG) atd.
•Organické kapaliny: Jako je petrolej, metanol, benzen atd.
√ Parametry procesu nauhličování:
• Teplota nauhličování: 920~950°C.
•Doba nauhličování: Závisí na požadované hloubce nauhličované vrstvy a teplotě nauhličování.
E. Tepelné zpracování po nauhličování
Ocel musí po nauhličení projít tepelným zpracováním.
Proces tepelného zpracování po nauhličování:
√ Kalení + nízkoteplotní temperování
1. Přímé kalení po předběžném chlazení + nízkoteplotní temperování: Obrobek je předchlazen z teploty nauhličování na teplotu těsně nad teplotou Ar₁ jádra a poté okamžitě kalen, následuje nízkoteplotní temperování při 160~180°C.
2.Jednorázové kalení po předběžném chlazení + nízkoteplotní temperování: Po nauhličení se obrobek pomalu ochladí na pokojovou teplotu, poté se znovu zahřeje pro kalení a nízkoteplotní temperování.
3. Dvojité kalení po předchlazení + nízkoteplotní temperování: Po nauhličení a pomalém ochlazení obrobek podstoupí dvě fáze ohřevu a kalení, po nichž následuje nízkoteplotní temperování.
Ⅴ. Chemické tepelné zpracování ocelí
1.Definice chemického tepelného zpracování
Chemické tepelné zpracování je proces tepelného zpracování, při kterém je ocelový obrobek umístěn do specifického aktivního média, zahříván a udržován na teplotě, což umožňuje aktivním atomům v médiu difundovat do povrchu obrobku. Tím se mění chemické složení a mikrostruktura povrchu obrobku, čímž se mění jeho vlastnosti.
2.Základní proces chemického tepelného zpracování
Rozklad: Při zahřívání se aktivní médium rozkládá a uvolňují aktivní atomy.
Absorpce: Aktivní atomy jsou adsorbovány povrchem oceli a rozpouštějí se v tuhém roztoku oceli.
Difúze: Aktivní atomy absorbované a rozpuštěné na povrchu oceli migrují do interiéru.
Typy indukčního povrchového kalení
a.Vysokofrekvenční indukční ohřev
Aktuální frekvence: 250~300 kHz.
Hloubka kalené vrstvy: 0,5~2,0 mm.
Použití: Střední a malá modulová ozubená kola a malé až středně velké hřídele.
b. Středofrekvenční indukční ohřev
Aktuální frekvence: 2500~8000 kHz.
Hloubka kalené vrstvy: 2~10 mm.
Použití: Větší hřídele a velká až střední modulová ozubená kola.
c.Výkon-frekvenční indukční ohřev
Aktuální frekvence: 50 Hz.
Hloubka kalené vrstvy: 10~15 mm.
Použití: Obrobky vyžadující velmi hlubokou vytvrzenou vrstvu.
3. Indukční povrchové kalení
Základní princip indukčního povrchového kalení
Efekt na kůži:
Když střídavý proud v indukční cívce indukuje proud na povrchu obrobku, většina indukovaného proudu je soustředěna blízko povrchu, zatímco vnitřkem obrobku neprochází téměř žádný proud. Tento jev je známý jako kožní efekt.
Princip indukčního povrchového kalení:
Na základě skinefektu se povrch obrobku rychle zahřeje na austenitizační teplotu (vzroste na 800~1000°C během několika sekund), přičemž vnitřek obrobku zůstává téměř nezahřátý. Obrobek je poté ochlazen postřikem vodou, čímž se dosáhne zpevnění povrchu.
4. Popouštěcí křehkost
Popouštěcí křehkost v kalené oceli
Popouštěcí křehkost se týká jevu, kdy rázová houževnatost kalené oceli výrazně klesá při popouštění při určitých teplotách.
První typ popouštěcí křehkosti
Teplotní rozsah: 250 °C až 350 °C.
Charakteristika: Pokud je kalená ocel popouštěna v tomto teplotním rozsahu, je vysoce pravděpodobné, že dojde k rozvoji tohoto typu popouštěcí křehkosti, kterou nelze odstranit.
Řešení: Vyvarujte se popouštění kalené oceli v tomto teplotním rozsahu.
První typ popouštěcí křehkosti je také známý jako nízkoteplotní popouštěcí křehkost nebo nevratná popouštěcí křehkost.
Ⅵ. Temperování
1. Temperování je proces konečného tepelného zpracování, který následuje po kalení.
Proč kalené oceli potřebují temperování?
Mikrostruktura po kalení: Po kalení se mikrostruktura oceli typicky skládá z martenzitu a zbytkového austenitu. Obě jsou metastabilní fáze a budou se za určitých podmínek transformovat.
Vlastnosti martenzitu:Martenzit se vyznačuje vysokou tvrdostí, ale také vysokou křehkostí (zejména u jehličkovitého martenzitu s vysokým obsahem uhlíku), který nesplňuje výkonnostní požadavky pro mnoho aplikací.
Charakteristika martenzitické transformace: Transformace na martenzit probíhá velmi rychle. Po kalení má obrobek zbytková vnitřní pnutí, která mohou vést k deformaci nebo prasknutí.
Závěr: Obrobek nelze použít přímo po kalení! Popouštění je nezbytné pro snížení vnitřního pnutí a zlepšení houževnatosti obrobku, díky čemuž je vhodný pro použití.
2. Rozdíl mezi kalitelností a kalicí kapacitou:
Kalitelnost:
Prokalitelnost se týká schopnosti oceli dosáhnout po kalení určité hloubky kalení (hloubka kalené vrstvy). Záleží na složení a struktuře oceli, zejména na jejích legujících prvcích a typu oceli. Kalitelnost je měřítkem toho, jak dobře může ocel ztvrdnout v celé své tloušťce během procesu kalení.
Tvrdost (kapacita kalení):
Tvrdost neboli kalicí kapacita se týká maximální tvrdosti, které lze v oceli dosáhnout po kalení. Je to do značné míry ovlivněno obsahem uhlíku v oceli. Vyšší obsah uhlíku obecně vede k vyšší potenciální tvrdosti, ale ta může být omezena legujícími prvky oceli a účinností procesu kalení.
3.Prokalitelnost oceli
√ Koncept kalitelnosti
Prokalitelnost se týká schopnosti oceli dosáhnout určité hloubky martenzitického zpevnění po kalení z austenitizační teploty. Jednodušeji řečeno, je to schopnost oceli tvořit martenzit během kalení.
Měření kalitelnosti
Velikost prokalitelnosti udává hloubka vytvrzené vrstvy získaná za stanovených podmínek po kalení.
Hloubka kalené vrstvy: Toto je hloubka od povrchu obrobku k oblasti, kde je struktura poloviční martenzit.
Běžná hasicí média:
•Voda
Charakteristika: Ekonomický se silnou chladicí schopností, ale má vysokou rychlost chlazení blízko bodu varu, což může vést k nadměrnému chlazení.
Použití: Obvykle se používá pro uhlíkové oceli.
Slaná voda: Roztok soli nebo alkálie ve vodě, který má vyšší chladicí kapacitu při vysokých teplotách ve srovnání s vodou, takže je vhodný pro uhlíkové oceli.
•Olej
Charakteristika: Poskytuje pomalejší rychlost chlazení při nízkých teplotách (blízko bodu varu), což účinně snižuje tendenci k deformaci a praskání, ale má nižší chladicí schopnost při vysokých teplotách.
Použití: Vhodné pro legované oceli.
Typy: Zahrnuje kalicí olej, strojní olej a motorovou naftu.
Doba ohřevu
Doba ohřevu se skládá jak z rychlosti ohřevu (doba potřebná k dosažení požadované teploty), tak z doby výdrže (doba udržování na cílové teplotě).
Zásady pro stanovení doby ohřevu: Zajistěte rovnoměrné rozložení teploty v celém obrobku, uvnitř i vně.
Dbejte na úplnou austenitizaci a na to, aby vzniklý austenit byl jednotný a jemný.
Základ pro stanovení doby ohřevu: Obvykle se odhaduje pomocí empirických vzorců nebo se určuje pomocí experimentů.
Kalící média
Dva klíčové aspekty:
a. Rychlost ochlazování: Vyšší rychlost ochlazování podporuje tvorbu martenzitu.
b. Zbytkové napětí: Vyšší rychlost ochlazování zvyšuje zbytkové napětí, což může vést k větší tendenci k deformaci a praskání v obrobku.
Ⅶ. Normalizace
1. Definice normalizace
Normalizace je proces tepelného zpracování, při kterém se ocel zahřívá na teplotu o 30 °C až 50 °C nad teplotou Ac3, udržuje se na této teplotě a poté se ochlazuje vzduchem, aby se získala mikrostruktura blízkou rovnovážnému stavu. Ve srovnání s žíháním má normalizace rychlejší rychlost ochlazování, což má za následek jemnější perlitovou strukturu (P) a vyšší pevnost a tvrdost.
2. Účel normalizace
Účel normalizace je podobný jako u žíhání.
3. Aplikace normalizace
• Eliminujte síťovaný sekundární cementit.
•Slouží jako konečné tepelné zpracování pro díly s nižšími požadavky.
• Působí jako přípravné tepelné zpracování pro nízkou a středně uhlíkovou konstrukční ocel pro zlepšení obrobitelnosti.
4.Druhy žíhání
První typ žíhání:
Účel a funkce: Cílem není vyvolat fázovou transformaci, ale převést ocel z nevyváženého stavu do rovnovážného stavu.
Typy:
•Difuzní žíhání: Cílem je homogenizace kompozice odstraněním segregace.
•Rekrystalizační žíhání: Obnovuje tažnost odstraněním účinků mechanického zpevnění.
•Žíhání pro odlehčení pnutí: Snižuje vnitřní pnutí bez změny mikrostruktury.
Druhý typ žíhání:
Účel a funkce: Cílem je změnit mikrostrukturu a vlastnosti a dosáhnout mikrostruktury s převahou perlitu. Tento typ také zajišťuje, že distribuce a morfologie perlitu, feritu a karbidů splňují specifické požadavky.
Typy:
•Úplné žíhání: Ohřeje ocel nad teplotu Ac3 a poté ji pomalu ochlazuje za vzniku jednotné perlitové struktury.
•Neúplné žíhání: Ohřívá ocel mezi teplotami Ac1 a Ac3, aby částečně přeměnila strukturu.
•Izotermické žíhání: Ohřeje ocel nad Ac3, následuje rychlé ochlazení na izotermickou teplotu a udržování pro dosažení požadované struktury.
•Sferoidizační žíhání: Vytváří sféroidní karbidovou strukturu, zlepšuje obrobitelnost a houževnatost.
Ⅷ.1.Definice tepelného zpracování
Tepelné zpracování se týká procesu, ve kterém je kov zahříván, udržován na určité teplotě a poté ochlazen v pevném stavu, aby se změnila jeho vnitřní struktura a mikrostruktura, čímž se dosáhlo požadovaných vlastností.
2.Charakteristika tepelného zpracování
Tepelné zpracování nemění tvar obrobku; místo toho mění vnitřní strukturu a mikrostrukturu oceli, což zase mění vlastnosti oceli.
3. Účel tepelného zpracování
Účelem tepelného zpracování je zlepšit mechanické nebo zpracovatelské vlastnosti oceli (nebo obrobků), plně využít potenciál oceli, zvýšit kvalitu obrobku a prodloužit jeho životnost.
4. Klíčový závěr
To, zda lze vlastnosti materiálu zlepšit tepelným zpracováním, kriticky závisí na tom, zda během procesu ohřevu a chlazení dochází ke změnám v jeho mikrostruktuře a struktuře.
Čas odeslání: 19. srpna 2024