Ⅰ.Det grundlæggende koncept for varmebehandling.
A. Det grundlæggende koncept for varmebehandling.
De grundlæggende elementer og funktioner ivarmebehandling:
1.Opvarmning
Formålet er at opnå en ensartet og fin austenitstruktur.
2.Holdning
Målet er at sikre, at emnet er grundigt opvarmet og at forhindre afkulning og oxidation.
3.Køling
Målet er at omdanne austenit til forskellige mikrostrukturer.
Mikrostrukturer efter varmebehandling
Under afkølingsprocessen efter opvarmning og fastholdelse omdannes austenitten til forskellige mikrostrukturer afhængigt af afkølingshastigheden. Forskellige mikrostrukturer udviser forskellige egenskaber.
B. Det grundlæggende koncept for varmebehandling.
Klassificering baseret på opvarmnings- og afkølingsmetoder samt stålets mikrostruktur og egenskaber
1. Konventionel varmebehandling (samlet varmebehandling): temperering, udglødning, normalisering, bratkøling
2. Overfladevarmebehandling: Overfladeslukning, Induktionsopvarmning, Overfladeslukning, Flammeopvarmning, Overfladeslukning, Elektrisk kontaktopvarmning.
3.Kemisk varmebehandling: karbonisering, nitrering, carbonitrering.
4.Andre varmebehandlinger: Kontrolleret atmosfære varmebehandling, vakuum varmebehandling, deformation varmebehandling.
C.Kritisk temperatur af stål
Den kritiske omdannelsestemperatur af stål er et vigtigt grundlag for at bestemme opvarmnings-, holde- og afkølingsprocesserne under varmebehandlingen. Det bestemmes af jern-carbon fasediagrammet.
Nøglekonklusion:Den faktiske kritiske transformationstemperatur for stål halter altid bagud i forhold til den teoretiske kritiske transformationstemperatur. Det betyder, at der er behov for overophedning under opvarmning, og underafkøling er nødvendig under afkøling.
Ⅱ.Udglødning og normalisering af stål
1. Definition af udglødning
Udglødning involverer opvarmning af stål til en temperatur over eller under det kritiske punkt Ac1, der holder det ved denne temperatur, og derefter langsomt afkøle det, sædvanligvis inde i ovnen, for at opnå en struktur tæt på ligevægt.
2. Formål med udglødning
①Juster hårdhed til bearbejdning: Opnåelse af bearbejdelig hårdhed i området HB170~230.
②Aflast restbelastning: Forhindrer deformation eller revner under efterfølgende processer.
③ Forfin kornstruktur: Forbedrer mikrostrukturen.
④Forberedelse til afsluttende varmebehandling: Opnår granulær (sfæroidiseret) perlit til efterfølgende quenching og temperering.
3. Spheroidizing Annealing
Processpecifikationer: Opvarmningstemperaturen er tæt på Ac₁-punktet.
Formål: At sfæroidisere cementitten eller karbiderne i stålet, hvilket resulterer i granulær (sfæroidiseret) perlit.
Anvendeligt område: Anvendes til stål med eutektoide og hypereutectoide sammensætninger.
4. Diffuserende annealing (homogeniserende annealing)
Processpecifikationer: Opvarmningstemperaturen er lidt under solvus-linjen på fasediagrammet.
Formål: At eliminere adskillelse.
①For lav-kulstofstålmed kulstofindhold mindre end 0,25 % foretrækkes normalisering frem for udglødning som en forberedende varmebehandling.
②For mellemkulstofstål med kulstofindhold mellem 0,25% og 0,50% kan enten udglødning eller normalisering bruges som forberedende varmebehandling.
③For mellem- til højkulstofstål med kulstofindhold mellem 0,50 % og 0,75 % anbefales fuld udglødning.
④Til høj-kulstofstålmed kulstofindhold større end 0,75 %, anvendes normalisering først til at eliminere netværket Fe₃C, efterfulgt af sfæroidiserende udglødning.
Ⅲ.Quenching og hærdning af stål
A. Slukning
1. Definition af bratkøling: Bratkøling involverer opvarmning af stål til en bestemt temperatur over Ac3- eller Ac₁-punktet, at holde det ved denne temperatur og derefter afkøle det med en hastighed, der er større end den kritiske afkølingshastighed for at danne martensit.
2. Formål med bratkøling: Det primære mål er at opnå martensit (eller nogle gange lavere bainit) for at øge stålets hårdhed og slidstyrke. Bratkøling er en af de vigtigste varmebehandlingsprocesser for stål.
3. Bestemmelse af bratkølingstemperaturer for forskellige ståltyper
Hypoeutektoid stål: Ac₃ + 30°C til 50°C
Eutectoid og hypereutectoid stål: Ac₁ + 30°C til 50°C
Legeret stål: 50°C til 100°C over den kritiske temperatur
4. Køleegenskaber for et ideelt slukningsmedium:
Langsom afkøling før "næse"-temperatur: For tilstrækkeligt at reducere termisk stress.
Høj kølekapacitet nær "næse"-temperatur: For at undgå dannelsen af ikke-martensitiske strukturer.
Langsom afkøling nær M₅-punktet: For at minimere stress induceret af martensitisk transformation.
5. Slukningsmetoder og deres egenskaber:
①Simpel quenching: Let at betjene og velegnet til små, enkeltformede emner. Den resulterende mikrostruktur er martensit (M).
②Dobbelt quenching: Mere kompleks og svær at kontrollere, bruges til komplekst formet højkulstofstål og større legeret stål emner. Den resulterende mikrostruktur er martensit (M).
③Broken Quenching: En mere kompleks proces, der bruges til store, kompleksformede emner af legeret stål. Den resulterende mikrostruktur er martensit (M).
④Isotermisk bratkøling: Anvendes til små, kompleksformede emner med høje krav. Den resulterende mikrostruktur er lavere bainit (B).
6. Faktorer, der påvirker hærdbarheden
Hærdningsgraden afhænger af stabiliteten af den superkølede austenit i stål. Jo højere stabiliteten af den superkølede austenit er, jo bedre hærdbarhed og omvendt.
Faktorer, der påvirker stabiliteten af superkølet austenit:
Placering af C-kurven: Hvis C-kurven skifter til højre, falder den kritiske afkølingshastighed for bratkøling, hvilket forbedrer hærdbarheden.
Nøglekonklusion:
Enhver faktor, der flytter C-kurven til højre, øger stålets hærdeevne.
Hovedfaktor:
Kemisk sammensætning: Bortset fra cobalt (Co) øger alle legeringselementer opløst i austenit hærdbarheden.
Jo tættere kulstofindholdet er på den eutektoide sammensætning i kulstofstål, jo mere forskydes C-kurven mod højre, og jo højere hærdbarhed.
7. Bestemmelse og repræsentation af hærdbarhed
①End-quench-hærdningstest: Hærdbarheden måles ved hjælp af end-quench-testmetoden.
②Kritisk bratkølingsdiametermetode: Den kritiske bratkølingsdiameter (D₀) repræsenterer den maksimale diameter af stål, der kan hærdes fuldt ud i et specifikt bratkølingsmedium.
B. Tempering
1. Definition af Tempering
Anløbning er en varmebehandlingsproces, hvor bratkølet stål genopvarmes til en temperatur under A1-punktet, holdes ved denne temperatur og derefter afkøles til stuetemperatur.
2. Formål med temperering
Reducer eller eliminer restspænding: Forhindrer deformation eller revner i emnet.
Reducer eller eliminer resterende austenit: Stabiliserer dimensionerne af emnet.
Eliminer skørhed af hærdet stål: Justerer mikrostrukturen og egenskaberne for at opfylde emnets krav.
Vigtig bemærkning: Stål skal hærdes straks efter bratkøling.
3. Tempereringsprocesser
1. Lav temperering
Formål: At reducere bratkølingsspændingen, forbedre arbejdsemnets sejhed og opnå høj hårdhed og slidstyrke.
Temperatur: 150°C ~ 250°C.
Ydeevne: Hårdhed: HRC 58 ~ 64. Høj hårdhed og slidstyrke.
Anvendelser: Værktøj, forme, lejer, karburerede dele og overfladehærdede komponenter.
2.Høj temperering
Formål: At opnå høj sejhed sammen med tilstrækkelig styrke og hårdhed.
Temperatur: 500°C ~ 600°C.
Ydelse: Hårdhed: HRC 25 ~ 35. Gode generelle mekaniske egenskaber.
Anvendelser: Aksler, tandhjul, plejlstænger mv.
Termisk raffinering
Definition: Quenching efterfulgt af højtemperaturtempering kaldes termisk raffinering eller blot temperering. Stål behandlet ved denne proces har fremragende generel ydeevne og er meget udbredt.
Ⅳ.Overfladevarmebehandling af stål
A. Overfladehærdning af stål
1. Definition af overfladehærdning
Overfladehærdning er en varmebehandlingsproces designet til at styrke overfladelaget på et emne ved hurtigt at opvarme det for at omdanne overfladelaget til austenit og derefter hurtigt afkøle det. Denne proces udføres uden at ændre stålets kemiske sammensætning eller materialets kernestruktur.
2. Materialer, der bruges til overfladehærdning og efterhærdningsstruktur
Materialer, der bruges til overfladehærdning
Typiske materialer: Mellem kulstofstål og medium kulstoflegeret stål.
Forbehandling: Typisk proces: Tempering. Hvis kerneegenskaberne ikke er kritiske, kan normalisering anvendes i stedet.
Efterhærdningsstruktur
Overfladestruktur: Overfladelaget danner typisk en hærdet struktur som martensit eller bainit, som giver høj hårdhed og slidstyrke.
Kernestruktur: Stålets kerne bevarer generelt sin oprindelige struktur, såsom perlit eller hærdet tilstand, afhængigt af forbehandlingsprocessen og grundmaterialets egenskaber. Dette sikrer, at kernen bevarer god sejhed og styrke.
B. Karakteristika for induktionsoverfladehærdning
1.Høj opvarmningstemperatur og hurtig temperaturstigning: Induktionsoverfladehærdning involverer typisk høje opvarmningstemperaturer og hurtige opvarmningshastigheder, hvilket giver mulighed for hurtig opvarmning inden for kort tid.
2. Fin austenitkornstruktur i overfladelaget: Under den hurtige opvarmning og efterfølgende bratkølingsproces danner overfladelaget fine austenitkorn. Efter bratkøling består overfladen primært af fin martensit, med hårdhed typisk 2-3 HRC højere end konventionel bratkøling.
3. God overfladekvalitet: På grund af den korte opvarmningstid er emnets overflade mindre tilbøjelig til oxidation og afkulning, og quenching-induceret deformation er minimeret, hvilket sikrer god overfladekvalitet.
4.Høj træthedsstyrke: Den martensitiske fasetransformation i overfladelaget genererer trykspænding, hvilket øger arbejdsemnets træthedsstyrke.
5.Høj produktionseffektivitet: Induktionsoverfladehærdning er velegnet til masseproduktion, hvilket giver høj driftseffektivitet.
C.Klassificering af kemisk varmebehandling
Karburering, Karburering, Karburering, Forkromning, Silikonisering, Silikonisering, Silikonisering, Carbonitriding, Borocarburizing
D. Gas karburering
Gasopkulning er en proces, hvor et emne placeres i en forseglet gasopkulningsovn og opvarmes til en temperatur, der omdanner stålet til austenit. Derefter dryppes et karbureringsmiddel ind i ovnen, eller der indføres direkte en karbureringsatmosfære, hvilket tillader kulstofatomer at diffundere ind i overfladelaget af emnet. Denne proces øger kulstofindholdet (wc%) på emnets overflade.
√Kkuleringsmidler:
•Kulstofrige gasser: Såsom kulgas, flydende petroleumsgas (LPG) osv.
•Økologiske væsker: Såsom petroleum, methanol, benzen osv.
√ Karbureringsprocesparametre:
•Kulningstemperatur: 920~950°C.
•Opkulningstid: Afhænger af den ønskede dybde af det karburerede lag og opkulningstemperaturen.
E. Varmebehandling efter karburering
Stål skal undergå varmebehandling efter karburering.
Varmebehandlingsproces efter karburering:
√Quenching + Lav-Temperature Tempering
1.Direkte bratkøling efter forkøling + lavtemperaturtempering: Arbejdsemnet forkøles fra karbureringstemperaturen til lige over kernens Ar₁-temperatur og bratkøles derefter straks, efterfulgt af lavtemperaturtempering ved 160~180°C.
2. Enkelt bratkøling efter forkøling + lavtemperaturtempering: Efter karburering afkøles emnet langsomt til stuetemperatur, hvorefter det genopvarmes til bratkøling og lavtemperaturtempering.
3.Dobbelt bratkøling efter forkøling + lavtemperaturtempering: Efter karburering og langsom afkøling gennemgår emnet to trin af opvarmning og bratkøling, efterfulgt af lavtemperaturtempering.
Ⅴ.Kemisk varmebehandling af stål
1.Definition af kemisk varmebehandling
Kemisk varmebehandling er en varmebehandlingsproces, hvor et stålemne placeres i et specifikt aktivt medium, opvarmes og holdes ved temperatur, så de aktive atomer i mediet kan diffundere ind i overfladen af emnet. Dette ændrer den kemiske sammensætning og mikrostruktur af emnets overflade og ændrer derved dets egenskaber.
2. Grundlæggende proces for kemisk varmebehandling
Nedbrydning: Under opvarmning nedbrydes det aktive medium og frigiver aktive atomer.
Absorption: De aktive atomer adsorberes af stålets overflade og opløses i stålets faste opløsning.
Diffusion: De aktive atomer absorberet og opløst på overfladen af stålet migrerer ind i det indre.
Typer af induktionsoverfladehærdning
a.Højfrekvent induktionsopvarmning
Aktuel frekvens: 250~300 kHz.
Hærdet lagdybde: 0,5~2,0 mm.
Anvendelser: Mellem- og små modulgear og små til mellemstore aksler.
b. Mellemfrekvent induktionsopvarmning
Aktuel frekvens: 2500~8000 kHz.
Hærdet lagdybde: 2~10 mm.
Anvendelser: Større aksler og store til mellemstore modulgear.
c. Strøm-frekvens induktionsopvarmning
Aktuel frekvens: 50 Hz.
Hærdet lagdybde: 10~15 mm.
Anvendelser: Arbejdsemner, der kræver et meget dybt hærdet lag.
3. Induktionsoverfladehærdning
Grundlæggende princip for induktionsoverfladehærdning
Hudeffekt:
Når vekselstrøm i induktionsspolen inducerer en strøm på overfladen af emnet, er størstedelen af den inducerede strøm koncentreret nær overfladen, mens næsten ingen strøm passerer gennem det indre af emnet. Dette fænomen er kendt som hudeffekten.
Princip for induktionsoverfladehærdning:
Baseret på hudeffekten opvarmes overfladen af emnet hurtigt til austenitiseringstemperaturen (stiger til 800~1000°C på få sekunder), mens det indre af emnet forbliver næsten uopvarmet. Arbejdsemnet afkøles derefter ved vandsprøjtning, hvilket opnår overfladehærdning.
4. Temperament skørhed
Hærdende skørhed i hærdet stål
Anløbsskørhed refererer til det fænomen, hvor slagstyrken af hærdet stål falder betydeligt, når det hærdes ved bestemte temperaturer.
Første type tempererende skørhed
Temperaturområde: 250°C til 350°C.
Karakteristika: Hvis hærdet stål hærdes inden for dette temperaturområde, er det højst sandsynligt, at det udvikler denne type hærdningsskørhed, som ikke kan elimineres.
Løsning: Undgå at anløbe bratkølet stål inden for dette temperaturområde.
Den første type hærdningsskørhed er også kendt som anløbsskørhed ved lav temperatur eller irreversibel hærdningsskørhed.
Ⅵ.Temperering
1. Tempering er en sidste varmebehandlingsproces, der følger efter bratkøling.
Hvorfor skal kølet stål hærdes?
Mikrostruktur efter bratkøling: Efter bratkøling består stålets mikrostruktur typisk af martensit og restaustenit. Begge er metastabile faser og vil transformere under visse forhold.
Martensits egenskaber:Martensit er kendetegnet ved høj hårdhed, men også høj skørhed (især i nålelignende martensit med højt kulstofindhold), som ikke opfylder ydeevnekravene til mange applikationer.
Karakteristika for martensitisk transformation: Transformationen til martensit sker meget hurtigt. Efter bratkøling har emnet interne restspændinger, der kan føre til deformation eller revnedannelse.
Konklusion: Emnet kan ikke bruges direkte efter bratkøling! Anløbning er nødvendig for at reducere indre spændinger og forbedre arbejdsemnets sejhed, hvilket gør det velegnet til brug.
2. Forskellen mellem hærdeevne og hærdningskapacitet:
Hærdbarhed:
Hærdbarhed refererer til stålets evne til at opnå en vis hærdningsdybde (dybden af det hærdede lag) efter bratkøling. Det afhænger af stålets sammensætning og struktur, især dets legeringselementer og ståltypen. Hærdeevne er et mål for, hvor godt stålet kan hærde i hele sin tykkelse under bratkølingsprocessen.
Hårdhed (hærdningskapacitet):
Hårdhed, eller hærdningskapacitet, refererer til den maksimale hårdhed, der kan opnås i stålet efter bratkøling. Det er i høj grad påvirket af kulstofindholdet i stålet. Højere kulstofindhold fører generelt til højere potentiel hårdhed, men dette kan begrænses af stålets legeringselementer og effektiviteten af bratkølingsprocessen.
3.Hærdbarhed af stål
√ Begrebet hærdbarhed
Hærdeevne refererer til stålets evne til at opnå en vis dybde af martensitisk hærdning efter bratkøling fra austenitiseringstemperaturen. I enklere vendinger er det stålets evne til at danne martensit under bratkøling.
Måling af hærdbarhed
Størrelsen af hærdbarheden er angivet ved dybden af det hærdede lag opnået under specificerede forhold efter bratkøling.
Hærdet lagdybde: Dette er dybden fra overfladen af emnet til det område, hvor strukturen er halvt martensit.
Almindelige slukkemedier:
•Vand
Egenskaber: Økonomisk med stærk køleevne, men har en høj kølehastighed nær kogepunktet, hvilket kan føre til overdreven køling.
Anvendelse: Anvendes typisk til kulstofstål.
Saltvand: En opløsning af salt eller alkali i vand, som har en højere kølekapacitet ved høje temperaturer sammenlignet med vand, hvilket gør den velegnet til kulstofstål.
•Olie
Karakteristika: Giver en langsommere afkølingshastighed ved lave temperaturer (nær kogepunktet), hvilket effektivt reducerer tendensen til deformation og revner, men har lavere afkølingsevne ved høje temperaturer.
Anvendelse: Velegnet til legeret stål.
Typer: Inkluderer bratkølende olie, maskinolie og dieselbrændstof.
Opvarmningstid
Opvarmningstiden består af både opvarmningshastigheden (tiden det tager at nå den ønskede temperatur) og holdetiden (tiden holdes på den ønskede temperatur).
Principper for bestemmelse af opvarmningstid: Sørg for ensartet temperaturfordeling i hele arbejdsemnet, både inde og ude.
Sørg for fuldstændig austenitisering og at den dannede austenit er ensartet og fin.
Grundlag for bestemmelse af opvarmningstid: Normalt estimeret ved hjælp af empiriske formler eller bestemt gennem eksperimenter.
Slukkende medier
To nøgleaspekter:
a. Afkølingshastighed: En højere afkølingshastighed fremmer dannelsen af martensit.
b. Residual Stress: En højere afkølingshastighed øger restspænding, hvilket kan føre til en større tendens til deformation og revner i emnet.
Ⅶ.Normalisering
1. Definition af normalisering
Normalisering er en varmebehandlingsproces, hvor stål opvarmes til en temperatur på 30°C til 50°C over Ac3-temperaturen, holdt ved denne temperatur og derefter luftkølet for at opnå en mikrostruktur tæt på ligevægtstilstanden. Sammenlignet med udglødning har normalisering en hurtigere afkølingshastighed, hvilket resulterer i en finere perlitstruktur (P) og højere styrke og hårdhed.
2. Formålet med normalisering
Formålet med normalisering svarer til det med udglødning.
3. Anvendelser af normalisering
•Eliminér netværksforbundet sekundær cementit.
•Vær som den endelige varmebehandling for dele med lavere krav.
• Fungerer som en forberedende varmebehandling til lav- og mellemkulstofstål for at forbedre bearbejdeligheden.
4.Typer af udglødning
Første type udglødning:
Formål og funktion: Målet er ikke at inducere fasetransformation, men at overføre stålet fra en ubalanceret tilstand til en balanceret tilstand.
Typer:
•Diffusionsudglødning: Sigter på at homogenisere sammensætningen ved at eliminere segregation.
•Rekrystallisationsudglødning: Genskaber duktiliteten ved at eliminere virkningerne af arbejdshærdning.
•Stress Relief Annealing: Reducerer indre spændinger uden at ændre mikrostrukturen.
Anden type udglødning:
Formål og funktion: Sigter mod at ændre mikrostrukturen og egenskaberne, så der opnås en perlit-domineret mikrostruktur. Denne type sikrer også, at fordelingen og morfologien af perlit, ferrit og karbider opfylder specifikke krav.
Typer:
•Fuld udglødning: Opvarmer stålet over Ac3-temperaturen og afkøler det derefter langsomt for at producere en ensartet perlitstruktur.
•Ufuldstændig udglødning: Opvarmer stålet mellem Ac1 og Ac3 temperaturer for delvist at transformere strukturen.
•Isotermisk udglødning: Opvarmer stålet til over Ac3, efterfulgt af hurtig afkøling til en isotermisk temperatur og fastholdelse for at opnå den ønskede struktur.
•Sfæroidiserende udglødning: Producerer en kugleformet karbidstruktur, der forbedrer bearbejdelighed og sejhed.
Ⅷ.1.Definition af varmebehandling
Varmebehandling refererer til en proces, hvor metal opvarmes, holdes ved en bestemt temperatur og derefter afkøles, mens det er i fast tilstand, for at ændre dets indre struktur og mikrostruktur og derved opnå de ønskede egenskaber.
2. Karakteristika af varmebehandling
Varmebehandling ændrer ikke formen på emnet; i stedet ændrer det stålets indre struktur og mikrostruktur, hvilket igen ændrer stålets egenskaber.
3.Formål med varmebehandling
Formålet med varmebehandling er at forbedre stålets (eller emners) mekaniske eller bearbejdningsegenskaber, udnytte stålets potentiale fuldt ud, forbedre emnets kvalitet og forlænge dets levetid.
4. Nøglekonklusion
Hvorvidt et materiales egenskaber kan forbedres gennem varmebehandling afhænger i høj grad af, om der sker ændringer i dets mikrostruktur og struktur under opvarmnings- og afkølingsprocessen.
Indlægstid: 19. august 2024