Ⅰ.Osnovni koncept toplinske obrade.
A. Osnovni koncept toplinske obrade.
Osnovni elementi i funkcijetoplinska obrada:
1.Grijanje
Svrha je dobiti jednoliku i finu strukturu austenita.
2.Držanje
Cilj je osigurati temeljito zagrijavanje obratka i spriječiti dekarburizaciju i oksidaciju.
3.Hlađenje
Cilj je transformirati austenit u različite mikrostrukture.
Mikrostrukture nakon toplinske obrade
Tijekom procesa hlađenja nakon zagrijavanja i držanja, austenit se transformira u različite mikrostrukture ovisno o brzini hlađenja. Različite mikrostrukture pokazuju različita svojstva.
B. Osnovni koncept toplinske obrade.
Klasifikacija na temelju metoda zagrijavanja i hlađenja, kao i mikrostrukture i svojstava čelika
1. Konvencionalna toplinska obrada (sveukupna toplinska obrada): kaljenje, žarenje, normaliziranje, kaljenje
2. Toplinska obrada površine: kaljenje površine, kaljenje površine indukcijskim grijanjem, kaljenje površine grijanjem plamenom, kaljenje površine grijanjem električnim kontaktom.
3. Kemijska toplinska obrada: naugljičenje, nitriranje, karbonitriranje.
4. Ostale toplinske obrade: toplinska obrada u kontroliranoj atmosferi, vakuumska toplinska obrada, deformacijska toplinska obrada.
C. Kritična temperatura čelika
Kritična temperatura transformacije čelika važna je osnova za određivanje procesa zagrijavanja, držanja i hlađenja tijekom 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 kod grijanja potrebno pregrijavanje, a kod hlađenja podhlađenje.
Ⅱ.Žarenje i normalizacija čelika
1. Definicija žarenja
Žarenje uključuje zagrijavanje čelika na temperaturu iznad ili ispod kritične točke Ac₁ držeći ga na toj temperaturi, a zatim ga polako hladeći, obično unutar peći, kako bi se postigla struktura blizu ravnoteže.
2. Svrha žarenja
①Podešavanje tvrdoće za strojnu obradu: postizanje tvrdoće obradive u rasponu od HB170~230.
②Ublažavanje zaostalog naprezanja: Sprječava deformacije ili pucanje tijekom naknadnih procesa.
③Pročišćavanje zrnate strukture: poboljšava mikrostrukturu.
④Priprema za konačnu toplinsku obradu: dobiva se granulirani (sferoidizirani) perlit za naknadno kaljenje i temperiranje.
3. Sferoidizirajuće žarenje
Specifikacije procesa: Temperatura grijanja je blizu Ac₁ točke.
Namjena: Sferoidizacija cementita ili karbida u čeliku, što rezultira granuliranim (sferoidiziranim) perlitom.
Primjenjivi raspon: Koristi se za čelike s eutektoidnim i hipereutektoidnim sastavima.
4. Difuzno žarenje (homogenizirajuće žarenje)
Specifikacije procesa: Temperatura zagrijavanja je malo ispod solvus linije na faznom dijagramu.
Svrha: Ukloniti segregaciju.
①Za niske-ugljični čeliksa sadržajem ugljika manjim od 0,25%, normalizacija je poželjnija u odnosu na žarenje kao pripremna toplinska obrada.
②Za srednje ugljični čelik s udjelom ugljika između 0,25% i 0,50%, bilo žarenje ili normalizacija mogu se koristiti kao pripremna toplinska obrada.
③Za čelik srednjeg do visokog ugljika s udjelom ugljika između 0,50% i 0,75%, preporučuje se potpuno žarenje.
④Za visokuugljični čeliksa sadržajem ugljika većim od 0,75%, prvo se koristi normalizacija za uklanjanje mreže Fe3C, nakon čega slijedi sferoidizirajuće žarenje.
Ⅲ.Kaljenje i kaljenje čelika
A. Gašenje
1. Definicija kaljenja: Kaljenje uključuje zagrijavanje čelika na određenu temperaturu iznad točke Ac3 ili Ac₁, njegovo držanje na toj temperaturi, a zatim hlađenje brzinom većom od kritične brzine hlađenja kako bi se formirao martenzit.
2. Svrha kaljenja: Primarni cilj je dobiti martenzit (ili ponekad niži bainit) kako bi se povećala tvrdoća i otpornost na trošenje čelika. Kaljenje je jedan od najvažnijih procesa toplinske 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 kaljenje:
Sporo hlađenje prije "nosne" temperature: Za dovoljno smanjenje toplinskog stresa.
Visoki kapacitet hlađenja blizu "nosne" temperature: Kako bi se izbjeglo stvaranje nemartenzitnih struktura.
Sporo hlađenje u blizini točke M₅: za smanjenje stresa izazvanog martenzitnom transformacijom.
5. Metode kaljenja i njihove karakteristike:
①Jednostavno kaljenje: Jednostavan za rukovanje i prikladan za male izratke jednostavnog oblika. Dobivena mikrostruktura je martenzit (M).
②Dvostruko kaljenje: Složenije i teže za kontrolu, koristi se za čelične visokougljične čelike složenog oblika i veće izratke od legiranog čelika. Dobivena mikrostruktura je martenzit (M).
③Broken Quenching: Složeniji proces, koristi se za velike izratke od legiranog čelika složenog oblika. Dobivena mikrostruktura je martenzit (M).
④Izotermno kaljenje: Koristi se za male izratke složenog oblika s visokim zahtjevima. Dobivena mikrostruktura je donji bainit (B).
6. Čimbenici koji utječu na očvrsljivost
Stupanj prokaljivosti ovisi o stabilnosti prehlađenog austenita u čeliku. Što je veća stabilnost prehlađenog austenita, to je bolja kaljivost, i obrnuto.
Čimbenici koji utječu na stabilnost prehlađenog austenita:
Položaj C-krivulje: Ako se C-krivulja pomiče udesno, kritična brzina hlađenja za kaljenje se smanjuje, poboljšavajući kaljivost.
Ključni zaključak:
Svaki faktor koji pomiče C-krivulju udesno povećava prokaljivost čelika.
Glavni faktor:
Kemijski sastav: Osim kobalta (Co), svi legirajući elementi otopljeni u austenitu povećavaju kaljivost.
Što je sadržaj ugljika bliži eutektoidnom sastavu ugljičnog čelika, C-krivulja se više pomiče udesno, a prokaljivost je veća.
7. Određivanje i prikaz prokaljivosti
①Ispitivanje očvrsljivosti na kraju kaljenja: Sposobnost otvrdnjavanja mjeri se metodom ispitivanja na kraju kaljenja.
②Metoda kritičnog promjera kaljenja: kritični promjer kaljenja (D₀) predstavlja najveći promjer čelika koji se može potpuno očvrsnuti u određenom mediju za kaljenje.
B.Kaljenje
1. Definicija kaljenja
Kaljenje je proces toplinske obrade u kojem se kaljeni čelik ponovno zagrijava na temperaturu ispod točke A₁, održava na toj temperaturi i zatim hladi na sobnu temperaturu.
2. Svrha kaljenja
Smanjite ili eliminirajte preostalo naprezanje: Sprječava deformaciju ili pucanje obratka.
Smanjite ili eliminirajte zaostali austenit: Stabilizira dimenzije obratka.
Eliminirajte krtost kaljenog čelika: prilagođava mikrostrukturu i svojstva kako bi zadovoljila zahtjeve obratka.
Važna napomena: Čelik treba kaliti odmah nakon kaljenja.
3. Procesi kaljenja
1. Nisko kaljenje
Namjena: Smanjiti naprezanje pri kaljenju, poboljšati žilavost izratka i postići visoku tvrdoću i otpornost na trošenje.
Temperatura: 150°C ~ 250°C.
Izvedba: Tvrdoća: HRC 58 ~ 64. Visoka tvrdoća i otpornost na trošenje.
Primjena: Alati, kalupi, ležajevi, naugljičeni dijelovi i površinski kaljene komponente.
2. Visoko kaljenje
Namjena: postići visoku žilavost uz dovoljnu čvrstoću i tvrdoću.
Temperatura: 500°C ~ 600°C.
Izvedba: Tvrdoća: HRC 25 ~ 35. Dobra sveukupna mehanička svojstva.
Primjena: osovine, zupčanici, klipnjače itd.
Toplinska rafinacija
Definicija: Kaljenje praćeno kaljenjem na visokoj temperaturi naziva se toplinsko rafiniranje ili jednostavno kaljenje. Čelik tretiran ovim postupkom ima izvrsnu ukupnu učinkovitost i naširoko se koristi.
Ⅳ.Površinska toplinska obrada čelika
A. Površinsko kaljenje čelika
1. Definicija površinskog otvrdnjavanja
Površinsko otvrdnjavanje je postupak toplinske obrade namijenjen ojačanju površinskog sloja obratka njegovim brzim zagrijavanjem kako bi se površinski sloj pretvorio u austenit i zatim njegovim brzim hlađenjem. Ovaj se postupak provodi bez mijenjanja kemijskog sastava čelika ili strukture jezgre materijala.
2. Materijali koji se koriste za površinsko otvrdnjavanje i strukturu nakon otvrdnjavanja
Materijali koji se koriste za površinsko otvrdnjavanje
Tipični materijali: srednje ugljični čelik i srednje ugljični legirani čelik.
Prethodni tretman: Tipični postupak: Kaljenje. Ako osnovna svojstva nisu kritična, umjesto njih može se koristiti normalizacija.
Struktura nakon stvrdnjavanja
Površinska struktura: Površinski sloj obično tvori očvrsnutu strukturu kao što je martenzit ili bainit, koji osigurava visoku tvrdoću i otpornost na trošenje.
Struktura jezgre: jezgra čelika općenito zadržava svoju izvornu strukturu, poput perlita ili kaljenog stanja, ovisno o postupku prethodne obrade i svojstvima osnovnog materijala. To osigurava da jezgra zadrži dobru žilavost i snagu.
B.Karakteristike indukcijskog površinskog kaljenja
1. Visoka temperatura zagrijavanja i brz porast temperature: Indukcijsko površinsko kaljenje obično uključuje visoke temperature zagrijavanja i brze stope zagrijavanja, što omogućuje brzo zagrijavanje u kratkom vremenu.
2. Struktura finog austenitnog zrna u površinskom sloju: Tijekom brzog zagrijavanja i kasnijeg procesa kaljenja, površinski sloj formira fina austenitna zrna. Nakon kaljenja, površina se prvenstveno sastoji od finog martenzita, s tvrdoćom obično 2-3 HRC većom od konvencionalnog kaljenja.
3. Dobra kvaliteta površine: Zbog kratkog vremena zagrijavanja, površina izratka je manje sklona oksidaciji i dekarburizaciji, a deformacija izazvana kaljenjem je svedena na minimum, osiguravajući dobru kvalitetu površine.
4. Visoka čvrstoća na zamor: transformacija martenzitne faze u površinskom sloju stvara tlačno naprezanje, što povećava čvrstoću izratka na zamor.
5. Visoka proizvodna učinkovitost: Indukcijsko površinsko kaljenje pogodno je za masovnu proizvodnju, nudeći visoku radnu učinkovitost.
C. Klasifikacija kemijske toplinske obrade
Naugljičenje, naugljičenje, naugljičenje, kromiranje, silikoniziranje, silikoniziranje, silikoniziranje, karbonitriranje, borougljičenje
D. Naugljičavanje plinom
Plinsko pougljičavanje je proces u kojem se obradak stavlja u zatvorenu plinsku peć za pougljičavanje i zagrijava do temperature koja pretvara čelik u austenit. Zatim se sredstvo za pougljičenje ukapa u peć ili se izravno uvede atmosfera za pougljičenje, čime se omogućuje difuziju atoma ugljika u površinski sloj izratka. Ovaj proces povećava sadržaj ugljika (wc%) na površini obratka.
√Agensi za naugljičavanje:
• Plinovi bogati ugljikom: kao što su ugljeni plin, ukapljeni naftni plin (LPG), itd.
•Organske tekućine: kao što su kerozin, metanol, benzen itd.
√Parametri procesa naugljičavanja:
• Temperatura naugljičavanja: 920~950°C.
•Vrijeme naugljičavanja: Ovisi o željenoj dubini naugljičenog sloja i temperaturi naugljičavanja.
E. Toplinska obrada nakon naugljičavanja
Čelik mora biti podvrgnut toplinskoj obradi nakon karburizacije.
Proces toplinske obrade nakon karburizacije:
√Kaljenje + kaljenje na niskim temperaturama
1. Izravno kaljenje nakon prethodnog hlađenja + kaljenje na niskim temperaturama: izradak se prethodno hladi od temperature naugljičavanja do malo iznad temperature Ar₁ jezgre i zatim se odmah kali, nakon čega slijedi kaljenje na niskim temperaturama na 160~180°C.
2. Pojedinačno kaljenje nakon prethodnog hlađenja + kaljenje na niskim temperaturama: Nakon naugljičavanja, obradak se polako hladi na sobnu temperaturu, zatim se ponovno zagrijava za kaljenje i kaljenje na niskim temperaturama.
3. Dvostruko kaljenje nakon prethodnog hlađenja + kaljenje na niskim temperaturama: Nakon naugljičavanja i sporog hlađenja, obradak prolazi dvije faze zagrijavanja i kaljenja, nakon čega slijedi kaljenje na niskim temperaturama.
Ⅴ.Kemijska toplinska obrada čelika
1.Definicija kemijske toplinske obrade
Kemijska toplinska obrada je postupak toplinske obrade u kojem se čelični izradak stavlja u određeni aktivni medij, zagrijava i održava na temperaturi, dopuštajući aktivnim atomima u mediju da difundiraju u površinu izratka. Time se mijenja kemijski sastav i mikrostruktura površine izratka, čime se mijenjaju njegova svojstva.
2.Osnovni postupak kemijske toplinske obrade
Razgradnja: Zagrijavanjem se aktivni medij razgrađuje pri čemu se oslobađaju aktivni atomi.
Apsorpcija: Aktivni atomi su adsorbirani na površini čelika i otapaju se u čvrstoj otopini čelika.
Difuzija: Aktivni atomi apsorbirani i otopljeni na površini čelika migriraju u unutrašnjost.
Vrste indukcijskog površinskog kaljenja
a.Visokofrekventno indukcijsko grijanje
Trenutna frekvencija: 250~300 kHz.
Dubina otvrdnutog sloja: 0,5~2,0 mm.
Primjene: Srednji i mali modulirani zupčanici i osovine male do srednje veličine.
b. Srednjefrekventno indukcijsko grijanje
Trenutna frekvencija: 2500~8000 kHz.
Dubina otvrdnutog sloja: 2~10 mm.
Primjene: Veća vratila i veliki do srednji zupčanici.
c.Indukcijsko grijanje frekvencije snage
Trenutna frekvencija: 50 Hz.
Dubina otvrdnutog sloja: 10~15 mm.
Primjene: Radni komadi koji zahtijevaju vrlo dubok očvrsli sloj.
3. Indukcijsko kaljenje površine
Osnovni princip indukcijskog površinskog kaljenja
Učinak na kožu:
Kada izmjenična 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 skin efekt.
Princip indukcijskog površinskog otvrdnjavanja:
Na temelju skin efekta, površina obratka se brzo zagrijava do temperature austenitizacije (diže se na 800~1000°C u nekoliko sekundi), dok unutrašnjost obratka ostaje gotovo nezagrijana. Izradak se zatim hladi raspršivanjem vode, čime se postiže površinsko otvrdnjavanje.
4.Termalna krtost
Kaljena krtost u kaljenom čeliku
Krtost pri kaljenju odnosi se na pojavu gdje se udarna žilavost kaljenog čelika značajno smanjuje kada se kali na određenim temperaturama.
Prva vrsta kaljene krtosti
Raspon temperature: 250°C do 350°C.
Karakteristike: Ako se kaljeni čelik kali unutar ovog temperaturnog raspona, vrlo je vjerojatno da će se razviti ova vrsta krtosti pri kaljenju, koja se ne može eliminirati.
Rješenje: Izbjegavajte kaljenje kaljenog čelika unutar ovog temperaturnog raspona.
Prva vrsta krtosti pri kaljenju također je poznata kao krtost pri niskim temperaturama ili nepovratna krtost pri kaljenju.
Ⅵ.Kaljenje
1. Kaljenje je završni proces toplinske obrade koji slijedi nakon kaljenja.
Zašto kaljeni čelici trebaju kaljenje?
Mikrostruktura nakon kaljenja: Nakon kaljenja, mikrostruktura čelika obično se sastoji od martenzita i zaostalog austenita. Obje su metastabilne faze i transformirat će se pod određenim uvjetima.
Svojstva martenzita: martenzit karakterizira visoka tvrdoća, ali i visoka krtost (posebno u igličastom martenzitu s visokim udjelom ugljika), koji ne ispunjava zahtjeve performansi za mnoge primjene.
Karakteristike martenzitne transformacije: Transformacija u martenzit odvija se vrlo brzo. Nakon kaljenja izradak ima zaostala unutarnja naprezanja koja mogu dovesti do deformacije ili pucanja.
Zaključak: Izradak se ne može koristiti neposredno nakon kaljenja! Kaljenje je potrebno kako bi se smanjila unutarnja naprezanja i poboljšala žilavost obratka, čineći ga prikladnim za upotrebu.
2. Razlika između stvrdnjavanja i kapaciteta stvrdnjavanja:
Stvrdljivost:
Prokaljivost se odnosi na sposobnost čelika da postigne određenu dubinu otvrdnjavanja (dubinu očvrslog sloja) nakon kaljenja. Ovisi o sastavu i strukturi čelika, posebno o njegovim legirajućim elementima i vrsti čelika. Prokaljivost je mjera koliko se čelik može očvrsnuti cijelom svojom debljinom tijekom procesa kaljenja.
Tvrdoća (kapacitet otvrdnjavanja):
Tvrdoća ili kapacitet kaljenja odnosi se na najveću tvrdoću koja se može postići u čeliku nakon kaljenja. Na to uvelike utječe sadržaj ugljika u čeliku. Veći sadržaj ugljika općenito dovodi do veće potencijalne tvrdoće, ali to može biti ograničeno elementima legure čelika i učinkovitošću procesa kaljenja.
3. Prokaljivost čelika
√Koncept očvrsljivosti
Prokaljivost se odnosi na sposobnost čelika da postigne određenu dubinu martenzitnog otvrdnjavanja nakon kaljenja od temperature austenitizacije. Jednostavnije rečeno, to je sposobnost čelika da stvara martenzit tijekom kaljenja.
Mjerenje otvrdljivosti
Veličina prokaljivosti je naznačena dubinom očvrslog sloja dobivenog u određenim uvjetima nakon kaljenja.
Dubina otvrdnutog sloja: Ovo je dubina od površine obratka do područja gdje je struktura pola martenzita.
Uobičajeni mediji za gašenje:
•Voda
Karakteristike: Ekonomičan sa snažnom sposobnošću hlađenja, ali ima visoku brzinu hlađenja blizu vrelišta, što može dovesti do pretjeranog hlađenja.
Primjena: Obično se koristi za ugljične čelike.
Slana voda: Otopina soli ili lužine u vodi, koja ima veći kapacitet hlađenja na visokim temperaturama u usporedbi s vodom, što je čini prikladnom za ugljične čelike.
•Ulje
Karakteristike: Omogućuje sporiju brzinu hlađenja na niskim temperaturama (blizu vrelišta), što učinkovito smanjuje tendenciju deformacije i pucanja, ali ima nižu sposobnost hlađenja na visokim temperaturama.
Primjena: Prikladno za legirane čelike.
Vrste: Uključuje ulje za gašenje, strojno ulje i dizelsko gorivo.
Vrijeme grijanja
Vrijeme zagrijavanja sastoji se od brzine zagrijavanja (vrijeme potrebno za postizanje željene temperature) i vremena zadržavanja (vrijeme održavanja na ciljnoj temperaturi).
Načela za određivanje vremena zagrijavanja: Osigurajte jednoliku raspodjelu temperature kroz radni komad, iznutra i izvana.
Osigurajte potpunu austenitizaciju i da je formirani austenit ujednačen i fin.
Osnova za određivanje vremena zagrijavanja: Obično se procjenjuje korištenjem empirijskih formula ili se određuje eksperimentima.
Medij 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 obratku.
Ⅶ.Normaliziranje
1. Definicija normalizacije
Normalizacija je proces toplinske obrade u kojem se čelik zagrijava na temperaturu 30°C do 50°C iznad temperature Ac3, održava na toj temperaturi, a zatim se hladi zrakom kako bi se dobila mikrostruktura bliska stanju ravnoteže. U usporedbi s žarenjem, normalizacija ima bržu brzinu hlađenja, što rezultira finijom strukturom perlita (P) i većom čvrstoćom i tvrdoćom.
2. Svrha normalizacije
Svrha normalizacije je slična onoj žarenja.
3. Primjene normalizacije
• Uklonite umreženi sekundarni cementit.
•Služiti kao završna toplinska obrada za dijelove s manjim zahtjevima.
• Djeluje kao pripremna toplinska obrada za nisko i srednje ugljični konstrukcijski čelik za poboljšanje obradivosti.
4. Vrste žarenja
Prva vrsta žarenja:
Svrha i funkcija: Cilj nije potaknuti faznu transformaciju već prijelaz čelika iz neuravnoteženog stanja u uravnoteženo stanje.
Vrste:
• Difuzijsko žarenje: ima za cilj homogenizirati sastav eliminirajući segregaciju.
•Rekristalizacijsko žarenje: vraća duktilnost eliminirajući učinke otvrdnuća.
•Stress Relief Annealing: Smanjuje unutarnje naprezanje bez mijenjanja mikrostrukture.
Druga vrsta žarenja:
Svrha i funkcija: ima za cilj promjenu mikrostrukture i svojstava, postizanje mikrostrukture u kojoj dominira perlit. Ova vrsta također osigurava da raspodjela i morfologija perlita, ferita i karbida ispunjavaju specifične zahtjeve.
Vrste:
•Potpuno žarenje: Zagrijava čelik iznad temperature Ac3 i zatim ga polako hladi kako bi se proizvela jednolika perlitna struktura.
• Nepotpuno žarenje: Zagrijava čelik između temperatura Ac1 i Ac3 radi djelomične transformacije strukture.
• Izotermno žarenje: Zagrijava čelik iznad Ac3, nakon čega slijedi brzo hlađenje na izotermnu temperaturu i zadržavanje kako bi se postigla željena struktura.
• Sferoidizirajuće žarenje: proizvodi sferoidalnu karbidnu strukturu, poboljšavajući obradivost i žilavost.
Ⅷ.1.Definicija toplinske obrade
Toplinska obrada odnosi se na proces u kojem se metal zagrijava, drži na određenoj temperaturi, a zatim hladi dok je u čvrstom stanju kako bi se promijenila njegova unutarnja struktura i mikrostruktura, čime se postižu željena svojstva.
2.Karakteristike toplinske obrade
Toplinska obrada ne mijenja oblik izratka; umjesto toga, mijenja unutarnju strukturu i mikrostrukturu čelika, što zauzvrat mijenja svojstva čelika.
3. Svrha toplinske obrade
Svrha toplinske obrade je poboljšati mehanička ili obradna svojstva čelika (ili izradaka), potpuno iskoristiti potencijal čelika, poboljšati kvalitetu izratka i produljiti mu životni vijek.
4. Ključni zaključak
Mogu li se svojstva materijala poboljšati toplinskom obradom presudno ovisi o tome postoje li promjene u njegovoj mikrostrukturi i strukturi tijekom procesa zagrijavanja i hlađenja.
Vrijeme objave: 19. kolovoza 2024