Ⅰ.Основная концепция термической обработки.
A. Основная концепция термической обработки.
Основные элементы и функциитермическая обработка:
1. Отопление
Целью является получение однородной и мелкой аустенитной структуры.
2. Холдинг
Цель состоит в том, чтобы обеспечить тщательный нагрев заготовки и предотвратить обезуглероживание и окисление.
3. Охлаждение
Целью является преобразование аустенита в различные микроструктуры.
Микроструктуры после термообработки
В процессе охлаждения после нагрева и выдержки аустенит преобразуется в различные микроструктуры в зависимости от скорости охлаждения. Различные микроструктуры проявляют разные свойства.
B.Основная концепция термической обработки.
Классификация по способам нагрева и охлаждения, а также микроструктуре и свойствам стали.
1.Обычная термообработка (общая термическая обработка): отпуск, отжиг, нормализация, закалка.
2. Термическая обработка поверхности: закалка поверхности, закалка поверхности индукционного нагрева, закалка поверхности пламенного нагрева, закалка поверхности электрического контактного нагрева.
3. Химическая термообработка: науглероживание, азотирование, карбонитридирование.
4.Другие термические обработки: термообработка в контролируемой атмосфере, вакуумная термообработка, деформационная термообработка.
C. Критическая температура сталей
Критическая температура превращения стали является важной основой для определения процессов нагрева, выдержки и охлаждения при термообработке. Оно определяется фазовой диаграммой железо-углерод.
Ключевой вывод:Фактическая критическая температура превращения стали всегда отстает от теоретической критической температуры превращения. Это значит, что при нагреве необходим перегрев, а при охлаждении – переохлаждение.
Ⅱ.Отжиг и нормализация стали.
1. Определение отжига
Отжиг включает нагрев стали до температуры выше или ниже критической точки Ac₁, удержание ее при этой температуре, а затем медленное охлаждение, обычно внутри печи, для достижения структуры, близкой к равновесию.
2. Цель отжига.
①Регулировка твердости для механической обработки: достижение обрабатываемой твердости в диапазоне HB170–230.
②Снятие остаточного напряжения: предотвращает деформацию или растрескивание во время последующих процессов.
③Уточнение зернистой структуры: улучшает микроструктуру.
④Подготовка к окончательной термообработке: получение гранулированного (сфероидизированного) перлита для последующей закалки и отпуска.
3. Сфероидизирующий отжиг
Характеристики процесса: Температура нагрева близка к точке Ac₁.
Цель: Сфероидизация цементита или карбидов стали с образованием зернистого (сфероидизированного) перлита.
Применимый диапазон: Используется для сталей эвтектоидного и заэвтектоидного состава.
4. Диффузионный отжиг (гомогенизирующий отжиг).
Характеристики процесса: Температура нагрева немного ниже линии растворения на фазовой диаграмме.
Цель: Устранить сегрегацию.
①Для низко-углеродистая стальпри содержании углерода менее 0,25% нормализация предпочтительнее отжига в качестве предварительной термообработки.
②Для среднеуглеродистой стали с содержанием углерода от 0,25% до 0,50% в качестве предварительной термообработки можно использовать отжиг или нормализацию.
③Для средне- и высокоуглеродистой стали с содержанием углерода от 0,50% до 0,75% рекомендуется полный отжиг.
④Для высокихуглеродистая стальпри содержании углерода более 0,75% сначала применяют нормализацию для устранения сетки Fe₃C, а затем сфероидизирующий отжиг.
Ⅲ. Закалка и отпуск стали.
А. Закалка
1. Определение закалки: Закалка включает в себя нагрев стали до определенной температуры выше точки Ac₃ или Ac₁, выдерживание ее при этой температуре, а затем охлаждение со скоростью, превышающей критическую скорость охлаждения, с образованием мартенсита.
2. Цель закалки. Основная цель — получить мартенсит (или иногда нижний бейнит) для повышения твердости и износостойкости стали. Закалка – один из важнейших процессов термической обработки стали.
3.Определение температуры закалки для разных типов стали.
Гипоэвтектоидная сталь: Ac₃ от + 30°C до 50°C.
Эвтектоидная и заэвтектоидная сталь: Ac₁ от + 30°C до 50°C.
Легированная сталь: от 50°C до 100°C выше критической температуры.
4.Характеристики охлаждения идеальной закалочной среды:
Медленное охлаждение до температуры «носа»: для достаточного снижения термического напряжения.
Высокая охлаждающая способность вблизи «носовой» температуры: Чтобы избежать образования немартенситных структур.
Медленное охлаждение вблизи точки M₅: для минимизации напряжения, вызванного мартенситным превращением.
5. Методы закалки и их характеристики:
①Простая закалка: проста в эксплуатации и подходит для небольших заготовок простой формы. Полученная микроструктура представляет собой мартенсит (М).
②Двойная закалка: более сложная и трудно контролируемая, используется для заготовок сложной формы из высокоуглеродистой стали и более крупных деталей из легированной стали. Полученная микроструктура представляет собой мартенсит (М).
③Закалка закалки: более сложный процесс, используемый для больших заготовок из легированной стали сложной формы. Полученная микроструктура представляет собой мартенсит (М).
④Изотермическая закалка: используется для небольших заготовок сложной формы с высокими требованиями. Полученная микроструктура представляет собой нижний бейнит (В).
6. Факторы, влияющие на прокаливаемость.
Уровень прокаливаемости зависит от устойчивости переохлажденного аустенита в стали. Чем выше стабильность переохлажденного аустенита, тем лучше прокаливаемость, и наоборот.
Факторы, влияющие на стабильность переохлажденного аустенита:
Положение C-кривой: Если C-кривая смещается вправо, критическая скорость охлаждения для закалки снижается, улучшая прокаливаемость.
Ключевой вывод:
Любой фактор, который смещает C-кривую вправо, увеличивает прокаливаемость стали.
Основной фактор:
Химический состав: За исключением кобальта (Co), все легирующие элементы, растворенные в аустените, повышают прокаливаемость.
Чем ближе содержание углерода к эвтектоидному составу углеродистой стали, тем больше С-кривая смещается вправо и тем выше прокаливаемость.
7. Определение и представление прокаливаемости.
①Испытание на закалку при конечной закалке: Прокаливаемость измеряется методом испытания при конечной закалке.
②Метод критического диаметра закалки: Критический диаметр закалки (D₀) представляет собой максимальный диаметр стали, которая может быть полностью закалена в определенной закалочной среде.
Б. Закалка
1. Определение закалки
Закалка — это процесс термообработки, при котором закаленную сталь повторно нагревают до температуры ниже точки A₁, выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают до комнатной температуры.
2. Цель закалки
Уменьшите или устраните остаточное напряжение: предотвращает деформацию или растрескивание заготовки.
Уменьшение или устранение остаточного аустенита: стабилизирует размеры заготовки.
Устранение хрупкости закаленной стали: регулирует микроструктуру и свойства в соответствии с требованиями заготовки.
Важное примечание: сталь следует подвергать отпуску сразу после закалки.
3. Процессы закалки
1. Низкий отпуск
Цель: снизить закалочные напряжения, повысить ударную вязкость заготовки, добиться высокой твердости и износостойкости.
Температура: 150°С ~ 250°С.
Характеристики: Твердость: HRC 58 ~ 64. Высокая твердость и износостойкость.
Применение: инструменты, формы, подшипники, науглероженные детали и компоненты с поверхностной закалкой.
2.Высокая закалка
Цель: добиться высокой ударной вязкости при достаточной прочности и твердости.
Температура: 500°С ~ 600°С.
Характеристики: Твердость: HRC 25 ~ 35. Хорошие общие механические свойства.
Применение: Валы, шестерни, шатуны и т. д.
Термическое рафинирование
Определение: Закалка с последующим высокотемпературным отпуском называется термическим рафинированием или просто отпуском. Сталь, обработанная этим процессом, имеет отличные общие характеристики и широко используется.
Ⅳ. Термическая обработка поверхности стали.
А. Поверхностная закалка сталей.
1. Определение поверхностного упрочнения.
Поверхностная закалка — это процесс термообработки, предназначенный для упрочнения поверхностного слоя заготовки путем быстрого нагрева его для преобразования поверхностного слоя в аустенит и последующего его быстрого охлаждения. Этот процесс осуществляется без изменения химического состава стали или основной структуры материала.
2. Материалы, используемые для поверхностной закалки и структуры после закалки.
Материалы, используемые для поверхностной закалки
Типичные материалы: Среднеуглеродистая сталь и среднеуглеродистая легированная сталь.
Предварительная обработка: Типичный процесс: закалка. Если основные свойства не являются критическими, вместо них можно использовать нормализацию.
Структура после закалки
Структура поверхности: Поверхностный слой обычно образует закаленную структуру, такую как мартенсит или бейнит, которая обеспечивает высокую твердость и износостойкость.
Структура ядра: Сердцевина стали обычно сохраняет свою первоначальную структуру, например, перлитное или закаленное состояние, в зависимости от процесса предварительной обработки и свойств основного материала. Это гарантирует, что сердечник сохраняет хорошую ударную вязкость и прочность.
Б. Характеристики индукционной поверхностной закалки.
1.Высокая температура нагрева и быстрое повышение температуры. Индукционная поверхностная закалка обычно включает высокие температуры нагрева и высокую скорость нагрева, что обеспечивает быстрый нагрев за короткое время.
2. Мелкозернистая структура аустенита в поверхностном слое: во время быстрого нагрева и последующего процесса закалки поверхностный слой образует мелкие аустенитные зерна. После закалки поверхность в основном состоит из мелкого мартенсита, твердость которого обычно на 2-3 HRC выше, чем при обычной закалке.
3. Хорошее качество поверхности: благодаря короткому времени нагрева поверхность заготовки менее склонна к окислению и обезуглероживанию, а деформация, вызванная закалкой, сведена к минимуму, что обеспечивает хорошее качество поверхности.
4. Высокая усталостная прочность: мартенситное фазовое превращение в поверхностном слое создает сжимающее напряжение, которое увеличивает усталостную прочность заготовки.
5. Высокая эффективность производства: индукционная поверхностная закалка подходит для массового производства, обеспечивая высокую эксплуатационную эффективность.
C.Классификация химико-термической обработки
Науглероживание, науглероживание, науглероживание, хромирование, силиконизация, силиконизация, силиконизация, карбонитридирование, бороцементация
D.Газовая цементация
Газовая цементация — это процесс, при котором заготовка помещается в герметичную газовую печь для цементации и нагревается до температуры, которая превращает сталь в аустенит. Затем в печь капают науглероживающий агент или непосредственно вводят атмосферу науглероживания, позволяющую атомам углерода диффундировать в поверхностный слой заготовки. Этот процесс увеличивает содержание углерода (wc%) на поверхности заготовки.
√Науглероживающие агенты:
• Газы с высоким содержанием углерода: такие как угольный газ, сжиженный нефтяной газ (СНГ) и т. д.
•Органические жидкости: такие как керосин, метанол, бензол и т. д.
√Параметры процесса цементации:
• Температура цементации: 920~950°C.
• Время науглероживания: зависит от желаемой глубины науглероженного слоя и температуры науглероживания.
E. Термическая обработка после цементации
После цементации сталь должна пройти термическую обработку.
Процесс термообработки после цементации:
√Закалка + Низкотемпературный отпуск
1. Прямая закалка после предварительного охлаждения + низкотемпературный отпуск: заготовка предварительно охлаждается от температуры цементации до температуры чуть выше температуры Ar₁ сердечника, а затем немедленно закаливается с последующим низкотемпературным отпуском при 160 ~ 180 ° C.
2.Одиночная закалка после предварительного охлаждения + низкотемпературный отпуск: после цементации заготовка медленно охлаждается до комнатной температуры, затем повторно нагревается для закалки и низкотемпературного отпуска.
3. Двойная закалка после предварительного охлаждения + низкотемпературный отпуск: после цементации и медленного охлаждения заготовка проходит два этапа нагрева и закалки, после чего следует низкотемпературный отпуск.
Ⅴ.Химико-термическая обработка сталей.
1. Определение химико-термической обработки.
Химическая термообработка — это процесс термообработки, при котором стальную заготовку помещают в определенную активную среду, нагревают и выдерживают при такой температуре, что позволяет активным атомам среды диффундировать на поверхность заготовки. Это изменяет химический состав и микроструктуру поверхности заготовки, тем самым изменяя ее свойства.
2.Основной процесс химико-термической обработки.
Разложение: При нагревании активная среда разлагается, высвобождая активные атомы.
Абсорбция: активные атомы адсорбируются поверхностью стали и растворяются в твердом растворе стали.
Диффузия: активные атомы, поглощенные и растворенные на поверхности стали, мигрируют внутрь.
Виды индукционной поверхностной закалки
а.Высокочастотный индукционный нагрев
Текущая частота: 250~300 кГц.
Глубина закаленного слоя: 0,5–2,0 мм.
Применение: модульные шестерни среднего и малого размера, а также валы малого и среднего размера.
б. Среднечастотный индукционный нагрев
Текущая частота: 2500~8000 кГц.
Глубина закаленного слоя: 2~10 мм.
Применение: Валы большего размера и модульные шестерни большого и среднего размера.
c. Индукционный нагрев с частотой мощности
Текущая частота: 50 Гц.
Глубина закаленного слоя: 10~15 мм.
Применение: Детали, требующие очень глубокого закаленного слоя.
3. Индукционная поверхностная закалка
Основной принцип индукционной поверхностной закалки
Эффект кожи:
Когда переменный ток в индукционной катушке индуцирует ток на поверхности детали, большая часть индуцированного тока концентрируется вблизи поверхности, в то время как через внутреннюю часть детали ток почти не проходит. Это явление известно как скин-эффект.
Принцип индукционной поверхностной закалки:
За счет скин-эффекта поверхность заготовки быстро нагревается до температуры аустенизации (повышается до 800-1000°С за несколько секунд), при этом внутренняя часть заготовки остается практически ненагретой. Затем заготовку охлаждают распылением воды, добиваясь поверхностного упрочнения.
4. Температурная хрупкость
Отпускная хрупкость закаленной стали
Отпускная хрупкость – это явление, при котором ударная вязкость закаленной стали значительно снижается при отпуске при определенных температурах.
Первый тип отпускной хрупкости
Диапазон температур: от 250°C до 350°C.
Характеристики: Если закаленная сталь отпускается в этом диапазоне температур, весьма вероятно развитие отпускной хрупкости этого типа, которую невозможно устранить.
Решение: Избегайте отпуска закаленной стали в этом диапазоне температур.
Первый тип отпускной хрупкости известен также как низкотемпературная отпускная хрупкость или необратимая отпускная хрупкость.
Ⅵ.Закалка
1. Закалка — это заключительный процесс термообработки, следующий за закалкой.
Почему закаленные стали нуждаются в отпуске?
Микроструктура после закалки. После закалки микроструктура стали обычно состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Обе являются метастабильными фазами и при определенных условиях преобразуются.
Свойства мартенсита: Мартенсит характеризуется высокой твердостью, но также и высокой хрупкостью (особенно высокоуглеродистого игольчатого мартенсита), что не соответствует эксплуатационным требованиям для многих применений.
Характеристики мартенситного превращения: Превращение в мартенсит происходит очень быстро. После закалки в заготовке возникают остаточные внутренние напряжения, которые могут привести к деформации или растрескиванию.
Вывод: Непосредственно после закалки заготовку использовать нельзя! Закалка необходима для уменьшения внутренних напряжений и повышения ударной вязкости заготовки, делая ее пригодной к использованию.
2. Разница между прокаливаемостью и способностью к закалке:
Прокаливаемость:
Под прокаливаемостью понимают способность стали достигать определенной глубины закалки (глубины закаленного слоя) после закалки. Это зависит от состава и структуры стали, особенно от ее легирующих элементов и типа стали. Прокаливаемость — это мера того, насколько хорошо сталь может затвердевать по всей толщине в процессе закалки.
Твердость (способность к закалке):
Твердость или способность к закалке относится к максимальной твердости, которая может быть достигнута в стали после закалки. Во многом это зависит от содержания углерода в стали. Более высокое содержание углерода обычно приводит к более высокой потенциальной твердости, но это может быть ограничено легирующими элементами стали и эффективностью процесса закалки.
3. Прокаливаемость стали.
√Понятие прокаливаемости
Под прокаливаемостью понимается способность стали достигать определенной глубины мартенситного упрочнения после закалки от температуры аустенитизации. Проще говоря, это способность стали образовывать мартенсит во время закалки.
Измерение прокаливаемости
На величину прокаливаемости указывает глубина закаленного слоя, полученного в заданных условиях после закалки.
Глубина закаленного слоя: это глубина от поверхности заготовки до области, где структура представляет собой половину мартенсита.
Общие закалочные средства:
•Вода
Характеристики: Экономичен, обладает сильной охлаждающей способностью, но имеет высокую скорость охлаждения вблизи точки кипения, что может привести к чрезмерному охлаждению.
Применение: Обычно используется для углеродистых сталей.
Соленая вода: раствор соли или щелочи в воде, который имеет более высокую охлаждающую способность при высоких температурах по сравнению с водой, что делает его подходящим для углеродистых сталей.
•Масло
Характеристики: Обеспечивает более медленную скорость охлаждения при низких температурах (около точки кипения), что эффективно снижает склонность к деформации и растрескиванию, но имеет более низкую охлаждающую способность при высоких температурах.
Применение: Подходит для легированных сталей.
Типы: включает закалочное масло, машинное масло и дизельное топливо.
Время нагрева
Время нагрева состоит как из скорости нагрева (время, необходимое для достижения желаемой температуры), так и из времени выдержки (время поддержания заданной температуры).
Принципы определения времени нагрева: Обеспечьте равномерное распределение температуры по всей детали, как внутри, так и снаружи.
Убедитесь в полной аустенизации и в том, что образовавшийся аустенит является однородным и мелким.
Основа для определения времени нагрева: Обычно оценивается с использованием эмпирических формул или определяется экспериментальным путем.
Закалочная среда
Два ключевых аспекта:
а. Скорость охлаждения: более высокая скорость охлаждения способствует образованию мартенсита.
б. Остаточное напряжение: более высокая скорость охлаждения увеличивает остаточное напряжение, что может привести к большей склонности к деформации и растрескиванию заготовки.
Ⅶ.Нормализация
1. Определение нормализации
Нормализация — это процесс термообработки, при котором сталь нагревают до температуры на 30–50 °C выше температуры Ac3, выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе для получения микроструктуры, близкой к равновесному состоянию. По сравнению с отжигом нормализация имеет более высокую скорость охлаждения, что приводит к более мелкой перлитной структуре (P) и более высокой прочности и твердости.
2. Цель нормализации
Цель нормализации аналогична цели отжига.
3. Применение нормализации
• Устранить сетчатый вторичный цементит.
•Служит для окончательной термообработки деталей с более низкими требованиями.
•Служит в качестве предварительной термообработки низко- и среднеуглеродистой конструкционной стали для улучшения обрабатываемости.
4.Виды отжига
Первый тип отжига:
Цель и функция: Цель состоит не в том, чтобы вызвать фазовое превращение, а в том, чтобы перевести сталь из несбалансированного состояния в сбалансированное.
Типы:
• Диффузионный отжиг: направлен на гомогенизацию состава за счет устранения сегрегации.
•Рекристаллизационный отжиг: восстанавливает пластичность, устраняя последствия наклепа.
• Отжиг для снятия напряжений: снижает внутренние напряжения без изменения микроструктуры.
Второй тип отжига:
Цель и функция: Целью является изменение микроструктуры и свойств с достижением микроструктуры с преобладанием перлита. Этот тип также гарантирует, что распределение и морфология перлита, феррита и карбидов соответствуют конкретным требованиям.
Типы:
• Полный отжиг: сталь нагревается выше температуры Ac3, а затем медленно охлаждается для получения однородной перлитной структуры.
• Неполный отжиг: нагревание стали между температурами Ac1 и Ac3 для частичной трансформации структуры.
• Изотермический отжиг: Нагревает сталь до температуры выше Ac3 с последующим быстрым охлаждением до изотермической температуры и выдержкой для достижения желаемой структуры.
• Сфероидизирующий отжиг: создает сфероидальную карбидную структуру, улучшая обрабатываемость и ударную вязкость.
Ⅷ.1.Определение термической обработки
Термическая обработка — это процесс, при котором металл нагревается, выдерживается при определенной температуре, а затем охлаждается в твердом состоянии, чтобы изменить его внутреннюю структуру и микроструктуру, тем самым достигая желаемых свойств.
2. Характеристики термообработки.
Термическая обработка не меняет форму заготовки; вместо этого он изменяет внутреннюю структуру и микроструктуру стали, что, в свою очередь, меняет свойства стали.
3. Цель термической обработки
Целью термической обработки является улучшение механических или технологических свойств стали (или заготовок), полное использование потенциала стали, повышение качества заготовки и продление срока ее службы.
4. Ключевой вывод
Можно ли улучшить свойства материала посредством термообработки, в решающей степени зависит от того, происходят ли изменения в его микроструктуре и структуре в процессе нагрева и охлаждения.
Время публикации: 19 августа 2024 г.