Ⅰ. Основні поняття термічної обробки.
А. Основні поняття термічної обробки.
Основні елементи та функціїтеплова обробка:
1.Обігрів
Метою є отримання однорідної та тонкої структури аустеніту.
2. Холдинг
Мета полягає в тому, щоб забезпечити ретельний нагрів заготовки та запобігти зневуглецюванню та окисленню.
3. Охолодження
Метою є перетворення аустеніту в різні мікроструктури.
Мікроструктури після термічної обробки
У процесі охолодження після нагрівання та витримки аустеніт трансформується в різні мікроструктури залежно від швидкості охолодження. Різні мікроструктури виявляють різні властивості.
Б. Основні поняття термічної обробки.
Класифікація на основі методів нагрівання та охолодження, а також мікроструктури та властивостей сталі
1.Звичайна термічна обробка (загальна термічна обробка): загартування, відпал, нормалізація, загартування
2.Термообробка поверхні: гасіння поверхні, гасіння поверхні індукційним нагріванням, гасіння поверхні нагрівання полум’ям, гасіння поверхні електричним контактним нагріванням.
3. Хімічна термічна обробка: цементація, азотування, карбонітрування.
4. Інші термічні обробки: термообробка в контрольованій атмосфері, вакуумна термічна обробка, деформаційна термічна обробка.
C. Критична температура сталей
Критична температура перетворення сталі є важливою основою для визначення процесів нагріву, витримки та охолодження під час термообробки. Визначається фазовою діаграмою залізо-вуглець.
Ключовий висновок:Фактична критична температура перетворення сталі завжди відстає від теоретичної температури критичного перетворення. Це означає, що при нагріванні необхідний перегрів, а при охолодженні – переохолодження.
Ⅱ. Відпал і нормалізація сталі
1. Визначення відпалу
Відпал передбачає нагрівання сталі до температури вище або нижче критичної точки Ac₁, утримання її при цій температурі, а потім повільне охолодження, як правило, в печі, для досягнення структури, близької до рівноважної.
2. Мета відпалу
①Відрегулюйте твердість для обробки: досягнення твердості, придатної для обробки, в діапазоні HB170~230.
②Зменшення залишкової напруги: запобігає деформації або розтріскування під час наступних процесів.
③Refine Grain Structure: Покращує мікроструктуру.
④Підготовка до остаточної термічної обробки: Отримує зернистий (сфероїдизований) перліт для подальшого гарту та відпустки.
3. Сфероїдизуючий відпал
Технічні характеристики процесу: Температура нагрівання знаходиться поблизу точки Ac₁.
Призначення: для сфероїдізації цементиту або карбідів у сталі з утворенням гранульованого (сфероїдного) перліту.
Діапазон застосування: використовується для сталей з евтектоїдним і заевтектоїдним складом.
4. Дифузійний відпал (гомогенізуючий відпал)
Технічні характеристики процесу: температура нагрівання трохи нижче лінії розчинення на фазовій діаграмі.
Мета: Усунути сегрегацію.
①Для низькихвуглецева стальз вмістом вуглецю менше ніж 0,25%, нормалізація є кращою перед відпалом як підготовча термічна обробка.
②Для середньовуглецевої сталі з вмістом вуглецю від 0,25% до 0,50% як підготовчу термічну обробку можна використовувати відпал або нормалізацію.
③Для середньо- та високовуглецевої сталі з вмістом вуглецю від 0,50% до 0,75% рекомендується повний відпал.
④Для високого-вуглецева стальз вмістом вуглецю понад 0,75%, нормалізація спочатку використовується для усунення мережі Fe3C, а потім сфероїдизуючий відпал.
Ⅲ. Загартування та відпустка сталі
A.Гаршування
1. Визначення загартування: загартування передбачає нагрівання сталі до певної температури вище точки Ac₃ або Ac₁, утримання її при цій температурі, а потім охолодження зі швидкістю, що перевищує критичну швидкість охолодження для утворення мартенситу.
2. Мета загартування: Основною метою є отримання мартенситу (або іноді нижчого бейніту) для підвищення твердості та зносостійкості сталі. Загартування є одним з найважливіших процесів термічної обробки сталі.
3. Визначення температур загартування для різних видів сталі
Заевтектоїдна сталь: Ac₃ + 30°C до 50°C
Евтектоїдна та заевтектоїдна сталь: Ac₁ + 30°C до 50°C
Легована сталь: від 50°C до 100°C вище критичної температури
4. Характеристики охолодження ідеального середовища гасіння:
Повільне охолодження перед «носовою» температурою: для достатнього зниження теплового стресу.
Висока охолоджуюча здатність поблизу температури «Нос»: Щоб уникнути утворення немартенситних структур.
Повільне охолодження поблизу точки M₅: щоб мінімізувати стрес, спричинений мартенситним перетворенням.
5. Методи гартування та їх характеристика:
①Просте гартування: простий в експлуатації та підходить для невеликих заготовок простої форми. Отримана мікроструктура є мартенситом (М).
②Подвійне гартування: більш складне та важке для контролю, використовується для заготовок із високовуглецевої сталі складної форми та більших заготовок із легованої сталі. Отримана мікроструктура є мартенситом (М).
③Загартування по руйнуванню: більш складний процес, який використовується для великих заготовок із легованої сталі складної форми. Отримана мікроструктура є мартенситом (М).
④Ізотермічне гартування: використовується для невеликих заготовок складної форми з високими вимогами. Отримана мікроструктура є нижнім бейнітом (B).
6. Фактори, що впливають на прогартовуваність
Рівень прогартовуваності залежить від стійкості переохолодженого аустеніту в сталі. Чим вища стійкість переохолодженого аустеніту, тим краще прогартовуваність, і навпаки.
Фактори, що впливають на стабільність переохолодженого аустеніту:
Положення С-кривої: якщо С-крива зсувається вправо, критична швидкість охолодження для гарту зменшується, покращуючи гартування.
Ключовий висновок:
Будь-який фактор, який зміщує С-криву вправо, підвищує загартовуваність сталі.
Основний фактор:
Хімічний склад: за винятком кобальту (Co), всі легуючі елементи, розчинені в аустеніті, підвищують прогартовуваність.
Чим ближче вміст вуглецю до евтектоїдного складу вуглецевої сталі, тим більше C-крива зміщується вправо, і тим вище прогартуваність.
7. Визначення та представлення прогартованості
①Випробування на кінцеву загартування: Здатність вимірювати за допомогою методу кінцевого загартування.
②Метод критичного загартування: критичний діаметр загартування (D₀) являє собою максимальний діаметр сталі, яку можна повністю загартувати в певному середовищі гарту.
Б. Загартування
1. Визначення загартовування
Гартування – це процес термічної обробки, при якому загартована сталь повторно нагрівається до температури нижче точки A₁, витримується при цій температурі, а потім охолоджується до кімнатної температури.
2. Мета загартовування
Зменшення або усунення залишкової напруги: запобігає деформації або розтріскуванню заготовки.
Зменшення або усунення залишкового аустеніту: стабілізує розміри заготовки.
Усунення крихкості загартованої сталі: регулює мікроструктуру та властивості відповідно до вимог заготовки.
Важлива примітка: сталь слід гартувати одразу після загартування.
3. Процеси гарту
1.Низьке загартування
Призначення: Зменшити напругу гарту, підвищити міцність заготовки, досягти високої твердості та зносостійкості.
Температура: 150°C ~ 250°C.
Продуктивність: Твердість: HRC 58 ~ 64. Висока твердість і зносостійкість.
Застосування: інструменти, прес-форми, підшипники, науглерожені деталі та компоненти з поверхневим зміцненням.
2.Високий загартування
Мета: досягнення високої в'язкості разом із достатньою міцністю та твердістю.
Температура: 500°C ~ 600°C.
Продуктивність: Твердість: HRC 25 ~ 35. Хороші загальні механічні властивості.
Застосування: вали, шестерні, шатуни тощо.
Термічна рафінація
Визначення: загартування з подальшим високотемпературним відпуском називається термічним рафінуванням або просто відпуском. Сталь, оброблена цим процесом, має чудові загальні характеристики та широко використовується.
Ⅳ. Термічна обробка поверхні сталі
A.Поверхневе гартування сталей
1. Визначення поверхневого зміцнення
Поверхневе зміцнення - це процес термічної обробки, призначений для зміцнення поверхневого шару заготовки шляхом його швидкого нагрівання для перетворення поверхневого шару в аустеніт і подальшого його швидкого охолодження. Цей процес здійснюється без зміни хімічного складу сталі або основної структури матеріалу.
2. Матеріали, що використовуються для поверхневого зміцнення та структури після зміцнення
Матеріали, що використовуються для поверхневого зміцнення
Типові матеріали: середньовуглецева сталь і середньовуглецева легована сталь.
Попередня обробка: Типовий процес: Загартування. Якщо основні властивості не критичні, замість них можна використати нормалізацію.
Структура після затвердіння
Поверхнева структура: поверхневий шар зазвичай утворює загартовану структуру, таку як мартенсит або бейніт, що забезпечує високу твердість і зносостійкість.
Структура серцевини: серцевина сталі зазвичай зберігає свою початкову структуру, таку як перліт або загартований стан, залежно від процесу попередньої обробки та властивостей основного матеріалу. Це гарантує, що ядро зберігає хорошу в'язкість і міцність.
B. Характеристики індукційного поверхневого зміцнення
1. Висока температура нагрівання та швидке підвищення температури: індукційне загартування поверхні зазвичай включає високі температури нагрівання та швидкі швидкості нагрівання, що дозволяє швидко нагріти протягом короткого часу.
2. Тонка структура зерен аустеніту в поверхневому шарі: під час швидкого нагрівання та подальшого процесу гарту поверхневий шар утворює дрібні зерна аустеніту. Після загартування поверхня в основному складається з дрібного мартенситу, твердість якого зазвичай на 2-3 HRC вища, ніж при звичайному загартуванні.
3. Хороша якість поверхні: завдяки короткому часу нагрівання поверхня заготовки менш схильна до окислення та зневуглецювання, а деформація, спричинена загартуванням, зведена до мінімуму, забезпечуючи хорошу якість поверхні.
4. Висока втомна міцність: мартенситне фазове перетворення в поверхневому шарі створює напругу стиску, що підвищує втомну міцність заготовки.
5. Висока ефективність виробництва: індукційне зміцнення поверхні підходить для масового виробництва, пропонуючи високу ефективність роботи.
C. Класифікація хіміко-термічної обробки
Цементація, цементація, цементація, хромування, силіконізація, силіконізація, силіконізація, карбонітрізація, бороцементація
D. Газова науглерожування
Газова науглерожування — це процес, при якому заготовку поміщають у закриту газову піч для науглерожування та нагрівають до температури, яка перетворює сталь на аустеніт. Потім у піч капають агент для науглерожування або безпосередньо вводять атмосферу для науглерожування, що дозволяє атомам вуглецю дифундувати в поверхневий шар заготовки. Цей процес збільшує вміст вуглецю (wc%) на поверхні заготовки.
√ Цементуючі агенти:
•Багаті вуглецем гази: такі як вугільний газ, скраплений нафтовий газ (LPG) тощо.
•Органічні рідини: такі як гас, метанол, бензол тощо.
√ Параметри процесу цементації:
• Температура науглерожування: 920~950°C.
• Час цементації: залежить від бажаної глибини цементованого шару та температури цементації.
E. Теплова обробка після цементації
Сталь після науглерожування повинна пройти термічну обробку.
Процес термічної обробки після цементації:
√Загартування + Низькотемпературний відпуск
1. Пряме гартування після попереднього охолодження + низькотемпературний відпуск: заготівля попередньо охолоджується від температури науглерожування до трохи вище температури Ar₁ серцевини, а потім негайно гартується, після чого відбувається низькотемпературний відпуск при 160~180°C.
2. Одноразове гартування після попереднього охолодження + низькотемпературного відпуску: після науглерожування заготовка повільно охолоджується до кімнатної температури, а потім знову нагрівається для гарту та низькотемпературного відпуску.
3. Подвійне загартування після попереднього охолодження + низькотемпературне загартування: після цементації та повільного охолодження заготовка проходить два етапи нагрівання та загартування, а потім загартування за низької температури.
Ⅴ.Хімічна термічна обробка сталей
1. Визначення хімічної термічної обробки
Хіміко-термічна обробка — це процес термічної обробки, під час якого сталеву заготовку поміщають у певне активне середовище, нагрівають і утримують при температурі, що дозволяє активним атомам у середовищі дифундувати на поверхню заготовки. Це змінює хімічний склад і мікроструктуру поверхні заготовки, тим самим змінюючи її властивості.
2. Основний процес хіміко-термічної обробки
Розкладання: під час нагрівання активне середовище розкладається, вивільняючи активні атоми.
Поглинання: активні атоми адсорбуються поверхнею сталі та розчиняються у твердому розчині сталі.
Дифузія: активні атоми, поглинені та розчинені на поверхні сталі, мігрують усередину.
Види індукційного зміцнення поверхні
a. Високочастотне індукційне нагрівання
Поточна частота: 250~300 кГц.
Товщина зміцненого шару: 0,5~2,0 мм.
Застосування: середні та малі модульні шестерні та малі та середні вали.
b. Середньочастотне індукційне нагрівання
Поточна частота: 2500~8000 кГц.
Товщина зміцненого шару: 2~10 мм.
Застосування: великі вали та великі та середні модульні шестерні.
c. Індукційне нагрівання потужності
Частота струму: 50 Гц.
Товщина зміцненого шару: 10~15 мм.
Застосування: Заготовки, що вимагають дуже глибокого загартованого шару.
3. Індукційне зміцнення поверхні
Основний принцип індукційного поверхневого зміцнення
Ефект шкіри:
Коли змінний струм в індукційній котушці індукує струм на поверхні заготовки, більша частина індукційного струму зосереджена біля поверхні, тоді як струм майже не проходить через внутрішню частину заготовки. Це явище відоме як скін-ефект.
Принцип індукційного зміцнення поверхні:
Завдяки скін-ефекту поверхня заготовки швидко нагрівається до температури аустенізації (підвищується до 800~1000°C за кілька секунд), тоді як внутрішня частина заготовки залишається майже не нагрітою. Потім заготовка охолоджується розпиленням води, досягаючи поверхневого зміцнення.
4. Крихкість
Відпускна крихкість загартованої сталі
Відпускна крихкість відноситься до явища, коли ударна в'язкість загартованої сталі значно знижується під час відпустки за певних температур.
Перший тип відпускної крихкості
Діапазон температур: від 250°C до 350°C.
Характеристики: якщо загартована сталь відпускається в цьому температурному діапазоні, існує велика ймовірність розвитку такого типу відпускної крихкості, яку неможливо усунути.
Рішення: уникайте гартування загартованої сталі в цьому діапазоні температур.
Перший тип відпускної крихкості також відомий як низькотемпературна відпускна крихкість або необоротна відпускна крихкість.
Ⅵ.Термування
1. Загартування - це остаточний процес термічної обробки, який слідує за гартуванням.
Чому загартована сталь потребує гарту?
Мікроструктура після загартування: після загартування мікроструктура сталі зазвичай складається з мартенситу та залишкового аустеніту. Обидва є метастабільними фазами і трансформуються за певних умов.
Властивості мартенситу: Мартенсит характеризується високою твердістю, але також високою крихкістю (особливо у високовуглецевому голчастому мартенситі), що не відповідає вимогам до продуктивності для багатьох застосувань.
Характеристики мартенситного перетворення: перетворення в мартенсит відбувається дуже швидко. Після загартування заготовка має залишкові внутрішні напруги, які можуть призвести до деформації або розтріскування.
Висновок: Заготівля не може бути використана безпосередньо після загартування! Відпуск необхідний для зменшення внутрішніх напруг і підвищення міцності заготовки, що робить її придатною для використання.
2. Різниця між здатністю до зміцнення та здатністю до зміцнення:
Загартовуваність:
Загартовуваність означає здатність сталі досягати певної глибини зміцнення (глибини зміцненого шару) після загартування. Це залежить від складу та структури сталі, зокрема її легуючих елементів і типу сталі. Здатність до загартування - це міра того, наскільки добре сталь може загартуватися по всій своїй товщині під час процесу загартування.
Твердість (зміцнювальна здатність):
Твердість, або здатність до загартування, відноситься до максимальної твердості, якої можна досягти в сталі після загартування. На це значною мірою впливає вміст вуглецю в сталі. Вищий вміст вуглецю зазвичай призводить до вищої потенційної твердості, але це може бути обмежено легуючими елементами сталі та ефективністю процесу гарту.
3. Прогартовуваність сталі
√Поняття загартовуваності
Загартовуваність означає здатність сталі досягати певної глибини мартенситного зміцнення після загартування від температури аустенітизації. Простіше кажучи, це здатність сталі утворювати мартенсит під час загартування.
Вимірювання прогартовуваності
Величина прогартовуваності визначається глибиною зміцненого шару, отриманого в заданих умовах після загартування.
Глибина зміцненого шару: це глибина від поверхні заготовки до області, де структура наполовину мартенситна.
Загальні засоби гасіння:
•Вода
Характеристики: Економічний із сильною охолоджувальною здатністю, але має високу швидкість охолодження поблизу точки кипіння, що може призвести до надмірного охолодження.
Застосування: зазвичай використовується для вуглецевих сталей.
Солона вода: розчин солі або лугу у воді, який має вищу охолоджувальну здатність за високих температур порівняно з водою, що робить його придатним для вуглецевих сталей.
•Олія
Характеристики: забезпечує більш повільну швидкість охолодження при низьких температурах (біля точки кипіння), що ефективно зменшує тенденцію до деформації та розтріскування, але має нижчу здатність до охолодження при високих температурах.
Застосування: підходить для легованих сталей.
Типи: олива для гарту, машинне масло та дизельне паливо.
Час нагріву
Час нагрівання складається як зі швидкості нагрівання (часу, необхідного для досягнення бажаної температури), так і з часу витримки (часу підтримки цільової температури).
Принципи визначення часу нагрівання: Забезпечте рівномірний розподіл температури по всій деталі, як всередині, так і зовні.
Забезпечте повну аустенітізацію та те, що утворений аустеніт є однорідним і тонким.
Основа для визначення часу нагрівання: Зазвичай розраховується за допомогою емпіричних формул або визначається шляхом експерименту.
Загартування середовища
Два ключових аспекти:
a. Швидкість охолодження: більш висока швидкість охолодження сприяє утворенню мартенситу.
b. Залишкова напруга: вища швидкість охолодження збільшує залишкову напругу, що може призвести до більшої тенденції до деформації та розтріскування заготовки.
Ⅶ.Нормалізація
1. Визначення нормування
Нормалізація — це процес термічної обробки, під час якого сталь нагрівають до температури, що на 30–50 °C перевищує температуру Ac3, витримують при цій температурі, а потім охолоджують на повітрі для отримання мікроструктури, близької до рівноважного стану. Порівняно з відпалом, нормалізація має більш швидку швидкість охолодження, що призводить до більш дрібної структури перліту (P) і вищої міцності та твердості.
2. Мета нормалізації
Мета нормалізації подібна до мети відпалу.
3. Застосування нормалізації
• Усунення мережевого вторинного цементиту.
•Служити як остаточна термічна обробка для деталей з меншими вимогами.
• Діти як підготовча термічна обробка конструкційної сталі з низьким і середнім вмістом вуглецю для покращення оброблюваності.
4. Види відпалу
Перший тип відпалу:
Призначення та функція: метою є не викликати фазове перетворення, а перевести сталь із незбалансованого стану в збалансований стан.
Типи:
• Дифузійний відпал: спрямований на гомогенізацію складу шляхом усунення сегрегації.
• Рекристалізаційний відпал: відновлює пластичність, усуваючи наслідки механічного зміцнення.
• Відпал для зняття напруги: зменшує внутрішні напруги без зміни мікроструктури.
Другий тип відпалу:
Призначення та функція: спрямована на зміну мікроструктури та властивостей, досягнення мікроструктури з домінуванням перліту. Цей тип також забезпечує відповідність розподілу та морфології перліту, фериту та карбідів певним вимогам.
Типи:
•Повний відпал: нагріває сталь вище температури Ac3, а потім повільно охолоджує для отримання однорідної перлітної структури.
• Неповний відпал: нагріває сталь між температурами Ac1 і Ac3 для часткової трансформації структури.
•Ізотермічний відпал: нагріває сталь вище Ac3, після чого відбувається швидке охолодження до ізотермічної температури та витримка для досягнення бажаної структури.
• Сфероїдизуючий відпал: створює сфероїдну структуру карбіду, покращуючи оброблюваність і міцність.
Ⅷ.1. Визначення термічної обробки
Термічна обробка – це процес, під час якого метал нагрівають, витримують при певній температурі, а потім охолоджують, перебуваючи у твердому стані, щоб змінити його внутрішню структуру та мікроструктуру, таким чином досягаючи бажаних властивостей.
2. Характеристика термічної обробки
Термічна обробка не змінює форму заготовки; натомість він змінює внутрішню структуру та мікроструктуру сталі, що, у свою чергу, змінює властивості сталі.
3. Мета термічної обробки
Метою термічної обробки є покращення механічних або технологічних властивостей сталі (або заготовок), повне використання потенціалу сталі, підвищення якості заготовки та продовження терміну її служби.
4. Ключовий висновок
Чи можна поліпшити властивості матеріалу за допомогою термічної обробки, критично залежить від того, чи є зміни в його мікроструктурі та структурі під час процесу нагрівання та охолодження.
Час публікації: 19 серпня 2024 р