Ⅰ. Основната концепция за термична обработка.
A. Основната концепция за термична обработка.
Основните елементи и функции натермична обработка:
1. Отопление
Целта е да се получи равномерна и фина аустенитна структура.
2. Задържане
Целта е да се гарантира, че детайлът е добре нагрят и да се предотврати обезвъглеродяването и окисляването.
3. Охлаждане
Целта е да се трансформира аустенитът в различни микроструктури.
Микроструктури след термична обработка
По време на процеса на охлаждане след нагряване и задържане, аустенитът се трансформира в различни микроструктури в зависимост от скоростта на охлаждане. Различните микроструктури проявяват различни свойства.
Б. Основната концепция за термична обработка.
Класификация въз основа на методите на нагряване и охлаждане, както и на микроструктурата и свойствата на стоманата
1. Конвенционална термична обработка (обща термична обработка): темпериране, отгряване, нормализиране, закаляване
2. Повърхностна термична обработка: Повърхностно закаляване, Повърхностно закаляване с индукционно нагряване, Повърхностно закаляване с пламъчно нагряване, Повърхностно закаляване с електрическо контактно нагряване.
3. Химична термична обработка: карбуризиране, азотиране, карбонитриране.
4. Други термични обработки: Термична обработка с контролирана атмосфера, вакуумна термична обработка, деформационна термична обработка.
C. Критична температура на стоманите
Критичната температура на преобразуване на стоманата е важна основа за определяне на процесите на нагряване, задържане и охлаждане по време на термична обработка. Тя се определя от фазовата диаграма желязо-въглерод.
Ключов извод:Действителната критична температура на преобразуване на стоманата винаги изостава от теоретичната критична температура на преобразуване. Това означава, че по време на нагряване е необходимо прегряване, а по време на охлаждане - преохлаждане.
Ⅱ.Отгряване и нормализиране на стомана
1. Определение за отгряване
Отгряването включва нагряване на стоманата до температура над или под критичната точка Ac₁, като се задържа при тази температура и след това бавно охлаждане, обикновено в пещта, за да се постигне структура, близка до равновесна.
2. Цел на отгряването
①Регулиране на твърдостта за машинна обработка: Постигане на машинна твърдост в диапазона HB170~230.
②Облекчаване на остатъчното напрежение: Предотвратява деформация или напукване по време на последващи процеси.
③Прецизиране на зърнестата структура: Подобрява микроструктурата.
④Подготовка за окончателна термична обработка: Получава гранулиран (сфероидизиран) перлит за последващо закаляване и отпускане.
3. Сфероидизиращо отгряване
Спецификации на процеса: Температурата на нагряване е близо до точката Ac₁.
Предназначение: Сфероидизиране на цементита или карбидите в стоманата, което води до получаване на гранулиран (сфероидизиран) перлит.
Приложим диапазон: Използва се за стомани с евтектоиден и хиперевтектоиден състав.
4. Дифузионно отгряване (хомогенизиращо отгряване)
Спецификации на процеса: Температурата на нагряване е малко под линията на разтворимост на фазовата диаграма.
Цел: Да се премахне сегрегацията.
①За ниско-въглеродна стоманаПри съдържание на въглерод по-малко от 0,25%, нормализирането е за предпочитане пред отгряването като подготвителна термична обработка.
②За средновъглеродна стомана със съдържание на въглерод между 0,25% и 0,50%, като подготвителна термична обработка може да се използва отгряване или нормализиране.
③За средно до високо въглеродна стомана със съдържание на въглерод между 0,50% и 0,75% се препоръчва пълно отгряване.
④За високо-въглеродна стоманаПри съдържание на въглерод над 0,75%, първо се използва нормализиране за елиминиране на мрежата Fe₃C, последвано от сфероидизиращо отгряване.
Ⅲ.Закаляване и темпериране на стомана
A. Закаляване
1. Определение за закаляване: Закаляването включва нагряване на стомана до определена температура над точката Ac₃ или Ac₁, задържане при тази температура и след това охлаждане със скорост, по-голяма от критичната скорост на охлаждане, за да се образува мартензит.
2. Цел на закаляването: Основната цел е да се получи мартензит (или понякога по-нисък бейнит), за да се увеличи твърдостта и износоустойчивостта на стоманата. Закаляването е един от най-важните процеси на термична обработка на стоманата.
3. Определяне на температурите на закаляване за различни видове стомана
Хипоевтектоидна стомана: Ac₃ от +30°C до 50°C
Евтектоидна и хиперевтектоидна стомана: Ac₁ от + 30°C до 50°C
Легирана стомана: от 50°C до 100°C над критичната температура
4. Характеристики на охлаждане на идеална закаляваща среда:
Бавно охлаждане преди достигане на "носова" температура: За достатъчно намаляване на термичното напрежение.
Висок охлаждащ капацитет близо до температурата на "носа": За да се избегне образуването на немартензитни структури.
Бавно охлаждане близо до точката M₅: За минимизиране на напрежението, предизвикано от мартензитна трансформация.
5. Методи за закаляване и техните характеристики:
①Лесно закаляване: Лесно за работа и подходящо за малки, опростени детайли. Получената микроструктура е мартензит (M).
②Двойно закаляване: По-сложно и трудно за контролиране, използва се за сложни по форма високовъглеродни стомани и по-големи легирани стомани. Получената микроструктура е мартензит (M).
③Закаляване на счупени детайли: По-сложен процес, използван за големи, сложно оформени детайли от легирана стомана. Получената микроструктура е мартензит (M).
④Изотермично закаляване: Използва се за малки, сложно оформени детайли с високи изисквания. Получената микроструктура е долен бейнит (B).
6. Фактори, влияещи върху закаляемостта
Нивото на закалителност зависи от стабилността на преохладения аустенит в стоманата. Колкото по-висока е стабилността на преохладения аустенит, толкова по-добра е закаливаемостта и обратно.
Фактори, влияещи върху стабилността на преохладен аустенит:
Положение на C-кривата: Ако C-кривата се измести надясно, критичната скорост на охлаждане за закаляване намалява, което подобрява закалителността.
Ключов извод:
Всеки фактор, който измества C-кривата надясно, увеличава закалителността на стоманата.
Основен фактор:
Химичен състав: С изключение на кобалт (Co), всички легиращи елементи, разтворени в аустенита, повишават закаляемостта.
Колкото по-близо е съдържанието на въглерод до евтектоидния състав във въглеродната стомана, толкова повече C-кривата се измества надясно и толкова по-висока е закаливаемостта.
7. Определяне и представяне на закаляемостта
①Изпитване за закаляемост чрез крайно закаляване: Закаляемостта се измерва с помощта на метода за изпитване чрез крайно закаляване.
②Метод на критичния диаметър на закаляване: Критичният диаметър на закаляване (D₀) представлява максималния диаметър на стоманата, която може да бъде напълно закалена в специфична закаляваща среда.
Б. Закаляване
1. Определение за темпериране
Отпускането е процес на термична обработка, при който закалената стомана се нагрява повторно до температура под точката A₁, задържа се при тази температура и след това се охлажда до стайна температура.
2. Цел на темперирането
Намаляване или елиминиране на остатъчното напрежение: Предотвратява деформация или напукване на детайла.
Намаляване или елиминиране на остатъчния аустенит: Стабилизира размерите на детайла.
Елиминиране на крехкостта на закалена стомана: Настройва микроструктурата и свойствата, за да отговарят на изискванията на детайла.
Важна забележка: Стоманата трябва да се темперира веднага след закаляване.
3. Процеси на темпериране
1. Ниско темпериране
Цел: Намаляване на напрежението при закаляване, подобряване на жилавостта на детайла и постигане на висока твърдост и износоустойчивост.
Температура: 150°C ~ 250°C.
Производителност: Твърдост: HRC 58 ~ 64. Висока твърдост и износоустойчивост.
Приложения: Инструменти, форми, лагери, цементирани части и повърхностно закалени компоненти.
2. Високо темпериране
Цел: Да се постигне висока жилавост, заедно с достатъчна якост и твърдост.
Температура: 500°C ~ 600°C.
Производителност: Твърдост: HRC 25 ~ 35. Добри общи механични свойства.
Приложения: Валове, зъбни колела, мотовилки и др.
Термично рафиниране
Определение: Закаляването, последвано от отпускане при висока температура, се нарича термично рафиниране или просто отпускане. Стоманата, обработена по този процес, има отлични общи характеристики и се използва широко.
Ⅳ.Повърхностна термична обработка на стомана
A. Повърхностно закаляване на стомани
1. Определение за повърхностно втвърдяване
Повърхностното закаляване е процес на термична обработка, предназначен да укрепи повърхностния слой на детайла чрез бързо нагряване, за да се превърне повърхностният слой в аустенит, и след това бързото му охлаждане. Този процес се извършва без промяна на химичния състав на стоманата или основната структура на материала.
2. Материали, използвани за повърхностно втвърдяване и последващо втвърдяване на структурата
Материали, използвани за повърхностно втвърдяване
Типични материали: Средно въглеродна стомана и средно въглеродна легирана стомана.
Предварителна обработка: Типичен процес: Отпускане. Ако свойствата на сърцата не са критични, може да се използва нормализиране.
Структура след втвърдяване
Повърхностна структура: Повърхностният слой обикновено образува втвърдена структура, като мартензит или бейнит, която осигурява висока твърдост и износоустойчивост.
Структура на сърцевината: Сърцевината на стоманата обикновено запазва оригиналната си структура, като например перлит или отпуснато състояние, в зависимост от процеса на предварителна обработка и свойствата на основния материал. Това гарантира, че сърцевината поддържа добра жилавост и якост.
Б. Характеристики на индукционното повърхностно закаляване
1. Висока температура на нагряване и бързо покачване на температурата: Индукционното повърхностно закаляване обикновено включва високи температури на нагряване и бързи скорости на нагряване, което позволява бързо нагряване за кратко време.
2. Фина структура на аустенитните зърна в повърхностния слой: По време на бързото нагряване и последващия процес на закаляване, повърхностният слой образува фини аустенитни зърна. След закаляване повърхността се състои предимно от фин мартензит, с твърдост обикновено с 2-3 HRC по-висока от конвенционалното закаляване.
3. Добро качество на повърхността: Поради краткото време за нагряване, повърхността на детайла е по-малко податлива на окисляване и обезвъглеродяване, а деформацията, предизвикана от закаляване, е сведена до минимум, което осигурява добро качество на повърхността.
4. Висока якост на умора: Мартензитната фазова трансформация в повърхностния слой генерира компресивно напрежение, което увеличава якостта на умора на детайла.
5. Висока производствена ефективност: Индукционното повърхностно закаляване е подходящо за масово производство, предлагайки висока оперативна ефективност.
C. Класификация на химическа термична обработка
Карбуризация, карбуризация, карбуризация, хромиране, силиконизиране, силиконизиране, силиконизиране, карбонитриране, борокарбонизиране
D.Газово карбуризиране
Газовото цементиране е процес, при който детайлът се поставя в запечатана газова цементационна пещ и се нагрява до температура, която превръща стоманата в аустенит. След това в пещта се накапва цементационен агент или директно се въвежда цементационна атмосфера, което позволява на въглеродните атоми да дифундират в повърхностния слой на детайла. Този процес увеличава съдържанието на въглерод (wc%) върху повърхността на детайла.
√Цементиращи агенти:
• Газове, богати на въглерод: като въглищен газ, втечнен нефтен газ (LPG) и др.
• Органични течности: като керосин, метанол, бензен и др.
√Параметри на процеса на карбуризиране:
• Температура на карбуризация: 920~950°C.
• Време за карбуризация: Зависи от желаната дълбочина на карбуризирания слой и температурата на карбуризация.
E. Термична обработка след карбуризиране
Стоманата трябва да се подложи на термична обработка след цементиране.
Процес на термична обработка след карбуризация:
√Закаляване + нискотемпературно отпускане
1. Директно закаляване след предварително охлаждане + нискотемпературно отпускане: Детайлът се охлажда предварително от температурата на цементация до малко над температурата на Ar₁ на сърцевината и след това незабавно се закалява, последвано от нискотемпературно отпускане при 160~180°C.
2. Единично закаляване след предварително охлаждане + нискотемпературно отпускане: След цементиране, детайлът се бавно охлажда до стайна температура, след което се нагрява отново за закаляване и нискотемпературно отпускане.
3. Двойно закаляване след предварително охлаждане + нискотемпературно отпускане: След цементиране и бавно охлаждане, детайлът претърпява два етапа на нагряване и закаляване, последвани от нискотемпературно отпускане.
Ⅴ.Химическа термична обработка на стомани
1. Определение на химическа термична обработка
Химическата термична обработка е процес на термична обработка, при който стоманен детайл се поставя в специфична активна среда, нагрява се и се държи при определена температура, което позволява на активните атоми в средата да дифундират в повърхността на детайла. Това променя химичния състав и микроструктурата на повърхността на детайла, като по този начин променя и неговите свойства.
2. Основен процес на химическа термична обработка
Разлагане: По време на нагряване активната среда се разлага, освобождавайки активни атоми.
Абсорбция: Активните атоми се адсорбират от повърхността на стоманата и се разтварят в твърдия разтвор на стоманата.
Дифузия: Активните атоми, абсорбирани и разтворени върху повърхността на стоманата, мигрират във вътрешността.
Видове индукционно повърхностно закаляване
a.Високочестотно индукционно нагряване
Текуща честота: 250~300 kHz.
Дълбочина на втвърдения слой: 0,5~2,0 мм.
Приложения: Зъбни колела със среден и малък модул и валове с малък до среден размер.
b.Средночестотно индукционно нагряване
Текуща честота: 2500~8000 kHz.
Дълбочина на втвърдения слой: 2~10 мм.
Приложения: По-големи валове и зъбни колела с голям до среден модул.
c. Индукционно нагряване с мощност и честота
Честота на тока: 50 Hz.
Дълбочина на втвърдения слой: 10~15 мм.
Приложения: Детали, изискващи много дълбок закален слой.
3. Индукционно повърхностно закаляване
Основен принцип на индукционното повърхностно закаляване
Ефект на кожата:
Когато променлив ток в индукционната бобина индуцира ток върху повърхността на детайла, по-голямата част от индуцирания ток е концентриран близо до повърхността, докато почти никакъв ток не преминава през вътрешността на детайла. Това явление е известно като скин-ефект.
Принцип на индукционното повърхностно закаляване:
Въз основа на скин-ефекта, повърхността на детайла се нагрява бързо до температура на аустенитизация (повишавайки се до 800~1000°C за няколко секунди), докато вътрешността на детайла остава почти незагрята. След това детайлът се охлажда чрез водно пръскане, постигайки повърхностно втвърдяване.
4. Крехкост на темперамента
Отпускане на крехкост в закалена стомана
Крехкостта при отпускане се отнася до явлението, при което ударната жилавост на закалена стомана значително намалява при отпускане при определени температури.
Първи вид крехкост при отпускане
Температурен диапазон: от 250°C до 350°C.
Характеристики: Ако закалена стомана се отпуска в този температурен диапазон, е много вероятно да се развие този вид отпускаща крехкост, която не може да бъде елиминирана.
Решение: Избягвайте отпускането на закалена стомана в този температурен диапазон.
Първият вид крехкост от отпускане е известен още като крехкост от отпускане при ниски температури или необратима крехкост от отпускане.
Ⅵ.Закаляване
1. Закаляването е последен процес на термична обработка, който следва закаляването.
Защо закалените стомани се нуждаят от отпускане?
Микроструктура след закаляване: След закаляване микроструктурата на стоманата обикновено се състои от мартензит и остатъчен аустенит. И двете са метастабилни фази и ще се трансформират при определени условия.
Свойства на мартензита: Мартензитът се характеризира с висока твърдост, но също и с висока крехкост (особено при високовъглеродния игловиден мартензит), което не отговаря на изискванията за експлоатационни характеристики за много приложения.
Характеристики на мартензитната трансформация: Превръщането в мартензит протича много бързо. След закаляване, детайлът има остатъчни вътрешни напрежения, които могат да доведат до деформация или напукване.
Заключение: Детайлът не може да се използва директно след закаляване! Отпускането е необходимо за намаляване на вътрешните напрежения и подобряване на здравината на детайла, което го прави подходящ за употреба.
2. Разлика между закаляемост и вкалителен капацитет:
Закаляемост:
Закаливаемостта се отнася до способността на стоманата да постигне определена дълбочина на втвърдяване (дълбочината на закаления слой) след закаляване. Тя зависи от състава и структурата на стоманата, по-специално от легиращите елементи и вида на стоманата. Закаливаемостта е мярка за това колко добре стоманата може да се втвърди по цялата си дебелина по време на процеса на закаляване.
Твърдост (капацитет на втвърдяване):
Твърдостта, или капацитетът за закаляване, се отнася до максималната твърдост, която може да се постигне в стоманата след закаляване. Тя се влияе до голяма степен от съдържанието на въглерод в стоманата. По-високото съдържание на въглерод обикновено води до по-висока потенциална твърдост, но това може да бъде ограничено от легиращите елементи на стоманата и ефективността на процеса на закаляване.
3. Закаляемост на стоманата
√Концепция за закаляемост
Закаляемостта се отнася до способността на стоманата да постигне определена дълбочина на мартензитно втвърдяване след закаляване от температурата на аустенитизация. По-просто казано, това е способността на стоманата да образува мартензит по време на закаляване.
Измерване на закаляемостта
Размерът на закалителност се определя от дълбочината на закаления слой, получен при определени условия след закаляване.
Дълбочина на втвърдения слой: Това е дълбочината от повърхността на детайла до областта, където структурата е наполовина мартензитна.
Често срещани закалителни среди:
• Вода
Характеристики: Икономичен със силна охлаждаща способност, но има висока скорост на охлаждане близо до точката на кипене, което може да доведе до прекомерно охлаждане.
Приложение: Обикновено се използва за въглеродни стомани.
Солена вода: Разтвор на сол или алкали във вода, който има по-висок охлаждащ капацитет при високи температури в сравнение с водата, което го прави подходящ за въглеродни стомани.
•Масло
Характеристики: Осигурява по-бавна скорост на охлаждане при ниски температури (близо до точката на кипене), което ефективно намалява склонността към деформация и напукване, но има по-ниска охлаждаща способност при високи температури.
Приложение: Подходящ за легирани стомани.
Видове: Включва масло за закаляване, машинно масло и дизелово гориво.
Време за нагряване
Времето за нагряване се състои както от скоростта на нагряване (времето, необходимо за достигане на желаната температура), така и от времето на задържане (времето, през което се поддържа желаната температура).
Принципи за определяне на времето за нагряване: Осигурете равномерно разпределение на температурата в целия детайл, както вътре, така и отвън.
Осигурете пълна аустенизация и образуваният аустенит да е равномерен и фин.
Основа за определяне на времето за нагряване: Обикновено се изчислява с помощта на емпирични формули или се определя чрез експериментиране.
Закаляване на медиите
Два ключови аспекта:
a. Скорост на охлаждане: По-високата скорост на охлаждане насърчава образуването на мартензит.
b. Остатъчно напрежение: По-високата скорост на охлаждане увеличава остатъчното напрежение, което може да доведе до по-голяма склонност към деформация и напукване в детайла.
Ⅶ.Нормализиране
1. Определение за нормализиране
Нормализирането е процес на термична обработка, при който стоманата се нагрява до температура с 30°C до 50°C над температурата Ac3, поддържа се при тази температура и след това се охлажда на въздух, за да се получи микроструктура, близка до равновесното състояние. В сравнение с отгряването, нормализирането има по-бърза скорост на охлаждане, което води до по-фина перлитна структура (P) и по-висока якост и твърдост.
2. Цел на нормализирането
Целта на нормализирането е подобна на тази на отгряването.
3. Приложения на нормализирането
• Премахване на мрежовиден вторичен цементит.
•Служи като последна термична обработка за части с по-ниски изисквания.
• Действа като подготвителна термична обработка за ниско- и средновъглеродни конструкционни стомани за подобряване на обработваемостта.
4. Видове отгряване
Първи вид отгряване:
Цел и функция: Целта не е да се предизвика фазова трансформация, а да се преведе стоманата от небалансирано в балансирано състояние.
Видове:
• Дифузионно отгряване: Цели хомогенизиране на състава чрез елиминиране на сегрегацията.
• Рекристализиращо отгряване: Възстановява пластичността чрез елиминиране на ефектите от втвърдяването.
• Отгряване за облекчаване на напрежението: Намалява вътрешните напрежения, без да променя микроструктурата.
Втори вид отгряване:
Цел и функция: Целта е да се промени микроструктурата и свойствата, постигайки микроструктура, доминирана от перлит. Този тип също така гарантира, че разпределението и морфологията на перлита, ферита и карбидите отговарят на специфични изисквания.
Видове:
• Пълно отгряване: Загрява стоманата над температурата Ac3 и след това бавно я охлажда, за да се получи равномерна перлитна структура.
• Непълно отгряване: Загрява стоманата между температури Ac1 и Ac3, за да трансформира частично структурата.
• Изотермично отгряване: Загрява стоманата до температура над Ac3, последвано от бързо охлаждане до изотермична температура и задържане, за да се постигне желаната структура.
• Сфероидизиращо отгряване: Създава сфероидална карбидна структура, подобрявайки обработваемостта и жилавостта.
Ⅷ.1. Определение за термична обработка
Термичната обработка се отнася до процес, при който металът се нагрява, държи се при определена температура и след това се охлажда, докато е в твърдо състояние, за да се промени вътрешната му структура и микроструктура, като по този начин се постигнат желаните свойства.
2. Характеристики на термичната обработка
Термичната обработка не променя формата на детайла; вместо това, тя променя вътрешната структура и микроструктура на стоманата, което от своя страна променя свойствата на стоманата.
3. Цел на термичната обработка
Целта на термичната обработка е да подобри механичните или обработваемите свойства на стоманата (или детайлите), да използва пълноценно потенциала на стоманата, да подобри качеството на детайла и да удължи експлоатационния му живот.
4. Ключово заключение
Дали свойствата на даден материал могат да бъдат подобрени чрез термична обработка зависи критично от това дали има промени в неговата микроструктура и структура по време на процеса на нагряване и охлаждане.
Време на публикуване: 19 август 2024 г.