Ⅰ.Osnovni koncept termičke obrade.
A. Osnovni koncept termičke obrade.
Osnovni elementi i funkcijetermička obrada:
1. Grijanje
Cilj je dobiti ujednačenu i finu austenitnu strukturu.
2. Držanje
Cilj je osigurati da se radni komad temeljito zagrije i spriječiti dekarburizacija i oksidacija.
3. Hlađenje
Cilj je transformirati austenit u različite mikrostrukture.
Mikrostrukture nakon termičke obrade
Tokom procesa hlađenja nakon zagrijavanja i držanja, austenit se transformiše u različite mikrostrukture u zavisnosti od brzine hlađenja. Različite mikrostrukture pokazuju različita svojstva.
B. Osnovni koncept termičke obrade.
Klasifikacija na osnovu metoda zagrijavanja i hlađenja, kao i mikrostrukture i svojstava čelika
1. Konvencionalna termička obrada (ukupna termička obrada): kaljenje, žarenje, normalizacija, kaljenje
2. Površinska termička obrada: Površinsko kaljenje, Površinsko kaljenje indukcijskim zagrijavanjem, Površinsko kaljenje plamenim zagrijavanjem, Površinsko kaljenje električnim kontaktnim zagrijavanjem.
3. Hemijska termička obrada: cementacija, nitriranje, karbonitriranje.
4. Ostale termičke obrade: termička obrada u kontroliranoj atmosferi, vakuumska termička obrada, deformacijska termička obrada.
C. Kritična temperatura čelika
Kritična temperatura transformacije čelika je važna osnova za određivanje procesa zagrijavanja, zadržavanja i hlađenja tokom termičke 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 tokom zagrijavanja potrebno pregrijavanje, a tokom hlađenja pothlađenje.
Ⅱ.Žarenje i normalizacija čelika
1. Definicija žarenja
Žarenje uključuje zagrijavanje čelika na temperaturu iznad ili ispod kritične tačke Ac₁, održavanje na toj temperaturi, a zatim polako hlađenje, obično unutar peći, kako bi se postigla struktura bliska ravnoteži.
2. Svrha žarenja
①Podešavanje tvrdoće za obradu: Postizanje obradive tvrdoće u rasponu od HB170~230.
②Ublažavanje zaostalog napona: Sprečava deformaciju ili pucanje tokom narednih procesa.
③Poboljšanje strukture zrna: Poboljšava mikrostrukturu.
④Priprema za završnu termičku obradu: Dobija se granularni (sferoidizirani) perlit za naknadno kaljenje i otpuštanje.
3. Sferoidizirajuće žarenje
Specifikacije procesa: Temperatura zagrijavanja je blizu tačke Ac₁.
Namjena: Sferoidizacija cementita ili karbida u čeliku, što rezultira granularnim (sferoidiziranim) perlitom.
Primjenjivi raspon: Koristi se za čelike eutektoidnog i hipereutektoidnog sastava.
4. Difuzijsko žarenje (homogenizirajuće žarenje)
Specifikacije procesa: Temperatura zagrijavanja je nešto ispod linije solvusa na faznom dijagramu.
Svrha: Eliminisati segregaciju.
①Za nisko-ugljični čelikSa sadržajem ugljika manjim od 0,25%, normalizacija je poželjnija od žarenja kao pripremne termičke obrade.
Za srednjeugljični čelik sa sadržajem ugljika između 0,25% i 0,50%, kao pripremna termička obrada može se koristiti žarenje ili normalizacija.
Za čelik sa srednjim do visokim udjelom ugljika, sa sadržajem ugljika između 0,50% i 0,75%, preporučuje se potpuno žarenje.
④Za visoko-ugljični čelikSa sadržajem ugljika većim od 0,75%, prvo se koristi normalizacija kako bi se uklonila mreža Fe₃C, nakon čega slijedi sferoidizirajuće žarenje.
Ⅲ.Kaljenje i otpuštanje čelika
A. Kaljenje
1. Definicija kaljenja: Kaljenje uključuje zagrijavanje čelika na određenu temperaturu iznad tačke Ac₃ ili Ac₁, držanje na toj temperaturi, a zatim hlađenje brzinom većom od kritične brzine hlađenja kako bi se formirao martenzit.
2. Svrha kaljenja: Primarni cilj je dobijanje martenzita (ili ponekad nižeg bainita) kako bi se povećala tvrdoća i otpornost čelika na habanje. Kaljenje je jedan od najvažnijih procesa termičke 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 gašenje:
Sporo hlađenje prije "nosne" temperature: Da bi se dovoljno smanjio termički stres.
Visok kapacitet hlađenja blizu temperature "nosa": Da bi se izbjeglo stvaranje nemartenzitnih struktura.
Sporo hlađenje blizu tačke M₅: Da bi se minimizirao napon izazvan martenzitnom transformacijom.
5. Metode kaljenja i njihove karakteristike:
①Jednostavno kaljenje: Jednostavno za rukovanje i pogodno za male, jednostavno oblikovane radne komade. Rezultirajuća mikrostruktura je martenzit (M).
②Dvostruko kaljenje: Složenije i teže za kontrolu, koristi se za složene radne komade od visokougljičnog čelika i većih legiranih čelika. Rezultirajuća mikrostruktura je martenzit (M).
③Kaljenje lomova: Složeniji proces, koji se koristi za velike, složeno oblikovane radne komade od legiranog čelika. Rezultirajuća mikrostruktura je martenzit (M).
④Izotermno kaljenje: Koristi se za male, složeno oblikovane radne komade s visokim zahtjevima. Rezultirajuća mikrostruktura je niži bainit (B).
6. Faktori koji utiču na prokaljivost
Nivo prokaljivosti zavisi od stabilnosti pothlađenog austenita u čeliku. Što je veća stabilnost pothlađenog austenita, to je bolja prokaljivost i obrnuto.
Faktori koji utiču na stabilnost pothlađenog austenita:
Položaj C-krive: Ako se C-kriva pomakne udesno, kritična brzina hlađenja za kaljenje se smanjuje, što poboljšava prokaljivost.
Ključni zaključak:
Bilo koji faktor koji pomiče C-krivu udesno povećava prokaljivost čelika.
Glavni faktor:
Hemijski sastav: Osim kobalta (Co), svi legirajući elementi rastvoreni u austenitu povećavaju prokaljivost.
Što je sadržaj ugljika bliži eutektoidnom sastavu u ugljičnom čeliku, to se C-kriva pomiče više udesno, a time je i prokaljivost veća.
7. Određivanje i predstavljanje prokaljivosti
①Ispitivanje prokaljivosti na kraju kaljenja: Prokaljivost se mjeri metodom ispitivanja na kraju kaljenja.
②Metoda kritičnog prečnika kaljenja: Kritični prečnik kaljenja (D₀) predstavlja maksimalni prečnik čelika koji se može potpuno okaliti u određenom mediju za kaljenje.
B. Kaljenje
1. Definicija kaljenja
Otpuštanje je proces termičke obrade u kojem se kaljeni čelik ponovo zagrijava na temperaturu ispod tačke A₁, drži na toj temperaturi, a zatim hladi na sobnu temperaturu.
2. Svrha kaljenja
Smanjite ili eliminišite zaostali napon: Sprečava deformaciju ili pucanje radnog komada.
Smanjenje ili uklanjanje preostalog austenita: Stabilizira dimenzije obratka.
Eliminiše krhkost kaljenog čelika: Prilagođava mikrostrukturu i svojstva zahtjevima obratka.
Važna napomena: Čelik treba odmah popustiti nakon kaljenja.
3. Procesi kaljenja
1. Nisko kaljenje
Namjena: Smanjenje napona kaljenja, poboljšanje žilavosti obratka i postizanje visoke tvrdoće i otpornosti na habanje.
Temperatura: 150°C ~ 250°C.
Performanse: Tvrdoća: HRC 58 ~ 64. Visoka tvrdoća i otpornost na habanje.
Primjena: Alati, kalupi, ležajevi, cementirani dijelovi i površinski kaljene komponente.
2. Visoko kaljenje
Namjena: Postići visoku žilavost uz dovoljnu čvrstoću i tvrdoću.
Temperatura: 500°C ~ 600°C.
Performanse: Tvrdoća: HRC 25 ~ 35. Dobra ukupna mehanička svojstva.
Primjena: Osovine, zupčanici, klipnjače itd.
Termička rafinacija
Definicija: Kaljenje nakon čega slijedi otpuštanje na visokoj temperaturi naziva se termičko rafiniranje ili jednostavno otpuštanje. Čelik obrađen ovim postupkom ima odlične ukupne performanse i široko se koristi.
Ⅳ. Površinska termička obrada čelika
A. Površinsko kaljenje čelika
1. Definicija površinskog kaljenja
Površinsko kaljenje je proces termičke obrade osmišljen za jačanje površinskog sloja obratka brzim zagrijavanjem radi pretvaranja površinskog sloja u austenit, a zatim brzim hlađenjem. Ovaj proces se izvodi bez promjene hemijskog sastava čelika ili jezgrene strukture materijala.
2. Materijali korišteni za površinsko kaljenje i strukturu nakon kaljenja
Materijali koji se koriste za površinsko kaljenje
Tipični materijali: Srednje ugljični čelik i srednje ugljični legirani čelik.
Prethodna obrada: Tipičan proces: Popuštanje. Ako osnovna svojstva nisu kritična, može se koristiti normalizacija.
Struktura nakon stvrdnjavanja
Površinska struktura: Površinski sloj obično formira očvrslu strukturu poput martenzita ili bainita, koja pruža visoku tvrdoću i otpornost na habanje.
Struktura jezgra: Jezgro čelika uglavnom zadržava svoju prvobitnu strukturu, poput perlita ili popuštenog stanja, ovisno o procesu prethodne obrade i svojstvima osnovnog materijala. To osigurava da jezgro održava dobru žilavost i čvrstoću.
B. Karakteristike indukcijskog površinskog kaljenja
1. Visoka temperatura zagrijavanja i brzi porast temperature: Indukcijsko površinsko kaljenje obično uključuje visoke temperature zagrijavanja i brze brzine zagrijavanja, što omogućava brzo zagrijavanje u kratkom vremenu.
2. Struktura finih austenitnih zrna u površinskom sloju: Tokom brzog zagrijavanja i naknadnog 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. Dobar kvalitet površine: Zbog kratkog vremena zagrijavanja, površina obratka je manje sklona oksidaciji i dekarburizaciji, a deformacije izazvane kaljenjem su minimizirane, što osigurava dobar kvalitet površine.
4. Visoka čvrstoća na zamor: Martenzitna fazna transformacija u površinskom sloju generira tlačni napon, što povećava čvrstoću na zamor obratka.
5. Visoka efikasnost proizvodnje: Indukcijsko površinsko kaljenje je pogodno za masovnu proizvodnju, nudeći visoku operativnu efikasnost.
C. Klasifikacija hemijske termičke obrade
Karburizacija, Karburizacija, Karburizacija, Hromiranje, Silikoniziranje, Silikoniziranje, Silikoniziranje, Karbonitriranje, Borokarburizacija
D.Plinska cementacija
Plinska cementacija je proces u kojem se radni komad stavlja u zatvorenu plinsku cementacijsku peć i zagrijava do temperature koja transformira čelik u austenit. Zatim se u peć kapanjem uvodi sredstvo za cementaciju ili se direktno uvodi cementacijska atmosfera, što omogućava atomima ugljika da difundiraju u površinski sloj radnog komada. Ovaj proces povećava sadržaj ugljika (wc%) na površini radnog komada.
√Sredstva za naugljičenje:
• Gasovi bogati ugljikom: Kao što su ugljeni plin, tečni naftni plin (LPG) itd.
• Organske tečnosti: Kao što su kerozin, metanol, benzen itd.
√Parametri procesa cementiranja:
• Temperatura cementacije: 920~950°C.
• Vrijeme cementiranja: Zavisi od željene dubine cementiranog sloja i temperature cementiranja.
E. Toplinska obrada nakon cementacije
Čelik mora biti podvrgnut termičkoj obradi nakon cementacije.
Proces termičke obrade nakon cementacije:
√Kaljenje + otpuštanje na niskim temperaturama
1. Direktno kaljenje nakon prethodnog hlađenja + otpuštanje na niskoj temperaturi: Radni komad se prethodno hladi sa temperature cementacije do temperature neposredno iznad Ar₁ temperature jezgra, a zatim se odmah kali, nakon čega slijedi otpuštanje na niskoj temperaturi od 160~180°C.
2. Jednostruko kaljenje nakon prethodnog hlađenja + otpuštanje na niskoj temperaturi: Nakon cementacije, radni komad se polako hladi na sobnu temperaturu, a zatim se ponovo zagrijava radi kaljenja i otpuštanja na niskoj temperaturi.
3. Dvostruko kaljenje nakon prethodnog hlađenja + otpuštanje na niskoj temperaturi: Nakon cementacije i sporog hlađenja, obradak prolazi kroz dvije faze zagrijavanja i kaljenja, nakon čega slijedi otpuštanje na niskoj temperaturi.
Ⅴ. Hemijska termička obrada čelika
1. Definicija hemijske termičke obrade
Hemijska termička obrada je proces termičke obrade u kojem se čelični radni komad stavlja u određeni aktivni medij, zagrijava i drži na temperaturi, omogućavajući aktivnim atomima u mediju da difundiraju u površinu radnog komada. To mijenja hemijski sastav i mikrostrukturu površine radnog komada, čime se mijenjaju i njegova svojstva.
2. Osnovni proces hemijske termičke obrade
Razgradnja: Tokom zagrijavanja, aktivni medij se razlaže, oslobađajući aktivne atome.
Apsorpcija: Aktivni atomi se adsorbiraju na površini čelika i rastvaraju u čvrstom rastvoru čelika.
Difuzija: Aktivni atomi apsorbirani i rastvoreni na površini čelika migriraju u unutrašnjost.
Vrste indukcijskog površinskog kaljenja
a. Visokofrekventno indukcijsko zagrijavanje
Trenutna frekvencija: 250~300 kHz.
Dubina očvrslog sloja: 0,5~2,0 mm.
Primjena: Zupčanici srednjeg i malog modula i osovine male do srednje veličine.
b. Indukcijsko zagrijavanje srednje frekvencije
Trenutna frekvencija: 2500~8000 kHz.
Dubina očvrslog sloja: 2~10 mm.
Primjena: Veća vratila i zupčanici velikih do srednjih modula.
c. Indukcijsko grijanje na strujnoj frekvenciji
Trenutna frekvencija: 50 Hz.
Dubina očvrslog sloja: 10~15 mm.
Primjena: Obradci koji zahtijevaju vrlo duboki kaljeni sloj.
3. Indukcijsko površinsko kaljenje
Osnovni princip indukcijskog površinskog kaljenja
Efekat na kožu:
Kada naizmjenična struja u indukcijskoj zavojnici indukuje struju na površini obratka, većina indukovane struje je koncentrisana blizu površine, dok gotovo nikakva struja ne prolazi kroz unutrašnjost obratka. Ovaj fenomen je poznat kao skin efekat.
Princip indukcijskog površinskog kaljenja:
Na osnovu skin efekta, površina obratka se brzo zagrijava do temperature austenitizacije (raste na 800~1000°C za nekoliko sekundi), dok unutrašnjost obratka ostaje gotovo nezagrijana. Obradak se zatim hladi prskanjem vode, čime se postiže površinsko kaljenje.
4. Krhkost pri nastanku
Otpuštanje krhkosti u kaljenom čeliku
Krhkost pri otpuštanju odnosi se na fenomen u kojem se udarna žilavost kaljenog čelika značajno smanjuje kada se otpušta na određenim temperaturama.
Prva vrsta krhkosti pri popuštanju
Temperaturni raspon: od 250°C do 350°C.
Karakteristike: Ako se kaljeni čelik otpušta unutar ovog temperaturnog raspona, vrlo je vjerovatno da će razviti ovu vrstu krhkosti pri otpuštanju, koja se ne može eliminirati.
Rješenje: Izbjegavajte otpuštanje kaljenog čelika unutar ovog temperaturnog raspona.
Prva vrsta krhkosti pri otpuštanju poznata je i kao krhkost pri otpuštanju na niskim temperaturama ili nepovratna krhkost pri otpuštanju.
Ⅵ.Kaljenje
1. Popuštanje je završni proces termičke obrade koji slijedi nakon kaljenja.
Zašto kaljeni čelici trebaju popuštanje?
Mikrostruktura nakon kaljenja: Nakon kaljenja, mikrostruktura čelika se obično sastoji od martenzita i rezidualnog austenita. Obje su metastabilne faze i transformirat će se pod određenim uvjetima.
Svojstva martenzita: Martenzit karakterizira visoka tvrdoća, ali i visoka krhkost (posebno kod igličastog martenzita s visokim udjelom ugljika), što ne ispunjava zahtjeve performansi za mnoge primjene.
Karakteristike martenzitne transformacije: Transformacija u martenzit se odvija vrlo brzo. Nakon kaljenja, radni komad ima zaostala unutrašnja naprezanja koja mogu dovesti do deformacije ili pucanja.
Zaključak: Radni komad se ne može koristiti direktno nakon kaljenja! Otpuštanje je neophodno za smanjenje unutrašnjih napona i poboljšanje žilavosti radnog komada, čineći ga pogodnim za upotrebu.
2. Razlika između prokaljivosti i kapaciteta očvršćavanja:
Kaljivost:
Prokaljivost se odnosi na sposobnost čelika da postigne određenu dubinu očvršćavanja (dubinu okaljenog sloja) nakon kaljenja. To zavisi od sastava i strukture čelika, posebno od legirajućih elemenata i vrste čelika. Prokaljivost je mjera koliko dobro čelik može očvrsnuti po cijeloj svojoj debljini tokom procesa kaljenja.
Tvrdoća (kapacitet očvršćavanja):
Tvrdoća, ili kapacitet kaljenja, odnosi se na maksimalnu tvrdoću koja se može postići u čeliku nakon kaljenja. Na nju uveliko utiče sadržaj ugljika u čeliku. Veći sadržaj ugljika uglavnom dovodi do veće potencijalne tvrdoće, ali to može biti ograničeno legirajućim elementima čelika i efikasnošću procesa kaljenja.
3. Prokaljivost čelika
√Koncept prokaljivosti
Prokaljivost se odnosi na sposobnost čelika da postigne određenu dubinu martenzitnog očvršćavanja nakon kaljenja sa temperature austenitizacije. Jednostavnije rečeno, to je sposobnost čelika da formira martenzit tokom kaljenja.
Mjerenje prokaljivosti
Veličina prokaljivosti je naznačena dubinom okaljenog sloja dobijenog pod određenim uslovima nakon kaljenja.
Dubina očvrslog sloja: Ovo je dubina od površine obratka do područja gdje je struktura napola martenzitna.
Uobičajeni mediji za gašenje:
•Voda
Karakteristike: Ekonomičan sa snažnom mogućnošću hlađenja, ali ima visoku brzinu hlađenja blizu tačke ključanja, što može dovesti do prekomjernog hlađenja.
Primjena: Obično se koristi za ugljične čelike.
Slana voda: Rastvor soli ili alkalije u vodi, koji ima veći kapacitet hlađenja na visokim temperaturama u poređenju s vodom, što ga čini pogodnim za ugljične čelike.
•Ulje
Karakteristike: Omogućava sporiju brzinu hlađenja na niskim temperaturama (blizu tačke ključanja), što efikasno smanjuje sklonost deformacijama i pucanju, ali ima nižu sposobnost hlađenja na visokim temperaturama.
Primjena: Pogodno za legirane čelike.
Vrste: Uključuje ulje za kaljenje, mašinsko ulje i dizel gorivo.
Vrijeme zagrijavanja
Vrijeme zagrijavanja sastoji se od brzine zagrijavanja (vrijeme potrebno za postizanje željene temperature) i vremena zadržavanja (vrijeme održavanja na ciljanoj temperaturi).
Principi za određivanje vremena zagrijavanja: Osigurati ravnomjernu raspodjelu temperature po cijelom radnom komadu, kako unutra tako i vani.
Osigurajte potpunu austenitizaciju i da je formirani austenit ujednačen i fin.
Osnova za određivanje vremena zagrijavanja: Obično se procjenjuje pomoću empirijskih formula ili određuje eksperimentalno.
Mediji za gašenje
Dva ključna aspekta:
a. Brzina hlađenja: Veća brzina hlađenja potiče stvaranje martenzita.
b. Zaostali napon: Veća brzina hlađenja povećava zaostali napon, što može dovesti do veće sklonosti deformaciji i pucanju u obratku.
Ⅶ.Normalizacija
1. Definicija normalizacije
Normalizacija je proces termičke obrade u kojem se čelik zagrijava na temperaturu od 30°C do 50°C iznad temperature Ac3, održava na toj temperaturi, a zatim hladi na zraku kako bi se dobila mikrostruktura bliska ravnotežnom stanju. U poređenju sa žarenjem, normalizacija ima bržu brzinu hlađenja, što rezultira finijom perlitnom strukturom (P) i većom čvrstoćom i tvrdoćom.
2. Svrha normalizacije
Svrha normalizacije je slična svrsi žarenja.
3. Primjene normalizacije
• Uklonite umreženi sekundarni cementit.
•Služe kao završna termička obrada za dijelove s nižim zahtjevima.
• Djeluje kao pripremna termička obrada za konstrukcijski čelik s niskim i srednjim sadržajem ugljika radi poboljšanja obradivosti.
4. Vrste žarenja
Prva vrsta žarenja:
Svrha i funkcija: Cilj nije izazvati faznu transformaciju, već prevesti čelik iz neuravnoteženog u uravnoteženo stanje.
Vrste:
• Difuzijsko žarenje: Cilj je homogenizirati sastav eliminiranjem segregacije.
• Rekristalizacijsko žarenje: Obnavlja duktilnost eliminirajući efekte očvršćavanja.
• Žarenje za ublažavanje napona: Smanjuje unutrašnja napona bez promjene mikrostrukture.
Druga vrsta žarenja:
Svrha i funkcija: Cilj je promijeniti mikrostrukturu i svojstva, postižući mikrostrukturu u kojoj dominira perlit. Ovaj tip također osigurava da raspodjela i morfologija perlita, ferita i karbida ispunjavaju specifične zahtjeve.
Vrste:
• Potpuno žarenje: Zagrijavanje čelika iznad temperature Ac3, a zatim njegovo polako hlađenje kako bi se dobila ujednačena perlitna struktura.
•Nepotpuno žarenje: Zagrijavanje čelika između temperatura Ac1 i Ac3 radi djelomične transformacije strukture.
• Izotermno žarenje: Zagrijavanje čelika iznad Ac3, nakon čega slijedi brzo hlađenje do izotermne temperature i zadržavanje kako bi se postigla željena struktura.
• Sferoidizirajuće žarenje: Proizvodi sferoidnu karbidnu strukturu, poboljšavajući obradivost i žilavost.
Ⅷ.1. Definicija termičke obrade
Termička obrada se odnosi na proces u kojem se metal zagrijava, drži na određenoj temperaturi, a zatim hladi dok je u čvrstom stanju kako bi se promijenila njegova unutrašnja struktura i mikrostruktura, čime se postižu željena svojstva.
2. Karakteristike termičke obrade
Termička obrada ne mijenja oblik obratka; umjesto toga, mijenja unutrašnju strukturu i mikrostrukturu čelika, što zauzvrat mijenja svojstva čelika.
3. Svrha termičke obrade
Svrha termičke obrade je poboljšanje mehaničkih ili procesnih svojstava čelika (ili obratka), potpuno iskorištavanje potencijala čelika, poboljšanje kvalitete obratka i produženje njegovog vijeka trajanja.
4. Ključni zaključak
Da li se svojstva materijala mogu poboljšati termičkom obradom kritično zavisi od toga da li dolazi do promjena u njegovoj mikrostrukturi i strukturi tokom procesa zagrijavanja i hlađenja.
Vrijeme objave: 19. avg. 2024.