Ⅰ.Základní koncept tepelného zpracování.
A. Základní koncept tepelného zpracování.
Základní prvky a funkcetepelné zpracování:
1. Vytápění
Cílem je dosáhnout jednotné a jemné austenitové struktury.
2. Držení
Cílem je zajistit důkladné prohřátí obrobku a zabránit oduhličení a oxidaci.
3. Chlazení
Cílem je transformovat austenit do různých mikrostruktur.
Mikrostruktury po tepelném zpracování
Během procesu ochlazování po ohřevu a udržení se austenit transformuje do různých mikrostruktur v závislosti na rychlosti ochlazování. Různé mikrostruktury vykazují různé vlastnosti.
B. Základní koncept tepelného zpracování.
Klasifikace založená na metodách ohřevu a chlazení, jakož i na mikrostruktuře a vlastnostech oceli
1. Konvenční tepelné zpracování (celkové tepelné zpracování): popouštění, žíhání, normalizace, kalení
2. Povrchové tepelné zpracování: Povrchové kalení, Indukční ohřev Povrchové kalení, Povrchové kalení plamenem, Povrchové kalení elektrickým kontaktním ohřevem.
3. Chemické tepelné zpracování: cementace, nitridace, karbonitridace.
4. Další tepelné zpracování: Tepelné zpracování v řízené atmosféře, vakuové tepelné zpracování, deformační tepelné zpracování.
C. Kritická teplota ocelí
Kritická transformační teplota oceli je důležitým základem pro stanovení procesů ohřevu, udržování a chlazení během tepelného zpracování. Je určena fázovým diagramem železo-uhlík.
Klíčový závěr:Skutečná kritická transformační teplota oceli vždy zaostává za teoretickou kritickou transformační teplotou. To znamená, že během ohřevu je nutné přehřátí a během chlazení podchlazení.
Ⅱ.Žíhání a normalizace oceli
1. Definice žíhání
Žíhání zahrnuje zahřátí oceli na teplotu nad nebo pod kritickým bodem Ac₁, udržování této teploty a následné pomalé ochlazování, obvykle v peci, aby se dosáhlo struktury blízké rovnováze.
2. Účel žíhání
①Úprava tvrdosti pro obrábění: Dosažení obrobitelné tvrdosti v rozsahu HB170~230.
②Uvolnění zbytkového pnutí: Zabraňuje deformaci nebo praskání během následných procesů.
③Zjemnění struktury zrn: Zlepšuje mikrostrukturu.
④Příprava na konečné tepelné zpracování: Získání granulovaného (sferoidizovaného) perlitu pro následné kalení a popouštění.
3. Sferické žíhání
Specifikace procesu: Teplota ohřevu je blízká bodu Ac₁.
Účel: Sféroidizace cementitu nebo karbidů v oceli, což vede k granulovanému (sferoidizovanému) perlitu.
Použitelný rozsah: Používá se pro oceli s eutektoidním a hypereutektoidním složením.
4. Difuzní žíhání (homogenizační žíhání)
Specifikace procesu: Teplota ohřevu je mírně pod čarou solvus na fázovém diagramu.
Účel: Odstranění segregace.
①Pro nízkouuhlíková ocels obsahem uhlíku menším než 0,25 % se jako přípravné tepelné zpracování upřednostňuje normalizace před žíháním.
②Pro středně uhlíkovou ocel s obsahem uhlíku mezi 0,25 % a 0,50 % lze jako přípravné tepelné zpracování použít žíhání nebo normalizaci.
③Pro oceli se středním až vysokým obsahem uhlíku s obsahem uhlíku mezi 0,50 % a 0,75 % se doporučuje úplné žíhání.
④Pro vysoceuhlíková ocelPři obsahu uhlíku větším než 0,75 % se nejprve použije normalizace k odstranění sítě Fe₃C, následovaná sféroidizačním žíháním.
Ⅲ. Kalení a popouštění oceli
A. Kalení
1. Definice kalení: Kalení zahrnuje ohřev oceli na určitou teplotu nad bodem Ac₃ nebo Ac₁, udržování na této teplotě a následné ochlazování rychlostí vyšší než kritická rychlost ochlazování za vzniku martenzitu.
2. Účel kalení: Primárním cílem je získat martenzit (nebo někdy nižší bainit) pro zvýšení tvrdosti a odolnosti oceli proti opotřebení. Kalení je jedním z nejdůležitějších procesů tepelného zpracování oceli.
3. Stanovení teplot kalení pro různé typy ocelí
Hypoeutektoidní ocel: Ac₃ + 30 °C až 50 °C
Eutektoidní a nadeutektoidní ocel: Ac₁ + 30 °C až 50 °C
Legovaná ocel: 50 °C až 100 °C nad kritickou teplotou
4. Chladicí charakteristiky ideálního kalicího média:
Pomalé ochlazování před dosažením „nosní“ teploty: Pro dostatečné snížení tepelného namáhání.
Vysoká chladicí kapacita v blízkosti teploty „nosu“: Aby se zabránilo tvorbě nemartenzitických struktur.
Pomalé ochlazování poblíž bodu M₅: Pro minimalizaci napětí vyvolaného martenzitickou transformací.
5. Metody kalení a jejich vlastnosti:
①Jednoduché kalení: Snadno se ovládá a je vhodné pro malé obrobky jednoduchého tvaru. Výsledná mikrostruktura je martenzit (M).
②Dvojité kalení: Složitější a obtížněji kontrolovatelné, používá se pro složitě tvarované obrobky z vysoce uhlíkové oceli a větších legovaných ocelí. Výsledná mikrostruktura je martenzit (M).
③Kalení s přerušením: Složitější proces, používaný pro velké obrobky z legované oceli složitého tvaru. Výsledná mikrostruktura je martenzit (M).
④Izotermické kalení: Používá se pro malé, složitě tvarované obrobky s vysokými požadavky. Výsledná mikrostruktura je nižší bainit (B).
6. Faktory ovlivňující kalitelnost
Stupeň prokalitelnosti závisí na stabilitě podchlazeného austenitu v oceli. Čím vyšší je stabilita podchlazeného austenitu, tím lepší je prokalitelnost a naopak.
Faktory ovlivňující stabilitu podchlazeného austenitu:
Poloha křivky C: Pokud se křivka C posune doprava, kritická rychlost ochlazování pro kalení se sníží, což zlepšuje prokalitelnost.
Klíčový závěr:
Jakýkoli faktor, který posouvá C-křivku doprava, zvyšuje kalitelnost oceli.
Hlavní faktor:
Chemické složení: S výjimkou kobaltu (Co) zvyšují všechny legující prvky rozpuštěné v austenitu prokalitelnost.
Čím blíže je obsah uhlíku eutektoidnímu složení v uhlíkové oceli, tím více se křivka C posouvá doprava a tím vyšší je prokalitelnost.
7. Určení a znázornění prokalitelnosti
①Zkouška prokalitelnosti kalením na konci: Prokalitelnost se měří metodou zkoušky kalením na konci.
②Metoda kritického průměru pro kalení: Kritický průměr pro kalení (D₀) představuje maximální průměr oceli, který lze plně vykalit v daném kalicím médiu.
B. Popouštění
1. Definice temperování
Popouštění je proces tepelného zpracování, při kterém se kalená ocel znovu zahřeje na teplotu pod bodem A₁, udržuje se na této teplotě a poté se ochladí na pokojovou teplotu.
2. Účel temperování
Snížení nebo odstranění zbytkového napětí: Zabraňuje deformaci nebo praskání obrobku.
Snížení nebo odstranění zbytkového austenitu: Stabilizuje rozměry obrobku.
Eliminace křehkosti kalené oceli: Upravuje mikrostrukturu a vlastnosti tak, aby splňovaly požadavky obrobku.
Důležitá poznámka: Ocel by měla být po kalení ihned popuštěna.
3. Procesy popouštění
1. Nízké temperování
Účel: Snížení kalicího napětí, zlepšení houževnatosti obrobku a dosažení vysoké tvrdosti a odolnosti proti opotřebení.
Teplota: 150 °C ~ 250 °C.
Výkon: Tvrdost: HRC 58 ~ 64. Vysoká tvrdost a odolnost proti opotřebení.
Použití: Nástroje, formy, ložiska, cementované díly a povrchově kalené součásti.
2. Vysoké temperování
Účel: Dosažení vysoké houževnatosti spolu s dostatečnou pevností a tvrdostí.
Teplota: 500 °C ~ 600 °C.
Vlastnosti: Tvrdost: HRC 25 ~ 35. Dobré celkové mechanické vlastnosti.
Použití: Hřídele, ozubená kola, ojnice atd.
Tepelná rafinace
Definice: Kalení následované popouštěním za vysoké teploty se nazývá tepelné zušlechťování nebo jednoduše popouštění. Ocel upravená tímto procesem má vynikající celkové vlastnosti a je široce používána.
Ⅳ.Povrchové tepelné zpracování oceli
A. Povrchové kalení ocelí
1. Definice povrchového kalení
Povrchové kalení je proces tepelného zpracování, jehož cílem je zpevnit povrchovou vrstvu obrobku rychlým zahřátím, čímž se povrchová vrstva přemění na austenit, a následným rychlým ochlazením. Tento proces se provádí beze změny chemického složení oceli nebo základní struktury materiálu.
2. Materiály použité pro povrchové kalení a dodatečné kalení struktury
Materiály používané pro povrchové kalení
Typické materiály: Středně uhlíková ocel a středně uhlíková legovaná ocel.
Předúprava: Typický proces: Popouštění. Pokud nejsou vlastnosti jádra kritické, lze místo toho použít normalizaci.
Struktura po vytvrzení
Povrchová struktura: Povrchová vrstva obvykle tvoří kalené struktury, jako je martenzit nebo bainit, které poskytují vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebení.
Struktura jádra: Jádro oceli si obecně zachovává svou původní strukturu, například perlit nebo popouštěný stav, v závislosti na procesu předúpravy a vlastnostech základního materiálu. To zajišťuje, že si jádro zachovává dobrou houževnatost a pevnost.
B. Charakteristiky indukčního povrchového kalení
1. Vysoká teplota ohřevu a rychlý nárůst teploty: Indukční kalení povrchu obvykle zahrnuje vysoké teploty ohřevu a rychlé rychlosti ohřevu, což umožňuje rychlý ohřev v krátkém čase.
2. Jemná austenitická struktura v povrchové vrstvě: Během rychlého ohřevu a následného kalení se v povrchové vrstvě tvoří jemná austenitická zrna. Po kalení se povrch skládá převážně z jemného martenzitu s tvrdostí obvykle o 2–3 HRC vyšší než při běžném kalení.
3. Dobrá kvalita povrchu: Díky krátké době ohřevu je povrch obrobku méně náchylný k oxidaci a oduhličení a deformace vyvolaná kalením je minimalizována, což zajišťuje dobrou kvalitu povrchu.
4. Vysoká únavová pevnost: Martenzitická fázová transformace v povrchové vrstvě generuje tlakové napětí, které zvyšuje únavovou pevnost obrobku.
5. Vysoká efektivita výroby: Indukční kalení povrchu je vhodné pro hromadnou výrobu a nabízí vysokou provozní efektivitu.
C. Klasifikace chemického tepelného zpracování
Cementace, Cementace, Cementace, Chromování, Silikování, Silikování, Silikování, Nitrokarbonizace, Borocementace
D.Plynová cementace
Plynová cementace je proces, při kterém se obrobek umístí do uzavřené plynové cementační pece a zahřeje se na teplotu, která přemění ocel na austenit. Poté se do pece nakape cementační činidlo nebo se přímo zavede cementační atmosféra, která umožňuje atomům uhlíku difundovat do povrchové vrstvy obrobku. Tento proces zvyšuje obsah uhlíku (wc%) na povrchu obrobku.
√Cementační činidla:
• Plyny bohaté na uhlík: Jako například svítiplyn, zkapalněný ropný plyn (LPG) atd.
• Organické kapaliny: Jako například petrolej, methanol, benzen atd.
√Parametry procesu nauhličování:
• Teplota cementace: 920~950 °C.
• Doba cementace: Závisí na požadované hloubce cementované vrstvy a teplotě cementace.
E. Tepelné zpracování po cementaci
Ocel musí být po cementaci podrobena tepelnému zpracování.
Proces tepelného zpracování po cementaci:
√Kalení + popouštění za nízkých teplot
1. Přímé kalení po předchlazení + nízkoteplotní popouštění: Obrobek se předchlazuje z cementační teploty těsně nad teplotu Ar₁ jádra a poté se ihned kalí, následuje nízkoteplotní popouštění při 160~180 °C.
2. Jednoduché kalení po předchlazení + nízkoteplotní popouštění: Po cementaci se obrobek pomalu ochladí na pokojovou teplotu a poté se znovu zahřeje pro kalení a nízkoteplotní popouštění.
3. Dvojité kalení po předchlazení + nízkoteplotní popouštění: Po cementaci a pomalém ochlazování prochází obrobek dvěma fázemi ohřevu a kalení, po nichž následuje nízkoteplotní popouštění.
Ⅴ.Chemické tepelné zpracování ocelí
1. Definice chemického tepelného zpracování
Chemické tepelné zpracování je proces tepelného zpracování, při kterém je ocelový obrobek umístěn do specifického aktivního média, zahřát a udržován na dané teplotě, což umožňuje aktivním atomům v médiu difundovat do povrchu obrobku. Tím se mění chemické složení a mikrostruktura povrchu obrobku, a tím i jeho vlastnosti.
2. Základní proces chemického tepelného zpracování
Rozklad: Během zahřívání se aktivní médium rozkládá a uvolňuje aktivní atomy.
Absorpce: Aktivní atomy jsou adsorbovány povrchem oceli a rozpouštěny v pevném roztoku oceli.
Difúze: Aktivní atomy absorbované a rozpuštěné na povrchu oceli migrují do nitra.
Typy indukčního povrchového kalení
a.Vysokofrekvenční indukční ohřev
Aktuální frekvence: 250~300 kHz.
Hloubka vytvrzené vrstvy: 0,5~2,0 mm.
Použití: Střední a malé modulární ozubená kola a malé až středně velké hřídele.
b. Středněfrekvenční indukční ohřev
Aktuální frekvence: 2500~8000 kHz.
Hloubka vytvrzené vrstvy: 2~10 mm.
Použití: Větší hřídele a ozubená kola s velkým až středním modulem.
c. Indukční ohřev s výkonovou frekvencí
Frekvence proudu: 50 Hz.
Hloubka vytvrzené vrstvy: 10~15 mm.
Použití: Obrobky vyžadující velmi hlubokou kalené vrstvy.
3. Indukční povrchové kalení
Základní princip indukčního povrchového kalení
Efekt na kůži:
Když střídavý proud v indukční cívce indukuje proud na povrchu obrobku, většina indukovaného proudu je soustředěna v blízkosti povrchu, zatímco vnitřkem obrobku neprochází téměř žádný proud. Tento jev je známý jako skin efekt.
Princip indukčního povrchového kalení:
Na základě skin efektu se povrch obrobku rychle zahřeje na austenitizační teplotu (během několika sekund dosáhne 800~1000 °C), zatímco vnitřek obrobku zůstává téměř nezahřátý. Obrobek se poté ochladí postřikem vodou, čímž se dosáhne povrchového kalení.
4. Křehkost při popouštění
Popouštění křehkosti v kalené oceli
Křehkost při popouštění označuje jev, kdy se rázová houževnatost kalené oceli výrazně snižuje při popouštění za určitých teplot.
První typ křehkosti při popouštění
Teplotní rozsah: 250 °C až 350 °C.
Charakteristika: Pokud je kalená ocel popouštěna v tomto teplotním rozsahu, je vysoce pravděpodobné, že se u ní vyvine tento typ popouštěcí křehkosti, kterou nelze odstranit.
Řešení: V tomto teplotním rozsahu se vyhněte popouštění kalené oceli.
První typ popouštěcí křehkosti je také známý jako nízkoteplotní popouštěcí křehkost nebo nevratná popouštěcí křehkost.
Ⅵ.Popouštění
1. Popouštění je konečný proces tepelného zpracování, který následuje po kalení.
Proč je nutné kalené oceli popouštět?
Mikrostruktura po kalení: Po kalení se mikrostruktura oceli obvykle skládá z martenzitu a zbytkového austenitu. Obě fáze jsou metastabilní a za určitých podmínek se transformují.
Vlastnosti martenzitu: Martenzit se vyznačuje vysokou tvrdostí, ale také vysokou křehkostí (zejména u jehličkovitého martenzitu s vysokým obsahem uhlíku), což nesplňuje výkonnostní požadavky pro mnoho aplikací.
Charakteristika martenzitické transformace: Transformace na martenzit probíhá velmi rychle. Po kalení má obrobek zbytková vnitřní pnutí, která mohou vést k deformaci nebo praskání.
Závěr: Obrobek nelze použít ihned po kalení! Popouštění je nezbytné ke snížení vnitřního pnutí a zlepšení houževnatosti obrobku, aby byl vhodný k dalšímu použití.
2. Rozdíl mezi prokalitelností a kalitelností:
Kalitelnost:
Prokalitelnost se vztahuje k schopnosti oceli dosáhnout určité hloubky prokalení (hloubky zkalené vrstvy) po kalení. Záleží na složení a struktuře oceli, zejména na jejích legujících prvcích a druhu oceli. Prokalitelnost je měřítkem toho, jak dobře může ocel prokalovat po celé své tloušťce během procesu kalení.
Tvrdost (kalitelnost):
Tvrdost neboli kalitelnost se vztahuje k maximální tvrdosti, které lze u oceli dosáhnout po kalení. Je do značné míry ovlivněna obsahem uhlíku v oceli. Vyšší obsah uhlíku obecně vede k vyšší potenciální tvrdosti, ale ta může být omezena legujícími prvky oceli a účinností procesu kalení.
3. Kalitelnost oceli
√Koncept kalitelnosti
Prokalitelnost se vztahuje k schopnosti oceli dosáhnout určité hloubky martenzitického zpevnění po kalení z austenitizační teploty. Jednoduše řečeno, jde o schopnost oceli tvořit martenzit během kalení.
Měření prokalitelnosti
Velikost prokalitelnosti je udávána hloubkou zkalené vrstvy získané za specifických podmínek po kalení.
Hloubka zpevněné vrstvy: Jedná se o hloubku od povrchu obrobku k oblasti, kde je struktura z poloviny martenzitická.
Běžná kalicí média:
•Voda
Charakteristika: Úsporný se silnou chladicí schopností, ale má vysokou rychlost ochlazování poblíž bodu varu, což může vést k nadměrnému ochlazování.
Použití: Typicky se používá pro uhlíkové oceli.
Slaná voda: Roztok soli nebo zásady ve vodě, který má při vysokých teplotách vyšší chladicí schopnost ve srovnání s vodou, a proto je vhodný pro uhlíkové oceli.
•Olej
Vlastnosti: Poskytuje pomalejší rychlost ochlazování při nízkých teplotách (blízko bodu varu), což účinně snižuje tendenci k deformaci a praskání, ale má nižší chladicí schopnost při vysokých teplotách.
Použití: Vhodné pro legované oceli.
Typy: Zahrnuje kalicí olej, strojní olej a motorovou naftu.
Doba ohřevu
Doba ohřevu se skládá jak z rychlosti ohřevu (doba potřebná k dosažení požadované teploty), tak z doby výdrže (doba udržování cílové teploty).
Zásady pro stanovení doby ohřevu: Zajistěte rovnoměrné rozložení teploty v celém obrobku, a to jak uvnitř, tak i vně.
Zajistěte úplnou austenitizaci a rovnoměrný a jemný vytvořený austenit.
Základ pro stanovení doby ohřevu: Obvykle se odhaduje pomocí empirických vzorců nebo se určuje experimentálně.
Kalící média
Dva klíčové aspekty:
a. Rychlost chlazení: Vyšší rychlost chlazení podporuje tvorbu martenzitu.
b. Zbytkové napětí: Vyšší rychlost ochlazování zvyšuje zbytkové napětí, což může vést k větší tendenci k deformaci a praskání v obrobku.
Ⅶ.Normalizace
1. Definice normalizace
Normalizace je proces tepelného zpracování, při kterém se ocel zahřeje na teplotu o 30 °C až 50 °C vyšší než teplota Ac3, udržuje se na této teplotě a poté se ochladí na vzduchu, aby se dosáhlo mikrostruktury blízké rovnovážnému stavu. Ve srovnání s žíháním má normalizace rychlejší rychlost ochlazování, což má za následek jemnější perlitovou strukturu (P) a vyšší pevnost a tvrdost.
2. Účel normalizace
Účel normalizace je podobný jako u žíhání.
3. Aplikace normalizace
• Odstraňte síťovaný sekundární cementit.
• Slouží jako konečné tepelné zpracování pro díly s nižšími požadavky.
• Působí jako přípravné tepelné zpracování pro nízkouhlíkovou a středněuhlíkovou konstrukční ocel pro zlepšení obrobitelnosti.
4. Druhy žíhání
První typ žíhání:
Účel a funkce: Cílem není vyvolat fázovou transformaci, ale převést ocel z nevyváženého stavu do vyváženého stavu.
Typy:
• Difuzní žíhání: Cílem je homogenizovat složení eliminací segregace.
• Žíhání za rekrystalizace: Obnovuje tažnost eliminací účinků zpevnění.
• Žíhání pro uvolnění pnutí: Snižuje vnitřní pnutí bez změny mikrostruktury.
Druhý typ žíhání:
Účel a funkce: Cílem je změnit mikrostrukturu a vlastnosti a dosáhnout mikrostruktury s dominancí perlitu. Tento typ také zajišťuje, že rozložení a morfologie perlitu, feritu a karbidů splňují specifické požadavky.
Typy:
• Úplné žíhání: Zahřívá ocel nad teplotu Ac3 a poté ji pomalu ochladzuje, čímž vzniká jednotná perlitová struktura.
• Neúplné žíhání: Zahřívá ocel mezi teplotami Ac1 a Ac3, aby se částečně transformovala struktura.
• Izotermické žíhání: Zahřívá ocel na teplotu vyšší než Ac3, následuje rychlé ochlazení na izotermickou teplotu a udržování na této teplotě pro dosažení požadované struktury.
• Sféroidizační žíhání: Vytváří sféroidní karbidovou strukturu, čímž se zlepšuje obrobitelnost a houževnatost.
Ⅷ.1. Definice tepelného zpracování
Tepelné zpracování označuje proces, při kterém se kov zahřívá, udržuje na určité teplotě a poté se v pevném stavu ochladí, aby se změnila jeho vnitřní struktura a mikrostruktura, a tím se dosáhlo požadovaných vlastností.
2. Charakteristika tepelného zpracování
Tepelné zpracování nemění tvar obrobku; místo toho mění vnitřní strukturu a mikrostrukturu oceli, což následně mění vlastnosti oceli.
3. Účel tepelného zpracování
Účelem tepelného zpracování je zlepšit mechanické nebo zpracovatelské vlastnosti oceli (nebo obrobků), plně využít potenciál oceli, zvýšit kvalitu obrobku a prodloužit jeho životnost.
4. Klíčový závěr
Zda lze vlastnosti materiálu zlepšit tepelným zpracováním, závisí kriticky na tom, zda dochází ke změnám v jeho mikrostruktuře a struktuře během procesu ohřevu a chlazení.
Čas zveřejnění: 19. srpna 2024