Ⅰ. Det grundlæggende koncept for varmebehandling.
A. Det grundlæggende koncept bag varmebehandling.
De grundlæggende elementer og funktioner ivarmebehandling:
1. Opvarmning
Formålet er at opnå en ensartet og fin austenitstruktur.
2. Holding
Målet er at sikre, at emnet opvarmes grundigt og at forhindre afkulning og oxidation.
3. Køling
Målet er at omdanne austenit til forskellige mikrostrukturer.
Mikrostrukturer efter varmebehandling
Under afkølingsprocessen efter opvarmning og opbevaring omdannes austenitten til forskellige mikrostrukturer afhængigt af afkølingshastigheden. Forskellige mikrostrukturer udviser forskellige egenskaber.
B. Det grundlæggende koncept bag varmebehandling.
Klassificering baseret på opvarmnings- og kølemetoder, samt stålets mikrostruktur og egenskaber
1. Konventionel varmebehandling (samlet varmebehandling): Hærdning, udglødning, normalisering, slukning
2. Overfladevarmebehandling: Overfladeslukning, induktionsvarmeoverfladeslukning, flammeopvarmningsoverfladeslukning, elektrisk kontaktopvarmningsoverfladeslukning.
3. Kemisk varmebehandling: Karburering, nitrering, karbonitrering.
4. Andre varmebehandlinger: Varmebehandling med kontrolleret atmosfære, vakuumvarmebehandling, deformationsvarmebehandling.
C. Kritisk temperatur for stål
Den kritiske transformationstemperatur for stål er et vigtigt grundlag for at bestemme opvarmnings-, holde- og afkølingsprocesserne under varmebehandling. Den bestemmes af jern-kulstof fasediagrammet.
Vigtigste konklusion:Den faktiske kritiske transformationstemperatur for stål halter altid bagefter den teoretiske kritiske transformationstemperatur. Det betyder, at overophedning er nødvendig under opvarmning, og underkøling er nødvendig under afkøling.
Ⅱ. Udglødning og normalisering af stål
1. Definition af udglødning
Udglødning involverer opvarmning af stål til en temperatur over eller under det kritiske punkt Ac₁, hvor det holdes ved denne temperatur, og derefter langsomt afkøling af det, normalt i ovnen, for at opnå en struktur tæt på ligevægt.
2. Formålet med udglødning
①Juster hårdhed til bearbejdning: Opnåelse af bearbejdningsbar hårdhed i området HB170~230.
②Aflast restspænding: Forebygger deformation eller revner under efterfølgende processer.
③Forfiner kornstruktur: Forbedrer mikrostrukturen.
④Forberedelse til afsluttende varmebehandling: Opnår granulær (sfæroidiseret) perlit til efterfølgende bratkøling og anløbning.
3. Sfæroidiserende udglødning
Processpecifikationer: Opvarmningstemperaturen er nær Ac₁-punktet.
Formål: At sfæroidisere cementitten eller karbiderne i stålet, hvilket resulterer i granulær (sfæroidiseret) perlit.
Anvendeligt område: Anvendes til stål med eutektoide og hypereutektoide sammensætninger.
4. Diffusionsglødning (homogeniserende glødning)
Processpecifikationer: Opvarmningstemperaturen er lidt under solvuslinjen på fasediagrammet.
Formål: At eliminere segregation.
①For lav-kulstofstålMed et kulstofindhold på mindre end 0,25% foretrækkes normalisering frem for udglødning som forberedende varmebehandling.
②For stål med mellemkulstofindhold og et kulstofindhold mellem 0,25 % og 0,50 % kan enten udglødning eller normalisering anvendes som forberedende varmebehandling.
③For stål med mellem- til højt kulstofindhold og et kulstofindhold mellem 0,50 % og 0,75 % anbefales fuld udglødning.
④For høj-kulstofstålMed et kulstofindhold på over 0,75 % anvendes først normalisering til at eliminere netværket Fe₃C, efterfulgt af sfæroidiseringsglødning.
Ⅲ. Hærdning og temperering af stål
A. Slukning
1. Definition af bratkøling: Bratkøling involverer opvarmning af stål til en bestemt temperatur over Ac₃- eller Ac₁-punktet, fastholdelse af det ved denne temperatur og derefter afkøling af det med en hastighed, der er større end den kritiske afkølingshastighed for at danne martensit.
2. Formålet med bratkøling: Det primære mål er at opnå martensit (eller nogle gange lavere bainit) for at øge stålets hårdhed og slidstyrke. Bratkøling er en af de vigtigste varmebehandlingsprocesser for stål.
3. Bestemmelse af bratkølingstemperaturer for forskellige typer stål
Hypoeutektoidt stål: Ac₃ + 30°C til 50°C
Eutektoid og hypereutektoid stål: Ac₁ + 30°C til 50°C
Legeret stål: 50°C til 100°C over den kritiske temperatur
4. Køleegenskaber for et ideelt slukningsmedium:
Langsom afkøling før "næse"-temperatur: For at reducere termisk stress tilstrækkeligt.
Høj kølekapacitet nær "næse"-temperatur: For at undgå dannelse af ikke-martensitiske strukturer.
Langsom afkøling nær M₅-punktet: For at minimere den spænding, der forårsages af martensitisk transformation.
5. Slukningsmetoder og deres egenskaber:
①Enkel bratkøling: Nem at betjene og egnet til små emner med enkle former. Den resulterende mikrostruktur er martensit (M).
②Dobbeltdæmpning: Mere kompleks og vanskeligere at kontrollere, anvendes til komplekse formede emner af højkulstofstål og større legeringsstål. Den resulterende mikrostruktur er martensit (M).
③Brukshærdning: En mere kompleks proces, der anvendes til store emner af legeret stål med komplekse forme. Den resulterende mikrostruktur er martensit (M).
④Isotermisk bratkøling: Anvendes til små, komplekse emner med høje krav. Den resulterende mikrostruktur er lavere bainit (B).
6. Faktorer der påvirker hærdbarheden
Hærdbarhedsgraden afhænger af stabiliteten af den underkølede austenit i stål. Jo højere stabiliteten af den underkølede austenit er, desto bedre er hærdbarheden, og omvendt.
Faktorer der påvirker stabiliteten af superkølet austenit:
C-kurvens position: Hvis C-kurven forskydes til højre, falder den kritiske kølehastighed for bratkøling, hvilket forbedrer hærdbarheden.
Vigtigste konklusion:
Enhver faktor, der forskyder C-kurven til højre, øger stålets hærdbarhed.
Hovedfaktor:
Kemisk sammensætning: Bortset fra kobolt (Co) øger alle legeringselementer opløst i austenit hærdbarheden.
Jo tættere kulstofindholdet er på den eutektoide sammensætning i kulstofstål, desto mere forskydes C-kurven til højre, og desto højere er hærdbarheden.
7. Bestemmelse og repræsentation af hærdbarhed
①Test af slutdæmpningshærdbarhed: Hærdbarheden måles ved hjælp af slutdæmpningstestmetoden.
② Kritisk bratkølingsdiametermetode: Den kritiske bratkølingsdiameter (D₀) repræsenterer den maksimale diameter af stål, der kan hærdes fuldt ud i et specifikt bratkølingsmedium.
B. Hærdning
1. Definition af temperering
Hærdning er en varmebehandlingsproces, hvor hærdet stål genopvarmes til en temperatur under A₁-punktet, holdes ved denne temperatur og derefter afkøles til stuetemperatur.
2. Formålet med temperering
Reducer eller eliminer restspænding: Forhindrer deformation eller revner i emnet.
Reducer eller eliminer resterende austenit: Stabiliserer emnets dimensioner.
Eliminerer sprødhed i hærdet stål: Justerer mikrostrukturen og egenskaberne for at opfylde emnets krav.
Vigtig bemærkning: Stål skal hærdes straks efter bratkøling.
3. Hærdningsprocesser
1. Lav temperering
Formål: At reducere bratkølingsspændinger, forbedre emnets sejhed og opnå høj hårdhed og slidstyrke.
Temperatur: 150°C ~ 250°C.
Ydeevne: Hårdhed: HRC 58 ~ 64. Høj hårdhed og slidstyrke.
Anvendelser: Værktøj, forme, lejer, karburerede dele og overfladehærdede komponenter.
2. Høj temperering
Formål: At opnå høj sejhed sammen med tilstrækkelig styrke og hårdhed.
Temperatur: 500°C ~ 600°C.
Ydeevne: Hårdhed: HRC 25 ~ 35. Gode mekaniske egenskaber generelt.
Anvendelser: Aksler, gear, plejlstænger osv.
Termisk raffinering
Definition: Hærdning efterfulgt af højtemperaturhærdning kaldes termisk raffinering eller blot anløbning. Stål behandlet med denne proces har fremragende samlet ydeevne og er meget udbredt.
Ⅳ. Overfladevarmebehandling af stål
A. Overfladehærdning af stål
1. Definition af overfladehærdning
Overfladehærdning er en varmebehandlingsproces, der er designet til at styrke overfladelaget på et emne ved hurtigt at opvarme det for at omdanne overfladelaget til austenit og derefter hurtigt at afkøle det. Denne proces udføres uden at ændre stålets kemiske sammensætning eller materialets kernestruktur.
2. Materialer anvendt til overfladehærdning og efterhærdning af struktur
Materialer anvendt til overfladehærdning
Typiske materialer: Mellemkulstofstål og legeret stål med mellemkulstof.
Forbehandling: Typisk proces: Anløbning. Hvis kerneegenskaberne ikke er kritiske, kan normalisering anvendes i stedet.
Struktur efter hærdning
Overfladestruktur: Overfladelaget danner typisk en hærdet struktur såsom martensit eller bainit, som giver høj hårdhed og slidstyrke.
Kernestruktur: Stålets kerne bevarer generelt sin oprindelige struktur, såsom perlit eller hærdet tilstand, afhængigt af forbehandlingsprocessen og basismaterialets egenskaber. Dette sikrer, at kernen opretholder god sejhed og styrke.
B. Karakteristika for induktionsoverfladehærdning
1. Høj opvarmningstemperatur og hurtig temperaturstigning: Induktionsoverfladehærdning involverer typisk høje opvarmningstemperaturer og hurtige opvarmningshastigheder, hvilket muliggør hurtig opvarmning inden for kort tid.
2. Fin austenitkornstruktur i overfladelaget: Under den hurtige opvarmning og efterfølgende bratkølingsproces danner overfladelaget fine austenitkorn. Efter bratkøling består overfladen primært af fin martensit med en hårdhed, der typisk er 2-3 HRC højere end konventionel bratkøling.
3. God overfladekvalitet: På grund af den korte opvarmningstid er emnets overflade mindre tilbøjelig til oxidation og afkulning, og den bratkølingsinducerede deformation minimeres, hvilket sikrer en god overfladekvalitet.
4. Høj udmattelsesstyrke: Den martensitiske fasetransformation i overfladelaget genererer trykspænding, hvilket øger emnets udmattelsesstyrke.
5. Høj produktionseffektivitet: Induktionsoverfladehærdning er velegnet til masseproduktion og tilbyder høj driftseffektivitet.
C. Klassificering af kemisk varmebehandling
Karburering, Karburering, Karburering, Forkromning, Silikonisering, Silikonisering, Silikonisering, Karbonitrering, Borkarburering
D. Gaskarburering
Gaskarburering er en proces, hvor et emne placeres i en lukket gaskarbureringsovn og opvarmes til en temperatur, der omdanner stålet til austenit. Derefter dryppes et karbureringsmiddel ned i ovnen, eller en karbureringsatmosfære indføres direkte, hvilket tillader kulstofatomer at diffundere ind i emnets overfladelag. Denne proces øger kulstofindholdet (wc%) på emnets overflade.
√Karbureringsmidler:
• Kulstofrige gasser: Såsom kulgas, flydende gas (LPG) osv.
• Organiske væsker: Såsom petroleum, methanol, benzen osv.
√Parametre for karbureringsproces:
• Karbureringstemperatur: 920~950°C.
• Karbureringstid: Afhænger af den ønskede dybde af det karburerede lag og karbureringstemperaturen.
E. Varmebehandling efter karburering
Stål skal varmebehandles efter karburering.
Varmebehandlingsproces efter karburering:
√Slukning + Lavtemperaturhærdning
1. Direkte bratkøling efter forkøling + lavtemperaturanløbning: Emnet forkøles fra karbureringstemperaturen til lige over kernens Ar₁-temperatur og bratkøles derefter straks, efterfulgt af lavtemperaturanløbning ved 160~180°C.
2. Enkelt bratkøling efter forkøling + lavtemperaturanløbning: Efter karburering afkøles emnet langsomt til stuetemperatur og genopvarmes derefter til bratkøling og lavtemperaturanløbning.
3. Dobbelt bratkøling efter forkøling + lavtemperaturanløbning: Efter karburering og langsom afkøling gennemgår emnet to faser med opvarmning og bratkøling efterfulgt af lavtemperaturanløbning.
Ⅴ. Kemisk varmebehandling af stål
1. Definition af kemisk varmebehandling
Kemisk varmebehandling er en varmebehandlingsproces, hvor et stålemne placeres i et specifikt aktivt medium, opvarmes og holdes ved den ønskede temperatur, hvilket tillader de aktive atomer i mediet at diffundere ind i emnets overflade. Dette ændrer emnets kemiske sammensætning og mikrostruktur og dermed dets egenskaber.
2. Grundlæggende proces for kemisk varmebehandling
Nedbrydning: Under opvarmning nedbrydes det aktive medium, hvorved aktive atomer frigives.
Absorption: De aktive atomer adsorberes af stålets overflade og opløses i stålets faste opløsning.
Diffusion: De aktive atomer, der absorberes og opløses på stålets overflade, migrerer ind i det indre.
Typer af induktionsoverfladehærdning
a. Højfrekvent induktionsopvarmning
Strømfrekvens: 250~300 kHz.
Hærdet lagdybde: 0,5~2,0 mm.
Anvendelser: Mellemstore og små modulgear og små til mellemstore aksler.
b. Mellemfrekvens induktionsopvarmning
Strømfrekvens: 2500~8000 kHz.
Hærdet lagdybde: 2~10 mm.
Anvendelser: Større aksler og store til mellemstore modulgear.
c. Effektfrekvens induktionsopvarmning
Strømfrekvens: 50 Hz.
Hærdet lagdybde: 10~15 mm.
Anvendelser: Emner, der kræver et meget dybt hærdet lag.
3. Induktionsoverfladehærdning
Grundprincip for induktionsoverfladehærdning
Hudeffekt:
Når vekselstrøm i induktionsspolen inducerer en strøm på emnets overflade, koncentreres størstedelen af den inducerede strøm nær overfladen, mens næsten ingen strøm passerer gennem emnets indre. Dette fænomen er kendt som skin-effekten.
Princippet for induktionsoverfladehærdning:
Baseret på hudeffekten opvarmes emnets overflade hurtigt til austenitiseringstemperaturen (stiger til 800~1000°C på få sekunder), mens emnets indre forbliver næsten uopvarmet. Emnet afkøles derefter ved vandsprøjtning, hvilket opnår overfladehærdning.
4. Temperskørhed
Hærdning af sprødhed i hærdet stål
Anløbningsskørhed refererer til det fænomen, hvor slagsejheden af hærdet stål falder betydeligt, når det anløbes ved bestemte temperaturer.
Første type af hærdningsskørhed
Temperaturområde: 250°C til 350°C.
Karakteristika: Hvis hærdet stål anløbes inden for dette temperaturområde, er det meget sandsynligt, at det udvikler denne type anløbningsskørhed, som ikke kan elimineres.
Løsning: Undgå at anløbe hærdet stål inden for dette temperaturområde.
Den første type anløbningsskørhed er også kendt som lavtemperaturanløbningsskørhed eller irreversibel anløbningsskørhed.
Ⅵ. Hærdning
1. Anløbning er en afsluttende varmebehandlingsproces, der følger efter bratkøling.
Hvorfor skal hærdede ståltyper hærdes?
Mikrostruktur efter bratkøling: Efter bratkøling består stålets mikrostruktur typisk af martensit og resterende austenit. Begge er metastabile faser og vil transformere under visse forhold.
Martensits egenskaber: Martensit er karakteriseret ved høj hårdhed, men også høj sprødhed (især i nålelignende martensit med højt kulstofindhold), som ikke opfylder ydeevnekravene til mange anvendelser.
Karakteristika for martensitisk transformation: Transformationen til martensit sker meget hurtigt. Efter bratkøling har emnet resterende indre spændinger, der kan føre til deformation eller revner.
Konklusion: Emnet kan ikke bruges direkte efter bratkøling! Anløbning er nødvendig for at reducere indre spændinger og forbedre emnets sejhed, hvilket gør det egnet til brug.
2. Forskellen mellem hærdbarhed og hærdningskapacitet:
Hærdbarhed:
Hærdbarhed refererer til ståls evne til at opnå en vis hærdningsdybde (dybden af det hærdede lag) efter bratkøling. Det afhænger af stålets sammensætning og struktur, især dets legeringselementer og ståltypen. Hærdbarhed er et mål for, hvor godt stålet kan hærde i hele sin tykkelse under bratkølingsprocessen.
Hårdhed (hærdningsevne):
Hårdhed, eller hærdningsevne, refererer til den maksimale hårdhed, der kan opnås i stålet efter bratkøling. Den er i høj grad påvirket af stålets kulstofindhold. Højere kulstofindhold fører generelt til højere potentiel hårdhed, men dette kan begrænses af stålets legeringselementer og effektiviteten af bratkølingsprocessen.
3. Stålets hærdbarhed
√Begrebet hærdbarhed
Hærdbarhed refererer til ståls evne til at opnå en vis dybde af martensitisk hærdning efter bratkøling fra austenitiseringstemperaturen. Enklere sagt er det ståls evne til at danne martensit under bratkøling.
Måling af hærdbarhed
Hærdelighedens størrelse er angivet ved dybden af det hærdede lag, der opnås under specificerede betingelser efter bratkøling.
Hærdet lagdybde: Dette er dybden fra emnets overflade til det område, hvor strukturen er halvt martensit.
Almindelige slukningsmedier:
•Vand
Karakteristika: Økonomisk med stærk køleevne, men har en høj kølehastighed nær kogepunktet, hvilket kan føre til overdreven afkøling.
Anvendelse: Anvendes typisk til kulstofstål.
Saltvand: En opløsning af salt eller alkali i vand, som har en højere køleevne ved høje temperaturer sammenlignet med vand, hvilket gør den velegnet til kulstofstål.
•Olie
Karakteristika: Giver en langsommere kølehastighed ved lave temperaturer (nær kogepunktet), hvilket effektivt reducerer tendensen til deformation og revner, men har lavere køleevne ved høje temperaturer.
Anvendelse: Velegnet til legeret stål.
Typer: Omfatter køleolie, maskinolie og dieselolie.
Opvarmningstid
Opvarmningstiden består af både opvarmningshastigheden (den tid, det tager at nå den ønskede temperatur) og holdetiden (den tid, det tager at opretholde den ønskede temperatur).
Principper for bestemmelse af opvarmningstid: Sørg for ensartet temperaturfordeling i hele emnet, både indvendigt og udvendigt.
Sørg for fuldstændig austenitisering, og at den dannede austenit er ensartet og fin.
Grundlag for bestemmelse af opvarmningstid: Estimeres normalt ved hjælp af empiriske formler eller bestemmes gennem eksperimenter.
Slukningsmedier
To nøgleaspekter:
a. Kølehastighed: En højere kølehastighed fremmer dannelsen af martensit.
b. Restspænding: En højere afkølingshastighed øger restspændingen, hvilket kan føre til en større tendens til deformation og revner i emnet.
Ⅶ. Normalisering
1. Definition af normalisering
Normalisering er en varmebehandlingsproces, hvor stål opvarmes til en temperatur på 30°C til 50°C over Ac3-temperaturen, holdes ved denne temperatur og derefter luftkøles for at opnå en mikrostruktur tæt på ligevægtstilstanden. Sammenlignet med udglødning har normalisering en hurtigere afkølingshastighed, hvilket resulterer i en finere perlitstruktur (P) og højere styrke og hårdhed.
2. Formålet med normalisering
Formålet med normalisering ligner formålet med udglødning.
3. Anvendelser af normalisering
•Eliminer netværksbundet sekundær cementit.
•Fungerer som den sidste varmebehandling til dele med lavere krav.
•Fungerer som en forberedende varmebehandling af konstruktionsstål med lavt og mellemt kulstofindhold for at forbedre bearbejdeligheden.
4. Typer af udglødning
Første type udglødning:
Formål og funktion: Målet er ikke at fremkalde fasetransformation, men at overføre stålet fra en ubalanceret tilstand til en afbalanceret tilstand.
Typer:
•Diffusionsglødning: Har til formål at homogenisere sammensætningen ved at eliminere segregation.
• Omkrystallisationsglødning: Gendanner duktiliteten ved at eliminere virkningerne af deformationshærdning.
•Stressaflastningsglødning: Reducerer indre spændinger uden at ændre mikrostrukturen.
Anden type udglødning:
Formål og funktion: Har til formål at ændre mikrostrukturen og egenskaberne og opnå en perlitdomineret mikrostruktur. Denne type sikrer også, at fordelingen og morfologien af perlit, ferrit og karbider opfylder specifikke krav.
Typer:
• Fuld udglødning: Opvarmer stålet til over Ac3-temperaturen og afkøler det derefter langsomt for at producere en ensartet perlitstruktur.
• Ufuldstændig udglødning: Opvarmer stålet til mellem Ac1- og Ac3-temperaturer for delvist at transformere strukturen.
•Isotermisk udglødning: Opvarmer stålet til over Ac3, efterfulgt af hurtig afkøling til en isotermisk temperatur og fastholdelse for at opnå den ønskede struktur.
• Sfæroidiserende udglødning: Producerer en sfæroidal hårdmetalstruktur, hvilket forbedrer bearbejdelighed og sejhed.
Ⅷ.1. Definition af varmebehandling
Varmebehandling refererer til en proces, hvor metal opvarmes, holdes ved en bestemt temperatur og derefter afkøles, mens det er i fast tilstand, for at ændre dets indre struktur og mikrostruktur og derved opnå de ønskede egenskaber.
2. Karakteristika for varmebehandling
Varmebehandling ændrer ikke emnets form; i stedet ændrer den stålets indre struktur og mikrostruktur, hvilket igen ændrer stålets egenskaber.
3. Formål med varmebehandling
Formålet med varmebehandling er at forbedre stålets (eller emners) mekaniske eller forarbejdningsmæssige egenskaber, fuldt ud udnytte stålets potentiale, forbedre emnets kvalitet og forlænge dets levetid.
4. Hovedkonklusion
Om et materiales egenskaber kan forbedres gennem varmebehandling afhænger afgørende af, om der sker ændringer i dets mikrostruktur og struktur under opvarmnings- og afkølingsprocessen.
Opslagstidspunkt: 19. august 2024