Ⅰ.Osnovni koncept toplinske obrade.
A. Osnovni koncept toplinske obrade.
Osnovni elementi i funkcijetoplinska obrada:
1. Grijanje
Cilj je dobiti ujednačenu i finu austenitnu strukturu.
2. Držanje
Cilj je osigurati da se obradak temeljito zagrije i spriječiti dekarburizacija i oksidacija.
3. Hlađenje
Cilj je transformirati austenit u različite mikrostrukture.
Mikrostrukture nakon toplinske obrade
Tijekom procesa hlađenja nakon zagrijavanja i držanja, austenit se transformira u različite mikrostrukture ovisno o brzini hlađenja. Različite mikrostrukture pokazuju različita svojstva.
B. Osnovni koncept toplinske obrade.
Klasifikacija na temelju metoda zagrijavanja i hlađenja, kao i mikrostrukture i svojstava čelika
1. Konvencionalna toplinska obrada (ukupna toplinska obrada): kaljenje, žarenje, normalizacija, gašenje
2. Površinska toplinska obrada: Površinsko kaljenje, Površinsko kaljenje indukcijskim grijanjem, Površinsko kaljenje plamenim grijanjem, Površinsko kaljenje električnim kontaktnim grijanjem.
3. Kemijska toplinska obrada: cementiranje, nitriranje, karbonitriranje.
4. Ostale toplinske obrade: toplinska obrada u kontroliranoj atmosferi, vakuumska toplinska obrada, deformacijska toplinska obrada.
C. Kritična temperatura čelika
Kritična temperatura transformacije čelika važna je osnova za određivanje procesa zagrijavanja, zadržavanja i hlađenja tijekom toplinske 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 tijekom zagrijavanja potrebno pregrijavanje, a tijekom hlađenja pothlađenje.
Ⅱ.Žarenje i normalizacija čelika
1. Definicija žarenja
Žarenje uključuje zagrijavanje čelika na temperaturu iznad ili ispod kritične točke Ac₁, održavanje na toj temperaturi, a zatim polagano 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 naprezanja: Sprječava deformaciju ili pucanje tijekom sljedećih procesa.
③Poboljšanje strukture zrna: Poboljšava mikrostrukturu.
④Priprema za završnu toplinsku obradu: Dobiva se granulirani (sferoidizirani) perlit za naknadno kaljenje i otpuštanje.
3. Sferoidizirajuće žarenje
Specifikacije procesa: Temperatura zagrijavanja je blizu točke Ac₁.
Namjena: Sferoidizirati cementit ili karbide u čeliku, što rezultira granuliranim (sferoidiziranim) perlitom.
Primjenjivo područje: 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: Ukloniti segregaciju.
①Za nisko-ugljični čelikS udjelom ugljika manjim od 0,25%, normalizacija je poželjnija od žarenja kao pripremne toplinske obrade.
②Za srednje ugljični čelik s udjelom ugljika između 0,25% i 0,50%, kao pripremna toplinska obrada može se koristiti žarenje ili normalizacija.
Za čelik srednjeg do visokog udjela ugljika s udjelom ugljika između 0,50% i 0,75% preporučuje se potpuno žarenje.
④Za visoko-ugljični čelikS udjelom ugljika većim od 0,75%, prvo se koristi normalizacija kako bi se uklonila mreža Fe₃C, nakon čega slijedi sferoidizirajuće žarenje.
Ⅲ. Kaljenje i popuštanje čelika
A. Kaljenje
1. Definicija kaljenja: Kaljenje uključuje zagrijavanje čelika na određenu temperaturu iznad točke 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 dobiti martenzit (ili ponekad niži bainit) kako bi se povećala tvrdoća i otpornost čelika na habanje. Kaljenje je jedan od najvažnijih procesa toplinske 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 temperature "nosa": Za dovoljno smanjenje toplinskog naprezanja.
Visoki kapacitet hlađenja blizu temperature "nosa": Kako bi se izbjeglo stvaranje nemartenzitnih struktura.
Sporo hlađenje blizu točke M₅: Kako bi se smanjilo naprezanje uzrokovano martenzitnom transformacijom.
5. Metode kaljenja i njihove karakteristike:
①Jednostavno kaljenje: Jednostavno za rukovanje i prikladno za male, jednostavno oblikovane obratke. Rezultirajuća mikrostruktura je martenzit (M).
②Dvostruko kaljenje: Složenije i teže za kontrolu, koristi se za složeno oblikovane visokougljične čelike i veće obradke od legiranog čelika. Rezultirajuća mikrostruktura je martenzit (M).
③Kaljenje lomova: Složeniji postupak, koristi se za velike, složeno oblikovane obratke od legiranog čelika. Rezultirajuća mikrostruktura je martenzit (M).
④Izotermno kaljenje: Koristi se za male, složeno oblikovane obratke s visokim zahtjevima. Rezultirajuća mikrostruktura je donji bainit (B).
6. Čimbenici koji utječu na prokaljivost
Razina prokaljivosti ovisi o stabilnosti pothlađenog austenita u čeliku. Što je veća stabilnost pothlađenog austenita, to je bolja prokaljivost i obrnuto.
Čimbenici koji utječu na stabilnost pothlađenog austenita:
Položaj C-krivulje: Ako se C-krivulja pomiče udesno, kritična brzina hlađenja za kaljenje se smanjuje, što poboljšava prokaljivost.
Ključni zaključak:
Bilo koji faktor koji pomiče C-krivulju udesno povećava prokaljivost čelika.
Glavni faktor:
Kemijski sastav: Osim kobalta (Co), svi legirajući elementi otopljeni u austenitu povećavaju prokaljivost.
Što je sadržaj ugljika bliži eutektoidnom sastavu u ugljičnom čeliku, to se C-krivulja više pomiče udesno, a time je i prokaljivost veća.
7. Određivanje i prikaz prokaljivosti
①Ispitivanje prokaljivosti na kraju kaljenja: Prokaljivost se mjeri metodom ispitivanja na kraju kaljenja.
②Metoda kritičnog promjera kaljenja: Kritični promjer kaljenja (D₀) predstavlja maksimalni promjer čelika koji se može potpuno okaliti u određenom mediju za kaljenje.
B. Kaljenje
1. Definicija kaljenja
Popuštanje je postupak toplinske obrade u kojem se kaljeni čelik ponovno zagrijava na temperaturu ispod točke A₁, drži na toj temperaturi, a zatim hladi na sobnu temperaturu.
2. Svrha kaljenja
Smanjite ili uklonite zaostali napon: Sprječava deformaciju ili pucanje obratka.
Smanjenje ili uklanjanje preostalog austenita: Stabilizira dimenzije obratka.
Uklanjanje krhkosti kaljenog čelika: Prilagođava mikrostrukturu i svojstva zahtjevima obratka.
Važna napomena: Čelik treba odmah popustiti nakon kaljenja.
3. Procesi kaljenja
1. Nisko kaljenje
Svrha: Smanjiti naprezanje kaljenja, poboljšati žilavost obratka i postići visoku tvrdoću i otpornost 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.
Termičko rafiniranje
Definicija: Kaljenje nakon čega slijedi popuštanje na visokoj temperaturi naziva se toplinsko rafiniranje ili jednostavno popuštanje. Čelik obrađen ovim postupkom ima izvrsne ukupne performanse i široko se koristi.
Ⅳ.Površinska toplinska obrada čelika
A. Površinsko kaljenje čelika
1. Definicija površinskog kaljenja
Površinsko kaljenje je proces toplinske obrade osmišljen za jačanje površinskog sloja obratka brzim zagrijavanjem radi pretvaranja površinskog sloja u austenit, a zatim brzim hlađenjem. Ovaj se proces provodi bez promjene kemijskog sastava čelika ili jezgrene strukture materijala.
2. Materijali korišteni za površinsko kaljenje i strukturu nakon kaljenja
Materijali korišteni za površinsko kaljenje
Tipični materijali: Srednje ugljični čelik i srednje ugljični legirani čelik.
Prethodna obrada: Tipičan postupak: Popuštanje. Ako osnovna svojstva nisu kritična, može se koristiti normalizacija.
Struktura nakon stvrdnjavanja
Površinska struktura: Površinski sloj obično tvori očvrsnutu strukturu poput martenzita ili bainita, što pruža visoku tvrdoću i otpornost na habanje.
Struktura jezgre: Jezgra čelika općenito zadržava svoju izvornu strukturu, poput perlita ili popuštenog stanja, ovisno o procesu prethodne obrade i svojstvima osnovnog materijala. To osigurava da jezgra 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 omogućuje brzo zagrijavanje u kratkom vremenu.
2. Struktura finih austenitnih zrna u površinskom sloju: Tijekom 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. Dobra kvaliteta površine: Zbog kratkog vremena zagrijavanja, površina obratka je manje sklona oksidaciji i dekarburizaciji, a deformacije uzrokovane kaljenjem su minimizirane, što osigurava dobru kvalitetu površine.
4. Visoka čvrstoća na zamor: Martenzitna fazna transformacija u površinskom sloju stvara tlačno naprezanje, što povećava čvrstoću na zamor obratka.
5. Visoka učinkovitost proizvodnje: Indukcijsko površinsko kaljenje prikladno je za masovnu proizvodnju, nudeći visoku operativnu učinkovitost.
C. Klasifikacija kemijske toplinske obrade
Naugljičenje, naugljičenje, naugljičenje, kromiranje, silikoniranje, silikoniranje, silikoniranje, karbonitriranje, borkarbonizacija
D.Plinska cementacija
Plinska cementacija je postupak u kojem se obradak stavlja u zatvorenu plinsku cementacijsku peć i zagrijava na temperaturu koja pretvara čelik u austenit. Zatim se u peć kapanjem uvodi sredstvo za cementaciju ili se izravno uvodi cementacijska atmosfera, što omogućuje atomima ugljika da difundiraju u površinski sloj obradka. Ovaj postupak povećava sadržaj ugljika (wc%) na površini obradka.
√Sredstva za naugljičenje:
• Plinovi bogati ugljikom: kao što su ugljeni plin, ukapljeni naftni plin (UNP) itd.
• Organske tekućine: Kao što su kerozin, metanol, benzen itd.
√Parametri procesa cementiranja:
• Temperatura cementiranja: 920~950°C.
• Vrijeme pougljičenja: Ovisi o željenoj dubini pougljičenog sloja i temperaturi pougljičenja.
E. Toplinska obrada nakon cementiranja
Čelik se nakon cementacije mora toplinski obraditi.
Postupak toplinske obrade nakon cementiranja:
√Kaljenje + otpuštanje na niskim temperaturama
1. Izravno kaljenje nakon predhlađenja + popuštanje na niskoj temperaturi: Obradak se predhlađenje vrši s temperature cementacije na temperaturu neposredno iznad temperature Ar₁ jezgre, a zatim se odmah kali, nakon čega slijedi popuštanje na niskoj temperaturi od 160~180°C.
2. Jednostruko kaljenje nakon prethodnog hlađenja + popuštanje na niskoj temperaturi: Nakon cementacije, obradak se polako hladi na sobnu temperaturu, a zatim ponovno zagrijava za kaljenje i popuštanje na niskoj temperaturi.
3. Dvostruko kaljenje nakon predhlađenja + popuštanje na niskoj temperaturi: Nakon cementacije i sporog hlađenja, obradak prolazi kroz dvije faze zagrijavanja i kaljenja, nakon čega slijedi popuštanje na niskoj temperaturi.
Ⅴ.Kemijska toplinska obrada čelika
1. Definicija kemijske toplinske obrade
Kemijska toplinska obrada je proces toplinske obrade u kojem se čelični obratak stavlja u određeni aktivni medij, zagrijava i drži na temperaturi, što omogućuje aktivnim atomima u mediju da difundiraju u površinu obratka. To mijenja kemijski sastav i mikrostrukturu površine obratka, čime se mijenjaju njegova svojstva.
2. Osnovni postupak kemijske toplinske obrade
Razgradnja: Tijekom zagrijavanja, aktivni medij se razgrađuje, oslobađajući aktivne atome.
Apsorpcija: Aktivni atomi se adsorbiraju na površini čelika i otapaju u čvrstoj otopini čelika.
Difuzija: Aktivni atomi apsorbirani i otopljeni na površini čelika migriraju u unutrašnjost.
Vrste indukcijskog površinskog kaljenja
a. Visokofrekventno indukcijsko grijanje
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 grijanje 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 visokoj 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
Učinak na kožu:
Kada izmjenična struja u indukcijskoj zavojnici inducira struju na površini obratka, većina inducirane struje koncentrirana je blizu površine, dok gotovo nikakva struja ne prolazi kroz unutrašnjost obratka. Taj je fenomen poznat kao skin efekt.
Princip indukcijskog površinskog kaljenja:
Na temelju 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 popušta unutar ovog temperaturnog raspona, vrlo je vjerojatno da će razviti ovu vrstu krhkosti pri popuštanju, koja se ne može ukloniti.
Rješenje: Izbjegavajte popuštanje kaljenog čelika unutar ovog temperaturnog raspona.
Prva vrsta krhkosti pri popuštanju poznata je i kao krhkost pri popuštanju na niskim temperaturama ili nepovratna krhkost pri popuštanju.
Ⅵ.Kaljenje
1. Popuštanje je završni proces toplinske obrade koji slijedi nakon kaljenja.
Zašto kaljeni čelici trebaju popuštanje?
Mikrostruktura nakon kaljenja: Nakon kaljenja, mikrostruktura čelika obično se 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 zadovoljava zahtjeve performansi za mnoge primjene.
Karakteristike martenzitne transformacije: Transformacija u martenzit događa se vrlo brzo. Nakon kaljenja, obradak ima zaostala unutarnja naprezanja koja mogu dovesti do deformacije ili pucanja.
Zaključak: Obradak se ne može koristiti odmah nakon kaljenja! Popuštanje je potrebno za smanjenje unutarnjih naprezanja i poboljšanje žilavosti obratka, čineći ga prikladnim za upotrebu.
2. Razlika između prokaljivosti i kapaciteta očvršćavanja:
Kaljivost:
Prokaljivost se odnosi na sposobnost čelika da postigne određenu dubinu otvrdnjavanja (dubinu okaljenog sloja) nakon kaljenja. Ovisi o sastavu i strukturi čelika, posebno o njegovim legirajućim elementima i vrsti čelika. Prokaljivost je mjera koliko dobro čelik može otvrdnuti po cijeloj svojoj debljini tijekom procesa kaljenja.
Tvrdoća (kapacitet očvršćavanja):
Tvrdoća, ili sposobnost kaljenja, odnosi se na maksimalnu tvrdoću koja se može postići u čeliku nakon kaljenja. Na nju uvelike utječe sadržaj ugljika u čeliku. Veći sadržaj ugljika općenito dovodi do veće potencijalne tvrdoće, ali to može biti ograničeno legirajućim elementima čelika i učinkovitošću procesa kaljenja.
3. Prokaljivost čelika
√Koncept prokaljivosti
Prokaljivost se odnosi na sposobnost čelika da postigne određenu dubinu martenzitnog očvršćivanja nakon kaljenja s temperature austenitizacije. Jednostavnije rečeno, to je sposobnost čelika da formira martenzit tijekom kaljenja.
Mjerenje prokaljivosti
Veličina prokaljivosti označena je dubinom okaljenog sloja dobivenog pod određenim uvjetima nakon kaljenja.
Dubina očvrslog sloja: To je dubina od površine obratka do područja gdje je struktura napola martenzitna.
Uobičajeni mediji za gašenje:
•Voda
Karakteristike: Ekonomičan s jakim rashladnim kapacitetom, ali ima visoku brzinu hlađenja blizu vrelišta, što može dovesti do prekomjernog hlađenja.
Primjena: Obično se koristi za ugljične čelike.
Slana voda: Otopina soli ili lužine u vodi koja ima veći kapacitet hlađenja pri visokim temperaturama u usporedbi s vodom, što je čini pogodnom za ugljične čelike.
•Ulje
Karakteristike: Omogućuje sporije hlađenje na niskim temperaturama (blizu vrelišta), što učinkovito smanjuje sklonost deformacijama i pucanju, ali ima nižu sposobnost hlađenja na visokim temperaturama.
Primjena: Pogodno za legirane čelike.
Vrste: Uključuje ulje za kaljenje, strojno ulje i dizelsko gorivo.
Vrijeme zagrijavanja
Vrijeme zagrijavanja sastoji se od brzine zagrijavanja (vrijeme potrebno za postizanje željene temperature) i vremena zadržavanja (vrijeme održavanja na ciljanoj temperaturi).
Načela za određivanje vremena zagrijavanja: Osigurajte jednoliku raspodjelu temperature po cijelom obratku, kako unutar tako i izvana.
Osigurajte potpunu austenitizaciju i da je formirani austenit ujednačen i fin.
Osnova za određivanje vremena zagrijavanja: Obično se procjenjuje pomoću empirijskih formula ili određuje eksperimentiranjem.
Mediji za gašenje
Dva ključna aspekta:
a. Brzina hlađenja: Veća brzina hlađenja potiče stvaranje martenzita.
b. Zaostalo naprezanje: Veća brzina hlađenja povećava zaostalo naprezanje, što može dovesti do veće sklonosti deformaciji i pucanju u obratku.
Ⅶ.Normaliziranje
1. Definicija normalizacije
Normalizacija je proces toplinske obrade u kojem se čelik zagrijava na temperaturu od 30°C do 50°C višu od temperature Ac3, održava na toj temperaturi, a zatim hladi zrakom kako bi se dobila mikrostruktura bliska ravnotežnom stanju. U usporedbi s žarenjem, normalizacija ima bržu brzinu hlađenja, što rezultira finijom perlitnom strukturom (P) te većom čvrstoćom i tvrdoćom.
2. Svrha normalizacije
Svrha normalizacije je slična svrsi žarenja.
3. Primjene normalizacije
• Uklonite umreženi sekundarni cementit.
•Služi kao završna toplinska obrada za dijelove s nižim zahtjevima.
• Djeluje kao pripremna toplinska obrada za konstrukcijski čelik s niskim i srednjim udjelom ugljika radi poboljšanja obradivosti.
4. Vrste žarenja
Prva vrsta žarenja:
Svrha i funkcija: Cilj nije izazvati faznu transformaciju, već prijeći čelik iz neuravnoteženog stanja u uravnoteženo stanje.
Vrste:
• Difuzijsko žarenje: Cilj je homogenizirati sastav uklanjanjem segregacije.
• Rekristalizacijsko žarenje: Vraća duktilnost uklanjanjem učinaka očvršćavanja.
• Žarenje za ublažavanje naprezanja: Smanjuje unutarnja naprezanja bez promjene mikrostrukture.
Druga vrsta žarenja:
Svrha i funkcija: Cilj je promijeniti mikrostrukturu i svojstva, postižući mikrostrukturu u kojoj dominira perlit. Ova vrsta također osigurava da raspodjela i morfologija perlita, ferita i karbida zadovoljavaju specifične zahtjeve.
Vrste:
• Potpuno žarenje: Zagrijavanje čelika iznad temperature Ac3, a zatim njegovo polagano 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 toplinske obrade
Toplinska obrada odnosi se na proces u kojem se metal zagrijava, drži na određenoj temperaturi, a zatim hladi dok je u krutom stanju kako bi se promijenila njegova unutarnja struktura i mikrostruktura, čime se postižu željena svojstva.
2. Karakteristike toplinske obrade
Toplinska obrada ne mijenja oblik obratka; umjesto toga, mijenja unutarnju strukturu i mikrostrukturu čelika, što zauzvrat mijenja svojstva čelika.
3. Svrha toplinske obrade
Svrha toplinske obrade je poboljšanje mehaničkih ili procesnih svojstava čelika (ili obratka), potpuno iskorištavanje potencijala čelika, poboljšanje kvalitete obratka i produljenje njegovog vijeka trajanja.
4. Ključni zaključak
Mogu li se svojstva materijala poboljšati toplinskom obradom ključno ovisi o tome postoje li promjene u njegovoj mikrostrukturi i strukturi tijekom procesa zagrijavanja i hlađenja.
Vrijeme objave: 19. kolovoza 2024.