Ⅰ. Det grunnleggende konseptet med varmebehandling.
A. Det grunnleggende konseptet med varmebehandling.
De grunnleggende elementene og funksjonene tilvarmebehandling:
1. Oppvarming
Hensikten er å oppnå en jevn og fin austenittstruktur.
2. Holding
Målet er å sikre at arbeidsstykket varmes grundig opp og å forhindre avkulling og oksidasjon.
3. Avkjøling
Målet er å omdanne austenitt til forskjellige mikrostrukturer.
Mikrostrukturer etter varmebehandling
Under avkjølingsprosessen etter oppvarming og holding omdannes austenitten til forskjellige mikrostrukturer avhengig av avkjølingshastigheten. Ulike mikrostrukturer viser forskjellige egenskaper.
B. Det grunnleggende konseptet med varmebehandling.
Klassifisering basert på oppvarmings- og kjølemetoder, samt mikrostruktur og egenskaper til stål
1. Konvensjonell varmebehandling (total varmebehandling): Tempering, gløding, normalisering, slokking
2. Overflatevarmebehandling: Overflateslukking, induksjonsoppvarmingsoverflateslukking, flammeoppvarmingsoverflateslukking, elektrisk kontaktoppvarmingsoverflateslukking.
3. Kjemisk varmebehandling: Karburering, nitrering, karbonitrering.
4. Andre varmebehandlinger: Varmebehandling med kontrollert atmosfære, vakuumvarmebehandling, deformasjonsvarmebehandling.
C. Kritisk temperatur for stål
Den kritiske transformasjonstemperaturen for stål er et viktig grunnlag for å bestemme oppvarmings-, holde- og kjøleprosessene under varmebehandling. Den bestemmes av jern-karbon fasediagrammet.
Viktig konklusjon:Den faktiske kritiske transformasjonstemperaturen for stål ligger alltid etter den teoretiske kritiske transformasjonstemperaturen. Dette betyr at overoppheting er nødvendig under oppvarming, og underkjøling er nødvendig under avkjøling.
Ⅱ. Gløding og normalisering av stål
1. Definisjon av gløding
Gløding innebærer å varme opp stål til en temperatur over eller under det kritiske punktet Ac₁, holde det ved den temperaturen, og deretter sakte avkjøle det, vanligvis i ovnen, for å oppnå en struktur nær likevekt.
2. Formålet med gløding
①Juster hardhet for maskinering: Oppnå maskinbar hardhet i området HB170~230.
②Lindre restspenning: Forhindrer deformasjon eller sprekkdannelser under påfølgende prosesser.
③Forbedre kornstrukturen: Forbedrer mikrostrukturen.
④Forberedelse for endelig varmebehandling: Oppnår granulær (sfæroidisert) perlitt for påfølgende bråkjøling og anløping.
3. Sfæroidiserende gløding
Prosessspesifikasjoner: Oppvarmingstemperaturen er nær Ac₁-punktet.
Formål: Å sfæroidisere sementitten eller karbidene i stålet, noe som resulterer i granulær (sfæroidisert) perlitt.
Gjeldende område: Brukes for stål med eutektoide og hypereutektoide sammensetninger.
4. Diffuserende gløding (homogeniserende gløding)
Prosessspesifikasjoner: Oppvarmingstemperaturen er litt under solvuslinjen på fasediagrammet.
Formål: Å eliminere segregering.
①For lav-karbonstålMed karboninnhold på mindre enn 0,25 % er normalisering å foretrekke fremfor gløding som en forberedende varmebehandling.
②For stål med middels karboninnhold med et karboninnhold mellom 0,25 % og 0,50 % kan enten gløding eller normalisering brukes som forberedende varmebehandling.
③For stål med middels til høyt karboninnhold og et karboninnhold mellom 0,50 % og 0,75 % anbefales full gløding.
④For høy-karbonstålMed et karboninnhold større enn 0,75 % brukes først normalisering for å eliminere nettverket Fe₃C, etterfulgt av sfæroidiserende gløding.
Ⅲ. Slokking og herding av stål
A. Slokking
1. Definisjon av bråkjøling: Bråkjøling innebærer å varme opp stål til en viss temperatur over Ac₃- eller Ac₁-punktet, holde det ved den temperaturen og deretter avkjøle det med en hastighet som er større enn den kritiske avkjølingshastigheten for å danne martensitt.
2. Formålet med bråkjøling: Hovedmålet er å utvinne martensitt (eller noen ganger lavere bainitt) for å øke stålets hardhet og slitestyrke. Bråkjøling er en av de viktigste varmebehandlingsprosessene for stål.
3. Bestemmelse av bråkjølingstemperaturer for ulike typer stål
Hypoeutektoid stål: Ac₃ + 30 °C til 50 °C
Eutektoid og hypereutektoid stål: Ac₁ + 30 °C til 50 °C
Legert stål: 50 °C til 100 °C over kritisk temperatur
4. Kjøleegenskaper til et ideelt bråkjølingsmedium:
Langsom avkjøling før "nese"-temperatur: For å redusere termisk stress tilstrekkelig.
Høy kjølekapasitet nær "nese"-temperatur: For å unngå dannelse av ikke-martensittiske strukturer.
Langsom avkjøling nær M₅-punktet: For å minimere spenningen indusert av martensittisk transformasjon.
5. Slukkemetoder og deres egenskaper:
①Enkel bråkjøling: Enkel å betjene og egnet for små arbeidsstykker med enkel form. Den resulterende mikrostrukturen er martensitt (M).
②Dobbelt bråkjøling: Mer kompleks og vanskeligere å kontrollere, brukes til kompleksformede arbeidsstykker av høykarbonstål og større legeringsstål. Den resulterende mikrostrukturen er martensitt (M).
③ Bruttherding: En mer kompleks prosess, brukt for store, komplekse legeringsstålstykker. Den resulterende mikrostrukturen er martensitt (M).
④Isotermisk bråkjøling: Brukes for små, komplekse arbeidsstykker med høye krav. Den resulterende mikrostrukturen er lavere bainitt (B).
6. Faktorer som påvirker herdbarheten
Herdbarhetsnivået avhenger av stabiliteten til den underkjølte austenitten i stål. Jo høyere stabilitet den underkjølte austenitten har, desto bedre er herdbarheten, og omvendt.
Faktorer som påvirker stabiliteten til superkjølt austenitt:
C-kurvens posisjon: Hvis C-kurven forskyves mot høyre, reduseres den kritiske kjølehastigheten for bråkjøling, noe som forbedrer herdbarheten.
Viktig konklusjon:
Enhver faktor som forskyver C-kurven til høyre øker stålets herdbarhet.
Hovedfaktor:
Kjemisk sammensetning: Med unntak av kobolt (Co) øker alle legeringselementer oppløst i austenitt herdbarheten.
Jo nærmere karboninnholdet er den eutektoide sammensetningen i karbonstål, desto mer forskyves C-kurven mot høyre, og desto høyere er herdbarheten.
7. Bestemmelse og representasjon av herdbarhet
①Herdbarhetstest for sluttslokking: Herdbarheten måles ved hjelp av sluttslokkingstestmetoden.
②Metode for kritisk bråkjølingsdiameter: Den kritiske bråkjølingsdiameteren (D₀) representerer den maksimale diameteren på stål som kan herdes fullstendig i et spesifikt bråkjølingsmedium.
B. Herding
1. Definisjon av herding
Anløping er en varmebehandlingsprosess der bråkjølt stål varmes opp igjen til en temperatur under A₁-punktet, holdes ved den temperaturen og deretter avkjøles til romtemperatur.
2. Formålet med temperering
Reduser eller eliminer restspenning: Forhindrer deformasjon eller sprekkdannelser i arbeidsstykket.
Reduser eller eliminer gjenværende austenitt: Stabiliserer arbeidsstykkets dimensjoner.
Eliminer sprøhet i bløtdekket stål: Justerer mikrostrukturen og egenskapene for å møte arbeidsstykkets krav.
Viktig merknad: Stål bør herdes umiddelbart etter bråkjøling.
3. Herdingsprosesser
1. Lav temperering
Formål: Å redusere slokkespenning, forbedre arbeidsstykkets seighet og oppnå høy hardhet og slitestyrke.
Temperatur: 150 °C ~ 250 °C.
Ytelse: Hardhet: HRC 58 ~ 64. Høy hardhet og slitestyrke.
Bruksområder: Verktøy, former, lagre, karburerte deler og overflateherdede komponenter.
2. Høy temperering
Formål: Å oppnå høy seighet sammen med tilstrekkelig styrke og hardhet.
Temperatur: 500 °C ~ 600 °C.
Ytelse: Hardhet: HRC 25 ~ 35. Gode mekaniske egenskaper generelt.
Bruksområder: Aksler, gir, forbindelsesstenger osv.
Termisk raffinering
Definisjon: Bråkjøling etterfulgt av høytemperaturherding kalles termisk raffinering, eller rett og slett herding. Stål behandlet med denne prosessen har utmerket total ytelse og er mye brukt.
Ⅳ. Overflatebehandling av stål
A. Overflateherding av stål
1. Definisjon av overflateherding
Overflateherding er en varmebehandlingsprosess som er utformet for å styrke overflatelaget på et arbeidsstykke ved raskt å varme det opp for å omdanne overflatelaget til austenitt og deretter raskt avkjøle det. Denne prosessen utføres uten å endre stålets kjemiske sammensetning eller materialets kjernestruktur.
2. Materialer brukt til overflateherding og etterherding av struktur
Materialer brukt til overflateherding
Typiske materialer: Medium karbonstål og medium karbonlegert stål.
Forbehandling: Typisk prosess: Anløping. Hvis kjerneegenskapene ikke er kritiske, kan normalisering brukes i stedet.
Struktur etter herding
Overflatestruktur: Overflatelaget danner vanligvis en herdet struktur som martensitt eller bainitt, som gir høy hardhet og slitestyrke.
Kjernestruktur: Stålets kjerne beholder vanligvis sin opprinnelige struktur, som perlitt eller herdet tilstand, avhengig av forbehandlingsprosessen og egenskapene til basismaterialet. Dette sikrer at kjernen opprettholder god seighet og styrke.
B. Kjennetegn ved induksjonsoverflateherding
1. Høy oppvarmingstemperatur og rask temperaturøkning: Induksjonsoverflateherding innebærer vanligvis høye oppvarmingstemperaturer og raske oppvarmingshastigheter, noe som gir rask oppvarming på kort tid.
2. Fin austenittkornstruktur i overflatelaget: Under den raske oppvarmingen og den påfølgende bråkjølingsprosessen danner overflatelaget fine austenittkorn. Etter bråkjøling består overflaten hovedsakelig av fin martensitt, med en hardhet som vanligvis er 2–3 HRC høyere enn konvensjonell bråkjøling.
3. God overflatekvalitet: På grunn av den korte oppvarmingstiden er arbeidsstykkets overflate mindre utsatt for oksidasjon og avkulling, og bråkjølingsindusert deformasjon minimeres, noe som sikrer god overflatekvalitet.
4. Høy utmattingsstyrke: Den martensittiske fasetransformasjonen i overflatelaget genererer trykkspenning, noe som øker arbeidsstykkets utmattingsstyrke.
5. Høy produksjonseffektivitet: Induksjonsoverflateherding er egnet for masseproduksjon og gir høy driftseffektivitet.
C. Klassifisering av kjemisk varmebehandling
Karburering, karburering, karburering, kromisering, silikonisering, silikonisering, silikonisering, karbonitrering, borkarburering
D. Gasskarburisering
Gasskarburering er en prosess der et arbeidsstykke plasseres i en lukket gasskarbureringsovn og varmes opp til en temperatur som omdanner stålet til austenitt. Deretter dryppes et karbureringsmiddel ned i ovnen, eller en karbureringsatmosfære introduseres direkte, slik at karbonatomer kan diffundere inn i overflatelaget på arbeidsstykket. Denne prosessen øker karboninnholdet (wc%) på arbeidsstykkets overflate.
√Karbureringsmidler:
• Karbonrike gasser: Slik som kullgass, flytende petroleumsgass (LPG) osv.
• Organiske væsker: Slik som parafin, metanol, benzen osv.
√Parametre for karbureringsprosess:
• Karbureringstemperatur: 920~950 °C.
• Karbureringstid: Avhenger av ønsket dybde på det karburerte laget og karbureringstemperaturen.
E. Varmebehandling etter karburering
Stål må gjennomgå varmebehandling etter karburering.
Varmebehandlingsprosess etter karburering:
√Slokking + Lavtemperaturherding
1. Direkte bråkjøling etter forkjøling + lavtemperaturanløping: Arbeidsstykket forkjøles fra karbureringstemperaturen til rett over kjernens Ar₁-temperatur og bråkjøles deretter umiddelbart, etterfulgt av lavtemperaturanløping ved 160~180 °C.
2. Enkel bråkjøling etter forkjøling + lavtemperaturanløping: Etter karburering avkjøles arbeidsstykket sakte til romtemperatur, og varmes deretter opp igjen for bråkjøling og lavtemperaturanløping.
3. Dobbel bråkjøling etter forkjøling + lavtemperaturanløping: Etter karburering og langsom avkjøling gjennomgår arbeidsstykket to trinn med oppvarming og bråkjøling, etterfulgt av lavtemperaturanløping.
Ⅴ. Kjemisk varmebehandling av stål
1. Definisjon av kjemisk varmebehandling
Kjemisk varmebehandling er en varmebehandlingsprosess der et stålstykke plasseres i et spesifikt aktivt medium, varmes opp og holdes ved en bestemt temperatur, slik at de aktive atomene i mediet kan diffundere inn i overflaten av arbeidsstykket. Dette endrer den kjemiske sammensetningen og mikrostrukturen til arbeidsstykkets overflate, og dermed endrer dets egenskaper.
2. Grunnleggende prosess for kjemisk varmebehandling
Nedbrytning: Under oppvarming brytes det aktive mediet ned, og aktive atomer frigjøres.
Absorpsjon: De aktive atomene adsorberes av ståloverflaten og løses opp i stålets faste løsning.
Diffusjon: De aktive atomene som absorberes og oppløses på overflaten av stålet migrerer inn i det indre.
Typer induksjonsoverflateherding
a. Høyfrekvent induksjonsoppvarming
Strømfrekvens: 250~300 kHz.
Herdet lagdybde: 0,5~2,0 mm.
Bruksområder: Mellomstore og små modulgir og små til mellomstore aksler.
b. Mediumfrekvens induksjonsoppvarming
Strømfrekvens: 2500~8000 kHz.
Herdet lagdybde: 2~10 mm.
Bruksområder: Større aksler og store til mellomstore modulgir.
c. Induksjonsoppvarming med effektfrekvens
Strømfrekvens: 50 Hz.
Herdet lagdybde: 10~15 mm.
Bruksområder: Arbeidsstykker som krever et veldig dypt herdet lag.
3. Induksjonsoverflateherding
Grunnprinsipp for induksjonsoverflateherding
Hudeffekt:
Når vekselstrøm i induksjonsspolen induserer en strøm på overflaten av arbeidsstykket, konsentreres mesteparten av den induserte strømmen nær overflaten, mens nesten ingen strøm passerer gjennom arbeidsstykkets indre. Dette fenomenet er kjent som skinneffekten.
Prinsipp for induksjonsoverflateherding:
Basert på skinneffekten varmes overflaten av arbeidsstykket raskt opp til austenittiseringstemperaturen (stiger til 800–1000 °C på noen få sekunder), mens arbeidsstykkets indre forblir nesten uoppvarmet. Arbeidsstykket avkjøles deretter ved vannspraying, noe som oppnår overflateherding.
4. Temperbrølhet
Herding av sprøhet i bråkjølt stål
Anløpssprøhet refererer til fenomenet der slagseigheten til bråkjølt stål avtar betydelig når det anløpes ved visse temperaturer.
Første type herdingssprøhet
Temperaturområde: 250 °C til 350 °C.
Kjennetegn: Hvis bråkjølt stål anløpes innenfor dette temperaturområdet, er det høyst sannsynlig at det utvikler denne typen anløpingssprøhet, som ikke kan elimineres.
Løsning: Unngå å herde bråkjølt stål innenfor dette temperaturområdet.
Den første typen anløpingssprøhet er også kjent som lavtemperaturanløpingssprøhet eller irreversibel anløpingssprøhet.
Ⅵ.Tempering
1. Anløpning er en siste varmebehandlingsprosess som følger etter bråkjøling.
Hvorfor trenger bråkjølte stål herding?
Mikrostruktur etter bråkjøling: Etter bråkjøling består stålets mikrostruktur vanligvis av martensitt og restaustenitt. Begge er metastabile faser og vil transformeres under visse forhold.
Egenskaper til martensitt: Martensitt kjennetegnes av høy hardhet, men også høy sprøhet (spesielt i nålelignende martensitt med høyt karboninnhold), som ikke oppfyller ytelseskravene for mange bruksområder.
Kjennetegn ved martensitttransformasjon: Transformasjonen til martensitt skjer svært raskt. Etter bråkjøling har arbeidsstykket gjenværende indre spenninger som kan føre til deformasjon eller sprekkdannelser.
Konklusjon: Arbeidsstykket kan ikke brukes direkte etter bråkjøling! Anløping er nødvendig for å redusere indre spenninger og forbedre arbeidsstykkets seighet, noe som gjør det egnet for bruk.
2. Forskjellen mellom herdbarhet og herdekapasitet:
Herdbarhet:
Herdbarhet refererer til stålets evne til å oppnå en viss herdedybde (dybden på det herdede laget) etter bråkjøling. Det avhenger av stålets sammensetning og struktur, spesielt legeringselementene og ståltypen. Herdbarhet er et mål på hvor godt stålet kan herde gjennom hele tykkelsen under bråkjølingsprosessen.
Hardhet (herdekapasitet):
Hardhet, eller herdekapasitet, refererer til den maksimale hardheten som kan oppnås i stålet etter bråkjøling. Den påvirkes i stor grad av karboninnholdet i stålet. Høyere karboninnhold fører generelt til høyere potensiell hardhet, men dette kan begrenses av stålets legeringselementer og effektiviteten til bråkjølingsprosessen.
3. Herdbarhet av stål
√Konseptet med herdbarhet
Herdbarhet refererer til stålets evne til å oppnå en viss dybde av martensittherding etter bråkjøling fra austenittiseringstemperaturen. Enklere sagt er det stålets evne til å danne martensitt under bråkjøling.
Måling av herdbarhet
Størrelsen på herdbarheten indikeres av dybden på det herdede laget som oppnås under spesifiserte forhold etter bråkjøling.
Herdet lagdybde: Dette er dybden fra overflaten av arbeidsstykket til området der strukturen er halvt martensitt.
Vanlige slokkemedier:
•Vann
Egenskaper: Økonomisk med sterk kjølekapasitet, men har høy kjølehastighet nær kokepunktet, noe som kan føre til overdreven kjøling.
Bruksområde: Vanligvis brukt for karbonstål.
Saltvann: En løsning av salt eller alkali i vann, som har høyere kjølekapasitet ved høye temperaturer sammenlignet med vann, noe som gjør den egnet for karbonstål.
•Olje
Kjennetegn: Gir en lavere kjølehastighet ved lave temperaturer (nær kokepunktet), noe som effektivt reduserer tendensen til deformasjon og sprekkdannelser, men har lavere kjølekapasitet ved høye temperaturer.
Bruksområde: Egnet for legert stål.
Typer: Omfatter bråkjølingsolje, maskinolje og diesel.
Oppvarmingstid
Oppvarmingstiden består av både oppvarmingshastigheten (tiden det tar å nå ønsket temperatur) og holdetiden (tiden som opprettholdes ved måltemperaturen).
Prinsipper for å bestemme oppvarmingstid: Sørg for jevn temperaturfordeling i hele arbeidsstykket, både innvendig og utvendig.
Sørg for fullstendig austenittisering og at den dannede austenitten er jevn og fin.
Grunnlag for bestemmelse av oppvarmingstid: Vanligvis estimert ved hjelp av empiriske formler eller bestemt gjennom eksperimentering.
Slokkingsmedier
To viktige aspekter:
a. Avkjølingshastighet: En høyere avkjølingshastighet fremmer dannelsen av martensitt.
b. Restspenning: En høyere avkjølingshastighet øker restspenningen, noe som kan føre til større tendens til deformasjon og sprekkdannelser i arbeidsstykket.
Ⅶ. Normalisering
1. Definisjon av normalisering
Normalisering er en varmebehandlingsprosess der stål varmes opp til en temperatur på 30 °C til 50 °C over Ac3-temperaturen, holdes ved denne temperaturen og deretter luftkjøles for å oppnå en mikrostruktur nær likevektstilstanden. Sammenlignet med gløding har normalisering en raskere avkjølingshastighet, noe som resulterer i en finere perlittstruktur (P) og høyere styrke og hardhet.
2. Formålet med normalisering
Formålet med normalisering er likt som for gløding.
3. Anvendelser av normalisering
•Eliminer nettverksbundet sekundær sementitt.
•Fungerer som den siste varmebehandlingen for deler med lavere krav.
•Fungerer som en forberedende varmebehandling for lav- og middels karbonkonstruksjonsstål for å forbedre maskinbarheten.
4. Typer av gløding
Første type gløding:
Formål og funksjon: Målet er ikke å indusere fasetransformasjon, men å gå over i stålet fra en ubalansert tilstand til en balansert tilstand.
Typer:
• Diffusjonsgløding: Har som mål å homogenisere sammensetningen ved å eliminere segregering.
• Omkrystalliseringsgløding: Gjenoppretter duktiliteten ved å eliminere effektene av deformasjonsherding.
•Stressavlastningsgløding: Reduserer indre spenninger uten å endre mikrostrukturen.
Andre type gløding:
Formål og funksjon: Har som mål å endre mikrostrukturen og egenskapene, og oppnå en perlittdominert mikrostruktur. Denne typen sikrer også at fordelingen og morfologien til perlitt, ferritt og karbider oppfyller spesifikke krav.
Typer:
• Fullgløding: Varmer opp stålet til over Ac3-temperaturen og kjøler det deretter sakte ned for å produsere en jevn perlittstruktur.
• Ufullstendig gløding: Oppvarmer stålet mellom Ac1- og Ac3-temperaturer for å delvis transformere strukturen.
•Isotermisk gløding: Oppvarmer stålet til over Ac3, etterfulgt av rask avkjøling til en isotermisk temperatur og holding for å oppnå ønsket struktur.
• Sfæroidiserende gløding: Produserer en sfæroidal karbidstruktur, noe som forbedrer maskinbarhet og seighet.
Ⅷ.1. Definisjon av varmebehandling
Varmebehandling refererer til en prosess der metall varmes opp, holdes ved en bestemt temperatur og deretter avkjøles mens det er i fast tilstand for å endre dets indre struktur og mikrostruktur, og dermed oppnå ønskede egenskaper.
2. Kjennetegn ved varmebehandling
Varmebehandling endrer ikke formen på arbeidsstykket; i stedet endrer den stålets indre struktur og mikrostruktur, som igjen endrer stålets egenskaper.
3. Formål med varmebehandling
Formålet med varmebehandling er å forbedre de mekaniske eller prosesseringsegenskapene til stål (eller arbeidsstykker), utnytte stålets potensial fullt ut, forbedre arbeidsstykkets kvalitet og forlenge levetiden.
4. Viktig konklusjon
Hvorvidt et materiales egenskaper kan forbedres gjennom varmebehandling avhenger kritisk av om det skjer endringer i mikrostrukturen og strukturen under oppvarmings- og avkjølingsprosessen.
Publisert: 19. august 2024