Ⅰ. Conceptul de bază al tratamentului termic.
A. Conceptul de bază al tratamentului termic.
Elementele și funcțiile de bază aletratament termic:
1. Încălzire
Scopul este de a obține o structură austenită uniformă și fină.
2. Menținerea
Scopul este de a asigura încălzirea completă a piesei de prelucrat și de a preveni decarburarea și oxidarea.
3. Răcire
Obiectivul este de a transforma austenita în diferite microstructuri.
Microstructuri după tratamentul termic
În timpul procesului de răcire, după încălzire și menținere, austenita se transformă în diferite microstructuri, în funcție de viteza de răcire. Microstructurile diferite prezintă proprietăți diferite.
B. Conceptul de bază al tratamentului termic.
Clasificare bazată pe metodele de încălzire și răcire, precum și pe microstructura și proprietățile oțelului
1. Tratament termic convențional (tratament termic general): revenire, recoacere, normalizare, călire
2. Tratament termic de suprafață: Călire de suprafață, Călire de suprafață prin încălzire prin inducție, Călire de suprafață prin încălzire cu flacără, Călire de suprafață prin încălzire prin contact electric.
3. Tratament termic chimic: carburare, nitrurare, carbonitrurare.
4. Alte tratamente termice: tratament termic în atmosferă controlată, tratament termic în vid, tratament termic prin deformare.
C. Temperatura critică a oțelurilor
Temperatura critică de transformare a oțelului este o bază importantă pentru determinarea proceselor de încălzire, menținere și răcire în timpul tratamentului termic. Aceasta este determinată de diagrama de fază fier-carbon.
Concluzie cheie:Temperatura critică reală de transformare a oțelului este întotdeauna în urma temperaturii critice teoretice de transformare. Aceasta înseamnă că este necesară supraîncălzirea în timpul încălzirii, iar subrăcirea în timpul răcirii.
Ⅱ. Recoacerea și normalizarea oțelului
1. Definiția recoacerii
Recoacerea implică încălzirea oțelului la o temperatură peste sau sub punctul critic Ac₁, menținându-l la acea temperatură, și apoi răcirea lentă a acestuia, de obicei în cuptor, pentru a obține o structură apropiată de echilibru.
2. Scopul recoacerii
①Ajustarea durității pentru prelucrare: Obținerea unei durități prelucrabile în intervalul HB170~230.
②Reduce stresul rezidual: Previne deformarea sau fisurarea în timpul proceselor ulterioare.
③Rafinarea structurii granulelor: Îmbunătățește microstructura.
④Pregătirea pentru tratamentul termic final: Se obține perlită granulară (sferoidizată) pentru călire și revenire ulterioare.
3. Recoacere sferoidizată
Specificații de proces: Temperatura de încălzire este aproape de punctul Ac₁.
Scop: Sferoidizarea cementitei sau carburilor din oțel, rezultând perlită granulară (sferoidizată).
Interval aplicabil: Se utilizează pentru oțeluri cu compoziții eutectoide și hipereutectoide.
4. Recoacere difuzivă (recoacere omogenă)
Specificații ale procesului: Temperatura de încălzire este puțin sub linia solvus de pe diagrama de fază.
Scop: Eliminarea segregării.
①Pentru niveluri scăzuteoțel carbonCu un conținut de carbon mai mic de 0,25%, normalizarea este preferată recoacerii ca tratament termic pregătitor.
②Pentru oțelul cu conținut mediu de carbon și un conținut de carbon între 0,25% și 0,50%, se poate utiliza fie recoacere, fie normalizare ca tratament termic pregătitor.
③Pentru oțelul cu conținut mediu până la ridicat de carbon, cu un conținut de carbon între 0,50% și 0,75%, se recomandă recoacerea completă.
④Pentru înaltă-oțel carbonCu un conținut de carbon mai mare de 0,75%, se utilizează mai întâi normalizarea pentru a elimina rețeaua Fe₃C, urmată de recoacere prin sferoidizare.
Ⅲ. Călirea și revenirea oțelului
A. Stingere
1. Definiția călirii: Călirea implică încălzirea oțelului la o anumită temperatură peste punctul Ac₃ sau Ac₁, menținerea acestuia la acea temperatură și apoi răcirea acestuia cu o viteză mai mare decât viteza critică de răcire pentru a forma martensită.
2. Scopul călirii: Scopul principal este de a obține martensită (sau uneori bainită inferioară) pentru a crește duritatea și rezistența la uzură a oțelului. Călirea este unul dintre cele mai importante procese de tratament termic pentru oțel.
3. Determinarea temperaturilor de călire pentru diferite tipuri de oțel
Oțel hipoeutectoid: Ac₃ + 30°C până la 50°C
Oțel eutectoid și hipereutectoid: Ac₁ + 30°C până la 50°C
Oțel aliat: 50°C până la 100°C peste temperatura critică
4. Caracteristicile de răcire ale unui mediu de călire ideal:
Răcire lentă înainte de temperatura „nasului”: Pentru a reduce suficient stresul termic.
Capacitate mare de răcire aproape de temperatura „nasului”: Pentru a evita formarea structurilor nemartensitice.
Răcire lentă în apropierea punctului M₅: Pentru a minimiza stresul indus de transformarea martensitică.
5. Metode de stingere și caracteristicile acestora:
①Călire simplă: Ușor de utilizat și potrivită pentru piese mici, cu forme simple. Microstructura rezultată este martensita (M).
②Dubla călire: Mai complexă și dificil de controlat, utilizată pentru piese de oțel cu conținut ridicat de carbon cu forme complexe și piese de oțel aliat mai mari. Microstructura rezultată este martensita (M).
③Călire prin rupere: Un proces mai complex, utilizat pentru piese mari din oțel aliat cu forme complexe. Microstructura rezultată este martensita (M).
④Călire izotermă: Se utilizează pentru piese mici, cu forme complexe, cu cerințe ridicate. Microstructura rezultată este bainita inferioară (B).
6. Factorii care afectează călibilitatea
Nivelul de călibilitate depinde de stabilitatea austenitei suprarăcite în oțel. Cu cât stabilitatea austenitei suprarăcite este mai mare, cu atât călibilitatea este mai bună și invers.
Factori care influențează stabilitatea austenitei suprarăcite:
Poziția curbei C: Dacă curba C se deplasează spre dreapta, viteza critică de răcire pentru călire scade, îmbunătățind călibilitatea.
Concluzie cheie:
Orice factor care deplasează curba C spre dreapta crește călibilitatea oțelului.
Factorul principal:
Compoziție chimică: Cu excepția cobaltului (Co), toate elementele de aliere dizolvate în austenită cresc călibilitatea.
Cu cât conținutul de carbon este mai apropiat de compoziția eutectoidă din oțelul carbon, cu atât curba C se deplasează mai mult spre dreapta și cu atât este mai mare călibilitatea.
7. Determinarea și reprezentarea călibilității
①Testul de călire la capătul călirii: Călibilitatea se măsoară folosind metoda testului de călire la capătul călirii.
②Metoda diametrului critic de călire: Diametrul critic de călire (D₀) reprezintă diametrul maxim al oțelului care poate fi complet călit într-un mediu de călire specific.
B. Revenire
1. Definiția revenirii
Revenirea este un proces de tratament termic în care oțelul călit este reîncălzit la o temperatură sub punctul A₁, menținut la această temperatură și apoi răcit la temperatura camerei.
2. Scopul temperarii
Reducerea sau eliminarea tensiunii reziduale: Previne deformarea sau fisurarea piesei de prelucrat.
Reducerea sau eliminarea austenitei reziduale: Stabilizează dimensiunile piesei de prelucrat.
Eliminarea fragilității oțelului călit: Ajustează microstructura și proprietățile pentru a îndeplini cerințele piesei de prelucrat.
Notă importantă: Oțelul trebuie revenit imediat după călire.
3. Procese de revenire
1. Revenire scăzută
Scop: Reducerea stresului de călire, îmbunătățirea tenacității piesei de prelucrat și obținerea unei durități și rezistențe la uzură ridicate.
Temperatură: 150°C ~ 250°C.
Performanță: Duritate: HRC 58 ~ 64. Duritate ridicată și rezistență la uzură.
Aplicații: Scule, matrițe, rulmenți, piese carburate și componente călite la suprafață.
2. Revenire înaltă
Scop: Obținerea unei tenacități ridicate, împreună cu o rezistență și o duritate suficiente.
Temperatură: 500°C ~ 600°C.
Performanță: Duritate: HRC 25 ~ 35. Proprietăți mecanice generale bune.
Aplicații: Arbori, angrenaje, biele etc.
Rafinare termică
Definiție: Călirea urmată de revenire la temperatură înaltă se numește rafinare termică sau, pe scurt, revenire. Oțelul tratat prin acest proces are performanțe generale excelente și este utilizat pe scară largă.
Ⅳ. Tratamentul termic superficial al oțelului
A. Călirea superficială a oțelurilor
1. Definiția călirii suprafeței
Călirea superficială este un proces de tratament termic conceput pentru a întări stratul superficial al unei piese de prelucrat prin încălzirea rapidă a acestuia pentru a transforma stratul superficial în austenită și apoi răcirea rapidă a acestuia. Acest proces se efectuează fără a modifica compoziția chimică a oțelului sau structura miezului materialului.
2. Materiale utilizate pentru întărirea suprafeței și structura post-întărire
Materiale utilizate pentru întărirea suprafeței
Materiale tipice: oțel cu conținut mediu de carbon și oțel aliat cu conținut mediu de carbon.
Pretratare: Proces tipic: Revenire. Dacă proprietățile miezului nu sunt critice, se poate utiliza normalizarea.
Structura post-întărire
Structura suprafeței: Stratul superficial formează de obicei o structură întărită, cum ar fi martensita sau bainita, care oferă o duritate ridicată și rezistență la uzură.
Structura miezului: Miezul oțelului își păstrează, în general, structura originală, cum ar fi perlită sau starea de revenire, în funcție de procesul de pretratare și de proprietățile materialului de bază. Acest lucru asigură menținerea unei tenacități și rezistențe bune a miezului.
B. Caracteristicile călirii superficiale prin inducție
1. Temperatură ridicată de încălzire și creștere rapidă a temperaturii: Călirea suprafeței prin inducție implică de obicei temperaturi ridicate de încălzire și rate rapide de încălzire, permițând o încălzire rapidă într-un timp scurt.
2. Structura granulelor fine de austenită în stratul superficial: În timpul încălzirii rapide și a procesului de călire ulterioară, stratul superficial formează granule fine de austenită. După călire, suprafața constă în principal din martensită fină, cu o duritate de obicei cu 2-3 HRC mai mare decât în cazul călirii convenționale.
3. Calitate bună a suprafeței: Datorită timpului scurt de încălzire, suprafața piesei de prelucrat este mai puțin predispusă la oxidare și decarburare, iar deformarea indusă de călire este redusă la minimum, asigurând o calitate bună a suprafeței.
4. Rezistență ridicată la oboseală: Transformarea fazei martensitice din stratul superficial generează solicitări de compresiune, ceea ce crește rezistența la oboseală a piesei de prelucrat.
5. Eficiență ridicată a producției: Călirea suprafeței prin inducție este potrivită pentru producția de masă, oferind o eficiență operațională ridicată.
C. Clasificarea tratamentului termic chimic
Cementare, Cementare, Cementare, Cromizare, Siliconizare, Siliconizare, Siliconizare, Carbonitrizare, Borocarburare
Carburare cu gaz D.
Cementarea cu gaz este un proces în care o piesă de prelucrat este plasată într-un cuptor etanș de cementare cu gaz și încălzită la o temperatură care transformă oțelul în austenită. Apoi, un agent de cementare este picurat în cuptor sau o atmosferă de cementare este introdusă direct, permițând atomilor de carbon să difuzeze în stratul superficial al piesei de prelucrat. Acest proces crește conținutul de carbon (wc%) de pe suprafața piesei de prelucrat.
√Agenți de carburare:
• Gaze bogate în carbon: cum ar fi gazul de cărbune, gazul petrolier lichefiat (GPL) etc.
• Lichide organice: cum ar fi kerosen, metanol, benzen etc.
√Parametrii procesului de carburare:
•Temperatura de carburare: 920~950°C.
•Timp de carburare: Depinde de adâncimea dorită a stratului carburat și de temperatura de carburare.
E. Tratament termic după carburare
Oțelul trebuie supus unui tratament termic după carburare.
Procesul de tratament termic după carburare:
√Călire + revenire la temperatură joasă
1. Călire directă după prerăcire + revenire la temperatură joasă: Piesa de prelucrat este prerăcită de la temperatura de carburare la puțin peste temperatura Ar₁ a miezului și apoi imediat călită, urmată de revenire la temperatură joasă la 160~180°C.
2. Călire simplă după prerăcire + revenire la temperatură joasă: După cementare, piesa de prelucrat este răcită lent la temperatura camerei, apoi reîncălzită pentru călire și revenire la temperatură joasă.
3. Călire dublă după prerăcire + revenire la temperatură joasă: După carburare și răcire lentă, piesa de prelucrat trece prin două etape de încălzire și călire, urmate de revenire la temperatură joasă.
Ⅴ. Tratament termic chimic al oțelurilor
1. Definiția tratamentului termic chimic
Tratamentul termic chimic este un proces de tratament termic în care o piesă de prelucrat din oțel este plasată într-un mediu activ specific, încălzită și menținută la o temperatură specifică, permițând atomilor activi din mediu să difuzeze în suprafața piesei de prelucrat. Aceasta modifică compoziția chimică și microstructura suprafeței piesei de prelucrat, alterându-i astfel proprietățile.
2. Procesul de bază al tratamentului termic chimic
Descompunere: În timpul încălzirii, mediul activ se descompune, eliberând atomi activi.
Absorbție: Atomii activi sunt adsorbiți de suprafața oțelului și se dizolvă în soluția solidă a oțelului.
Difuzie: Atomii activi absorbiți și dizolvați la suprafața oțelului migrează în interior.
Tipuri de călire a suprafeței prin inducție
a. Încălzire prin inducție de înaltă frecvență
Frecvența curentului: 250~300 kHz.
Adâncimea stratului întărit: 0,5~2,0 mm.
Aplicații: Angrenaje cu module medii și mici și arbori de dimensiuni mici și medii.
b. Încălzire prin inducție de frecvență medie
Frecvența curentului: 2500~8000 kHz.
Adâncimea stratului întărit: 2~10 mm.
Aplicații: Arbori mai mari și angrenaje cu module mari până la medii.
c. Încălzire prin inducție de frecvență de putere
Frecvența curentului: 50 Hz.
Adâncimea stratului întărit: 10~15 mm.
Aplicații: Piese care necesită un strat călit foarte adânc.
3. Călirea suprafeței prin inducție
Principiul de bază al călirii suprafeței prin inducție
Efectul pielii:
Când curentul alternativ din bobina de inducție induce un curent pe suprafața piesei de prelucrat, majoritatea curentului indus este concentrată în apropierea suprafeței, în timp ce aproape niciun curent nu trece prin interiorul piesei de prelucrat. Acest fenomen este cunoscut sub numele de efect pelicular.
Principiul călirii suprafeței prin inducție:
Pe baza efectului pelicular, suprafața piesei de prelucrat este încălzită rapid la temperatura de austenizare (crescând la 800~1000°C în câteva secunde), în timp ce interiorul piesei rămâne aproape neîncălzit. Piesa de prelucrat este apoi răcită prin pulverizare cu apă, realizându-se o întărire a suprafeței.
4. Fragilitatea temperamentului
Reducerea fragilității oțelului călit
Fragilitatea la revenire se referă la fenomenul prin care tenacitatea la impact a oțelului călit scade semnificativ atunci când este revenit la anumite temperaturi.
Primul tip de fragilitate prin revenire
Interval de temperatură: 250°C până la 350°C.
Caracteristici: Dacă oțelul călit este revenit în acest interval de temperatură, este foarte probabil să dezvolte acest tip de fragilitate la revenire, care nu poate fi eliminată.
Soluție: Evitați revenirea oțelului călit în acest interval de temperatură.
Primul tip de fragilitate la revenire este cunoscut și sub denumirea de fragilitate la revenire la temperatură joasă sau fragilitate ireversibilă la revenire.
Ⅵ.Revenire
1. Revenirea este un proces final de tratament termic care urmează călirii.
De ce au nevoie oțelurile călite de revenire?
Microstructura după călire: După călire, microstructura oțelului constă de obicei din martensită și austenită reziduală. Ambele sunt faze metastabile și se vor transforma în anumite condiții.
Proprietățile martensitei: Martensita se caracterizează printr-o duritate ridicată, dar și o fragilitate ridicată (în special în martensita aciculară cu conținut ridicat de carbon), ceea ce nu îndeplinește cerințele de performanță pentru multe aplicații.
Caracteristicile transformării martensitice: Transformarea în martensită are loc foarte rapid. După călire, piesa de prelucrat prezintă tensiuni interne reziduale care pot duce la deformare sau fisurare.
Concluzie: Piesa de prelucrat nu poate fi utilizată direct după călire! Revenirea este necesară pentru a reduce tensiunile interne și a îmbunătăți tenacitatea piesei de prelucrat, făcând-o potrivită pentru utilizare.
2. Diferența dintre călibilitate și capacitate de călire:
Călibilitate:
Călibilitatea se referă la capacitatea oțelului de a atinge o anumită adâncime de călire (adâncimea stratului călit) după călire. Aceasta depinde de compoziția și structura oțelului, în special de elementele sale de aliere și de tipul de oțel. Călibilitatea este o măsură a cât de bine se poate căli oțelul pe toată grosimea sa în timpul procesului de călire.
Duritate (Capacitate de călire):
Duritatea, sau capacitatea de călire, se referă la duritatea maximă care poate fi atinsă în oțel după călire. Aceasta este influențată în mare măsură de conținutul de carbon al oțelului. Un conținut mai mare de carbon duce, în general, la o duritate potențială mai mare, dar aceasta poate fi limitată de elementele de aliere ale oțelului și de eficacitatea procesului de călire.
3. Călibilitatea oțelului
√Conceptul de călibilitate
Călibilitatea se referă la capacitatea oțelului de a atinge o anumită adâncime de călire martensitică după călire de la temperatura de austenizare. Mai simplu spus, este capacitatea oțelului de a forma martensită în timpul călirii.
Măsurarea călibilității
Mărimea călibilității este indicată de adâncimea stratului întărit obținut în condiții specificate după călire.
Adâncimea stratului călit: Aceasta este adâncimea de la suprafața piesei de prelucrat până la regiunea în care structura este pe jumătate martensitică.
Medii de stingere comune:
•Apă
Caracteristici: Economic cu capacitate puternică de răcire, dar are o rată mare de răcire în apropierea punctului de fierbere, ceea ce poate duce la o răcire excesivă.
Aplicație: De obicei utilizată pentru oțeluri carbon.
Apă sărată: O soluție de sare sau alcali în apă, care are o capacitate de răcire mai mare la temperaturi ridicate în comparație cu apa, fiind potrivită pentru oțelurile carbon.
•Ulei
Caracteristici: Oferă o rată de răcire mai lentă la temperaturi scăzute (aproape de punctul de fierbere), ceea ce reduce eficient tendința de deformare și fisurare, dar are o capacitate de răcire mai mică la temperaturi ridicate.
Aplicație: Potrivit pentru oțeluri aliate.
Tipuri: Include ulei de răcire, ulei de mașină și motorină.
Timp de încălzire
Timpul de încălzire constă atât din viteza de încălzire (timpul necesar pentru atingerea temperaturii dorite), cât și din timpul de menținere (timpul menținut la temperatura țintă).
Principii pentru determinarea timpului de încălzire: Asigurați o distribuție uniformă a temperaturii pe întreaga piesă de prelucrat, atât în interior, cât și în exterior.
Asigurați austenitizarea completă și că austenita formată este uniformă și fină.
Baza pentru determinarea timpului de încălzire: De obicei, estimat folosind formule empirice sau determinat prin experimentare.
Medii de stingere
Două aspecte cheie:
a. Viteza de răcire: O viteză de răcire mai mare promovează formarea martensitei.
b. Tensiune reziduală: O rată de răcire mai mare crește tensiunea reziduală, ceea ce poate duce la o tendință mai mare de deformare și fisurare a piesei de prelucrat.
Ⅶ. Normalizare
1. Definiția normalizării
Normalizarea este un proces de tratament termic în care oțelul este încălzit la o temperatură cu 30°C până la 50°C peste temperatura Ac3, menținut la această temperatură și apoi răcit cu aer pentru a obține o microstructură apropiată de starea de echilibru. Comparativ cu recoacerea, normalizarea are o rată de răcire mai rapidă, rezultând o structură perlitică (P) mai fină și o rezistență și duritate mai mari.
2. Scopul normalizării
Scopul normalizării este similar cu cel al recoacerii.
3. Aplicații ale normalizării
• Eliminați cementitul secundar în rețea.
•Servește ca tratament termic final pentru piesele cu cerințe mai mici.
• Acționează ca tratament termic pregătitor pentru oțelul structural cu conținut scăzut și mediu de carbon pentru a îmbunătăți prelucrabilitatea.
4. Tipuri de recoacere
Primul tip de recoacere:
Scop și funcție: Scopul nu este de a induce o transformare de fază, ci de a trece oțelul dintr-o stare dezechilibrată într-o stare echilibrată.
Tipuri:
• Recoacere prin difuzie: Are ca scop omogenizarea compoziției prin eliminarea segregării.
• Recoacere de recristalizare: Reface ductilitatea prin eliminarea efectelor ecruisării.
• Recoacere pentru detensionare: Reduce tensiunile interne fără a altera microstructura.
Al doilea tip de recoacere:
Scop și funcție: Urmărește modificarea microstructurii și a proprietăților, obținând o microstructură dominată de perlită. Acest tip asigură, de asemenea, că distribuția și morfologia perlitei, feritei și carburilor îndeplinesc cerințe specifice.
Tipuri:
• Recoacere completă: Încălzește oțelul peste temperatura Ac3 și apoi îl răcește lent pentru a produce o structură uniformă de perlit.
• Recoacere incompletă: Încălzește oțelul între temperaturile Ac1 și Ac3 pentru a transforma parțial structura.
• Recoacere izotermă: Încălzește oțelul la o temperatură peste Ac3, urmată de răcire rapidă la o temperatură izotermă și menținere pentru a obține structura dorită.
• Recoacere sferoidizată: Produce o structură sferoidală de carbură, îmbunătățind prelucrabilitatea și tenacitatea.
Ⅷ.1. Definiția tratamentului termic
Tratamentul termic se referă la un proces în care metalul este încălzit, menținut la o anumită temperatură și apoi răcit în stare solidă pentru a-i modifica structura internă și microstructura, obținându-se astfel proprietățile dorite.
2. Caracteristicile tratamentului termic
Tratamentul termic nu modifică forma piesei de prelucrat; în schimb, modifică structura internă și microstructura oțelului, ceea ce, la rândul său, modifică proprietățile oțelului.
3. Scopul tratamentului termic
Scopul tratamentului termic este de a îmbunătăți proprietățile mecanice sau de prelucrare ale oțelului (sau pieselor de prelucrat), de a utiliza pe deplin potențialul oțelului, de a spori calitatea piesei de prelucrat și de a-i prelungi durata de viață.
4. Concluzie cheie
Îmbunătățirea proprietăților unui material prin tratament termic depinde în mod esențial de posibilitatea ca microstructura și structura sa să fie modificate în timpul procesului de încălzire și răcire.
Data publicării: 19 august 2024