Ⅰ.Основная концепция термической обработки.
А.Основная концепция термической обработки.
Основные элементы и функциитермическая обработка:
1.Отопление
Целью является получение однородной и мелкодисперсной структуры аустенита.
2.Удерживание
Цель — обеспечить тщательный прогрев заготовки и предотвратить ее обезуглероживание и окисление.
3.Охлаждение
Целью является преобразование аустенита в различные микроструктуры.
Микроструктуры после термообработки
В процессе охлаждения после нагрева и выдержки аустенит в зависимости от скорости охлаждения преобразуется в различные микроструктуры. Разные микроструктуры обладают различными свойствами.
Б.Основная концепция термической обработки.
Классификация, основанная на методах нагрева и охлаждения, а также микроструктуре и свойствах стали
1. Обычная термическая обработка (общая термическая обработка): отпуск, отжиг, нормализация, закалка
2. Поверхностная термическая обработка: поверхностная закалка, поверхностная закалка с индукционным нагревом, поверхностная закалка с пламенным нагревом, поверхностная закалка с электроконтактным нагревом.
3. Химико-термическая обработка: цементация, азотирование, нитроцементация.
4. Другие виды термообработки: термообработка в контролируемой атмосфере, вакуумная термообработка, деформационная термообработка.
C.Критическая температура сталей
Критическая температура превращения стали является важным критерием для определения процессов нагрева, выдержки и охлаждения при термической обработке. Она определяется диаграммой состояния железо–углерод.
Основной вывод:Фактическая критическая температура превращения стали всегда отстаёт от теоретической. Это означает, что при нагреве требуется перегрев, а при охлаждении — переохлаждение.
Ⅱ.Отжиг и нормализация стали
1. Определение отжига
Отжиг включает в себя нагрев стали до температуры выше или ниже критической точки Ac₁, выдержку ее при этой температуре, а затем медленное охлаждение, обычно в печи, для достижения структуры, близкой к равновесию.
2. Цель отжига
①Регулировка твердости для обработки: достижение обрабатываемой твердости в диапазоне HB170~230.
②Снятие остаточного напряжения: предотвращает деформацию или растрескивание во время последующих процессов.
③Улучшение структуры зерна: улучшение микроструктуры.
4. Подготовка к окончательной термической обработке: получение зернистого (сфероидизированного) перлита для последующей закалки и отпуска.
3.Сфероидизирующий отжиг
Характеристики процесса: Температура нагрева близка к точке Ac₁.
Назначение: сфероидизация цементита или карбидов в стали с образованием зернистого (сфероидизированного) перлита.
Область применения: используется для сталей эвтектоидного и гиперевтектоидного состава.
4. Диффузионный отжиг (гомогенизирующий отжиг)
Характеристики процесса: Температура нагревания немного ниже линии сольвуса на фазовой диаграмме.
Цель: устранение сегрегации.
①Для низкихуглеродистая стальпри содержании углерода менее 0,25% в качестве предварительной термической обработки предпочтительнее применять нормализацию, а не отжиг.
②Для среднеуглеродистой стали с содержанием углерода от 0,25% до 0,50% в качестве предварительной термической обработки можно использовать отжиг или нормализацию.
③Для средне- и высокоуглеродистой стали с содержанием углерода от 0,50% до 0,75% рекомендуется полный отжиг.
④Для высокогоуглеродистая стальпри содержании углерода более 0,75% сначала применяется нормализация для устранения сетки Fe₃C, а затем сфероидизирующий отжиг.
Ⅲ.Закалка и отпуск стали
А.Закалка
1. Определение закалки: Закалка включает нагрев стали до определенной температуры выше точки Ac₃ или Ac₁, выдержку при этой температуре, а затем охлаждение со скоростью, превышающей критическую скорость охлаждения, для образования мартенсита.
2. Цель закалки: Основная цель — получение мартенсита (иногда нижнего бейнита) для повышения твёрдости и износостойкости стали. Закалка — один из важнейших процессов термической обработки стали.
3. Определение температур закалки для различных марок стали
Доэвтектоидная сталь: Ac₃ + 30°C до 50°C
Эвтектоидная и заэвтектоидная сталь: Ac₁ от + 30°C до 50°C
Легированная сталь: от 50°C до 100°C выше критической температуры
4.Характеристики охлаждения идеальной закалочной среды:
Медленное охлаждение до температуры «носа»: для достаточного снижения термического напряжения.
Высокая охлаждающая способность вблизи температуры «носа»: позволяет избежать образования немартенситных структур.
Медленное охлаждение вблизи точки M₅: для минимизации напряжения, вызванного мартенситным превращением.
5.Методы закалки и их характеристики:
①Простая закалка: проста в применении и подходит для небольших деталей простой формы. Получаемая микроструктура — мартенсит (M).
②Двойная закалка: более сложный и трудноконтролируемый процесс, применяется для заготовок сложной формы из высокоуглеродистой стали и крупных легированных сталей. Образующаяся микроструктура — мартенсит (M).
③Закалка с закалкой: более сложный процесс, применяемый для крупных деталей из легированной стали сложной формы. Получаемая микроструктура — мартенсит (M).
④Изотермическая закалка: применяется для небольших деталей сложной формы с высокими требованиями. Получаемая микроструктура — нижний бейнит (B).
6. Факторы, влияющие на закаливаемость
Уровень закаливаемости зависит от устойчивости переохлаждённого аустенита в стали. Чем выше устойчивость переохлаждённого аустенита, тем лучше закаливаемость, и наоборот.
Факторы, влияющие на устойчивость переохлажденного аустенита:
Положение С-кривой: Если С-кривая смещается вправо, критическая скорость охлаждения при закалке уменьшается, что улучшает прокаливаемость.
Основной вывод:
Любой фактор, сдвигающий С-кривую вправо, увеличивает закаливаемость стали.
Основной фактор:
Химический состав: За исключением кобальта (Co), все легирующие элементы, растворенные в аустените, повышают прокаливаемость.
Чем ближе содержание углерода к эвтектоидному составу в углеродистой стали, тем больше С-кривая смещается вправо и тем выше прокаливаемость.
7. Определение и представление закаливаемости
① Испытание на закалку при торцевой закалке: Закаливаемость измеряется с использованием метода испытания на закалку при торцевой закалке.
②Метод критического диаметра закалки: критический диаметр закалки (D₀) представляет собой максимальный диаметр стали, которую можно полностью закалить в определенной закалочной среде.
Б.Закалка
1. Определение закалки
Отпуск — это процесс термической обработки, при котором закаленная сталь повторно нагревается до температуры ниже точки А₁, выдерживается при этой температуре, а затем охлаждается до комнатной температуры.
2. Цель закалки
Уменьшает или устраняет остаточные напряжения: предотвращает деформацию или растрескивание заготовки.
Уменьшает или устраняет остаточный аустенит: стабилизирует размеры заготовки.
Устранение хрупкости закаленной стали: корректировка микроструктуры и свойств в соответствии с требованиями к заготовке.
Важное примечание: Сталь следует отпускать сразу после закалки.
3.Процессы закалки
1.Низкий отпуск
Назначение: Снизить закалочные напряжения, повысить ударную вязкость заготовки, добиться высокой твердости и износостойкости.
Температура: 150°С ~ 250°С.
Характеристики: Твердость: HRC 58 ~ 64. Высокая твердость и износостойкость.
Применение: инструменты, формы, подшипники, цементированные детали и поверхностно закаленные компоненты.
2.Высокий отпуск
Назначение: достижение высокой вязкости при достаточной прочности и твёрдости.
Температура: 500°С ~ 600°С.
Характеристики: Твердость: HRC 25 ~ 35. Хорошие общие механические свойства.
Применение: валы, шестерни, шатуны и т. д.
Термическая очистка
Определение: Закалка с последующим высокотемпературным отпуском называется термическим улучшением, или просто отпуском. Сталь, обработанная таким способом, обладает превосходными эксплуатационными характеристиками и широко применяется.
Ⅳ.Поверхностная термическая обработка стали
А. Поверхностная закалка сталей
1. Определение поверхностной закалки
Поверхностная закалка — это процесс термической обработки, предназначенный для упрочнения поверхностного слоя детали путём быстрого нагрева до превращения его в аустенит, а затем быстрого охлаждения. Этот процесс осуществляется без изменения химического состава стали или структуры материала.
2. Материалы, используемые для поверхностного упрочнения и формирования структуры после упрочнения
Материалы, используемые для поверхностной закалки
Типичные материалы: среднеуглеродистая сталь и среднеуглеродистая легированная сталь.
Предварительная обработка: Типичный процесс: отпуск. Если свойства сердечника не критичны, можно использовать нормализацию.
Структура после затвердевания
Структура поверхности: Поверхностный слой обычно образует закаленную структуру, такую как мартенсит или бейнит, которая обеспечивает высокую твердость и износостойкость.
Структура сердечника: Сердцевина стали, как правило, сохраняет свою первоначальную структуру, например, перлитную или отпущенную, в зависимости от процесса предварительной обработки и свойств основного материала. Это обеспечивает сохранение высокой вязкости и прочности сердечника.
Б.Характеристики индукционной поверхностной закалки
1. Высокая температура нагрева и быстрый подъем температуры: индукционная поверхностная закалка обычно предполагает высокие температуры нагрева и высокую скорость нагрева, что позволяет добиться быстрого нагрева за короткое время.
2. Мелкозернистая структура аустенита в поверхностном слое: при быстром нагреве и последующей закалке в поверхностном слое формируются мелкозернистые аустенитные зерна. После закалки поверхность в основном состоит из мелкозернистого мартенсита, твёрдость которого обычно на 2–3 HRC выше, чем после обычной закалки.
3. Хорошее качество поверхности: Благодаря короткому времени нагрева поверхность заготовки менее подвержена окислению и обезуглероживанию, а деформация, вызванная закалкой, сведена к минимуму, что обеспечивает хорошее качество поверхности.
4. Высокая усталостная прочность: мартенситное фазовое превращение в поверхностном слое создает сжимающее напряжение, которое увеличивает усталостную прочность заготовки.
5. Высокая эффективность производства: Индукционная поверхностная закалка подходит для массового производства, обеспечивая высокую эксплуатационную эффективность.
C.Классификация химико-термической обработки
Цементация,Цементация,Цементация,Хромирование,Сизолирование,Сизолирование,Сизолирование,Карбонитрирование,Бороцементация
D. Газовая цементация
Газовая цементация — это процесс, при котором заготовка помещается в герметичную газовую печь для цементации и нагревается до температуры, при которой сталь превращается в аустенит. Затем в печь подается науглероживающий агент или непосредственно создается цементирующая атмосфера, что позволяет атомам углерода диффундировать в поверхностный слой заготовки. Этот процесс увеличивает содержание углерода (в %) на поверхности заготовки.
√Науглероживающие агенты:
•Газы с высоким содержанием углерода: такие как угольный газ, сжиженный углеводородный газ (СУГ) и т. д.
•Органические жидкости: такие как керосин, метанол, бензол и т. д.
√Параметры процесса цементации:
•Температура цементации: 920~950°C.
•Время науглероживания: зависит от желаемой глубины науглероженного слоя и температуры науглероживания.
E. Термическая обработка после цементации
После цементации сталь должна пройти термическую обработку.
Процесс термической обработки после цементации:
√Закалка + Низкотемпературный отпуск
1. Прямая закалка после предварительного охлаждения + низкотемпературный отпуск: заготовку предварительно охлаждают от температуры цементации до температуры чуть выше температуры Ar₁ сердечника, а затем немедленно закаливают, после чего следует низкотемпературный отпуск при температуре 160~180 °C.
2.Одинарная закалка после предварительного охлаждения + низкотемпературный отпуск: После цементации заготовку медленно охлаждают до комнатной температуры, затем повторно нагревают для закалки и низкотемпературного отпуска.
3. Двойная закалка после предварительного охлаждения + низкотемпературный отпуск: После цементации и медленного охлаждения заготовка проходит два этапа нагрева и закалки, а затем следует низкотемпературный отпуск.
Ⅴ. Химико-термическая обработка сталей
1. Определение химико-термической обработки
Химико-термическая обработка — это процесс термической обработки, при котором стальная заготовка помещается в специальную активную среду, нагревается и выдерживается при температуре, позволяющей активным атомам среды диффундировать в поверхность заготовки. Это изменяет химический состав и микроструктуру поверхности заготовки, тем самым изменяя её свойства.
2.Основной процесс химико-термической обработки
Разложение: При нагревании активная среда разлагается, высвобождая активные атомы.
Поглощение: Активные атомы адсорбируются поверхностью стали и растворяются в твердом растворе стали.
Диффузия: активные атомы, абсорбированные и растворенные на поверхности стали, мигрируют во внутреннюю часть.
Виды индукционной поверхностной закалки
а.Высокочастотный индукционный нагрев
Частота тока: 250~300 кГц.
Глубина закаленного слоя: 0,5~2,0 мм.
Применение: зубчатые передачи среднего и малого модуля, а также валы малого и среднего размера.
б. Индукционный нагрев средней частоты
Частота тока: 2500~8000 кГц.
Глубина закаленного слоя: 2~10 мм.
Применение: валы большего размера и зубчатые передачи большого и среднего размера.
в. Индукционный нагрев промышленной частоты
Частота тока: 50 Гц.
Глубина закаленного слоя: 10~15 мм.
Применение: Детали, требующие очень глубокого закаленного слоя.
3. Индукционная поверхностная закалка
Основной принцип индукционной поверхностной закалки
Эффект кожи:
Когда переменный ток в индукционной катушке индуцирует ток на поверхности заготовки, большая часть индуцированного тока концентрируется вблизи поверхности, в то время как ток практически не проходит через внутреннюю часть заготовки. Это явление известно как скин-эффект.
Принцип индукционной поверхностной закалки:
Благодаря скин-эффекту поверхность заготовки быстро нагревается до температуры аустенизации (до 800–1000 °C за несколько секунд), при этом внутренняя часть заготовки остаётся практически не нагретой. Затем заготовку охлаждают струёй воды, что обеспечивает поверхностную закалку.
4.Хрупкость при отпуске
Отпускная хрупкость в закаленной стали
Отпускная хрупкость — явление, при котором ударная вязкость закаленной стали существенно снижается при отпуске при определенных температурах.
Первый тип отпускной хрупкости
Диапазон температур: от 250°C до 350°C.
Характеристики: Если закаленную сталь отпустить в этом диапазоне температур, то велика вероятность развития этого типа отпускной хрупкости, устранить которую невозможно.
Решение: Избегайте отпуска закаленной стали в этом диапазоне температур.
Первый тип отпускной хрупкости также известен как низкотемпературная отпускная хрупкость или необратимая отпускная хрупкость.
Ⅵ.Закалка
1.Отпуск — это окончательный процесс термической обработки, следующий за закалкой.
Почему закаленные стали нуждаются в отпуске?
Микроструктура после закалки: После закалки микроструктура стали обычно состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Обе фазы являются метастабильными и могут претерпевать превращения при определённых условиях.
Свойства мартенсита: Мартенсит характеризуется высокой твердостью, но также высокой хрупкостью (особенно высокоуглеродистый игольчатый мартенсит), что не соответствует эксплуатационным требованиям для многих областей применения.
Характеристики мартенситного превращения: Превращение в мартенсит происходит очень быстро. После закалки в заготовке сохраняются остаточные внутренние напряжения, которые могут привести к деформации или образованию трещин.
Вывод: Заготовку нельзя использовать сразу после закалки! Отпуск необходим для снижения внутренних напряжений и повышения прочности заготовки, что делает её пригодной к использованию.
2. Разница между закаливаемостью и закаливаемостью:
Прокаливаемость:
Закаливаемость — это способность стали достигать определённой глубины закалки (глубины закалённого слоя) после закалки. Она зависит от состава и структуры стали, в частности, от её легирующих элементов и марки стали. Закаливаемость — это мера того, насколько хорошо сталь может закаляться по всей толщине в процессе закалки.
Твердость (способность к закалке):
Твёрдость, или способность к закалке, определяется максимальной твёрдостью, достигаемой в стали после закалки. Она в значительной степени зависит от содержания углерода в стали. Более высокое содержание углерода обычно приводит к более высокой потенциальной твёрдости, но её достижение может быть ограничено легирующими элементами стали и эффективностью процесса закалки.
3. Закаливаемость стали
√Концепция закаливаемости
Закаливаемость — это способность стали достигать определённой глубины мартенситного упрочнения после закалки от температуры аустенизации. Проще говоря, это способность стали образовывать мартенсит при закалке.
Измерение прокаливаемости
О величине прокаливаемости свидетельствует глубина закаленного слоя, полученного при определенных условиях после закалки.
Глубина закаленного слоя: это глубина от поверхности заготовки до области, где структура представляет собой половину мартенсита.
Распространенные закалочные среды:
•Вода
Характеристики: Экономичен и обладает высокой охлаждающей способностью, но имеет высокую скорость охлаждения вблизи точки кипения, что может привести к чрезмерному охлаждению.
Применение: Обычно используется для углеродистых сталей.
Соленая вода: раствор соли или щелочи в воде, обладающий более высокой охлаждающей способностью при высоких температурах по сравнению с водой, что делает его пригодным для углеродистых сталей.
•Масло
Характеристики: Обеспечивает более медленную скорость охлаждения при низких температурах (вблизи точки кипения), что эффективно снижает тенденцию к деформации и растрескиванию, но имеет меньшую охлаждающую способность при высоких температурах.
Применение: Подходит для легированных сталей.
Типы: Включает закалочное масло, машинное масло и дизельное топливо.
Время нагрева
Время нагрева состоит как из скорости нагрева (времени, необходимого для достижения желаемой температуры), так и времени выдержки (времени поддержания заданной температуры).
Принципы определения времени нагрева: Обеспечить равномерное распределение температуры по всей заготовке, как внутри, так и снаружи.
Обеспечьте полную аустенизацию и однородность и мелкодисперсность образовавшегося аустенита.
Основа определения времени нагрева: Обычно оценивается с помощью эмпирических формул или определяется экспериментальным путем.
Закалочные среды
Два ключевых аспекта:
а.Скорость охлаждения: Более высокая скорость охлаждения способствует образованию мартенсита.
б.Остаточное напряжение: более высокая скорость охлаждения увеличивает остаточное напряжение, что может привести к большей склонности к деформации и растрескиванию заготовки.
Ⅶ.Нормализация
1. Определение нормализации
Нормализация — это процесс термической обработки, при котором сталь нагревают до температуры на 30–50 °C выше температуры Ac3, выдерживают при этой температуре и затем охлаждают на воздухе для получения микроструктуры, близкой к равновесному состоянию. По сравнению с отжигом, нормализация характеризуется более высокой скоростью охлаждения, что приводит к формированию более мелкозернистой перлитной структуры (P) и повышению прочности и твёрдости.
2. Цель нормализации
Цель нормализации аналогична цели отжига.
3. Применение нормализации
•Устранить сетчатый вторичный цементит.
•Служит для окончательной термической обработки деталей с более низкими требованиями.
•Выполняет функцию подготовительной термической обработки для низко- и среднеуглеродистых конструкционных сталей с целью улучшения обрабатываемости.
4.Виды отжига
Первый тип отжига:
Назначение и функция: Цель состоит не в том, чтобы вызвать фазовое превращение, а в том, чтобы перевести сталь из неравновесного состояния в равновесное.
Типы:
•Диффузионный отжиг: направлен на гомогенизацию состава путем устранения сегрегации.
•Рекристаллизационный отжиг: восстанавливает пластичность, устраняя последствия наклепа.
•Отжиг для снятия напряжений: снижает внутренние напряжения без изменения микроструктуры.
Второй тип отжига:
Назначение и функция: направлено на изменение микроструктуры и свойств, достигая микроструктуры с преобладанием перлита. Этот тип обработки также обеспечивает соответствие распределения и морфологии перлита, феррита и карбидов заданным требованиям.
Типы:
•Полный отжиг: сталь нагревается выше температуры Ac3, а затем медленно охлаждается для получения однородной перлитной структуры.
•Неполный отжиг: нагревает сталь до температур Ac1 и Ac3 для частичного преобразования структуры.
•Изотермический отжиг: нагревает сталь до температуры выше Ас3, после чего следует быстрое охлаждение до изотермической температуры и выдержка для достижения желаемой структуры.
•Сфероидизирующий отжиг: создает сфероидальную структуру карбида, улучшающую обрабатываемость и прочность.
Ⅷ.1.Определение термической обработки
Термическая обработка — это процесс, при котором металл нагревают, выдерживают при определенной температуре, а затем охлаждают в твердом состоянии, чтобы изменить его внутреннюю структуру и микроструктуру и тем самым достичь желаемых свойств.
2.Характеристики термической обработки
Термическая обработка не изменяет форму заготовки; вместо этого она изменяет внутреннюю структуру и микроструктуру стали, что, в свою очередь, изменяет ее свойства.
3.Цель термической обработки
Целью термической обработки является улучшение механических или технологических свойств стали (или заготовок), полное использование потенциала стали, повышение качества заготовки и продление срока ее службы.
4. Ключевой вывод
Возможность улучшения свойств материала посредством термической обработки во многом зависит от того, происходят ли изменения в его микроструктуре и составе в процессе нагрева и охлаждения.
Время публикации: 19 августа 2024 г.