Ⅰ. Grundprincipen för värmebehandling.
A. Grundprincipen för värmebehandling.
De grundläggande elementen och funktionerna hosvärmebehandling:
1. Uppvärmning
Syftet är att erhålla en enhetlig och fin austenitstruktur.
2. Hållande
Målet är att säkerställa att arbetsstycket värms upp ordentligt och att förhindra avkolning och oxidation.
3. Kylning
Målet är att omvandla austenit till olika mikrostrukturer.
Mikrostrukturer efter värmebehandling
Under kylningsprocessen efter uppvärmning och hållning omvandlas austeniten till olika mikrostrukturer beroende på kylningshastigheten. Olika mikrostrukturer uppvisar olika egenskaper.
B. Grundprincipen för värmebehandling.
Klassificering baserad på uppvärmnings- och kylningsmetoder, samt stålets mikrostruktur och egenskaper
1. Konventionell värmebehandling (övergripande värmebehandling): Anlöpning, glödgning, normalisering, kylning
2. Ytbehandling: Ytbehandling, induktionsvärmeytor, flamvärmeytor, elektrisk kontaktvärmeytor.
3. Kemisk värmebehandling: Karburering, nitrering, karbonitrering.
4. Andra värmebehandlingar: Värmebehandling med kontrollerad atmosfär, vakuumvärmebehandling, deformationsvärmebehandling.
C. Kritisk temperatur för stål
Den kritiska omvandlingstemperaturen för stål är en viktig grund för att bestämma uppvärmnings-, hållnings- och kylningsprocesserna under värmebehandling. Den bestäms av järn-kol-fasdiagrammet.
Viktig slutsats:Den faktiska kritiska omvandlingstemperaturen för stål ligger alltid efter den teoretiska kritiska omvandlingstemperaturen. Detta innebär att överhettning krävs under uppvärmning och underkylning under kylning.
Ⅱ. Glödgning och normalisering av stål
1. Definition av glödgning
Glödgning innebär att stål värms upp till en temperatur över eller under den kritiska punkten Ac₁, hålls vid den temperaturen, och sedan långsamt kyls ner, vanligtvis i ugnen, för att uppnå en struktur nära jämvikt.
2. Syftet med glödgning
①Justera hårdhet för bearbetning: Uppnå bearbetbar hårdhet i intervallet HB170~230.
②Avlastar kvarvarande spänningar: Förhindrar deformation eller sprickbildning under efterföljande processer.
③Förfina kornstrukturen: Förbättrar mikrostrukturen.
④Förberedelse för slutlig värmebehandling: Erhåller granulär (sfäroidiserad) perlit för efterföljande kylning och anlöpning.
3. Sfäroidiserande glödgning
Processspecifikationer: Uppvärmningstemperaturen är nära Ac₁-punkten.
Syfte: Att sfäroidisera cementiten eller karbiderna i stålet, vilket resulterar i granulär (sfäroidiserad) perlit.
Tillämpligt område: Används för stål med eutektoida och hypereutektoida sammansättningar.
4. Diffusionsglödgning (homogeniserande glödgning)
Processspecifikationer: Uppvärmningstemperaturen ligger något under solvuslinjen på fasdiagrammet.
Syfte: Att eliminera segregation.
①För låg-kolstålmed en kolhalt mindre än 0,25 % är normalisering att föredra framför glödgning som en förberedande värmebehandling.
②För stål med medelhög kolhalt och en kolhalt mellan 0,25 % och 0,50 % kan antingen glödgning eller normalisering användas som förberedande värmebehandling.
③För stål med medelhög till hög kolhalt med en kolhalt mellan 0,50 % och 0,75 % rekommenderas fullständig glödgning.
④För hög-kolstålMed en kolhalt större än 0,75 % används först normalisering för att eliminera nätverket Fe₃C, följt av sfäroidiseringsglödgning.
Ⅲ. Härdning och anlöpning av stål
A. Släckning
1. Definition av kylning: Kylning innebär att stål upphettas till en viss temperatur över Ac₃- eller Ac₁-punkten, hålls vid den temperaturen och sedan kyls ner med en hastighet som är större än den kritiska kylningshastigheten för att bilda martensit.
2. Syftet med härdning: Det primära målet är att erhålla martensit (eller ibland lägre bainit) för att öka stålets hårdhet och slitstyrka. Härdning är en av de viktigaste värmebehandlingsprocesserna för stål.
3. Bestämning av kylningstemperaturer för olika ståltyper
Hypoeutektoidt stål: Ac₃ + 30°C till 50°C
Eutektoid och hypereutektoid stål: Ac₁ + 30°C till 50°C
Legerat stål: 50°C till 100°C över den kritiska temperaturen
4. Kylegenskaper hos ett idealiskt kylmedium:
Långsam kylning före "nästemperatur": För att tillräckligt minska termisk stress.
Hög kylkapacitet nära "nästemperatur": För att undvika bildandet av icke-martensitiska strukturer.
Långsam kylning nära M₅-punkten: För att minimera den spänning som orsakas av martensitisk transformation.
5. Släckningsmetoder och deras egenskaper:
①Enkel kylning: Lätt att använda och lämplig för små arbetsstycken med enkla former. Den resulterande mikrostrukturen är martensit (M).
②Dubbelhärdning: Mer komplex och svårkontrollerad, används för komplexformade arbetsstycken av högkolstål och större legeringsstål. Den resulterande mikrostrukturen är martensit (M).
③Bruten härdning: En mer komplex process som används för stora, komplext formade arbetsstycken av legerat stål. Den resulterande mikrostrukturen är martensit (M).
④Isotermisk kylning: Används för små, komplext formade arbetsstycken med höga krav. Den resulterande mikrostrukturen är lägre bainit (B).
6. Faktorer som påverkar härdbarheten
Härdbarhetsgraden beror på stabiliteten hos den underkylda austeniten i stålet. Ju högre stabilitet den underkylda austeniten har, desto bättre härdbarhet, och vice versa.
Faktorer som påverkar stabiliteten hos underkyld austenit:
C-kurvans position: Om C-kurvan förskjuts åt höger minskar den kritiska kylningshastigheten för härdning, vilket förbättrar härdbarheten.
Viktig slutsats:
Varje faktor som förskjuter C-kurvan åt höger ökar stålets härdbarhet.
Huvudfaktor:
Kemisk sammansättning: Förutom kobolt (Co) ökar alla legeringselement lösta i austenit härdbarheten.
Ju närmare kolhalten är den eutektoida sammansättningen i kolstål, desto mer förskjuts C-kurvan åt höger och desto högre är härdbarheten.
7. Bestämning och representation av härdbarhet
①Ändsläckningshärdningstest: Härdbarheten mäts med hjälp av slutsläckningstestmetoden.
②Metod med kritisk kyldiameter: Den kritiska kyldiametern (D₀) representerar den maximala diametern på stål som kan härdas helt i ett specifikt kylmedium.
B. Anlöpning
1. Definition av anlöpning
Anlöpning är en värmebehandlingsprocess där kylt stål värms upp igen till en temperatur under A₁-punkten, hålls vid den temperaturen och sedan kyls ner till rumstemperatur.
2. Syftet med anlöpning
Minska eller eliminera kvarvarande spänning: Förhindrar deformation eller sprickbildning i arbetsstycket.
Reducera eller eliminera kvarvarande austenit: Stabiliserar arbetsstyckets dimensioner.
Eliminerar sprödhet hos kylt stål: Justerar mikrostrukturen och egenskaperna för att möta arbetsstyckets krav.
Viktig anmärkning: Stål bör anlöpas omedelbart efter kylning.
3. Anlöpningsprocesser
1. Låghärdning
Syfte: Att minska kylspänningen, förbättra arbetsstyckets seghet och uppnå hög hårdhet och slitstyrka.
Temperatur: 150°C ~ 250°C.
Prestanda: Hårdhet: HRC 58 ~ 64. Hög hårdhet och slitstyrka.
Användningsområden: Verktyg, formar, lager, karburerade delar och ythärdade komponenter.
2. Hög anlöpning
Syfte: Att uppnå hög seghet tillsammans med tillräcklig styrka och hårdhet.
Temperatur: 500°C ~ 600°C.
Prestanda: Hårdhet: HRC 25 ~ 35. Goda övergripande mekaniska egenskaper.
Användningsområden: Axlar, kugghjul, vevstakar etc.
Termisk raffinering
Definition: Härdning följt av högtemperaturanlöpning kallas termisk raffinering, eller helt enkelt anlöpning. Stål som behandlats med denna process har utmärkta prestanda och används flitigt.
Ⅳ. Ytbehandling av stål
A. Ytbehandling av stål
1. Definition av ythärdning
Ythärdning är en värmebehandlingsprocess som är utformad för att stärka ytskiktet på ett arbetsstycke genom att snabbt värma det för att omvandla ytskiktet till austenit och sedan snabbt kyla det. Denna process utförs utan att förändra stålets kemiska sammansättning eller materialets kärnstruktur.
2. Material som används för ythärdning och efterhärdning av struktur
Material som används för ythärdning
Typiska material: Medelstarkt kolstål och medelstarkt legerat stål.
Förbehandling: Typisk process: Anlöpning. Om kärnegenskaperna inte är kritiska kan normalisering användas istället.
Struktur efter härdning
Ytstruktur: Ytskiktet bildar vanligtvis en härdad struktur såsom martensit eller bainit, vilket ger hög hårdhet och slitstyrka.
Kärnstruktur: Stålets kärna behåller i allmänhet sin ursprungliga struktur, såsom perlit eller härdat tillstånd, beroende på förbehandlingsprocessen och basmaterialets egenskaper. Detta säkerställer att kärnan bibehåller god seghet och hållfasthet.
B. Egenskaper för induktionsythärdning
1. Hög uppvärmningstemperatur och snabb temperaturökning: Induktionsythärdning innebär vanligtvis höga uppvärmningstemperaturer och snabba uppvärmningshastigheter, vilket möjliggör snabb uppvärmning inom kort tid.
2. Fin austenitkornstruktur i ytskiktet: Under den snabba uppvärmningen och efterföljande kylningsprocessen bildar ytskiktet fina austenitkorn. Efter kylning består ytan huvudsakligen av fin martensit, med en hårdhet som vanligtvis är 2-3 HRC högre än konventionell kylning.
3. God ytkvalitet: På grund av den korta uppvärmningstiden är arbetsstyckets yta mindre benägen för oxidation och avkolning, och kylningsinducerad deformation minimeras, vilket säkerställer god ytkvalitet.
4. Hög utmattningshållfasthet: Den martensitiska fasomvandlingen i ytskiktet genererar tryckspänning, vilket ökar arbetsstyckets utmattningshållfasthet.
5. Hög produktionseffektivitet: Induktionsythärdning är lämplig för massproduktion och erbjuder hög driftseffektivitet.
C. Klassificering av kemisk värmebehandling
Karburering, Karburering, Karburisering, Kromering, Silikonisering, Silikonisering, Silikonisering, Karbonitrering, Borkarburering
D. Gaskarburering
Gaskarburisering är en process där ett arbetsstycke placeras i en sluten gaskarbureringsugn och värms upp till en temperatur som omvandlar stålet till austenit. Därefter droppas ett karbureringsmedel ner i ugnen, eller så införs en karburerande atmosfär direkt, vilket gör att kolatomer kan diffundera in i arbetsstyckets ytskikt. Denna process ökar kolhalten (wc%) på arbetsstyckets yta.
√Karburiseringsmedel:
•Kolrika gaser: Såsom kolgas, flytande petroleumgas (LPG) etc.
• Organiska vätskor: Såsom fotogen, metanol, bensen etc.
√Parametrar för karbureringsprocess:
•Karbureringstemperatur: 920~950°C.
• Karbureringstid: Beror på önskat djup av det karburerade lagret och karbureringstemperaturen.
E. Värmebehandling efter karburering
Stål måste genomgå värmebehandling efter karburering.
Värmebehandlingsprocess efter karburering:
√Släckning + Lågtemperaturanlöpning
1. Direkt kylning efter förkylning + lågtemperaturanlöpning: Arbetsstycket förkyls från uppkylningstemperaturen till strax över kärnans Ar₁-temperatur och kyls sedan omedelbart, följt av lågtemperaturanlöpning vid 160~180°C.
2. Enkel kylning efter förkylning + lågtemperaturanlöpning: Efter uppkolning kyls arbetsstycket långsamt till rumstemperatur och värms sedan upp igen för kylning och lågtemperaturanlöpning.
3. Dubbel kylning efter förkylning + lågtemperaturanlöpning: Efter karburering och långsam kylning genomgår arbetsstycket två steg av uppvärmning och kylning, följt av lågtemperaturanlöpning.
Ⅴ. Kemisk värmebehandling av stål
1. Definition av kemisk värmebehandling
Kemisk värmebehandling är en värmebehandlingsprocess där ett stålarbetsstycke placeras i ett specifikt aktivt medium, värms upp och hålls vid rätt temperatur, vilket gör att de aktiva atomerna i mediet kan diffundera in i arbetsstyckets yta. Detta förändrar arbetsstyckets kemiska sammansättning och mikrostruktur, vilket förändrar dess egenskaper.
2. Grundläggande process för kemisk värmebehandling
Nedbrytning: Under uppvärmning sönderdelas det aktiva mediet och frigör aktiva atomer.
Absorption: De aktiva atomerna adsorberas av stålets yta och löses upp i stålets fasta lösning.
Diffusion: De aktiva atomerna som absorberats och lösts upp på stålets yta migrerar in i det inre.
Typer av induktionsythärdning
a. Högfrekvent induktionsvärme
Strömfrekvens: 250~300 kHz.
Härdat lagerdjup: 0,5~2,0 mm.
Användningsområden: Medelstora och små modulväxlar och små till medelstora axlar.
b. Medelfrekvent induktionsvärme
Strömfrekvens: 2500~8000 kHz.
Härdat lagerdjup: 2~10 mm.
Användningsområden: Större axlar och stora till medelstora modulväxlar.
c. Induktionsvärme med effektfrekvens
Strömfrekvens: 50 Hz.
Härdat lagerdjup: 10~15 mm.
Användningsområden: Arbetsstycken som kräver ett mycket djupt härdat lager.
3. Induktionsythärdning
Grundprincip för induktionsythärdning
Hudeffekt:
När växelström i induktionsspolen inducerar en ström på arbetsstyckets yta, koncentreras majoriteten av den inducerade strömmen nära ytan, medan nästan ingen ström passerar genom arbetsstyckets inre. Detta fenomen är känt som skinneffekten.
Princip för induktionsythärdning:
Baserat på skinneffekten värms arbetsstyckets yta snabbt upp till austenitiseringstemperaturen (stiger till 800~1000°C på några sekunder), medan arbetsstyckets insida förblir nästan ouppvärmd. Arbetsstycket kyls sedan ner med vattensprutning, vilket uppnår ythärdning.
4. Temperbristhet
Anlöpning av sprödhet i kylt stål
Anlöpningssprödhet avser det fenomen där slagsegheten hos kylt stål minskar avsevärt vid anlöpning vid vissa temperaturer.
Första typen av härdningssprödhet
Temperaturområde: 250°C till 350°C.
Egenskaper: Om kylt stål anlöps inom detta temperaturområde är det mycket troligt att det utvecklar denna typ av anlöpningssprödhet, vilken inte kan elimineras.
Lösning: Undvik att anlöpa kylt stål inom detta temperaturområde.
Den första typen av anlöpningssprödhet är också känd som lågtemperaturanlöpningssprödhet eller irreversibel anlöpningssprödhet.
Ⅵ. Anlöpning
1. Anlöpning är en slutlig värmebehandlingsprocess som följer efter kylning.
Varför behöver kylda stål anlöpas?
Mikrostruktur efter kylning: Efter kylning består stålets mikrostruktur vanligtvis av martensit och kvarvarande austenit. Båda är metastabila faser och kommer att transformeras under vissa förhållanden.
Martensits egenskaper: Martensit kännetecknas av hög hårdhet men också hög sprödhet (särskilt i nålliknande martensit med hög kolhalt), vilket inte uppfyller prestandakraven för många tillämpningar.
Kännetecken för martensitisk omvandling: Omvandlingen till martensit sker mycket snabbt. Efter kylning har arbetsstycket kvarvarande inre spänningar som kan leda till deformation eller sprickbildning.
Slutsats: Arbetsstycket kan inte användas direkt efter kylning! Anlöpning är nödvändig för att minska inre spänningar och förbättra arbetsstyckets seghet, vilket gör det lämpligt för användning.
2. Skillnaden mellan härdbarhet och härdningskapacitet:
Härdbarhet:
Härdbarhet avser stålets förmåga att uppnå ett visst härdningsdjup (djupet av det härdade lagret) efter kylning. Det beror på stålets sammansättning och struktur, särskilt dess legeringselement och ståltypen. Härdbarhet är ett mått på hur väl stålet kan härda genom hela sin tjocklek under kylningsprocessen.
Hårdhet (härdningskapacitet):
Hårdhet, eller härdningskapacitet, avser den maximala hårdhet som kan uppnås i stålet efter kylning. Den påverkas till stor del av stålets kolhalt. Högre kolhalt leder generellt till högre potentiell hårdhet, men detta kan begränsas av stålets legeringselement och kylningsprocessens effektivitet.
3. Stålets härdbarhet
√Begreppet härdbarhet
Härdbarhet avser stålets förmåga att uppnå ett visst djup av martensithärdning efter kylning från austenitiseringstemperaturen. Enklare uttryckt är det stålets förmåga att bilda martensit under kylning.
Mätning av härdbarhet
Härdbarhetens storlek indikeras av djupet av det härdade lagret som erhålls under specificerade förhållanden efter kylning.
Härdat lagerdjup: Detta är djupet från arbetsstyckets yta till det område där strukturen är halvt martensit.
Vanliga kylmedier:
•Vatten
Egenskaper: Ekonomisk med stark kylkapacitet, men har en hög kylningshastighet nära kokpunkten, vilket kan leda till överdriven kylning.
Användningsområde: Används vanligtvis för kolstål.
Saltvatten: En lösning av salt eller alkali i vatten, som har en högre kylkapacitet vid höga temperaturer jämfört med vatten, vilket gör den lämplig för kolstål.
•Olja
Egenskaper: Ger en långsammare kylningshastighet vid låga temperaturer (nära kokpunkten), vilket effektivt minskar tendensen till deformation och sprickbildning, men har lägre kylförmåga vid höga temperaturer.
Användningsområde: Lämplig för legerade stål.
Typer: Inkluderar kylolja, maskinolja och dieselbränsle.
Uppvärmningstid
Uppvärmningstiden består av både uppvärmningshastigheten (tiden det tar att nå önskad temperatur) och hålltiden (tiden som bibehålls vid måltemperaturen).
Principer för att bestämma uppvärmningstid: Säkerställ en jämn temperaturfördelning i hela arbetsstycket, både inuti och utvändigt.
Säkerställ fullständig austenitisering och att den bildade austeniten är jämn och fin.
Grund för att bestämma uppvärmningstid: Vanligtvis uppskattas med hjälp av empiriska formler eller bestäms genom experiment.
Släckmedia
Två viktiga aspekter:
a. Kylningshastighet: En högre kylningshastighet främjar bildandet av martensit.
b. Restspänning: En högre kylningshastighet ökar restspänningen, vilket kan leda till en större tendens till deformation och sprickbildning i arbetsstycket.
Ⅶ. Normalisering
1. Definition av normalisering
Normalisering är en värmebehandlingsprocess där stål upphettas till en temperatur på 30°C till 50°C över Ac3-temperaturen, hålls vid den temperaturen och sedan luftkyles för att erhålla en mikrostruktur nära jämviktstillståndet. Jämfört med glödgning har normalisering en snabbare kylningshastighet, vilket resulterar i en finare perlitstruktur (P) och högre hållfasthet och hårdhet.
2. Syftet med normalisering
Syftet med normalisering liknar det med glödgning.
3. Tillämpningar av normalisering
• Eliminera nätverksbunden sekundär cementit.
•Fungerar som slutlig värmebehandling för delar med lägre krav.
•Fungerar som en förberedande värmebehandling för konstruktionsstål med låg och medelhög kolhalt för att förbättra bearbetbarheten.
4. Typer av glödgning
Första typen av glödgning:
Syfte och funktion: Målet är inte att framkalla fasomvandling utan att övergå i stålet från ett obalanserat tillstånd till ett balanserat tillstånd.
Typer:
•Diffusionsglödgning: Syftar till att homogenisera kompositionen genom att eliminera segregation.
• Omkristallisationsglödgning: Återställer duktiliteten genom att eliminera effekterna av deformationshärdning.
• Spänningsavlastande glödgning: Minskar interna spänningar utan att förändra mikrostrukturen.
Andra typen av glödgning:
Syfte och funktion: Syftar till att förändra mikrostrukturen och egenskaperna för att uppnå en perlitdominerad mikrostruktur. Denna typ säkerställer också att distributionen och morfologin hos perlit, ferrit och karbider uppfyller specifika krav.
Typer:
• Fullständig glödgning: Värmer stålet över Ac3-temperaturen och kyler det sedan långsamt för att producera en enhetlig perlitstruktur.
•Ofullständig glödgning: Värmer stålet mellan Ac1- och Ac3-temperaturer för att delvis omvandla strukturen.
•Isotermisk glödgning: Värmer stålet till över Ac3, följt av snabb kylning till en isotermisk temperatur och hållning för att uppnå önskad struktur.
• Sfäroidiserande glödgning: Skapar en sfäroidal karbidstruktur, vilket förbättrar bearbetbarhet och seghet.
Ⅷ.1. Definition av värmebehandling
Värmebehandling avser en process där metall upphettas, hålls vid en specifik temperatur och sedan kyls ner medan den är i fast tillstånd för att förändra dess inre struktur och mikrostruktur och därigenom uppnå önskade egenskaper.
2. Egenskaper för värmebehandling
Värmebehandling förändrar inte arbetsstyckets form; istället förändrar den stålets inre struktur och mikrostruktur, vilket i sin tur förändrar stålets egenskaper.
3. Syfte med värmebehandling
Syftet med värmebehandling är att förbättra stålets (eller arbetsstyckenas) mekaniska egenskaper eller bearbetningsegenskaper, utnyttja stålets potential fullt ut, förbättra arbetsstyckets kvalitet och förlänga dess livslängd.
4. Viktig slutsats
Huruvida ett materials egenskaper kan förbättras genom värmebehandling beror kritiskt på om det sker förändringar i dess mikrostruktur och struktur under uppvärmnings- och kylningsprocessen.
Publiceringstid: 19 augusti 2024