Ⅰ.Основне поняття термічної обробки.
A. Основна концепція термічної обробки.
Основні елементи та функціїтермічна обробка:
1. Опалення
Мета полягає в отриманні однорідної та дрібної структури аустеніту.
2. Холдинг
Мета полягає в тому, щоб забезпечити ретельний нагрів заготовки та запобігти зневуглецюванню та окисленню.
3. Охолодження
Мета полягає в перетворенні аустеніту в різні мікроструктури.
Мікроструктури після термічної обробки
Під час процесу охолодження після нагрівання та витримки аустеніт перетворюється на різні мікроструктури залежно від швидкості охолодження. Різні мікроструктури демонструють різні властивості.
B. Основна концепція термічної обробки.
Класифікація на основі методів нагрівання та охолодження, а також мікроструктури та властивостей сталі
1. Звичайна термічна обробка (загальна термічна обробка): відпуск, відпал, нормалізація, гартування
2. Термічна обробка поверхні: гартування поверхні, індукційне нагрівання поверхні, гартування поверхні полум'ям, гартування поверхні електроконтактним нагріванням поверхні.
3. Хімічна термічна обробка: цементація, азотування, нітроцементація.
4. Інші види термічної обробки: термічна обробка в контрольованій атмосфері, вакуумна термічна обробка, деформаційна термічна обробка.
C. Критична температура сталей
Критична температура перетворення сталі є важливою основою для визначення процесів нагрівання, витримки та охолодження під час термічної обробки. Вона визначається фазовою діаграмою залізо-вуглець.
Ключовий висновок:Фактична критична температура перетворення сталі завжди відстає від теоретичної критичної температури перетворення. Це означає, що під час нагрівання потрібен перегрів, а під час охолодження — переохолодження.
Ⅱ.Відпал та нормалізація сталі
1. Визначення відпалу
Відпал включає нагрівання сталі до температури вище або нижче критичної точки Ac₁, утримання її при цій температурі, а потім повільне охолодження, зазвичай у печі, для досягнення структури, близької до рівноважної.
2. Мета відпалу
①Налаштування твердості для обробки: досягнення оброблюваної твердості в діапазоні HB170~230.
②Зняття залишкової напруги: запобігає деформації або розтріскуванню під час наступних процесів.
③Удосконалення структури зерна: Покращує мікроструктуру.
④Підготовка до остаточної термічної обробки: Отримання гранульованого (сфероїдизованого) перліту для подальшого гартування та відпуску.
3. Сфероїдизуючий відпал
Специфікації процесу: Температура нагрівання близька до точки Ac₁.
Призначення: Сфероїдизація цементиту або карбідів у сталі, що призводить до утворення гранульованого (сфероїдизованого) перліту.
Застосовуваний діапазон: Використовується для сталей з евтектоїдним та заевтектоїдним складом.
4. Дифузійний відпал (гомогенізуючий відпал)
Специфікації процесу: Температура нагрівання трохи нижча за лінію розчинення на фазовій діаграмі.
Мета: Усунути сегрегацію.
①Для низькихвуглецева стальПри вмісті вуглецю менше 0,25% нормалізація є кращою за відпал як підготовча термічна обробка.
②Для середньовуглецевої сталі з вмістом вуглецю від 0,25% до 0,50% як підготовчу термічну обробку можна використовувати відпал або нормалізація.
③Для середньо- та високовуглецевої сталі з вмістом вуглецю від 0,50% до 0,75% рекомендується повний відпал.
④Для високоївуглецева стальПри вмісті вуглецю понад 0,75% спочатку використовується нормалізація для видалення сітки Fe₃C, а потім сфероїдизуючий відпал.
Ⅲ.Загартування та відпуск сталі
A.Гасіння
1. Визначення гартування: Гартування включає нагрівання сталі до певної температури вище точки Ac₃ або Ac₁, витримування її при цій температурі, а потім охолодження зі швидкістю, що перевищує критичну швидкість охолодження, для утворення мартенситу.
2. Мета гартування: Основною метою є отримання мартенситу (або іноді нижчого бейніту) для підвищення твердості та зносостійкості сталі. Гартування є одним з найважливіших процесів термічної обробки сталі.
3. Визначення температур гартування для різних типів сталі
Гіпоевтектоїдна сталь: Ac₃ від +30°C до 50°C
Евтектоїдна та заевтектоїдна сталь: Ac₁ від +30°C до 50°C
Легована сталь: на 50°C до 100°C вище критичної температури
4. Характеристики охолодження ідеального середовища для гартування:
Повільне охолодження перед досягненням температури "носа": для достатнього зменшення термічного напруження.
Висока охолоджувальна здатність поблизу температури "носа": щоб уникнути утворення немартенситних структур.
Повільне охолодження поблизу точки M₅: для мінімізації напружень, викликаних мартенситним перетворенням.
5. Методи гасіння та їх характеристики:
①Просте гартування: Просте в експлуатації та підходить для невеликих заготовок простої форми. Отримана мікроструктура – мартенсит (М).
②Подвійне гартування: більш складне та важче контрольоване, використовується для складних заготовок з високовуглецевої сталі та великих легованих сталей. Отримана мікроструктура - мартенсит (М).
③Гартування з розривом: складніший процес, що використовується для великих заготовок з легованої сталі складної форми. Отримана мікроструктура – мартенсит (М).
④Ізотермічне гартування: Використовується для невеликих заготовок складної форми з високими вимогами. Отримана мікроструктура - нижній бейніт (B).
6. Фактори, що впливають на загартовуваність
Рівень прогартовуваності залежить від стабільності переохолодженого аустеніту в сталі. Чим вища стабільність переохолодженого аустеніту, тим краща прогартовуваність, і навпаки.
Фактори, що впливають на стабільність переохолодженого аустеніту:
Положення C-кривої: Якщо C-крива зміщується праворуч, критична швидкість охолодження для гартування зменшується, покращуючи прогартовуваність.
Ключовий висновок:
Будь-який фактор, що зміщує C-криву праворуч, збільшує прогартовуваність сталі.
Головний фактор:
Хімічний склад: За винятком кобальту (Co), усі легуючі елементи, розчинені в аустеніті, підвищують прогартовуваність.
Чим ближче вміст вуглецю до евтектоїдного складу у вуглецевій сталі, тим більше крива C зміщується праворуч і тим вища прогартовуваність.
7. Визначення та представлення загартовуваності
①Випробування на гартування кінцевим загартуванням: Гартування вимірюється методом випробування кінцевим загартуванням.
②Метод критичного діаметра гартування: Критичний діаметр гартування (D₀) являє собою максимальний діаметр сталі, який можна повністю загартувати в певному середовищі гартування.
B. Загартування
1. Визначення загартування
Відпуск – це процес термічної обробки, під час якого загартовану сталь повторно нагрівають до температури нижче точки A₁, витримують при цій температурі, а потім охолоджують до кімнатної температури.
2. Мета загартування
Зменшення або усунення залишкової напруги: запобігає деформації або розтріскуванню заготовки.
Зменшення або усунення залишкового аустеніту: стабілізує розміри заготовки.
Усунення крихкості загартованої сталі: Налаштовує мікроструктуру та властивості відповідно до вимог заготовки.
Важливе зауваження: Сталь слід відпускати одразу після гартування.
3. Процеси гартування
1. Низький відпуск
Мета: Зменшити гартове напруження, підвищити в'язкість заготовки та досягти високої твердості та зносостійкості.
Температура: 150°C ~ 250°C.
Характеристики: Твердість: HRC 58 ~ 64. Висока твердість та зносостійкість.
Застосування: інструменти, форми, підшипники, цементовані деталі та компоненти із загартованою поверхнею.
2. Високий відпуск
Мета: досягнення високої в'язкості разом із достатньою міцністю та твердістю.
Температура: 500°C ~ 600°C.
Характеристики: Твердість: HRC 25 ~ 35. Хороші загальні механічні властивості.
Застосування: Вали, шестерні, шатуни тощо.
Термічне рафінування
Визначення: Гартування з подальшим високотемпературним відпуском називається термічним рафінуванням або просто відпуском. Сталь, оброблена цим процесом, має чудові загальні характеристики та широко використовується.
Ⅳ.Поверхнева термічна обробка сталі
A. Поверхневе гартування сталей
1. Визначення поверхневого зміцнення
Поверхневе гартування – це процес термічної обробки, призначений для зміцнення поверхневого шару заготовки шляхом швидкого нагрівання її для перетворення поверхневого шару на аустеніт, а потім швидкого охолодження. Цей процес здійснюється без зміни хімічного складу сталі або основної структури матеріалу.
2. Матеріали, що використовуються для поверхневого зміцнення та структури після зміцнення
Матеріали, що використовуються для поверхневого зміцнення
Типові матеріали: середньовуглецева сталь та середньовуглецева легована сталь.
Попередня обробка: Типовий процес: Відпуск. Якщо основні властивості не є критичними, можна використовувати нормалізацію.
Структура після затвердіння
Структура поверхні: Поверхневий шар зазвичай утворює загартовану структуру, таку як мартенсит або бейніт, що забезпечує високу твердість і зносостійкість.
Структура серцевини: Серцевина сталі зазвичай зберігає свою початкову структуру, таку як перліт або відпущений стан, залежно від процесу попередньої обробки та властивостей основного матеріалу. Це забезпечує збереження серцевиною хорошої в'язкості та міцності.
B. Характеристики індукційного поверхневого зміцнення
1. Висока температура нагріву та швидке підвищення температури: Індукційне поверхневе гартування зазвичай передбачає високі температури нагріву та швидкі швидкості нагріву, що дозволяє швидко нагрівати протягом короткого часу.
2. Дрібнозерниста структура аустеніту в поверхневому шарі: Під час швидкого нагрівання та подальшого гартування поверхневий шар утворює дрібні зерна аустеніту. Після гартування поверхня складається переважно з дрібного мартенситу, твердість якого зазвичай на 2-3 HRC вища, ніж при звичайному гартуванні.
3. Гарна якість поверхні: Завдяки короткому часу нагрівання поверхня заготовки менш схильна до окислення та зневуглецювання, а деформація, викликана гартуванням, мінімізується, що забезпечує гарну якість поверхні.
4. Висока втомна міцність: Мартенситне фазове перетворення в поверхневому шарі створює стискаюче напруження, що збільшує втомну міцність заготовки.
5. Висока ефективність виробництва: Індукційне поверхневе гартування підходить для масового виробництва, забезпечуючи високу експлуатаційну ефективність.
C. Класифікація хімічної термічної обробки
Цементація, цементація, цементація, хромування, силіконізація, силіконізація, силіконізація, нітроцементація, бороцементація
D.Газове цементування
Газова карбюризація – це процес, під час якого заготовку поміщають у герметичну газову карбюризуючу піч і нагрівають до температури, яка перетворює сталь на аустеніт. Потім у піч краплями закачують карбюризуючий агент або безпосередньо вводять карбюризуючу атмосферу, що дозволяє атомам вуглецю дифундувати в поверхневий шар заготовки. Цей процес збільшує вміст вуглецю (wc%) на поверхні заготовки.
√Цуберізуючі агенти:
• Гази, багаті на вуглець: такі як вугільний газ, зріджений нафтовий газ (ЗНГ) тощо.
• Органічні рідини: такі як гас, метанол, бензол тощо.
√Параметри процесу карбюризації:
• Температура карбюризації: 920~950°C.
• Час цементації: залежить від бажаної глибини цементованого шару та температури цементації.
E. Термічна обробка після цементації
Сталь після цементації повинна пройти термічну обробку.
Процес термічної обробки після цементації:
√Гартування + Низькотемпературне відпускання
1. Пряме гартування після попереднього охолодження + низькотемпературний відпуск: Заготовку попередньо охолоджують від температури цементації трохи вище температури Ar₁ серцевини, а потім негайно гартують, після чого проводять низькотемпературний відпуск при 160~180°C.
2. Одноразове гартування після попереднього охолодження + низькотемпературне відпуск: Після цементації заготовку повільно охолоджують до кімнатної температури, потім повторно нагрівають для гартування та низькотемпературного відпуску.
3. Подвійне гартування після попереднього охолодження + низькотемпературне відпуск: Після цементації та повільного охолодження заготовка проходить два етапи нагрівання та гартування, а потім низькотемпературне відпуск.
Ⅴ.Хімічна термічна обробка сталей
1. Визначення хімічної термічної обробки
Хімічна термічна обробка — це процес термічної обробки, під час якого сталеву заготовку поміщають у специфічне активне середовище, нагрівають та витримують при певній температурі, що дозволяє активним атомам у середовищі дифундувати в поверхню заготовки. Це змінює хімічний склад та мікроструктуру поверхні заготовки, тим самим змінюючи її властивості.
2. Основний процес хімічної термічної обробки
Розкладання: Під час нагрівання активне середовище розкладається, вивільняючи активні атоми.
Поглинання: Активні атоми адсорбуються поверхнею сталі та розчиняються у твердому розчині сталі.
Дифузія: Активні атоми, поглинуті та розчинені на поверхні сталі, мігрують всередину.
Види індукційного поверхневого зміцнення
a.Високочастотний індукційний нагрів
Поточна частота: 250~300 кГц.
Глибина затверділого шару: 0,5~2,0 мм.
Застосування: зубчасті передачі середнього та малого модуля, а також вали малого та середнього розміру.
b.Середночастотний індукційний нагрів
Поточна частота: 2500~8000 кГц.
Глибина затверділого шару: 2~10 мм.
Застосування: Вали більшого розміру та зубчасті передачі великого та середнього модуля.
c.Індукційне нагрівання потужністю
Частота струму: 50 Гц.
Глибина затверділого шару: 10~15 мм.
Застосування: Заготовки, що потребують дуже глибокого загартованого шару.
3. Індукційне поверхневе зміцнення
Основний принцип індукційного поверхневого зміцнення
Ефект шкіри:
Коли змінний струм в індукційній котушці індукує струм на поверхні заготовки, більша частина індукованого струму зосереджена поблизу поверхні, тоді як через внутрішню частину заготовки струм майже не проходить. Це явище відоме як скін-ефект.
Принцип індукційного поверхневого зміцнення:
Завдяки скін-ефекту поверхня заготовки швидко нагрівається до температури аустенітизації (підвищуючись до 800~1000°C за кілька секунд), тоді як внутрішня частина заготовки залишається майже ненагрітою. Потім заготовку охолоджують розпиленням води, що забезпечує поверхневе зміцнення.
4. Крихкість відпустки
Крихкість загартованої сталі
Крихкість при відпуску відноситься до явища, коли ударна в'язкість загартованої сталі значно знижується під час відпуску за певних температур.
Перший тип крихкості відпуску
Діапазон температур: від 250°C до 350°C.
Характеристики: Якщо загартовану сталь відпускати в цьому діапазоні температур, існує висока ймовірність розвитку такого типу крихкості відпуску, яку неможливо усунути.
Рішення: Уникайте відпуску загартованої сталі в цьому діапазоні температур.
Перший тип крихкості відпуску також відомий як низькотемпературна крихкість відпуску або незворотна крихкість відпуску.
Ⅵ.Загартування
1. Відпускання - це остаточний процес термічної обробки, який відбувається після гартування.
Чому загартовані сталі потребують відпуску?
Мікроструктура після гартування: Після гартування мікроструктура сталі зазвичай складається з мартенситу та залишкового аустеніту. Обидві є метастабільними фазами та за певних умов трансформуються.
Властивості мартенситу: Мартенсит характеризується високою твердістю, але також високою крихкістю (особливо у високовуглецевого голкоподібного мартенситу), що не відповідає вимогам до експлуатаційних характеристик для багатьох застосувань.
Характеристики мартенситного перетворення: Перетворення на мартенсит відбувається дуже швидко. Після гартування заготовка має залишкові внутрішні напруження, які можуть призвести до деформації або розтріскування.
Висновок: Заготовку не можна використовувати одразу після гартування! Відпуск необхідний для зменшення внутрішніх напружень та підвищення міцності заготовки, що робить її придатною для використання.
2. Різниця між загартовуваністю та загартовуваністю:
Загартовуваність:
Прогартованість – це здатність сталі досягати певної глибини гартування (глибини загартованого шару) після гартування. Вона залежить від складу та структури сталі, зокрема від її легуючих елементів та типу сталі. Прогартованість – це міра того, наскільки добре сталь може гартуватися по всій своїй товщині під час процесу гартування.
Твердість (гартівна здатність):
Твердість, або гартівна здатність, стосується максимальної твердості, якої може досягти сталь після гартування. На неї значною мірою впливає вміст вуглецю в сталі. Вищий вміст вуглецю зазвичай призводить до вищої потенційної твердості, але це може бути обмежено легуючими елементами сталі та ефективністю процесу гартування.
3. Загартовуваність сталі
√Концепція гартування
Прогартовуваність – це здатність сталі досягати певної глибини мартенситного зміцнення після гартування від температури аустенітизації. Простіше кажучи, це здатність сталі утворювати мартенсит під час гартування.
Вимірювання загартовуваності
Величина прогартовуваності визначається глибиною загартованого шару, отриманого за заданих умов після гартування.
Глибина зміцненого шару: це глибина від поверхні заготовки до області, де структура наполовину мартенситна.
Звичайні засоби для гасіння:
• Вода
Характеристики: Економічний з сильною охолоджувальною здатністю, але має високу швидкість охолодження поблизу точки кипіння, що може призвести до надмірного охолодження.
Застосування: Зазвичай використовується для вуглецевих сталей.
Солона вода: Розчин солі або лугу у воді, який має вищу охолоджувальну здатність за високих температур порівняно з водою, що робить його придатним для вуглецевих сталей.
•Олія
Характеристики: Забезпечує повільнішу швидкість охолодження за низьких температур (близько точки кипіння), що ефективно зменшує схильність до деформації та розтріскування, але має нижчу охолоджувальну здатність за високих температур.
Застосування: Підходить для легованих сталей.
Типи: Включає гартівну олію, машинну оливу та дизельне паливо.
Час нагрівання
Час нагрівання складається як зі швидкості нагрівання (час, необхідний для досягнення бажаної температури), так і зі часу витримки (час, необхідний для підтримки цільової температури).
Принципи визначення часу нагрівання: Забезпечте рівномірний розподіл температури по всій заготовці, як всередині, так і зовні.
Забезпечте повну аустенітизацію та однорідність і дрібний подрібнений аустеніт.
Основа для визначення часу нагрівання: зазвичай оцінюється за допомогою емпіричних формул або визначається експериментальним шляхом.
Гартування середовищ
Два ключові аспекти:
a. Швидкість охолодження: Вища швидкість охолодження сприяє утворенню мартенситу.
b. Залишкова напруга: Вища швидкість охолодження збільшує залишкову напругу, що може призвести до більшої схильності до деформації та розтріскування заготовки.
Ⅶ.Нормалізація
1. Визначення нормалізації
Нормалізація – це процес термічної обробки, під час якого сталь нагрівають до температури на 30–50 °C вище температури Ac3, витримують при цій температурі, а потім охолоджують на повітрі для отримання мікроструктури, близької до рівноважної. Порівняно з відпалом, нормалізація має швидшу швидкість охолодження, що призводить до отримання дрібнішої перлітної структури (P) та вищої міцності й твердості.
2. Мета нормалізації
Мета нормалізації аналогічна меті відпалу.
3. Застосування нормалізації
• Усунути сітчастий вторинний цементит.
• Використовуються для остаточної термічної обробки деталей з нижчими вимогами.
• Виконує підготовчу термічну обробку низьковуглецевої та середньовуглецевої конструкційної сталі для покращення оброблюваності.
4. Види відпалу
Перший тип відпалу:
Призначення та функція: Мета полягає не в тому, щоб викликати фазове перетворення, а в тому, щоб перевести сталь з незбалансованого стану у збалансований.
Типи:
• Дифузійний відпал: спрямований на гомогенізацію складу шляхом усунення сегрегації.
• Рекристалізаційний відпал: Відновлює пластичність, усуваючи наслідки деформаційного зміцнення.
• Відпал для зняття напруги: Зменшує внутрішні напруження без зміни мікроструктури.
Другий тип відпалу:
Призначення та функція: спрямована на зміну мікроструктури та властивостей, досягнення мікроструктури з переважанням перліту. Цей тип також забезпечує відповідність розподілу та морфології перліту, фериту та карбідів певним вимогам.
Типи:
• Повний відпал: нагріває сталь вище температури Ac3, а потім повільно охолоджує її для утворення однорідної перлітної структури.
• Неповний відпал: нагрівання сталі між температурами Ac1 та Ac3 для часткового перетворення структури.
• Ізотермічний відпал: нагрівання сталі до температури вище Ac3, подальше швидке охолодження до ізотермічної температури та витримка для досягнення бажаної структури.
• Сфероїдизуючий відпал: створює сфероїдальну карбідну структуру, покращуючи оброблюваність та в'язкість.
Ⅷ.1. Визначення термічної обробки
Термічна обробка – це процес, під час якого метал нагрівають, витримують при певній температурі, а потім охолоджують у твердому стані, щоб змінити його внутрішню структуру та мікроструктуру, тим самим досягаючи бажаних властивостей.
2. Характеристики термічної обробки
Термічна обробка не змінює форму заготовки; натомість вона змінює внутрішню структуру та мікроструктуру сталі, що, у свою чергу, змінює її властивості.
3. Мета термічної обробки
Мета термічної обробки полягає в покращенні механічних або технологічних властивостей сталі (або заготовок), повному використанні потенціалу сталі, підвищенні якості заготовки та подовженні терміну її служби.
4. Ключовий висновок
Чи можна покращити властивості матеріалу за допомогою термічної обробки, критично залежить від того, чи відбуваються зміни в його мікроструктурі та структурі під час процесу нагрівання та охолодження.
Час публікації: 19 серпня 2024 р.