Obróbka cieplna metali jest jednym z ważnych procesów w produkcji mechanicznej. W porównaniu z innymi technologiami przetwarzania, obróbka cieplna na ogół nie zmienia kształtu i ogólnego składu chemicznego przedmiotu obrabianego, ale poprzez zmianę wewnętrznej mikrostruktury przedmiotu obrabianego lub zmianę składu chemicznego na powierzchni przedmiotu obrabianego, nadając lub poprawiając wydajność obrabiany przedmiot. Jego cechą charakterystyczną jest poprawa wewnętrznej jakości przedmiotu obrabianego, która na ogół nie jest widoczna gołym okiem. Jak mówią niektórzy, obróbka mechaniczna to chirurgia, a obróbka cieplna to medycyna, reprezentująca podstawową konkurencyjność krajowego przemysłu wytwórczego.
Proces technologiczny
Proces obróbki cieplnej obejmuje na ogół ogrzewanie, konserwację ciepła, chłodzenie trzech procesów, czasem tylko ogrzewanie i chłodzenie dwóch procesów. Te procesy są ze sobą powiązane i nieprzerwane.
(ogrzewanie)
Gdy metal jest podgrzewany, obrabiany przedmiot jest wystawiony na działanie powietrza, co często powoduje utlenianie i odwęglanie (czyli zmniejsza się zawartość węgla na powierzchni części stalowych), co ma bardzo niekorzystny wpływ na zachowanie powierzchni części po obróbka cieplna. W rezultacie metal powinien być zwykle podgrzewany w kontrolowanej atmosferze lub atmosferze ochronnej, stopionej soli i próżni, a także może być chroniony metodami powlekania lub pakowania.
Temperatura nagrzewania jest jednym z ważnych parametrów technologicznych w procesie obróbki cieplnej. Wybór i kontrola temperatury ogrzewania jest głównym problemem zapewniającym jakość obróbki cieplnej. Temperatura ogrzewania zmienia się w zależności od obrabianego materiału metalowego i celu obróbki cieplnej, ale generalnie jest podgrzewana powyżej temperatury przejścia fazowego do uzyskać tkankę o wysokiej temperaturze. Ponadto transformacja zajmuje pewien czas, więc gdy powierzchnia metalowego przedmiotu osiągnie wymaganą temperaturę ogrzewania, należy ją utrzymać w tej temperaturze przez określony czas, aby temperatury wewnętrzne i zewnętrzne były spójne, a mikrostruktura całkowicie się zmienia. Ten okres czasu nazywany jest czasem zachowania ciepła.
(zatrzymywanie ciepła)
Podczas stosowania ogrzewania o wysokiej gęstości energii i obróbki cieplnej powierzchni prędkość ogrzewania jest bardzo duża i ogólnie nie ma czasu zachowania ciepła, podczas gdy czas zachowania ciepła chemicznej obróbki cieplnej jest często dłuższy.
(chłodzenie)
Chłodzenie jest również nieodzownym etapem w procesie obróbki cieplnej. Metoda chłodzenia różni się w zależności od procesu, głównie kontrolując szybkość chłodzenia.
Klasyfikacja procesu
Technologię obróbki cieplnej metalu można podzielić na trzy typy: integralną obróbkę cieplną, obróbkę cieplną powierzchni i chemiczną obróbkę cieplną. Zgodnie z różnymi czynnikami grzewczymi, temperaturą ogrzewania i metodą chłodzenia, każdą kategorię można podzielić na kilka różnych procesów obróbki cieplnej. Różną mikrostrukturę można uzyskać przez inny proces obróbki cieplnej tego samego metalu, więc ma on różne właściwości. Żelazo i stal są najczęściej stosowanymi metalami w przemyśle, a mikrostruktura żelaza i stali jest najbardziej złożona, dlatego istnieje wiele rodzajów technologii obróbki cieplnej żelaza i stali.
Integralna obróbka cieplna to proces obróbki cieplnej metalu, który polega na podgrzaniu przedmiotu obrabianego jako całości, a następnie schłodzeniu go z odpowiednią szybkością w celu uzyskania wymaganej struktury metalograficznej i zmiany jego ogólnych właściwości mechanicznych. Ogólna obróbka cieplna żelaza i stali obejmuje zgrubne wyżarzanie, normalizowanie, hartowanie i odpuszczanie czterech podstawowych procesów, a mianowicie „czterech pożarów” obróbki cieplnej.
Hartowanie
Proces hartowania
Hartowanie stali to proces obróbki cieplnej, w którym stal jest podgrzewana do temperatury krytycznej powyżej Ac3 (stal podeutektoidalna) lub Ac1 (stal nadeutektoidalna), utrzymywana przez pewien czas, całość lub część stali jest austenityzowana, a następnie stal jest schładzana szybciej niż krytyczna prędkość chłodzenia poniżej Ms (lub izotermicznie blisko Ms) w celu przemiany martenzytu (lub bainitu).
Proces: ogrzewanie, konserwacja ciepła i chłodzenie.
Istotą hartowania jest przemiana martenzytu lub bainitu przez przechłodzony austenit w celu uzyskania struktury martenzytu lub bainitu.
Cel hartowania: (1) znacznie poprawić sztywność, twardość, odporność na zużycie, wytrzymałość zmęczeniową i wytrzymałość stali, aby spełnić różne wymagania różnych części mechanicznych i narzędzi; (2) poprzez hartowanie w celu spełnienia ferromagnetyzmu , odporność na korozję i inne specjalne właściwości fizyczne i chemiczne niektórych stali specjalnych.
Zastosowanie: proces hartowania jest najczęściej stosowany, taki jak narzędzia, narzędzia pomiarowe, formy, łożyska, sprężyny i samochody, traktory, silniki Diesla, obrabiarki do cięcia, narzędzia pneumatyczne, maszyny wiertnicze, maszyny i narzędzia rolnicze, maszyny naftowe, maszyny chemiczne , maszyny tekstylne, samoloty i inne części są wykorzystywane w procesie hartowania.
Środek hartujący
Środek stosowany do hartowania chłodzącego przedmiot obrabiany nazywany jest hartującym środkiem chłodzącym (lub środkiem hartującym). Idealny środek hartujący powinien mieć warunek, że przedmiot obrabiany można hartować do martenzytu bez powodowania zbyt dużego naprężenia hartowniczego.
Powszechnie stosowanymi środkami hartującymi są woda, roztwór wodny, olej mineralny, stopiona sól, stopiona zasada i tak dalej.
Niska woda
Woda jest środkiem hartowniczym o silnych właściwościach chłodzących.
Zalety: szerokie źródło, niska cena, stabilny skład nie jest łatwy do zepsucia.
Wady: niestabilna wydajność chłodzenia, łatwe odkształcenie lub pęknięcie przedmiotu obrabianego. W obszarze „nosa” krzywej C (około 500 ~ 600 ℃) woda znajduje się w fazie filmu parowego, a chłodzenie nie jest wystarczająco szybkie, co utworzy „miękki punkt”. Jednak w martenzycie obszar temperatury przejścia (300 ~ 100 ℃), woda jest w stanie wrzenia, a chłodzenie jest zbyt szybkie, co powoduje, że prędkość przejścia martenzytu jest zbyt szybka i generuje duże naprężenia wewnętrzne, co prowadzi do deformacji, a nawet pękania przedmiotu obrabianego. Gdy temperatura wody wzrasta, woda zawiera więcej gazu lub wody zmieszanej z nierozpuszczalnymi zanieczyszczeniami (takimi jak olej, mydło, błoto itp.), co znacznie zmniejszy jej wydajność chłodzenia.
Zastosowanie: Nadaje się do hartowania i chłodzenia przedmiotu obrabianego ze stali węglowej o małym przekroju i prostym kształcie.
● Solanka i ług
Dodaj odpowiednią ilość soli i zasad do wody, zanurz obrabiany przedmiot w wysokiej temperaturze w środku chłodzącym, w fazie filmu parowego wytrącił się sól i kryształ alkaliczny i natychmiast pęknij, film parowy zostanie zniszczony, powierzchnia przedmiotu obrabianego tlenek jest również piaskowany, aby poprawić zdolność chłodzenia medium w obszarze wysokiej temperatury, jego wadą jest medium korozyjne.
Zastosowanie: W normalnych warunkach stężenie słonej wody wynosi 10%, stężenie wodnego roztworu sody kaustycznej wynosi 10% ~ 15%. Może być stosowany jako środek hartowniczy dla elementów ze stali węglowej i niskostopowej stali konstrukcyjnej, temperatura użytkowania nie powinna przekraczać 60 ℃, po hartowaniu należy je oczyścić w odpowiednim czasie i poddać obróbce antykorozyjnej.
Niski poziom oleju
Czynnikiem chłodzącym jest zwykle olej mineralny (olej mineralny). Takich jak olej, olej transformatorowy i olej napędowy. Olej to na ogół olej 10, 20, 30, im większy olej, tym większa lepkość, im wyższa temperatura zapłonu, tym niższa wydajność chłodzenia, odpowiedni wzrost temperatury użytkowania.
Sposób hartowania
● Hartowanie jedną cieczą
Jest to operacja hartowania, w której części chemiczne austenitu są zanurzane w ośrodku hartującym i schładzane do temperatury pokojowej. Środek hartujący pojedynczej cieczy obejmuje wodę, solankę, wodę alkaliczną, olej i specjalnie przygotowany środek hartujący.
Zalety: prosta obsługa, sprzyjająca realizacji mechanizacji i automatyzacji.
Wady: Szybkość chłodzenia jest ograniczona charakterystyką chłodzenia medium i wpływa na jakość hartowania.
Zastosowanie: Pojedyncze – hartowanie cieczą jest odpowiednie tylko dla przedmiotu obrabianego ze stali węglowej o prostym kształcie.
● Podwójne hartowanie cieczą
Składnik chemiczny austenitu jest najpierw zanurzany w ośrodku o dużej zdolności chłodzenia. Zanim element stalowy osiągnie temperaturę medium hartowniczego, jest natychmiast wyjmowany, a następnie schładzany w innym medium o słabej zdolności chłodzenia, takim jak woda przed olejem, woda przed powietrzem itp. Hartowanie dwucieczowe zmniejsza tendencję do deformacji i spękań, które są trudne do opanowania w eksploatacji i mają pewne ograniczenia w zastosowaniu.
● Stopniowane hartowanie martenzytyczne
Polega na zanurzeniu części chemicznych austenitu w ośrodku ciekłym (kąpiel solna lub alkaliczna) w punkcie martenzytu stali o nieco wyższej lub niższej temperaturze i zachowaniu odpowiedniego czasu. Po osiągnięciu średniej temperatury przez wewnętrzne i zewnętrzne warstwy części stalowych, są one wyjmowane w celu chłodzenia powietrzem, aby uzyskać proces hartowania struktury martenzytu, znany również jako hartowanie stopniowe.
Zalety: Stopniowane hartowanie może skutecznie zmniejszyć naprężenia przejścia fazowego i naprężenia termiczne oraz zmniejszyć odkształcenia hartowania i tendencję do pękania z powodu chłodzenia powietrzem po stopniowaniu temperatury do tej samej temperatury wewnątrz i na zewnątrz przedmiotu obrabianego.
Zastosowanie: nadaje się do przedmiotu obrabianego ze stali stopowej i stali wysokostopowej o wysokich wymaganiach dotyczących odkształcenia, a także do przedmiotu obrabianego ze stali węglowej o małym przekroju i złożonym kształcie.
● Hartowanie izotermiczne bainitu
Jest to proces hartowania, czasami nazywany hartowaniem izotermicznym, w którym części stalowe są austenityzowane i szybko schładzane do izotermicznego zakresu temperatur konwersji bainitu (260 ~ 400 ℃) w celu przekształcenia austenitu w bainit, a ogólny czas zachowania ciepła wynosi 30 ~ 60 minut.
● Hartowanie złożone
Przedmiot obrabiany schładzano do temperatury poniżej Ms, aby uzyskać 10% ~ 20% martenzytu, a następnie izotermicznie w obszarze niższej temperatury bainitu. Ta metoda chłodzenia umożliwia uzyskanie struktury M+B przedmiotu obrabianego o dużym przekroju. Martenzyt powstały podczas hartowania wstępnego może sprzyjać przemianie bainitu i hartowaniu martenzytu w izotermie. Hartowanie złożone dla obrabianego przedmiotu ze stopowej stali narzędziowej może uniknąć pierwszego rodzaju kruchości odpuszczania i zmniejszyć resztkową objętość austenitu, to znaczy tendencję do deformacji i pękania.
Ruszenie
Proces hartowania
Odpuszczanie to proces obróbki cieplnej, w którym hartowany przedmiot jest ponownie podgrzewany do odpowiedniej temperatury poniżej dolnej temperatury krytycznej i schładzany do temperatury pokojowej w powietrzu, wodzie, oleju i innych mediach po przetrzymaniu przez pewien czas.
Cel odpuszczania: (1) wyeliminować naprężenia szczątkowe przedmiotu obrabianego podczas hartowania, aby zapobiec deformacji i pękaniu; (2) dostosować twardość, wytrzymałość, plastyczność i wytrzymałość przedmiotu obrabianego, aby spełnić wymagania dotyczące wydajności; (3) ustabilizować konstrukcję i rozmiar, aby zapewnić dokładność; (4) Popraw i popraw wydajność obróbki.
Klasyfikacja odpuszczania
● Niskotemperaturowe odpuszczanie
Odnosi się do odpuszczania przedmiotu obrabianego w temperaturze 150 ~ 250 ℃.
Cel: Utrzymanie wysokiej twardości i odporności na zużycie hartowanego przedmiotu obrabianego oraz zmniejszenie naprężeń szczątkowych i kruchości po hartowaniu.
Odpuszczany martenzyt to tkanka otrzymywana przez odpuszczanie martenzytu w niskich temperaturach.
Zastosowanie: narzędzia skrawające, narzędzia pomiarowe, formy, łożyska toczne, części do nawęglania i hartowania powierzchniowego itp.
● Umiarkowane ciepło
Odnosi się do odpuszczania przedmiotu obrabianego w zakresie 350 ~ 500 ℃.
Cel: Uzyskanie wysokiej sprężystości i granicy plastyczności, odpowiedniej ciągliwości. Odpuszczający trochtyt otrzymuje się po odpuszczaniu, co oznacza, że osnowa ferrytu utworzona przez odpuszczający martenzyt jest rozłożona w złożonej strukturze fazowej bardzo drobnego sferycznego węglika (lub cementytu).
Zastosowanie: sprężyna, matryca do kucia, narzędzie udarowe itp.
● Odpuszczanie w wysokiej temperaturze
Odnosi się do odpuszczania przedmiotu obrabianego powyżej 500 ℃.
Cel: Uzyskanie lepszych kompleksowych właściwości mechanicznych wytrzymałości, plastyczności i udarności.
Po odpuszczaniu otrzymuje się odpuszczony Soxhleta, co oznacza, że osnowa ferrytowa utworzona przez odpuszczanie martenzytu jest rozłożona w złożonej strukturze fazowej drobnych kulistych węglików (w tym cementytu).
Czy ogień
Normalizowanie
Proces normalizacji
Normalizowanie to proces obróbki cieplnej metali, w którym stal jest podgrzewana do temperatury 30-50℃ powyżej temperatury krytycznej (temperatura całkowitego austenityzowania), a następnie wyjmowana z pieca w celu schłodzenia w powietrzu lub przez natrysk wodny, natrysk, lub przedmuch powietrza po przytrzymaniu stali przez odpowiedni czas.
Cel :(1) ujednolicić rozdrobnienie ziarna i rozkład węglików;(2) usunąć wewnętrzne naprężenia materiału;(3) zwiększyć twardość materiału.
Zalety:(1) szybkość chłodzenia normalizującego jest nieco większa niż szybkość chłodzenia wyżarzania, więc uzyskana przestrzeń płytkowa perlitu jest mniejsza, struktura normalizująca jest drobniejsza niż struktura wyżarzona, więc jej twardość i wytrzymałość są wyższe;(2) Zewnętrzne chłodzenie normalizującego piec nie zajmuje sprzętu i ma wysoką wydajność.
Zastosowanie: nadaje się tylko do stali węglowej oraz nisko i średniostopowej, nie do stali wysokostopowej. Ponieważ austenit stali wysokostopowej jest bardzo stabilny, chłodzenie powietrzem spowoduje również powstanie tkanki martenzytycznej.
Konkretny cel
(1) W przypadku stali niskowęglowej i stali niskostopowej normalizowanie może poprawić jej twardość, aby poprawić jej skrawalność;
(2) W przypadku stali średniowęglowej normalizowanie może zastąpić obróbkę odpuszczającą w celu przygotowania do hartowania o wysokiej częstotliwości oraz zmniejszenia deformacji części stalowych i kosztów przetwarzania;
(3) W przypadku stali wysokowęglowej normalizowanie może wyeliminować strukturę cementytu sieciowego i ułatwić wyżarzanie sferoidyzujące;
(4) Normalizowanie może być stosowane zamiast hartowania w przypadku dużych odkuwek stalowych lub odlewów staliwnych z ostrymi zmianami przekroju w celu zmniejszenia tendencji do deformacji i pękania lub przygotowania do hartowania;
(5) W przypadku hartowanych części naprawczych ze stali wpływ przegrzania można wyeliminować przez normalizację, aby stal mogła zostać ponownie hartowana;
(6) Służy do żeliwa w celu zwiększenia bryły perlitu i poprawy wytrzymałości i odporności odlewu na zużycie.
wyżarzanie
Proces wyżarzania
Proces obróbki cieplnej, w którym metal lub stop jest podgrzewany do odpowiedniej temperatury, utrzymywany przez określony czas, a następnie powoli schładzany (zwykle w miarę stygnięcia pieca) nazywa się wyżarzaniem.
Istotą wyżarzania jest podgrzanie stali do austenityzacji w celu przemiany perlitu, a wyżarzona tkanka jest prawie zrównoważona.
Cel wyżarzania:
(1) Zmniejsz twardość stali, popraw plastyczność i ułatwij obróbkę skrawaniem i obróbkę na zimno;
(2) Jednolity skład chemiczny stali i struktura, rozdrobnienie ziarna, poprawa wydajności stali lub przygotowanie do hartowania struktury;
(3) Wyeliminuj naprężenia wewnętrzne i hartowanie, aby zapobiec deformacji i pękaniu.
Metoda wyżarzania
1. Całkowite wyżarzanie
Proces: Podgrzej stal do Ac3 powyżej 20 ~ 30 ℃, po trzymaniu przez pewien czas, schładzaj ją powoli (wraz z piecem), aby uzyskać proces obróbki cieplnej (pełna austenityzacja) o prawie zrównoważonej strukturze. W rzeczywistej produkcji, w celu poprawy wydajności, chłodzenie wyżarzania do około 500℃ zostanie wyjęte z pieca do chłodzenia powietrzem.
Cel: Rozdrobnienie ziarna, jednolita struktura, wyeliminowanie naprężeń wewnętrznych, zmniejszenie twardości i poprawa skrawalności stali. Mikrostruktura stali podeutektoidalnej po całkowitym wyżarzaniu to F+P.
Zastosowanie: Całkowite wyżarzanie stosuje się głównie do stali podeutektoidalnej (WC = 0.3~0.6%), ogólnie do odlewów ze stali średniowęglowych i stopowych nisko- i średniowęglowych, odkuwek i profili walcowanych na gorąco, a czasami do ich spoin.
Niepełne wyżarzanie
Proces: Podgrzej stal do Ac1 ~ Ac3 (stal podeutektoidalna) lub Ac1 ~ Accm (stal hipereutektoidalna) po utrwaleniu ciepła i powolnym chłodzeniu, aby uzyskać proces obróbki cieplnej, który jest zbliżony do struktury równowagi.
Zastosowanie: służy głównie do uzyskania sferycznej struktury perlitowej stali nadeutektoidalnej w celu wyeliminowania naprężeń wewnętrznych, zmniejszenia twardości i poprawy skrawalności.
3. Wyżarzanie izotermiczne
Proces: Podgrzej stal do temperatury wyższej niż Ac3 (lub Ac1). Po przetrzymaniu stali przez odpowiedni okres czasu, jest ona szybko schładzana do określonej temperatury w rejonie perlitu i przeprowadzana jest konserwacja izotermiczna w celu przekształcenia austenitu w perlit, a następnie schładzana powietrzem do temperatury pokojowej.
Cel: Podobnie jak w przypadku pełnego wyżarzania, transformacja jest łatwa do kontrolowania.
Zastosowanie: odpowiedni do bardziej stabilnych stali: stali wysokowęglowych (wc> 0.6%), stopowych stali narzędziowych, stali wysokostopowych (całkowita zawartość pierwiastków stopowych > 10%). Wyżarzanie izotermiczne jest również korzystne dla uzyskania jednolitej struktury i właściwości. Jednak nie nadaje się do części stalowych o dużych przekrojach i dużych ilości wsadu, ponieważ wyżarzanie izotermiczne nie jest łatwe, aby wnętrze przedmiotu obrabianego lub element wsadowy osiągnęły temperaturę izotermiczną.
4. Wyżarzanie sferoidalne
Proces: Proces obróbki cieplnej w celu sferyfikacji węglików w stali w celu uzyskania ziarnistego perlitu. Podczas ogrzewania do temperatury powyżej Ac1 20 ~ 30 ℃ czas utrzymywania nie powinien być zbyt długi, zwykle 2 ~ 4 godziny są odpowiednie. Metoda chłodzenia to zwykle chłodzenie pieca lub około 20℃ poniżej Ar1 przez długi czas izotermiczny.
Cel: Zmniejszenie twardości, jednorodna struktura i poprawa skrawalności w przygotowaniu do hartowania.
Zastosowanie: Stosowany głównie w stali eutektoidalnej i stali hipereutektoidalnej, takiej jak stal narzędziowa węglowa, stal narzędziowa stopowa, stal łożyskowa itp. Perlit sferoidalny uzyskuje się przez wyżarzanie sferoidalne. W perlicie sferoidalnym cementyt jest kulisty z drobnymi cząstkami rozproszonymi na matrycy ferrytowej. W porównaniu z płytkami, perlit sferyczny ma mniejszą twardość i jest łatwy w obróbce, a ziarna austenitu nie są łatwe do zgrubienia i mniej podatne na odkształcenia i pękanie podczas hartowania i ogrzewania.
5. Wyżarzanie dyfuzyjne (wyżarzanie równomierne)
Proces: Proces obróbki cieplnej, w którym wlewek, odlew lub odkuwka jest podgrzewany do temperatury nieco niższej od temperatury linii w fazie stałej przez długi czas, a następnie powoli schładzany w celu wyeliminowania niejednorodności chemicznej.
Cel: Wyeliminowanie segregacji dendrytów i segregacji regionalnej podczas krzepnięcia oraz homogenizacja składu i struktury.
Zastosowanie: Stosowany w niektórych odlewach i wlewkach ze stali stopowej o wysokiej jakości i poważnej segregacji. Temperatura ogrzewania wyżarzania dyfuzyjnego jest bardzo wysoka, zwykle 100 ~ 200 ℃ powyżej Ac3 lub Accm. Temperatura właściwa zależy od stopnia segregacji i rodzaju stali. Czas utrzymywania wynosi na ogół 10 ~ 15 godzin. Po wyżarzaniu dyfuzyjnym wymagane jest całkowite wyżarzanie i obróbka normalizująca w celu udoskonalenia struktury.
6. Wyżarzanie odprężające
Proces: Podgrzej stal do określonej temperatury poniżej Ac1 (zwykle 500 ~ 650 ℃), utrzymuj ciepło, a następnie ochłodź za pomocą pieca.
Temperatura wyżarzania naprężającego jest niższa niż A1, więc wyżarzanie naprężeniowe nie powoduje zmian w tkankach.
Cel: Wyeliminowanie szczątkowych naprężeń wewnętrznych.
Zastosowanie: Stosowany głównie do eliminacji naprężeń szczątkowych odlewów, odkuwek, części spawanych, części walcowanych na gorąco, części ciągnionych na zimno itp. Jeżeli naprężenia te nie zostaną wyeliminowane, po pewnym czasie mogą spowodować odkształcenia lub pęknięcia stali lub podczas późniejszej obróbki.