Что такое термическая обработка?
Термическая обработка относится к процессу термической обработки металла, при котором материал нагревается, изолируется и охлаждается в твердом состоянии для получения ожидаемой организации и свойств. Процесс термической обработки металла можно условно разделить на интегральную термическую обработку, поверхностную термообработку и химическую термообработку трех категорий. Один и тот же металл, используя разные процессы термообработки, может получить разную структуру, и, таким образом, иметь разные свойства.
Особенности процесса
Термическая обработка металла является одним из важных процессов в механическом производстве, по сравнению с другими процессами обработки, термическая обработка в целом не изменяет форму заготовки и общий химический состав, но изменяет химический состав поверхности заготовки, улучшает эксплуатационные характеристики заготовки. Она характеризуется улучшением внутреннего качества заготовки, которое обычно не видно невооруженным глазом.
Для того, чтобы металлическая заготовка обладала необходимыми механическими свойствами, физическими свойствами и химическими свойствами, в дополнение к разумному выбору материалов и различным процессам формования, часто необходим процесс термической обработки. Сталь является наиболее широко используемым материалом в машиностроении, микроструктура стали сложна, может контролироваться термической обработкой, поэтому термическая обработка стали является основным содержанием термической обработки металла.
Кроме того, алюминий, медь, магний, титан и их сплавы также могут изменять свои механические, физические и химические свойства путем термической обработки для получения различных характеристик.
Этапы процесса
- Нормализация: Нормализация - это заготовка, нагретая до соответствующей температуры после охлаждения на воздухе, нормализующий эффект аналогичен отжигу, но полученная организация более тонкая, часто используется для улучшения режущих характеристик материала, а иногда используется для некоторых деталей с низкими требованиями в качестве окончательной термической обработки.
- Закалка: закалка заключается в нагреве и удержании заготовки, в воде, масле или других неорганических солях, органическом водном растворе и других закалочных средах быстрого охлаждения. После закалки сталь становится твердой, но в то же время становится хрупкой, чтобы вовремя устранить хрупкость, ее вообще необходимо вовремя закалить.
- Отпуск: Чтобы снизить хрупкость стали, закалочная сталь в течение длительного времени сохраняется в тепле при соответствующей температуре выше комнатной температуры и ниже 650 ° C, а затем охлаждается, этот процесс называется отпуском.
- Отпуск: относится к процессу композитной термообработки закалки и отпуска стали или стальных деталей. Стали, используемые для отпуска, называются тематическими сталями. Обычно это относится к среднеуглеродистой конструкционной стали и конструкционной стали из среднеуглеродистых сплавов.
- Химическая термическая обработка: относится к металлической или легированной заготовке, помещенной при определенной температуре активной среды с сохранением тепла, таким образом, чтобы один или несколько элементов на ее поверхности изменили ее химический состав, организацию и выполнение процесса термообработки.
- Распространенными процессами химической термообработки являются: цементация, азотирование, нитроцементация, алюминизация, боронингование и так далее. Целью химической термообработки является повышение твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, усталостной прочности и стойкости к окислению стальной поверхности.
- Обработка твердым раствором: относится к процессу термической обработки при нагревании сплава до высокотемпературной однофазной области для поддержания постоянной температуры, чтобы избыточная фаза полностью растворялась в твердом растворе, а затем быстро охлаждалась для получения пересыщенного твердого раствора. Целью обработки раствора в основном является улучшение пластичности и ударной вязкости стали и сплава, а также подготовка к обработке дисперсионным упрочнением.
- Дисперсионное упрочнение (precipitation Hardening): относится к металлу в зоне атомарной сегрегации пересыщенного твердого раствора растворенного вещества и (или) путем растворения частиц, диспергированных в матрице и приводящих к упрочнению процесса термической обработки. Такие как аустенитная осаждительная нержавеющая сталь после обработки раствором или после холодной обработки, при 400 ~ 500 °C или 700 ~ 800 °C для обработки дисперсионной закалкой, могут получить высокую прочность.
- Обработка старением: относится к заготовке из сплава после обработки раствором, холодной пластической деформации или литья, ковки, помещенной при более высокой температуре или поддержанию комнатной температуры, ее характеристики, форма, размер меняются со временем в процессе термообработки.
- Если заготовка нагревается до более высокой температуры и процесс старения используется в течение более длительного времени, это называется искусственным лечением старения. Если заготовка помещается при комнатной температуре или в естественных условиях в течение длительного времени, явление старения называется лечением естественного старения. Целью лечения старения является устранение внутреннего напряжения заготовки, стабилизация структуры и размера, а также улучшение механических свойств.
- Критический диаметр (критический диаметр проплавления): Критический диаметр относится к максимальному диаметру стали после закалки в определенной среде, когда сердце приобретает всю мартенситную или 50% мартенситную структуру, а критический диаметр некоторых сталей обычно может быть получен путем испытания на прокаливаемость в масле или воде.
- Вторичная закалка: Некоторые железоуглеродистые сплавы (например, быстрорежущая сталь) должны быть отпущены несколько раз перед дальнейшим улучшением их твердости. Это явление упрочнения, называемое вторичным упрочнением, происходит из-за осаждения специальных карбидов и/или из-за участия в преобразовании аустенита в мартенсит или бейнит.
- Отпускная хрупкость: относится к явлению охрупчивания закаленной стали, отпускаемой в определенных температурных интервалах или медленно охлаждаемой от температуры отпуска через температурный интервал. Отпускную хрупкость можно разделить на первый тип отпускной хрупкости и второй тип отпускной хрупкости. Первый тип отпускной хрупкости также известен как необратимый отпуск хрупкости, в основном происходит, когда температура отпуска составляет 250 ~ 400 °C, после повторного нагрева хрупкость исчезает, повторный отпуск в этом интервале больше не вызывает хрупкости, второй тип отпускной хрупкости также известен как обратимая отпускная хрупкость, температура составляет 400 ~ 650 °C, когда хрупкость исчезает после повторного нагрева, его следует быстро охладить, и он не может оставаться в диапазоне 400 ~ 650 °C в течение длительного времени или медленно охлаждаться, иначе каталитическое явление произойдет снова. Возникновение отпускной хрупкости связано с легирующими элементами, содержащимися в стали, такими как марганец, хром, кремний, никель будут вызывать тенденцию к отпускной хрупкости, а молибден, вольфрам ослабляют тенденцию к отпускной хрупкости.
Технологический процесс
Процесс термообработки обычно включает в себя нагрев, изоляцию, охлаждение трех процессов, иногда только нагрев и охлаждение двух процессов. Эти процессы взаимосвязаны и непрерывны.
Нагрев является одной из важных задач термической обработки. Существует множество методов нагрева для термической обработки металла, самым ранним из которых является использование древесного угля и угля в качестве источников тепла, а также недавнее применение жидкого и газового топлива. Применение электричества позволяет легко контролировать нагрев и не загрязнять окружающую среду. Эти источники тепла можно использовать для прямого нагрева или косвенного нагрева через расплавленные соли или металлы, и даже плавающие частицы. Когда металл нагревается, заготовка подвергается воздействию воздуха, и часто происходит окисление и декарбонизация (то есть снижается содержание углерода на поверхности стальных деталей), что очень неблагоприятно сказывается на поверхностных свойствах деталей после термической обработки. Поэтому металл обычно следует нагревать в контролируемой атмосфере или защитной атмосфере, расплавленной соли и вакууме, а также может быть защищен методами нанесения покрытия или упаковки. Температура нагрева является одним из важных параметров процесса термообработки, а выбор и контроль температуры нагрева является основной проблемой для обеспечения качества термообработки. Температура нагрева варьируется в зависимости от обрабатываемого металлического материала и цели термической обработки, но обычно его нагревают выше температуры фазового перехода для получения высокотемпературной ткани. Кроме того, преобразование занимает определенное время, поэтому, когда поверхность металлической детали достигает необходимой температуры нагрева, ее также необходимо поддерживать при этой температуре в течение определенного времени, чтобы внутренняя и внешняя температура были постоянными, так что микроструктура полностью преобразовалась, этот период времени называется временем выдержки. Когда используется нагрев с высокой плотностью энергии и поверхностная термообработка, скорость нагрева чрезвычайно высокая, и, как правило, нет времени выдержки, а время выдержки при химической термообработке часто дольше.
Охлаждение также является незаменимым этапом в процессе термообработки, и метод охлаждения варьируется в зависимости от процесса, в основном для контроля скорости охлаждения. Как правило, скорость охлаждения при отжиге самая низкая, скорость охлаждения нормализации выше, а скорость охлаждения при возгорании выше. Тем не менее, существуют разные требования из-за разных типов стали, например, твердая сталь на воздухе может быть закалена с той же скоростью охлаждения, что и нормализация
Классификация процессов
Процесс термической обработки металла можно условно разделить на интегральную термическую обработку, поверхностную термообработку и химическую термообработку трех категорий. В зависимости от температуры нагрева теплоносителя и различных методов охлаждения каждую категорию можно разделить на несколько различных процессов термообработки. Один и тот же металл, используя разные процессы термообработки, может приобретать разную структуру, и, таким образом, иметь разные свойства. Сталь является наиболее широко используемым металлом в промышленности, и микроструктура стали также является наиболее сложной, поэтому существует множество видов процесса термообработки стали, общая термическая обработка представляет собой общий нагрев заготовки, а затем охлаждение с соответствующей скоростью, чтобы получить необходимую металлографическую структуру, изменить ее общие механические свойства в процессе термообработки металла. Общая термическая обработка стали включает четыре основных процесса: отжиг, нормализация, обжиг и отпуск.
Виды отжига
Отжиг – это процесс термической обработки, при котором заготовка нагревается до соответствующей температуры, выдерживается в течение определенного времени, а затем медленно охлаждается
Существует множество видов процессов отжига стали, которые можно разделить на две категории в зависимости от температуры нагрева: один - это отжиг выше критической температуры (Ac1 или Ac3), также известный как отжиг с рекристаллизацией с фазовым изменением, включающий полный отжиг, неполный отжиг, сфероидизирующий отжиг и диффузионный отжиг (гомогенизирующий отжиг); другой - это отжиг ниже критической температуры, включающий рекристаллизационный отжиг и отжиг для снятия напряжений. По методу охлаждения отжиг можно разделить на изотермический отжиг и отжиг с непрерывным охлаждением.
• Полный отжиг и изотермический отжиг
Полный отжиг и весовой кристаллизационный отжиг, обычно называемый отжигом, представляет собой сталь или сталь, нагретые до Ac3 выше 20 ~ 30 ° C в течение достаточно длительного времени, так что организация полностью аустенизируется после медленного охлаждения, с целью получения процесса термической обработки, близкого к балансу организации. Этот отжиг в основном используется для литья различных углеродистых сталей и легированных сталей с гипоэвтектоидным составом, поковок и горячекатаных профилей, а иногда и для соединительных конструкций. Обычно он используется в качестве окончательной термической обработки некоторых нетяжелых деталей или в качестве предварительной термической обработки некоторых заготовок.
Сфероидизирующий отжиг в основном используется для надевтектоидной углеродистой стали и легированной инструментальной стали (например, стали, используемой в производстве режущих инструментов, измерительных инструментов и пресс-форм). Его основная цель — снизить твердость, улучшить обрабатываемость и подготовить к последующей закалке.
• Сфероидизирующий отжиг
При закалке наиболее часто используемыми охлаждающими средами являются соленая вода, вода и масло.
Закалка соляным раствором заготовки, легко получается высокая твердость и гладкая поверхность, не легко получить мягкие точки, которые не являются твердыми, но легко вызвать серьезную деформацию заготовки, и даже трещину. Масло в качестве закалочной среды подходит только для закалки некоторых легированных сталей или малогабаритных заготовок из углеродистой стали с относительно большой стабильностью переохлажденного аустенита.
Назначение отпуска стали
- Снижение хрупкости, устранение или уменьшение внутренних напряжений, закалка стали после большого внутреннего напряжения и хрупкость, такие как несвоевременный отпуск часто приводят к деформации стали или даже к растрескиванию.
- Для получения требуемых механических свойств заготовки заготовка после закалки имеет высокую твердость и хрупкость, для того чтобы удовлетворить требования разной производительности различных заготовок, можно регулировать твердость за счет соответствующей координации отпуска, снизить хрупкость, получить требуемую ударную вязкость, пластичность.
- Стабильный размер заготовки
- Для некоторых легированных сталей, которые трудно размягчить при отжиге, после закалки (или нормализации) часто используется высокотемпературный отпуск, чтобы карбиды в стали были правильно собраны, а твердость снижена для облегчения резания.
Профилактика деформаций
- Разумный выбор материалов. Для сложных и сложных форм следует выбирать микродеформированную штамповую сталь с хорошим материалом (например, сталь воздушной закалки), штамповую сталь с серьезной сегрегацией карбидов следует разумно ковать и подвергать термообработке с отпуском, а для большой и неподдающейся штамповке можно проводить термообработку твердым раствором с двойным рафинированием.
- Конструкция формы должна быть разумной, толщина не должна быть слишком широкой, форма должна быть симметричной, закон деформации должен быть освоен для большой формы деформации, должен быть зарезервирован припуск на обработку, а комбинированная структура может быть использована для большой, точной и сложной формы.
- Прецизионные сложные формы должны быть подвергнуты предварительной термической обработке для устранения остаточного напряжения, возникающего во время обработки.
- Разумный выбор температуры нагрева, контроль скорости нагрева, медленный нагрев, предварительный нагрев и другие сбалансированные методы нагрева могут быть приняты для прецизионных и сложных форм для снижения деформации термообработки пресс-формы.
- Исходя из предпосылки обеспечения твердости формы, старайтесь использовать предварительное охлаждение, фракционную охлаждающую закалку или процесс теплой закалки
- Для прецизионных и сложных форм, если позволяют условия, попробуйте использовать закалку с вакуумным нагревом и криогенную обработку после закалки.
- Для некоторых прецизионных и сложных пресс-форм для контроля точности пресс-формы можно использовать предварительную термообработку, стареющую термообработку, отпуск и термообработку аммиаканием.
