Kaj je toplotna obdelava?
Toplotna obdelava se nanaša na postopek toplotne obdelave kovin, pri katerem se material segreje, izolira in ohladi v trdnem stanju, da se doseže pričakovana organizacija in lastnosti. Postopek toplotne obdelave kovin lahko grobo razdelimo na celostno toplotno obdelavo, površinsko toplotno obdelavo in kemično toplotno obdelavo tri kategorije. Ista kovina z različnimi postopki toplotne obdelave lahko pridobi različne strukture in ima tako različne lastnosti.
Značilnosti procesa
Toplotna obdelava kovin je eden od pomembnih procesov v mehanski proizvodnji, v primerjavi z drugimi procesi obdelave, toplotna obdelava na splošno ne spremeni oblike obdelovanca in celotne kemične sestave, ampak spremeni kemično sestavo površine obdelovanca, izboljša zmogljivost obdelovanca. Zanj je značilno izboljšanje notranje kakovosti obdelovanca, ki na splošno ni vidna s prostim očesom.
Da bi kovinski obdelovanec imel zahtevane mehanske lastnosti, fizikalne lastnosti in kemijske lastnosti, je poleg razumne izbire materialov in različnih postopkov oblikovanja pogosto bistvenega pomena tudi postopek toplotne obdelave. Jeklo je najbolj razširjen material v strojni industriji, mikrostruktura jekla je kompleksna, lahko jo nadzorujemo s toplotno obdelavo, zato je toplotna obdelava jekla glavna vsebina toplotne obdelave kovin.
Poleg tega lahko aluminij, baker, magnezij, titan in njihove zlitine s toplotno obdelavo spremenijo svoje mehanske, fizikalne in kemijske lastnosti, da dosežejo različne zmogljivosti.
Koraki postopka
- Normalizacija: Normalizacija je obdelovanec, ki se po hlajenju v zraku segreje na ustrezno temperaturo, normalizacijski učinek je podoben žarjenju, vendar je dobljena organizacija finejša, pogosto se uporablja za izboljšanje rezalne zmogljivosti materiala in se včasih uporablja za nekatere dele z nizkimi zahtevami kot končna toplotna obdelava.
- Kaljenje: gašenje je segrevanje in zadrževanje obdelovanca v vodi, olju ali drugih anorganskih solih, raztopini organske vode in drugem mediju za gašenje hitro hlajenje. Po gašenju jeklo postane trdo, hkrati pa postane krhko, da bi pravočasno odpravili krhkost, je na splošno potrebno pravočasno temperirati.
- Popuščanje: Da bi zmanjšali krhkost jekla, se jeklo, ki ga je mogoče ugasniti, dolgo časa ohranja toplo pri ustrezni temperaturi nad sobno temperaturo in pod 650 ° C, nato pa se ohladi, ta postopek se imenuje kaljenje.
- Kaljenje: se nanaša na kompozitni postopek toplotne obdelave kaljenja in kaljenja jekla ali jeklenih delov. Jekla, ki se uporabljajo za kaljenje, se imenujejo jekla za kaljenje. Na splošno se nanaša na srednje ogljikovo konstrukcijsko jeklo in srednje ogljikovo legirano konstrukcijsko jeklo.
- Kemična toplotna obdelava: se nanaša na kovinski ali zlitinski obdelovanec, ki je postavljen v določeno temperaturo toplotnega ohranjanja aktivnega medija, tako da eden ali več elementov na njegovi površini spremeni svojo kemično sestavo, organizacijo in izvedbo postopka toplotne obdelave.
- Običajni postopki kemične toplotne obdelave so: uplinjanje, nitriranje, karbonitridiranje, aluminizacija, boronizacija in tako naprej. Namen kemične toplotne obdelave je izboljšati trdoto, odpornost proti obrabi, odpornost proti koroziji, utrujenost in odpornost na oksidacijo jeklene površine.
- Obdelava trdne raztopine: se nanaša na postopek toplotne obdelave segrevanja zlitine na visokotemperaturno enofazno območje, da se ohrani konstantna temperatura, tako da se presežek faze popolnoma raztopi v trdni raztopini in nato hitro ohladi, da se dobi prenasičena trdna raztopina. Namen obdelave raztopine je predvsem izboljšati plastičnost in žilavost jekla in zlitine ter pripraviti na obdelavo s strjevanjem.
- Strjevanje s precipitacijo (krepitev obarjanja): se nanaša na kovino v prenasičeni trdni raztopini atomske segregacijske cone in (ali) z raztapljanjem delcev, razpršenih v matrici, in povzroči utrjevanje postopka toplotne obdelave. Kot je avstenitno obarjanje nerjavečega jekla po obdelavi z raztopino ali po hladni obdelavi, pri 400 ~ 500 ° C ali 700 ~ 800 ° C za obdelavo s strjevanjem s precipitacijo, lahko dobimo visoko trdnost.
- Obdelava staranja: se nanaša na obdelovanec iz zlitine po obdelavi raztopine, hladni plastični deformaciji ali litju, kovanju, pri vzdrževanju pri višji temperaturi ali sobni temperaturi, njegovi zmogljivosti, obliki, spremembi velikosti s postopkom toplotne obdelave.
- Če se obdelovanec segreje na višjo temperaturo in se proces staranja uporablja dlje časa, se imenuje umetno staranje. Če je obdelovanec dolgo časa nameščen pri sobni temperaturi ali v naravnih pogojih, se pojav staranja imenuje naravno staranje. Namen obdelave staranja je odpraviti notranjo obremenitev obdelovanca, stabilizirati strukturo in velikost ter izboljšati mehanske lastnosti.
- Kritični premer (kritični premer penetracije): Kritični premer se nanaša na največji premer jekla po kaljenju v določenem mediju, ko srce dobi vso martenzitno ali 50% martenzitno strukturo, kritični premer nekaterih jekel pa se lahko na splošno dobi s preskusom utrjevanja v olju ali vodi.
- Sekundarno utrjevanje: Nekatere železo-ogljikove zlitine (kot je hitro rezno jeklo) je treba večkrat temperirati, preden se njihova trdota še izboljša. Ta pojav utrjevanja, imenovan sekundarno utrjevanje, je posledica obarjanja posebnih karbidov in / ali sodelovanja pri pretvorbi avstenita v martenzit ali bainit.
- Kaljena krhkost: se nanaša na pojav krhkosti kaljenega jekla, kaljenega v določenih temperaturnih intervalih ali počasi ohlajenega od temperature kaljenja skozi temperaturni interval. Krhkost temperiranja lahko razdelimo na prvo vrsto krhkosti in drugo vrsto krhkosti. Prva vrsta krhkosti kaljenja je znana tudi kot nepopravljiva krhkost kaljenja, v glavnem se pojavi, ko je temperatura kaljenja 250 ~ 400 ° C, potem ko krhkost segrevanja izgine, ponavljajoče se kaljenje v tem intervalu ne pride več do krhkosti, druga vrsta krhkosti kaljenja je znana tudi kot reverzibilna krhkost kaljenja, temperatura je 400 ~ 650 ° C, ko krhkost po ponovnem segrevanju izgine, jo je treba hitro ohladiti in ne more dolgo ostati v območju 400 ~ 650 ° C ali počasno hlajenje, sicer se bo katalitični pojav ponovil. Pojav krhkosti je povezan z legiranimi elementi, ki jih vsebuje jeklo, kot so mangan, krom, silicij, nikelj, ki bo povzročil nagnjenost k krhkosti, molibden, volfram pa bo oslabil nagnjenost k krhkosti.
Tehnološki proces
Postopek toplotne obdelave na splošno vključuje ogrevanje, izolacijo, hlajenje tri procese, včasih samo ogrevanje in hlajenje dveh procesov. Ti procesi so med seboj povezani in neprekinjeni.
Ogrevanje je eno od pomembnih nalog toplotne obdelave. Obstaja veliko metod ogrevanja za toplotno obdelavo kovin, najzgodnejša je uporaba oglja in premoga kot vira toplote ter nedavna uporaba tekočega in plinskega goriva. Uporaba električne energije omogoča enostaven nadzor ogrevanja in brez onesnaževanja okolja. Ti viri toplote se lahko uporabljajo za neposredno ogrevanje ali posredno ogrevanje s staljenimi solmi ali kovinami in celo plavajočimi delci. Ko se kovina segreje, je obdelovanec izpostavljen zraku, pogosto pa pride do oksidacije in dekarbonizacije (to pomeni, da se zmanjša površinska vsebnost ogljika v jeklenih delih), kar zelo negativno vpliva na površinske lastnosti delov po toplotni obdelavi. Zato je treba kovino običajno segrevati v nadzorovani atmosferi ali zaščitni atmosferi, staljeni soli in vakuumu, lahko pa jo zaščitimo tudi z metodami premazovanja ali pakiranja. Temperatura ogrevanja je eden od pomembnih parametrov postopka toplotne obdelave, izbira in nadzor temperature ogrevanja pa je glavni problem za zagotovitev kakovosti toplotne obdelave. Temperatura ogrevanja se spreminja glede na kovinski material, ki se obdeluje, in namen toplotne obdelave, vendar se na splošno segreje nad temperaturo fazne spremembe, da se dobi visokotemperaturno tkivo. Poleg tega transformacija traja določen čas, tako da, ko površina kovinskega obdelovanca doseže zahtevano temperaturo ogrevanja, jo je treba tudi nekaj časa vzdrževati pri tej temperaturi, tako da sta notranja in zunanja temperatura dosledna, tako da se mikrostruktura popolnoma preoblikuje, to časovno obdobje se imenuje čas zadrževanja. Pri uporabi ogrevanja z visoko gostoto energije in površinske toplotne obdelave je hitrost ogrevanja izjemno hitra in na splošno ni časa zadrževanja, čas zadrževanja kemične toplotne obdelave pa je pogosto daljši.
Hlajenje je tudi nepogrešljiv korak v procesu toplotne obdelave, način hlajenja pa se spreminja glede na postopek, predvsem za nadzor hitrosti hlajenja. Na splošno je hitrost hlajenja žarjenja najpočasnejša, hitrost hlajenja normalizacije je hitrejša in hitrost hlajenja ognja je hitrejša. Vendar pa obstajajo različne zahteve zaradi različnih vrst jekla, na primer zračno trdo jeklo se lahko utrdi z enako hitrostjo hlajenja kot normalizacija
Razvrstitev procesa
Postopek toplotne obdelave kovin lahko grobo razdelimo na celostno toplotno obdelavo, površinsko toplotno obdelavo in kemično toplotno obdelavo tri kategorije. Glede na temperaturo ogrevanja grelnega medija in različne metode hlajenja lahko vsako kategorijo razdelimo na več različnih postopkov toplotne obdelave. Ista kovina z različnimi postopki toplotne obdelave lahko pridobi različne strukture in ima tako različne lastnosti. Jeklo je najbolj razširjena kovina v industriji, mikrostruktura jekla pa je tudi najbolj zapletena, zato obstaja veliko vrst postopkov toplotne obdelave jekla, celotna toplotna obdelava pa je celotno segrevanje obdelovanca in nato hlajenje z ustrezno hitrostjo, da se pridobi zahtevana metalografska struktura, da se spremenijo njegove splošne mehanske lastnosti postopka toplotne obdelave kovine. Celotna toplotna obdelava jekla ima štiri osnovne procese: žarjenje, normalizacijo, ogenj in popuščanje.
Vrste žarjenja
Žarjenje je postopek toplotne obdelave, pri katerem se obdelovanec segreje na ustrezno temperaturo, zadrži določen čas in nato počasi ohladi
Obstaja veliko vrst postopkov žarjenja jekla, ki jih lahko razdelimo v dve kategoriji glede na temperaturo ogrevanja: ena je žarjenje nad kritično temperaturo (Ac1 ali Ac3), znano tudi kot rekristalizacijsko žarjenje s fazno spremembo, vključno s popolnim žarjenjem, nepopolnim žarjenjem, sferoidizirajočim žarjenjem in difuzijskim žarjenjem (homogenizirajoče žarjenje); Druga je žarjenje pod kritično temperaturo, vključno z rekristaliziracijskim žarjenjem in žarjenjem za lajšanje stresa. Glede na metodo hlajenja lahko žarjenje razdelimo na izotermično žarjenje in kontinuirano hlajenje žarjenje.
•Popolno žarjenje in izotermično žarjenje
Popolno žarjenje in tehtanje kristalizacijskega žarjenja, ki se na splošno imenuje žarjenje, je jeklo ali jeklo, ki se dovolj dolgo segreje na Ac3 nad 20 ~ 30 ° C, tako da se organizacija po počasnem hlajenju popolnoma austenitizira, da se dobi postopek toplotne obdelave blizu ravnovesja organizacije. To žarjenje se uporablja predvsem za litje različnih ogljikovih jekel in legiranih jekel s hipoutektoidne sestave, odkovkov in vroče valjanih profilov, včasih pa tudi za skupne konstrukcije. Običajno se uporablja kot končna toplotna obdelava nekaterih netežkih delov ali kot predtoplotna obdelava nekaterih obdelovancev.
Sferoidizirajoče žarjenje se uporablja predvsem za evtektoidno ogljikovo jeklo in legirano orodno jeklo (kot je jeklo, ki se uporablja pri izdelavi rezalnih orodij, merilnih orodij in kalupov). Njegov glavni namen je zmanjšati trdoto, izboljšati obdelovalnost in se pripraviti na kasnejše gašenje.
•sferoidizirajoče žarjenje
Pri gašenju so najpogosteje uporabljeni hladilni mediji slana voda, voda in olje.
Obdelovanec za gašenje slanice, enostavno dobiti visoko trdoto in gladko površino, ni enostavno izdelati mehkih točk, ki niso trde, vendar je enostavno povzročiti resno deformacijo obdelovanca in celo razpoko. Olje kot sredstvo za galjenje je primerno samo za gašenje nekaterih legiranih jekel ali majhnih obdelovancev iz ogljikovega jekla z relativno veliko stabilnostjo podhlajenega avstenita.
Namen kaljenja jekla
- zmanjšajte krhkost, odpravite ali zmanjšajte notranjo napetost, gašenje jekla po veliko notranjih napetosti in krhkosti, kot je nepravočasno kaljenje, pogosto povzročijo deformacijo jekla ali celo razpoke.
- Da bi dobili zahtevane mehanske lastnosti obdelovanca, je obdelovanec po trdoti gašenja visok in krhek, da bi izpolnili zahteve različnih zmogljivosti različnih obdelovancev, lahko prilagodite trdoto z ustrezno koordinacijo kaljenja, zmanjšate krhkost, dobite zahtevano žilavost, plastičnost.
- stabilna velikost obdelovanca
- Za nekatera legirana jekla, ki jih je težko zmehčati žarjenje, se po kaljenju (ali normalizaciji) pogosto uporablja visokotemperaturno popuščanje, tako da se karbidi v jeklu pravilno zberejo, trdota pa se zmanjša, da se olajša rezanje.
Preprečevanje deformacij
- Razumna izbira materialov. Za prefinjene in kompleksne kalupe je treba izbrati mikro-deformirano jeklo z dobrim materialom (kot je jeklo kaljeno na zraku), jeklo z resno segregacijo karbida je treba razumno kovati in kaljeno toplotno obdelavo, za veliko in nekovartljivo jeklo pa se lahko izvede toplotna obdelava z dvojno rafiniranjem trdne raztopine.
- Zasnova strukture kalupa mora biti razumna, debelina ne sme biti preširoka, oblika mora biti simetrična, zakon o deformaciji je treba obvladati za velik deformacijski kalup, dodatek za obdelavo je treba rezervirati, kombinirana struktura pa se lahko uporabi za velik, natančen in kompleksen kalup.
- Natančno kompleksne okrožja je treba toplotno obdelati, da se odpravi preostala napetost, ki nastane med obdelavo.
- Razumna izbira temperature ogrevanja, nadzor hitrosti ogrevanja, počasno segrevanje, predgrevanje in druge uravnotežene metode ogrevanja se lahko sprejmejo za natančne in kompleksne kalupe za zmanjšanje deformacije toplotne obdelave kalupa.
- Pod predpostavko, da zagotovite trdoto kalupa, poskusite uporabiti predhodno hlajenje, delno hlajenje ali postopek toplega gašenja
- Za natančne in kompleksne kalupe, če razmere to dopuščajo, poskusite uporabiti vakuumsko segrevanje in kriogeno obdelavo po kaljenju.
- Za nekatere natančne in kompleksne kalupe se lahko za nadzor natančnosti kalupa uporabi predtoplotna obdelava, toplotna obdelava staranja, kaljenje in toplotna obdelava amoniaka.
