Термическая обработка - Heat treating

Печь для термообработки при 1800 ° F (980 ° C)

Термическая обработка (или же термическая обработка) - это группа промышленный, тепловые и процессы металлообработки используется для изменения физический, и иногда химический, свойства материала. Наиболее распространенное приложение - металлургический. Термическая обработка также используется при производстве многих других материалов, таких как стекло. Термическая обработка включает использование нагрева или охлаждения, обычно до экстремальных температур, для достижения желаемого результата, такого как отверждение или размягчение материала. Методы термообработки включают: отжиг, упрочнение, усиление осадков, закалка, науглероживание, нормализующий и закалка. Хотя термин термическая обработка применяется только к процессам, в которых нагрев и охлаждение выполняются с конкретной целью преднамеренного изменения свойств, нагрев и охлаждение часто происходят случайно во время других производственных процессов, таких как горячая штамповка или сварка.

Физические процессы

Аллотропы железа, показывающие различия в структурах решеток между альфа-железом (низкая температура) и гамма-железом (высокая температура). В альфа-железе нет пространства для размещения атомов углерода, в то время как гамма-железо открыто для свободного движения небольших атомов углерода.

Металлические материалы состоят из микроструктура малых кристаллы называется "зерно" или кристаллиты. Природа зерен (то есть размер и состав зерна) является одним из наиболее эффективных факторов, которые могут определять общее механическое поведение металла. Термическая обработка обеспечивает эффективный способ управления свойствами металла, контролируя скорость распространение и скорость охлаждения внутри микроструктуры. Термическая обработка часто используется для изменения механических свойств металлических изделий. сплав, манипулируя свойствами, такими как твердость, прочность, стойкость,[1] пластичность, и эластичность.

Есть два механизма, которые могут изменить свойства сплава во время термообработки: образование мартенсит заставляет кристаллы деформировать по сути, а механизм диффузии вызывает изменения в однородности сплав.[2]

Кристаллическая структура состоит из атомов, которые сгруппированы в очень специфическое расположение, называемое решеткой. В большинстве элементов этот порядок меняется в зависимости от таких условий, как температура и давление. Эта перестановка, названная аллотропия или полиморфизм, может происходить несколько раз при различных температурах для конкретного металла. В сплавах эта перегруппировка может привести к тому, что элемент, который обычно не растворяться в основной металл, чтобы внезапно стать растворимый, в то время как изменение аллотропии сделает элементы частично или полностью нерастворимыми.[3]

Находясь в растворимом состоянии, процесс диффузии заставляет атомы растворенного элемента распространяться, пытаясь сформировать гомогенное распределение внутри кристаллов основного металла. Если сплав охладить до нерастворимого состояния, атомы растворенных компонентов (растворенных веществ) могут мигрировать из раствора. Этот тип диффузии, называемый осадки, приводит к зарождение, где мигрирующие атомы группируются на границах зерен. Это образует микроструктуру, обычно состоящую из двух или более различных фазы.[4] Например, сталь, нагретая выше аустенизирующий температура (от красного до оранжевого или от 1500 ° F (820 ° C) до 1600 ° F (870 ° C) в зависимости от содержания углерода), а затем медленно охлаждается, образует слоистую структуру, состоящую из чередующихся слоев феррит и цементит становится мягким перлит.[5] После нагрева стали до аустенит фазы, а затем закалки в воде, микроструктура будет в мартенситной фазе. Это связано с тем, что сталь переходит из аустенитной фазы в мартенситную после закалки. Некоторое количество перлита или феррита может присутствовать, если закалка быстро не охладила всю сталь.[4]

В отличие от сплавов на основе железа, большинство термически обрабатываемых сплавов не подвергаются ферритному превращению. В этих сплавах зародышеобразование на границах зерен часто усиливает структуру кристаллической матрицы. Эти металлы твердеют за счет осадков. Обычно это медленный процесс, зависящий от температуры, который часто называют «старением».[6]

Многие металлы и неметаллы проявляют мартенсит трансформация при быстром охлаждении (с внешними средами, такими как масло, полимер, вода и т. д.). Когда металл охлаждается очень быстро, нерастворимые атомы могут не успевать мигрировать из раствора. Это называется "бездиффузионное преобразование. "Когда кристаллическая матрица переходит в низкотемпературное расположение, атомы растворенного вещества оказываются захваченными в решетке. Захваченные атомы препятствуют полному превращению кристаллической матрицы в ее низкотемпературный аллотроп, создавая напряжения сдвига в решетке. При быстром охлаждении, например, сталь, мартенситное превращение упрочняет металл, в то время как в других сплавах, например, в алюминии, сплав становится мягче.[7][8]

Эффекты композиции

Фазовая диаграмма системы легирования железо-углерод. Фазовые изменения происходят при разных температурах (вертикальная ось) для разных составов (горизонтальная ось). Пунктирными линиями отмечены эвтектоидный (A) и эвтектический (B) составы.

Конкретный состав системы сплава обычно имеет большое влияние на результаты термообработки. Если процентное содержание каждого компонента правильное, сплав будет образовывать единую непрерывную микроструктуру при охлаждении. Такая смесь называется эвтектоид. Однако, если процентное содержание растворенных веществ отличается от смеси эвтектоидов, обычно одновременно формируются две или более различных микроструктуры. Доэвтектоидный раствор содержит меньше растворенного вещества, чем эвтектоидный раствор, а заэвтектоидный раствор содержит больше.[9]

Эвтектоидные сплавы

А эвтектоид (эвтектика -любить) сплав похож по поведению на эвтектический сплав. А эвтектика сплав характеризуется наличием единственного температура плавления. Эта температура плавления ниже, чем у любого из компонентов, и никакие изменения в смеси не приведут к дальнейшему снижению точки плавления. Когда расплав эвтектического сплава охлаждается, все составляющие кристаллизуются в соответствующие фазы при одинаковой температуре.

Эвтектоидный сплав аналогичен, но фазовый переход происходит не из жидкости, а из Твердый раствор. При охлаждении эвтектоидного сплава от температуры раствора компоненты разделятся на разные кристаллические фазы, образуя единый микроструктура. Например, эвтектоидная сталь содержит 0,77% углерод. При медленном охлаждении раствор утюг и углерод (одна фаза, называемая аустенит ) разделится на тромбоциты фаз феррит и цементит. Это образует слоистую микроструктуру, называемую перлит.

Поскольку перлит тверже железа, достижимая степень мягкости обычно ограничивается той, которая создается перлитом. Точно так же закаливаемость ограничивается сплошной мартенситной микроструктурой, образующейся при очень быстром охлаждении.[10]

Доэвтектоидные сплавы

А доэвтектический сплав имеет две отдельные точки плавления. Оба они выше точки плавления эвтектики для системы, но ниже точек плавления любого компонента, образующего систему. Между этими двумя точками плавления сплав будет частично твердым, а частично жидким. Компонент с более низкой температурой плавления затвердеет первым. После полного затвердевания доэвтектический сплав часто находится в твердом растворе.

Точно так же доэвтектоидный сплав имеет две критические температуры, называемые «задержкой». Между этими двумя температурами сплав будет существовать частично как раствор, а частично как отдельная кристаллизационная фаза, называемая «проэвтектоидной фазой». Эти две температуры называются верхними (A3) и ниже (A1) температуры превращения. Когда раствор охлаждается от верхней температуры превращения до нерастворимого состояния, избыток основного металла часто будет вынужден «кристаллизоваться», превращаясь в проэвтектоид. Это будет происходить до тех пор, пока остающаяся концентрация растворенных веществ не достигнет эвтектоидного уровня, который затем будет кристаллизоваться в виде отдельной микроструктуры.

Доэвтектоидная сталь содержит менее 0,77% углерода. При охлаждении доэвтектоидной стали от температуры превращения аустенита образуются небольшие островки доэвтектоидного феррита. Они будут продолжать расти, и углерод будет уменьшаться до тех пор, пока не будет достигнута концентрация эвтектоидов в остальной части стали. Эта смесь эвтектоидов затем будет кристаллизоваться в виде микроструктуры перлита. Поскольку феррит мягче перлита, две микроструктуры объединяются, чтобы увеличить пластичность сплава. Следовательно, закаливаемость сплава снижается.[11]

Заэвтектоидные сплавы

А заэвтектический сплав также имеет разные температуры плавления. Однако между этими точками твердым будет компонент с более высокой температурой плавления. Точно так же заэвтектоидный сплав имеет две критические температуры. При охлаждении заэвтектоидного сплава от верхней температуры превращения обычно сначала кристаллизуются избыточные растворенные вещества, образуя проэвтектоид. Это продолжается до тех пор, пока концентрация в оставшемся сплаве не станет эвтектоидной, которая затем кристаллизуется в отдельную микроструктуру.

Заэвтектоидная сталь содержит более 0,77% углерода. При медленном охлаждении заэвтектоидной стали цементит начинает кристаллизоваться первым. Когда оставшаяся сталь станет эвтектоидной по составу, она будет кристаллизоваться в перлит. Поскольку цементит намного тверже перлита, сплав имеет большую прокаливаемость за счет пластичности.[9][11]

Влияние времени и температуры

Диаграмма зависимости времени от температуры (TTT) для стали. Красные кривые представляют различные скорости охлаждения (скорости) при охлаждении от верхней критической (A3) температуры. V1 производит мартенсит. V2 содержит перлит, смешанный с мартенситом, V3 дает бейнит, а также перлит и матенсит.

Правильная термообработка требует точного контроля температуры, времени выдержки при определенной температуре и скорости охлаждения.[12]

За исключением снятия напряжений, отпуска и старения, большинство термообработок начинаются с нагрева сплава выше определенной температуры превращения или остановки (A). Эта температура называется "остановкой", потому что при температуре А металл испытывает период гистерезис. В этот момент вся тепловая энергия используется для изменения кристалла, поэтому температура на короткое время перестает расти (останавливается), а затем продолжает расти после завершения изменения.[13] Следовательно, для превращения сплав должен быть нагрет выше критической температуры. Сплав обычно выдерживают при этой температуре достаточно долго, чтобы тепло полностью проникло в сплав, превращая его в полный твердый раствор. Железо, например, имеет четыре критических температуры в зависимости от содержания углерода. Чистое железо в альфа-состоянии (при комнатной температуре) превращается в немагнитное гамма-железо в его A2 температура и свариваемый дельта-железо в точке А4 температура. Однако по мере добавления углерода, превращающегося в сталь, A2 температура распадается на A3 температура, также называемая аустенизирующий температура (все фазы превращаются в аустенит, раствор гамма-железа и углерода) и ее A1 температура (аустенит при охлаждении переходит в перлит). Между этими верхней и нижней температурами при охлаждении образуется доэвтектоидная фаза.

Поскольку меньший размер зерна обычно улучшает механические свойства, такие как стойкость, прочность на сдвиг и предел прочности эти металлы часто нагревают до температуры, которая чуть выше верхней критической температуры, чтобы предотвратить слишком большой рост зерен раствора. Например, когда сталь нагревается выше верхней критической температуры, образуются мелкие зерна аустенита. Они становятся больше при повышении температуры. При очень быстром охлаждении во время мартенситного превращения размер зерна аустенита напрямую влияет на размер мартенситного зерна. Более крупные зерна имеют большие границы зерен, которые служат слабыми местами в структуре. Размер зерна обычно контролируется, чтобы снизить вероятность поломки.[14]

Диффузионное преобразование очень зависит от времени. Охлаждение металла обычно подавляет осаждение до гораздо более низкой температуры. Например, аустенит обычно существует только выше верхней критической температуры. Однако, если аустенит охлаждается достаточно быстро, превращение может подавляться на сотни градусов ниже более низкой критической температуры. Такой аустенит очень нестабилен и, если дать ему достаточно времени, превратится в различные микроструктуры феррита и цементита. Скорость охлаждения можно использовать для управления скоростью роста зерен или даже для создания частично мартенситных микроструктур.[15] Однако мартенситное превращение не зависит от времени. Если сплав охладить до мартенситного превращения (Мs) температуры до того, как другие микроструктуры могут полностью сформироваться, преобразование обычно происходит со скоростью чуть ниже скорости звука.[16]

Когда аустенит охлаждается достаточно медленно, чтобы не произошло мартенситного превращения, размер зерна аустенита будет влиять на скорость зародышеобразования, но, как правило, именно температура и скорость охлаждения контролируют размер зерна и микроструктуру. Когда аустенит охлаждается очень медленно, он образует большие кристаллы феррита, заполненные сферическими включениями цементита. Эта микроструктура называется «сфероидитом». Если остыть чуть быстрее, то образуется крупный перлит. Еще быстрее образуется мелкий перлит. Если остыть еще быстрее, бейнит сформируется. Точно так же эти микроструктуры также образуются, если их охладить до определенной температуры и затем удерживать там определенное время.[17]

Большинство сплавов цветных металлов также нагреваются до образования раствора. Чаще всего их затем очень быстро охлаждают, чтобы произвести мартенситное превращение, помещая раствор в перенасыщенный штат. Сплав, находящийся в более мягком состоянии, может быть холодная работа. Это вызывает упрочнение что увеличивает прочность и твердость сплава. Кроме того, дефекты, вызванные Пластическая деформация имеют тенденцию ускорять осаждение, увеличивая твердость выше нормальной для сплава. Даже если не подвергаться холодной обработке, растворенные вещества в этих сплавах обычно выпадают в осадок, хотя процесс может занять гораздо больше времени. Иногда эти металлы затем нагревают до температуры ниже нижнего критического значения (A1) температуры, предотвращающей перекристаллизацию, чтобы ускорить осаждение.[18][19][20]

Методы

Стальные отливки после 12-часовой термообработки при 1200 ° C (2190 ° F).

Сложные графики термической обработки или «циклы» часто разрабатываются металлурги для оптимизации механических свойств сплава. в аэрокосмический промышленность, суперсплав может подвергаться пяти или более различным операциям термообработки для достижения желаемых свойств. Это может привести к проблемам с качеством в зависимости от точности контроля температуры печи и таймера. Эти операции обычно можно разделить на несколько основных приемов.

Отжиг

Основная статья: Отжиг (металлургия)

Отжиг заключается в нагревании металла до определенной температуры и последующем охлаждении со скоростью, обеспечивающей улучшенное качество металла. микроструктура, полностью или частично разделяя составляющие. Скорость охлаждения обычно низкая. Отжиг чаще всего используется для смягчения металла для холодной обработки, улучшения обрабатываемости или улучшения таких свойств, как электрическая проводимость.

В ферросплавах отжиг обычно осуществляется путем нагрева металла выше верхней критической температуры и затем очень медленного охлаждения, что приводит к образованию перлита. Как в чистых металлах, так и во многих сплавах, которые не могут быть подвергнуты термической обработке, отжиг используется для удаления твердости, вызванной холодной обработкой. Металл нагревается до температуры, при которой перекристаллизация могут возникнуть, тем самым устраняя дефекты, вызванные пластической деформацией. В этих металлах скорость охлаждения обычно мало влияет. Большинство цветных сплавов, которые поддаются термообработке, также подвергаются отжигу для снижения твердости при холодной обработке. Их можно медленно охлаждать для полного осаждения компонентов и получения улучшенной микроструктуры.

Ферросплавы обычно подвергаются либо «полному отжигу», либо «технологическому отжигу». Полный отжиг требует очень медленных скоростей охлаждения для образования крупного перлита. В процессе отжига скорость охлаждения может быть выше; до нормализации включительно. Основная цель технологического отжига - получение однородной микроструктуры. Цветные сплавы часто подвергаются различным методам отжига, включая «рекристаллизационный отжиг», «частичный отжиг», «полный отжиг» и «окончательный отжиг». Не все методы отжига включают рекристаллизацию, например снятие напряжений.[21]

Нормализация

Нормализация - это метод, используемый для обеспечения однородности размера и состава зерен (равноосные кристаллы ) по всему сплаву. Этот термин часто используется для обозначения сплавов черных металлов, которые аустенитизированный а затем остужают на открытом воздухе.[21] При нормализации образуется не только перлит, но и мартенсит, а иногда и бейнит, что дает более твердую и прочную сталь, но с меньшей пластичностью при том же составе, чем полный отжиг.

В процессе нормализации процесс нагрева стали примерно на 40 градусов Цельсия выше ее верхнего критического предела температуры некоторое время выдерживается при этой температуре, а затем охлаждается на воздухе.

Снятие стресса

Снятие напряжения - это метод снятия или уменьшения внутренних напряжений, создаваемых в металле. Эти напряжения могут быть вызваны разными способами, от холодной обработки до неравномерного охлаждения. Снятие напряжений обычно достигается путем нагрева металла до температуры ниже более низкой критической и затем равномерного охлаждения.[21] Снятие напряжения обычно используется на таких объектах, как воздушные баллоны, котлы и другие. сосуды под давлением, чтобы снять все напряжения, возникающие в процессе сварки.[22]

Старение

Основная статья: Осадочное твердение

Некоторые металлы классифицируются как металлы с дисперсионным твердением. При закалке дисперсионно-твердеющего сплава его легирующие элементы будут захвачены раствором, что приведет к получению мягкого металла. Старение «растворенного» металла позволит легирующим элементам диффундировать через микроструктуру и образовать интерметаллические частицы. Эти интерметаллические частицы будут зарождаться и выпадать из раствора и действовать как армирующая фаза, тем самым увеличивая прочность сплава. Сплавы могут стареть «естественным образом», что означает, что осадки образуются при комнатной температуре, или они могут стареть «искусственно», когда осадки образуются только при повышенных температурах. В некоторых случаях естественным образом стареющие сплавы могут храниться в морозильной камере, чтобы предотвратить затвердевание до тех пор, пока не будут выполнены дальнейшие операции - например, сборка заклепок может быть проще с более мягкой деталью.

Примеры дисперсионно-твердеющих сплавов включают серии 2000, серии 6000 и 7000. алюминиевый сплав, а также некоторые суперсплавы и некоторые нержавеющая сталь. Стали, затвердевающие в результате старения, обычно называют мартенситностареющая сталь, от сочетания терминов «мартенситное старение».[21]

Закалка

Основная статья: Закалка

Закалка - это процесс охлаждения металла с высокой скоростью. Чаще всего это делается для мартенситного превращения. В черных сплавах это часто дает более твердый металл, тогда как цветные сплавы обычно становятся мягче, чем обычно.

Для закалки металл (обычно сталь или чугун) необходимо нагреть выше верхней критической температуры, а затем быстро охладить. В зависимости от сплава и других соображений (таких как максимальная твердость по сравнению с растрескиванием и деформацией) охлаждение может выполняться с принудительным воздуха или другой газы, (такие как азот ). Жидкости могут быть использованы из-за их лучших теплопроводность, такие как масло, вода, а полимер растворенный в воде, или рассол. При быстром охлаждении часть аустенита (в зависимости от состава сплава) превращается в мартенсит, твердая, хрупкая кристаллическая структура. Закаленная твердость металла зависит от его химического состава и способа закалки. Скорость охлаждения, от самой высокой до самой медленной, зависит от рассола, полимера (т.е. смеси воды и гликоля), пресной воды, масла и нагнетаемого воздуха. Однако слишком быстрая закалка определенной стали может привести к растрескиванию, поэтому высокопрочные стали, такие как AISI 4140, следует закаливать в масле, инструментальные стали такие как ISO 1.2767 или инструментальная сталь для горячей обработки H13 должна быть закалена в принудительном воздухе, а низколегированные или среднеэластичные стали, такие как XK1320 или AISI 1040, должны быть закалены в рассоле.

Некоторые сплавы на основе бета-титана также показали аналогичные тенденции повышения прочности за счет быстрого охлаждения.[23] Однако большинство цветных металлов, таких как сплавы медь, алюминий, или же никель, и некоторые высоколегированные стали, такие как аустенитная нержавеющая сталь (304, 316), при закалке дают противоположный эффект: они размягчаются. Аустенитные нержавеющие стали необходимо закалить, чтобы они стали полностью устойчивыми к коррозии, поскольку они значительно затвердевают.[21]

Темперирование

Основная статья: Закалка (металлургия)

Незаконченная мартенситная сталь, хотя и очень твердая, слишком хрупкая, чтобы ее можно было использовать в большинстве случаев. Метод, позволяющий решить эту проблему, называется закалкой. В большинстве случаев требуется отпуск закаленных деталей. Закалка заключается в нагревании стали ниже нижней критической температуры (часто от 400 до 1105 ˚F или от 205 до 595 C, в зависимости от желаемых результатов), чтобы стойкость. Более высокие температуры отпуска (могут достигать 1300 F или 700 ˚C, в зависимости от сплава и области применения) иногда используются для придания дополнительной пластичности, хотя в некоторых случаях прочность потерян.

Закалка также может выполняться на нормализованных сталях. Другие методы отпуска состоят из закалки до определенной температуры, которая выше начальной температуры мартенсита, а затем выдержки при такой температуре до образования чистого бейнита или снятия внутренних напряжений. К ним относятся осторожный и умерщвление.[21]

Темперирующие цвета

Цвета закалки стали

Сталь, которая была недавно отшлифована или отполирована, образует окись слоями при нагревании. При очень определенной температуре оксид железа образует слой очень определенной толщины, вызывая тонкопленочная интерференция. Это приводит к появлению цветов на поверхности стали. С повышением температуры слой оксида железа увеличивается в толщине, меняя цвет.[24] Эти цвета, называемые цветами закалки, веками использовались для измерения температуры металла.[25]

  • 350˚F (176˚C), светло-желтоватый
  • 400˚F (204˚C), светло-соломенный
  • 440˚F (226˚C), темно-соломенный
  • 500˚F (260˚C), коричневый
  • 540˚F (282˚C), фиолетовый
  • 590˚F (310˚C), темно-синий
  • 640˚F (337˚C), голубой[25]

По цветам отпуска можно судить об окончательных свойствах закаленной стали. Очень твердые инструменты часто подвергаются закалке в диапазоне от светлой до темно-соломенной, тогда как пружины часто подвергаются закалке до синего цвета. Однако окончательная твердость закаленной стали будет варьироваться в зависимости от состава стали. С более высоким содержанием углерода инструментальная сталь после закалки останется намного тверже, чем стальная пружина (немного меньше углерода) при закалке при той же температуре. Оксидная пленка также со временем будет увеличиваться в толщине. Следовательно, сталь, которая выдерживалась при температуре 400˚F в течение очень долгого времени, может стать коричневой или пурпурной, даже если температура никогда не превышала температуру, необходимую для получения светло-соломенного цвета. Другими факторами, влияющими на конечный результат, являются масляные пленки на поверхности и тип используемого источника тепла.[25]

Селективная термообработка

Основная статья: Дифференциальная термообработка

Многие методы термообработки были разработаны для изменения свойств только части объекта. Они, как правило, состоят либо в охлаждении разных областей сплава с разной скоростью, либо в быстром нагреве в локализованной области, а затем в закалке, путем термохимической диффузии, либо в закалке разных областей объекта при разных температурах, например, в дифференциальный отпуск.

Дифференциальная закалка

Основная статья: Дифференциальная закалка
Катана с различной степенью закалки. Яркая волнистая линия, следующая за хамон, называемый nioi, отделяет мартенситную кромку от перлитной задней части. На вставке крупным планом показан ниой, состоящий из отдельных зерен мартенсита (ние), окруженных перлитом. Текстура древесины достигается за счет слоев разного состава.

Некоторые методы позволяют различным областям одного объекта подвергаться различной термической обработке. Это называется дифференциальное упрочнение. Это обычное дело в высоком качестве ножи и мечи. Китайский цзянь является одним из самых ранних известных примеров этого, и японские катана может быть наиболее широко известным. Непальцы Хукури другой пример. В этой технике используется изолирующий слой, например слои глины, для покрытия участков, которые должны оставаться мягкими. Зоны закалки остаются открытыми, что позволяет полностью затвердеть только некоторым частям стали при закалке.

Закалка пламенем

Основная статья: Поверхностное упрочнение

Закалка пламенем используется для упрочнения только части металла. В отличие от дифференциальной закалки, при которой вся деталь нагревается, а затем охлаждается с разной скоростью, при закалке пламенем только часть металла нагревается перед закалкой. Обычно это проще, чем дифференциальная закалка, но часто образуется чрезвычайно хрупкая зона между нагретым и ненагретым металлами, так как охлаждение на краю этого зона термического влияния очень быстро.

Индукционная закалка

Основная статья: Индукционная закалка

Индукционная закалка - это поверхностное упрочнение техника, при которой поверхность металла нагревается очень быстро, с использованием бесконтактного метода индукционный нагрев. Затем сплав закаливают, вызывая мартенситное превращение на поверхности, оставляя нижележащий металл неизменным. Это создает очень твердую износостойкую поверхность, сохраняя при этом надлежащую прочность большей части объекта. Коленчатый вал журналы - хороший пример индукционной закаленной поверхности.[26]

Поверхностное упрочнение

Основная статья: Поверхностное упрочнение

Цементное упрочнение - это термохимический процесс диффузии, при котором легирующий элемент, чаще всего углерод или азот, диффундирует в поверхность монолитного металла. Полученный твердый раствор внедрения тверже основного материала, что улучшает износостойкость без ущерба для прочности.[21]

Лазерная обработка поверхности - это обработка поверхности с высокой универсальностью, селективностью и новыми свойствами. Поскольку скорость охлаждения при лазерной обработке очень высока, этим методом можно получить даже метастабильное металлическое стекло.

Холодная и криогенная обработка

Основная статья: Криогенная обработка

Хотя закалка стали вызывает превращение аустенита в мартенсит, обычно аустенит полностью не превращается. Некоторые кристаллы аустенита останутся неизменными даже после закалки ниже мартенситной отделки (Mж) температура. Дальнейшее превращение аустенита в мартенсит может быть вызвано медленным охлаждением металла до чрезвычайно низких температур. Холодная обработка обычно заключается в охлаждении стали примерно до -115 F (-81 ˚C), но не устраняет весь аустенит. Криогенная обработка обычно заключается в охлаждении до гораздо более низких температур, часто в диапазоне -315 F (-192 ˚C), для превращения большей части аустенита в мартенсит.

Холодная и криогенная обработка обычно проводится сразу после закалки, перед любым отпуском, и она увеличивает твердость, износостойкость и снижает внутренние напряжения в металле, но, поскольку на самом деле это продолжение процесса закалки, это может увеличить шансы растрескивания во время процедуры. Этот процесс часто используется для инструментов, подшипников или других предметов, требующих хорошей износостойкости. Однако он обычно эффективен только для высокоуглеродистых или высоколегированных сталей, в которых после закалки остается более 10% аустенита.[27][28]

Обезуглероживание

Иногда для изменения содержания углерода используют нагрев стали. Когда сталь нагревается в окислительной среде, кислород соединяется с железом, образуя слой оксида железа, который защищает сталь от обезуглероживания. Однако когда сталь превращается в аустенит, кислород соединяется с железом с образованием шлака, который не защищает от обезуглероживания. Образование шлака и окалины фактически увеличивает обезуглероживание, поскольку оксид железа удерживает кислород в контакте с зоной обезуглероживания даже после того, как сталь перемещается в бескислородную среду, такую ​​как угли в кузнице. Таким образом, атомы углерода начинают объединяться с окружающей окалиной и шлаком, образуя оба монооксид углерода и углекислый газ, который выпущен в воздух.

Сталь содержит относительно небольшой процент углерода, который может свободно перемещаться внутри гамма-железа. Когда аустенитизированная сталь подвергается воздействию воздуха в течение длительного времени, содержание углерода в стали может снизиться. Это противоположно тому, что происходит, когда сталь нагревается в уменьшение окружающей среды, в котором углерод медленно диффундирует дальше в металл. В окислительной среде углерод может легко диффундировать наружу, поэтому аустенитизированная сталь очень чувствительна к обезуглероживанию. Это часто используется для литой стали, где для литья необходимо высокое содержание углерода, но желательно более низкое содержание углерода в готовом продукте. Его часто используют для изготовления чугунов. ковкий чугун в процессе, называемом «закалкой в ​​белый цвет». Эта тенденция к обезуглероживанию часто является проблемой при других операциях, таких как кузнечное дело, где становится более желательным аустенировать сталь в течение как можно более короткого промежутка времени, чтобы предотвратить чрезмерное обезуглероживание.[29]

Технические характеристики

Обычно вместо процесса термической обработки указывается конечное состояние.[30]

Поверхностное упрочнение

Современная, полностью компьютеризированная печь для цементации.

Цементная закалка определяется твердостью и глубина корпуса. Глубину корпуса можно указать двумя способами: общая глубина корпуса или эффективная глубина корпуса. Общая глубина корпуса - это истинная глубина корпуса. Для большинства сплавов эффективная глубина гильзы - это глубина гильзы, твердость которой эквивалентна HRC50; однако некоторые сплавы имеют другую твердость (40-60 HRC) на эффективной глубине гильзы; это проверено на Измеритель микротвердости Tukon. Это значение может быть приблизительно равно 65% от общей глубины корпуса; однако химический состав и прокаливаемость могут повлиять на это приближение. Если не указан ни один из типов глубины корпуса, предполагается общая глубина корпуса.[30]

Для деталей из цементированной стали в спецификации должен быть допуск не менее ± 0,005 дюйма (0,13 мм). Если деталь подлежит шлифованию после термообработки, глубина корпуса принимается после шлифовки.[30]

В Твердость по Роквеллу шкала, используемая для спецификации, зависит от общей глубины корпуса, как показано в таблице ниже. Обычно твердость измеряется по шкале Роквелла «С», но нагрузка, используемая на шкале, проникает сквозь гильзу, если гильза меньше 0,030 дюйма (0,76 мм). Использование «C» по Роквеллу для более тонкого корпуса приведет к неверному показанию.[30]

Требуется шкала Роквелла для разной глубины корпуса[30]
Общая глубина корпуса, мин. [в]Шкала Роквелла
0.030C
0.024А
0.02145N
0.01830N
0.01515N
Менее 0,015"Файл жесткий"

Для корпусов толщиной менее 0,015 дюйма (0,38 мм) нельзя надежно использовать шкалу Роквелла, поэтому файл жесткий вместо этого указывается.[30] File hard примерно соответствует 58 HRC.[31]

При указании твердости следует указать либо диапазон, либо указать минимальную твердость. Если указан диапазон, необходимо дать не менее 5 баллов.[30]

Через отверждение

Только твердость указана для сквозной закалки. Обычно это форма HRC с диапазоном не менее пяти пунктов.[30]

Отжиг

Твердость для процесса отжига обычно указывается по шкале HRB ​​как максимальное значение.[30]Это процесс измельчения зерна, повышения прочности, снятия остаточного напряжения и влияния на электромагнитные свойства ...

Типы печей

Печи, используемые для термообработки, можно разделить на две большие категории: печи периодического действия и печи непрерывного действия. Печи периодического действия обычно загружаются и разгружаются вручную, тогда как печи непрерывного действия имеют автоматическую систему транспортировки, обеспечивающую постоянную загрузку в камеру печи.[32]

Камерные печи

Системы периодического действия обычно состоят из изолированной камеры со стальной оболочкой, система обогрева, и дверь доступа в камеру.[32]

Коробчатая печь

Многие базовые печи коробчатого типа были модернизированы до полунепрерывных периодических печей с добавлением встроенных закалочных резервуаров и камер медленного охлаждения. Эти модернизированные печи являются очень часто используемым оборудованием для термообработки.[32]

Печь вагонная

Автомобильная печь, также известная как «выдвижной под», представляет собой очень большую печь периодического действия. Пол выполнен в виде изолированной передвижной тележки, которая перемещается в печь и выходит из нее для загрузки и разгрузки. Автомобиль обычно герметизируется с помощью песчаных уплотнений или твердых уплотнений на месте. Из-за сложности получения достаточного уплотнения автомобильные печи обычно используются для процессов, не связанных с атмосферой.

Элеваторная печь

Линия термической обработки в псевдоожиженном слое

По типу похожая на автомобильную печь, за исключением того, что тележка и под закатываются в положение под печью и поднимаются с помощью механизма с приводом от двигателя, элеваторные печи могут выдерживать большие тяжелые нагрузки и часто устраняют необходимость в каких-либо внешних краны и механизмы передачи.[32]

Колпаковая печь

Колпаковые печи имеют съемные крышки, называемые колокола, которые опускаются краном над грузом и подом. Внутренний колокол помещен над очагом и запечатан для создания защитной атмосферы. Внешний колокол опускается для подачи тепла.[32]

Шахтные печи

Печи, которые построены в яме и доходят до уровня пола или немного выше, называются ямовыми печами. Заготовки можно подвешивать к креплениям, помещать в корзины или ставить на подставки в печи. Шахтные печи подходят для нагрева длинных труб, валов и стержней, удерживая их в вертикальном положении. Такой способ загрузки обеспечивает минимальные искажения.[32]

Соляные банные печи

Соляные ванны используются в самых разных процессах термообработки, включая нейтральное закаливание, жидкая цементация, жидкое азотирование, осторожный, умерщвление и закалка.

Детали загружаются в кастрюлю с расплавленной солью, где они нагреваются проводимость, давая очень доступный источник тепла. Внутренняя температура детали повышается примерно с той же скоростью, что и ее поверхность в соляной ванне.[32]

В солевых ваннах для термической обработки используются различные соли, из которых наиболее широко используются цианидные соли. Опасения по поводу здоровья и безопасности на рабочем месте, а также дорогостоящего управления отходами и их удаления из-за их воздействия на окружающую среду сделали использование солевых ванн менее привлекательным в последние годы. Следовательно, многие соляные ванны заменяются более экологически чистыми печами с псевдоожиженным слоем.[33]

Печи с псевдоожиженным слоем

А псевдоожиженный слой состоит из цилиндрического возразить Изготовлен из жаропрочного сплава, заполненного частицами оксида алюминия, напоминающими песок. Газ (воздух или азот) барботируется через оксид, и песок движется таким образом, что проявляет поведение, подобное жидкости, отсюда и термин псевдоожиженный. Контакт оксида твердое тело-твердое дает очень высокий теплопроводность и отличная однородность температуры по всей печи, сравнимая с таковой в соляной ванне.[32]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ЗИА, Абдул Васи; Чжоу, Чжифэн; По-ван, Шум .; Лоуренс Ли, Квак Ян (24 января 2017 г.). «Влияние двухступенчатой ​​термообработки на твердость, вязкость разрушения и износ различных алмазоподобных углеродных покрытий». Технология поверхностей и покрытий. 320: 118–125. Дои:10.1016 / j.surfcoat.2017.01.089.
  2. ^ Шант П. Гупта (2002). Твердотельные фазовые превращения. Allied Publishers Private Limited. С. 28–29.
  3. ^ Роберт В. Кан; Питер Хаасен, ред. (1996). Физическая металлургия. 2. Elsevier Science. С. 10–11.
  4. ^ а б Alvarenga, H.D .; Van de Putte, T .; Van Steenberge, N .; Sietsma, J .; Террин, Х. (8 октября 2014 г.). «Влияние морфологии и микроструктуры карбидов на кинетику поверхностного обезуглероживания C-Mn сталей». Металлургические операции и операции с материалами A. 46: 123–133. Дои:10.1007 / s11661-014-2600-у.
  5. ^ Физическая металлургия 1996, стр. 136–198
  6. ^ Гупта 2002, стр. 299–347
  7. ^ Физическая металлургия 1996, стр. 1508–1543
  8. ^ Гупта 2002, стр. 501–518
  9. ^ а б B.B. Patra; Бисваджит Самантрей (2011). Инженерная химия I. Дорлинг Киндерсли. С. 75–77.
  10. ^ Dossett, Jon L .; Бойер, Ховард Э. (2006). Практическая термообработка. ASM International. С. 17–22.
  11. ^ а б Доссет и Бойер 2006, стр. 17–22
  12. ^ Rajan, T. V .; Sharma, C.P .; Шарма, Ашок (1992). Термическая обработка: принципы и методы. Зал Prentence Hall. п. 1.
  13. ^ New Edge of the Anvil: Справочная книга для кузнеца Джек Эндрюс --Shipjack Press, 1994, стр. 93-96
  14. ^ Раджан и Шарма 1992, стр. 62–67
  15. ^ Доссет и Бойер 2006, стр. 23–25
  16. ^ Физика фазовых переходов: концепции и приложения Пьер Папон, Жак Леблон, Поль Герман Эрнст Мейер - Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006 Стр. 66
  17. ^ Раджан и Шарма 1992
  18. ^ Доссет и Бойер 2006, п. 231
  19. ^ Раджан и Шарма 1992, стр. 187–190, 321
  20. ^ Технология производства: литейное производство, формовка и сварка. Рао - Тата МакГроу-Хилл 1998 г. Стр. 55
  21. ^ а б c d е ж грамм Доссет и Бойер 2006, стр. 2–6
  22. ^ «Национальный совет инспекторов котлов и сосудов под давлением». www.nationalboard.org. В архиве из оригинала от 20 декабря 2010 г.. Получено 29 апреля 2018.
  23. ^ Najdahmadi, A .; Зарей-Ханзаки, А .; Фархадани, Э. (1 февраля 2014 г.). «Повышение механических свойств сплава Ti – 29Nb – 13Ta – 4.6Zr путем термической обработки без отрицательного влияния на его биосовместимость». Материалы и дизайн (1980-2015). 54: 786–791. Дои:10.1016 / j.matdes.2013.09.007. ISSN  0261-3069.
  24. ^ Свет, его взаимодействие с искусством и древностями Томас Б. Брилл - Издательство Пленума 1980 г. Стр. 55
  25. ^ а б c Эндрюс, Джек (1994). New Edge of the Anvil: справочник для кузнеца. С. 98–99.
  26. ^ Поверхностное упрочнение сталей: понимание основ Джозеф Р. Дэвис - ASM International 2002
  27. ^ Руководство по термообработке: методы и процедуры для чугуна и стали Автор: ASM International - ASM International 2007 Стр. 12-13
  28. ^ Справочник по остаточным напряжениям и деформации стали Джордж Э. Тоттен, Морис А. Хоуз, Тацуо Иноуэ - ASM International 2002, стр. 331-337
  29. ^ Термическая обработка стали: металлургия и технологии Джордж Э. Тоттен - CRC press 2007, стр. 306-308
  30. ^ а б c d е ж грамм час я «Руководство разработчика PMPA: термическая обработка». Архивировано из оригинал на 2009-07-14. Получено 2009-06-19.
  31. ^ Телефонное интервью с инспектором по контролю качества FPM, Elk Grove Village, IL. 21.06.2010
  32. ^ а б c d е ж грамм час Международный справочный комитет ASM. (1991). Справочник ASM, Том 04 - Термическая обработка. ASM International.
  33. ^ «Сделано в Мидлендсе | Псевдоожиженные кровати: зеленая альтернатива соляным ваннам». Claytonholdings.madeinthemidlands.com. В архиве из оригинала от 07.02.2016. Получено 2015-06-02.

дальнейшее чтение

  • Рид-Хилл, Роберт (1994). Принципы физической металлургии (3-е изд.). Бостон: PWS Publishing.