Ustizanje čelika je najvažniji i najčešće korišteni postupak u procesu toplinske obrade. Ustizanje može značajno povećati čvrstoću i tvrdoću čelika.
Definicija i svrha gašenja
Čelik se zagrijava do temperature iznad kritične točke Ac3 (hipoeutektoidni čelik) ili Ac1 (hipereutektoidni čelik), drži se neko vrijeme kako bi se potpuno ili djelomično austenitizirao, a zatim se ohladi brzinom većom od kritične brzine kaljenja. Proces toplinske obrade koji pretvara prehlađeni austenit u martenzit ili niži bainit naziva se kaljenje.
Svrha kaljenja je transformirati prehlađeni austenit u martenzit ili bainit kako bi se dobila struktura martenzita ili niže bainita, koja se zatim kombinira s kaljenjem na različitim temperaturama kako bi se znatno poboljšala čvrstoća, tvrdoća i otpornost čelika. Nosivost, otpornost na zamor i žilavost, itd., kako bi se zadovoljili različiti zahtjevi upotrebe različitih mehaničkih dijelova i alata. Kaljenje se također može koristiti za postizanje posebnih fizičkih i kemijskih svojstava određenih specijalnih čelika kao što su feromagnetizam i otpornost na koroziju.
Kada se čelični dijelovi hlade u mediju za kaljenje s promjenama u fizičkom stanju, proces hlađenja općenito se dijeli u sljedeća tri stupnja: stupanj parnog filma, stupanj vrenja i stupanj konvekcije.
Otvrdljivost čelika
Otvaranost i otvrdnjavanje dva su pokazatelja performansi koji karakteriziraju sposobnost čelika da se podvrgne gašenju. Oni su također važni za odabir i upotrebu materijala.
1. Pojmovi stvrdljivosti i stvrdljivosti
Prokaljivost je sposobnost čelika da postigne najveću tvrdoću koju može postići kada se očvrsne u idealnim uvjetima. Glavni faktor koji određuje prokaljivost čelika je sadržaj ugljika u čeliku, točnije, sadržaj ugljika otopljenog u austenitu tijekom kaljenja i zagrijavanja. Što je veći sadržaj ugljika, veća je prokaljivost čelika. Legirajući elementi u čeliku imaju mali utjecaj na prokaljivost čelika, ali imaju značajan utjecaj na prokaljivost čelika.
Otvaranost se odnosi na karakteristike koje određuju dubinu očvršćivanja i raspodjelu tvrdoće čelika u navedenim uvjetima. Odnosno, sposobnost dobivanja dubine očvrsnog sloja kada se ugasi čelik. To je svojstveno svojstvo čelika. Otvaranost zapravo odražava lakoću kojom se Austenit pretvara u martenzit kada se čelik ugasi. Uglavnom je povezan sa stabilnošću super hlađenog austenita čelika ili s kritičnom brzinom hlađenja čelika.
Također treba istaknuti da se otvrdnjava čelika mora razlikovati od efektivne dubine očvršćivanja čeličnih dijelova u određenim uvjetima gašenja. Otvaranje čelika je svojstveno svojstvo samog čelika. Ovisi samo o vlastitim unutarnjim čimbenicima i nema nikakve veze s vanjskim čimbenicima. Učinkovita dubina stvrdljivosti čelika ne samo da ovisi o otvrdnjavanju čelika, već i ovisi o korištenom materijalu. Povezana je s vanjskim čimbenicima poput medija za hlađenje i veličine obrada. Na primjer, u istim uvjetima austenitizacije, otvrdnjava istog čelika je ista, ali učinkovita dubina stvrdnjavanja vode veća je od utega nafte, a mali dijelovi su manji od gašenja ulja. Efektivna dubina očvršćivanja velikih dijelova je velika. To ne znači da gašenje vode ima veću otvrdljivost od gašenja ulja, niti se može reći da mali dijelovi imaju veću otvrdljivost od velikih dijelova. Može se vidjeti da se za procjenu otvrdljivosti čelika mora eliminirati utjecaj vanjskih čimbenika poput oblika obrazaca, veličine, rashladnog medija itd.
Nadalje, budući da su prokaljivost i prokaljivost dva različita pojma, čelik visoke tvrdoće nakon kaljenja ne mora nužno imati i visoku prokaljivost; a čelik niske tvrdoće također može imati visoku prokaljivost.
2. Čimbenici koji utječu na prokaljivost
Prokaljivost čelika ovisi o stabilnosti austenita. Bilo koji čimbenik koji može poboljšati stabilnost prehlađenog austenita, pomaknuti C krivulju udesno i time smanjiti kritičnu brzinu hlađenja može poboljšati prokaljivost visokokvalitetnog čelika. Stabilnost austenita uglavnom ovisi o njegovom kemijskom sastavu, veličini zrna i ujednačenosti sastava, koji su povezani s kemijskim sastavom čelika i uvjetima zagrijavanja.
3. Metoda određivanja prokaljivosti
Mnogo je metoda za mjerenje otvrdljivosti čelika, najčešće korištene su metoda mjerenja kritičnog promjera i metoda ispitivanja krajnjih tvari.
(1) Metoda mjerenja kritičnog promjera: Nakon što se čelik ugasi u određenom mediju, maksimalni promjer kada se u sredini dobije sav martenzit ili 50% struktura martenzita naziva se kritičnim promjerom, predstavljen DC. Metoda mjerenja kritičnog promjera je napraviti niz okruglih šipki s različitim promjerima, a nakon gašenja izmjerite krivulju tvrdoće u raspoređenu duž promjera na svakom dijelu uzorka, a šipku pronađite s polu-martenzivnom strukturom u sredini. Promjer okrugle šipke koji je kritični promjer. Što je veći kritični promjer, to je veća očvrsljivost čelika.
(2) Metoda ispitivanja krajnjeg kaljenja Metoda ispitivanja krajnjeg kaljenja koristi krajnje kaljeni uzorak standardne veličine (φ25 mm × 100 mm). Nakon austenitizacije, voda se raspršuje na jednu krajnju površinu posebne opreme kako bi se ohladila. Nakon hlađenja, hladi se duž smjera osi. Metoda ispitivanja za mjerenje krivulje odnosa između tvrdoće i udaljenosti od kraja vodenog hlađenja. Metoda ispitivanja čeonog kaljenja jedna je od metoda za određivanje prokaljivosti čelika. Njegove prednosti su jednostavno rukovanje i širok raspon primjene.
4. Napon gašenja, deformacija i pucanje
(1) Unutarnji stres radnog dijela tijekom gašenja
Kad se obrađivač brzo ohladi u mediju za gašenje, budući da radni komad ima određenu veličinu, a koeficijent toplinske vodljivosti također je određena vrijednost, određeni gradijent temperature pojavit će se duž unutarnjeg dijela obrazaca tijekom procesa hlađenja. Temperatura površine je niska, temperatura jezgre je visoka, a površinske i jezgrene temperature visoke. Postoji temperaturna razlika. Tijekom procesa hlađenja radnog dijela, postoje i dvije fizičke pojave: jedna je toplinska ekspanzija, kako temperatura pada, duljina linije radnog komada će se smanjiti; Drugi je transformacija austenita u martenzit kada temperatura padne u točku transformacije martenzita. , što će povećati određeni volumen. Zbog temperaturne razlike tijekom postupka hlađenja, količina toplinske ekspanzije bit će različita u različitim dijelovima duž presjeka radnog komada, a unutarnji će se stres generirati u različitim dijelovima radnog komada. Zbog postojanja temperaturnih razlika unutar radnog komada, mogu postojati i dijelovi na kojima temperatura pada brže od točke gdje se događa martenzit. Transformacija, volumen se širi, a dijelovi s visokom temperaturom i dalje su veći od točke i još uvijek su u stanju austenita. Ovi različiti dijelovi također će generirati unutarnji stres zbog razlika u specifičnim promjenama volumena. Stoga se tijekom postupka gašenja i hlađenja mogu generirati dvije vrste unutarnjeg stresa: jedan je toplinski stres, a druga je stres tkiva.
Prema karakteristikama vremena postojanja unutarnjeg naprezanja, također se može podijeliti na trenutno naprezanje i zaostalo naprezanje. Unutarnje naprezanje koje stvara izradak u određenom trenutku tijekom procesa hlađenja naziva se trenutno naprezanje; nakon što se radni komad ohladi, naprezanje koje ostaje unutar obratka naziva se zaostalo naprezanje.
Toplinsko naprezanje odnosi se na naprezanje uzrokovano nedosljednim toplinskim širenjem (ili hladnim skupljanjem) zbog temperaturnih razlika u različitim dijelovima obratka kada se zagrijava (ili hladi).
Sada uzmimo čvrsti cilindar kao primjer da ilustriramo formiranje i mijenjanje pravila unutarnjeg naprezanja tijekom njegovog procesa hlađenja. Ovdje se govori samo o aksijalnom naprezanju. Na početku hlađenja, jer se površina brzo hladi, temperatura je niska i jako se skuplja, dok se jezgra sporo hladi, temperatura je visoka, a skupljanje malo. Kao rezultat toga, površina i unutrašnjost interferiraju jedna s drugom, što rezultira vlačnim naprezanjem na površini, dok je jezgra pod pritiskom. stres. Kako hlađenje napreduje, temperaturna razlika između unutarnje i vanjske temperature se povećava, a unutarnje naprezanje također se povećava u skladu s tim. Kada se naprezanje poveća da premaši granicu tečenja na ovoj temperaturi, dolazi do plastične deformacije. Budući da je temperatura jezgre viša od temperature površine, jezgra se uvijek prvo skuplja aksijalno. Kao rezultat plastične deformacije, unutarnje naprezanje se više ne povećava. Nakon hlađenja na određeno vrijeme, pad površinske temperature postupno će se usporiti, a postupno će se smanjiti i njeno skupljanje. U to vrijeme jezgra se još skuplja, pa će se vlačno naprezanje na površini i tlačno naprezanje na jezgri postupno smanjivati dok ne nestanu. Međutim, kako se hlađenje nastavlja, površinska vlažnost postaje sve manja, a količina skupljanja postaje sve manja ili se čak prestaje skupljati. Budući da je temperatura jezgre još uvijek visoka, ona će se nastaviti skupljati, i na kraju će se formirati tlačno naprezanje na površini izratka, dok će jezgra imati vlačno naprezanje. Međutim, budući da je temperatura niska, nije lako proizvesti plastičnu deformaciju, pa će ovo naprezanje rasti kako hlađenje napreduje. Nastavlja se povećavati i konačno ostaje unutar obratka kao zaostalo naprezanje.
Može se vidjeti da toplinsko naprezanje tijekom procesa hlađenja u početku uzrokuje rastezanje površinskog sloja i sabijanje jezgre, a preostalo zaostalo naprezanje je površinski sloj koji se sabija i rastezanje jezgre.
Ukratko, toplinski stres nastao tijekom gašenja hlađenja uzrokovan je temperaturnom razlikom poprečnog presjeka tijekom postupka hlađenja. Što je veća brzina hlađenja i veća je temperaturna razlika poprečnog presjeka, to je veći toplinski naprezanje. Pod istim rashladnim srednjim uvjetima, što je veća temperatura zagrijavanja radnog komada, što je veća veličina, to je manji koeficijent toplinske vodljivosti čelika, veća je temperaturna razlika unutar radnog komada i veća je toplinski stres. Ako se radni komad ohladi neravnomjerno na visokoj temperaturi, bit će iskrivljen i deformiran. Ako je trenutni zatezni stres nastao tijekom procesa hlađenja radnog komada veći od vlačne čvrstoće materijala, pojavit će se pukotine u gašenju.
Stres transformacije faze odnosi se na stres uzrokovan različitim vremenom transformacije faze u različitim dijelovima obrada tijekom procesa toplinske obrade, također poznat kao tkivni stres.
Tijekom kaljenja i brzog hlađenja, kada se površinski sloj ohladi do Ms točke, dolazi do martenzitne transformacije i uzrokuje ekspanziju volumena. Međutim, zbog opstrukcije jezgre koja još nije prošla transformaciju, površinski sloj stvara tlačno naprezanje, a jezgra vlačno naprezanje. Kada je naprezanje dovoljno veliko, uzrokovat će deformaciju. Kada se jezgra ohladi do Ms točke, također će doživjeti martenzitnu transformaciju i proširiti se u volumenu. Međutim, zbog ograničenja transformiranog površinskog sloja niske plastičnosti i visoke čvrstoće, njegovo konačno zaostalo naprezanje bit će u obliku površinske napetosti, a jezgra će biti pod pritiskom. Vidi se da su promjena i konačno stanje naprezanja fazne transformacije upravo suprotni toplinskom naprezanju. Štoviše, budući da se naprezanje fazne promjene javlja pri niskim temperaturama s niskom plastičnošću, deformacija je u ovom trenutku teška, pa je vjerojatnije da će naprezanje fazne promjene uzrokovati pucanje izratka.
Mnogo je čimbenika koji utječu na veličinu naprezanja fazne transformacije. Što je brža brzina hlađenja čelika u temperaturnom području martenzitne transformacije, što je veća veličina čeličnog komada, to je lošija toplinska vodljivost čelika, što je veći specifični volumen martenzita, to je veće naprezanje fazne transformacije. Što veći. Osim toga, napon fazne transformacije također je povezan sa sastavom čelika i prokaljivošću čelika. Na primjer, visokolegirani čelik s visokim udjelom ugljika povećava specifični volumen martenzita zbog visokog sadržaja ugljika, što bi trebalo povećati naprezanje fazne transformacije čelika. Međutim, kako se sadržaj ugljika povećava, Ms točka se smanjuje, a postoji velika količina zadržanog austenita nakon kaljenja. Njegovo širenje volumena se smanjuje, a zaostalo naprezanje je nisko.
(2) Deformacija radnog komada tijekom gašenja
Tijekom kaljenja postoje dvije glavne vrste deformacije izratka: jedna je promjena geometrijskog oblika izratka, koja se očituje kao promjene u veličini i obliku, često nazvana deformacija savijanja, koja je uzrokovana naprezanjem kaljenja; drugi je volumenska deformacija. , koji se očituje kao proporcionalno širenje ili skupljanje volumena obratka, što je uzrokovano promjenom specifičnog volumena tijekom promjene faze.
Deformacija za iskrivljenje također uključuje deformaciju oblika i deformaciju uvrtanja. Deformacija uvijenja uglavnom je uzrokovana nepravilnim postavljanjem radnog komada u peći tijekom grijanja ili nedostatkom oblikovanja tretmana nakon korekcije deformacije prije gašenja ili neujednačenim hlađenjem različitih dijelova radnog komada kada se obrađivač ohladi. Ova se deformacija može analizirati i riješiti za određene situacije. Sljedeće uglavnom govori o deformaciji volumena i deformaciji oblika.
1) Uzroci deformacije kaljenjem i njezina promjenjiva pravila
Deformacija volumena uzrokovana strukturnom transformacijom Strukturno stanje obrada prije gašenja općenito je biserni, to jest miješana struktura ferita i cementata, a nakon gašenja to je martenzitna struktura. Različite specifične količine ovih tkiva uzrokovat će promjene volumena prije i nakon gašenja, što rezultira deformacijom. Međutim, ova deformacija samo uzrokuje da se radni komad proširi i ugovori proporcionalno, tako da ne mijenja oblik radnog komada.
Osim toga, što je više martenzita u strukturi nakon toplinske obrade, ili što je veći sadržaj ugljika u martenzitu, to je njegovo širenje volumena veće, a što je veća količina zadržanog austenita, to je širenje volumena manje. Stoga se promjena volumena može kontrolirati kontroliranjem relativnog sadržaja martenzita i zadržanog austenita tijekom toplinske obrade. Ako se pravilno kontrolira, volumen se neće niti proširiti niti smanjiti.
(a) Deformacija oblika uzrokovana deformacijom toplinskog naprezanja uzrokovana toplinskim naponom javlja se u područjima s visokim temperaturama gdje čelični dijelovi imaju nisku čvrstoću prinosa, visoku plastičnost, brzo hlađenje površine i najveću temperaturnu razliku između unutarnjeg i vanjskog dijela. U ovom trenutku, trenutni toplinski napon je površinski zatezni napon i tlačni napon jezgre. Budući da je temperatura jezgre u ovom trenutku visoka, čvrstoća prinosa je mnogo niža od površine, pa se manifestira kao deformacija pod djelovanjem višesmjernog tlačnog naprezanja, to jest, kocka je sferna u smjeru. Raznolikost. Rezultat je da se veća smanjuje, a manja se širi. Na primjer, dugi cilindar skraćuje se u smjeru duljine i proširuje se u smjeru promjera.
(b) Deformacija oblika uzrokovana stresom tkiva Deformacija uzrokovana stresom tkiva također se događa u ranom trenutku kada je stres tkiva maksimalan. U ovom trenutku, temperaturna razlika poprečnog presjeka je velika, temperatura jezgre je viša, još uvijek je u austenitnom stanju, plastičnost je dobra, a granica razvlačenja je niska. Trenutačno naprezanje tkiva je površinsko tlačno naprezanje i vlačno naprezanje jezgre. Stoga se deformacija očituje kao istezanje jezgre pod djelovanjem višesmjernog vlačnog naprezanja. Rezultat je da se pod djelovanjem naprezanja tkiva veća strana izratka izdužuje, a manja skraćuje. Na primjer, deformacija uzrokovana stresom tkiva u dugom cilindru je produljenje u duljinu i smanjenje u promjeru. Sljedeća tablica prikazuje pravila kaljenja deformacije različitih tipičnih čeličnih dijelova.
slika
2) Čimbenici koji utječu na deformaciju kaljenja
Čimbenici koji utječu na deformaciju gašenja uglavnom su kemijski sastav čelika, izvorne strukture, geometrija dijelova i postupak toplinske obrade.
(3) Pukotine za gašenje
Pukotine u dijelovima uglavnom nastaju u kasnoj fazi kaljenja i hlađenja, odnosno nakon što je martenzitna transformacija u osnovi završena ili nakon potpunog hlađenja dolazi do krhkog sloma jer vlačno naprezanje u dijelovima premašuje čvrstoću loma čelika. Pukotine su obično okomite na smjer najveće vlačne deformacije, pa različiti oblici pukotina u dijelovima uglavnom ovise o stanju raspodjele naprezanja.
Uobičajene vrste pukotina u gašenju: uzdužne (aksijalne) pukotine uglavnom se generiraju kada tangencijalni zatezni napon prelazi snagu razbijanja materijala; Poprečne pukotine nastaju kada veliki aksijalni zatezni napon formiran na unutarnjoj površini dijela premašuje snagu razbijanja materijala. Pukotine; Mrežne pukotine nastaju pod djelovanjem dvodimenzionalnog zateznog napona na površini; Piling pukotine javljaju se u vrlo tankom očvrsnom sloju, što se može dogoditi kada se napon naglo promijeni i pretjerani naponski napon djeluje u radijalnom smjeru. Vrsta pukotine.
Uzdužne pukotine nazivaju se i aksijalne pukotine. Pukotine nastaju pri najvećem vlačnom naprezanju blizu površine dijela, a imaju određenu dubinu prema središtu. Smjer pukotina općenito je paralelan s osi, ali smjer se također može promijeniti kada postoji koncentracija naprezanja u dijelu ili kada postoje unutarnji strukturni nedostaci.
Nakon što se radni komad potpuno ugasi, uzdužne pukotine su sklone. To je povezano s velikim tangencijalnim zateznim naponom na površini ugašenog radnog komada. Kako se udio ugljika u čeliku povećava, povećava se tendencija stvaranja uzdužnih pukotina. Čelik s niskim udjelom ugljika ima mali specifični volumen martenzita i snažan toplinski napon. Na površini postoji veliki preostali tlačni napon, tako da ga nije lako ugasiti. Kako se sadržaj ugljika povećava, površinski tlačni stres smanjuje se i strukturni stres se povećava. Istodobno, vršni naponski napon kreće se prema površinskom sloju. Stoga je visoki ugljični čelik sklon uzdužnim pukotinama u gašenju kada se pregrijavaju.
Veličina dijelova izravno utječe na veličinu i raspodjelu zaostalog naprezanja, a njegova tendencija pucanja pri gašenju također je različita. Uzdužne pukotine također se lako stvaraju gašenjem unutar opasnog raspona veličina poprečnog presjeka. Osim toga, začepljenje čeličnih sirovina često uzrokuje uzdužne pukotine. Budući da se većina čeličnih dijelova izrađuje valjanjem, nezlatni uključci, karbidi itd. u čeliku su raspoređeni duž smjera deformacije, uzrokujući anizotropnost čelika. Na primjer, ako alatni čelik ima trakastu strukturu, njegova poprečna čvrstoća na lom nakon kaljenja je 30% do 50% manja od uzdužne čvrstoće na lom. Ako postoje čimbenici kao što su inkluzije bez zlata u čeliku koji uzrokuju koncentraciju naprezanja, čak i ako je tangencijalno naprezanje veće od aksijalnog naprezanja, lako se stvaraju uzdužne pukotine u uvjetima niskog naprezanja. Zbog toga je stroga kontrola razine nemetalnih inkluzija i šećera u čeliku važan čimbenik u sprječavanju pukotina pri kaljenju.
Unutarnje karakteristike raspodjele naprezanja poprečnih pukotina i pukotina luka su: površina je podložna tlačnom stresu. Nakon napuštanja površine na određenu udaljenost, tlačni napon mijenja se u velikom zateznom stresu. Pukotina se javlja u području zateznog naprezanja, a zatim se kada se unutarnji napon širi na površinu dijela samo ako se preraspodijeli ili se nadigrava krhkost čelika.
Poprečne pukotine često se javljaju u velikim dijelovima osovine, kao što su valjci, rotori turbine ili drugi dijelovi osovine. Karakteristike pukotina su u tome što su one okomito na smjer osi i lomi se iznutra prema van. Često se formiraju prije nego što se očvrsnu i uzrokovane su toplinskim stresom. Veliki odbojci često imaju metalurške nedostatke poput pora, inkluzija, kovanja pukotina i bijelih mrlja. Ti nedostaci služe kao polazište loma i probijaju se pod djelovanjem aksijalnog zateznog napona. ARC pukotine uzrokovane su toplinskim stresom i obično se raspoređuju u obliku luka na dijelovima gdje se oblik dijela mijenja. Uglavnom se javlja unutar radnog komada ili blizu oštrih rubova, žljebova i rupa, a distribuira se u luku. Kad čelični dijelovi visokog ugljika s promjerom ili debljinom od 80 do 100 mm ili više nisu ugašeni, površina će pokazati pritisni stres i središte će pokazati zatezanje. Stres, u očvrslim sloju do ne-
