Введение
Термообработка - это важнейший процесс в металлургии, который включает в себя нагрев и охлаждение металлов для изменения их физико-механических свойств без изменения их формы. Этот процесс необходим для улучшения характеристик сплавов, делая их пригодными для различных применений в таких отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная и строительная. В этом подробном руководстве рассматривается научная основа термической обработки сплавов, объясняются различные методы, их цели и результаты, которых они достигают.
Понимание термической обработки
Термическая обработка - это контролируемый нагрев и охлаждение металлов для изменения их микроструктуры и, как следствие, механических свойств. Основными целями термообработки сплавов являются повышение твердости, прочности, пластичности, вязкости, износостойкости и коррозионной стойкости. Этот процесс можно разделить на несколько типов, каждый из которых служит определенной цели.
Виды термической обработки
- Отжиг: Размягчает металл, повышая пластичность и снижая твердость.
- Закаливание: Закаляет металл путем быстрого охлаждения.
- Отпуск: Уменьшает хрупкость и повышает вязкость после закалки.
- Нормализация: Улучшает структуру зерна, повышая прочность и вязкость.
- Упрочнение корпуса: Упрочняет поверхность, сохраняя прочность внутри.
Ключевые факторы при термообработке
На результат процесса термообработки влияют несколько факторов, включая температуру, время, скорость охлаждения и состав сплава. Понимание этих факторов имеет решающее значение для достижения желаемых свойств.
Наука о термической обработке сплавов
Микроструктура и фазовые превращения
Микроструктура сплава играет важную роль в его механических свойствах. Процессы термообработки вызывают фазовые превращения, при которых меняется расположение атомов в металле. К распространенным фазам в сплавах относятся:
- Аустенит: Гранецентрированная кубическая (FCC) структура формируется при высоких температурах.
- Мартенсит: Тетрагональная структура с телесным центром (BCT), твердая и хрупкая, образуется при быстром охлаждении.
- Феррит: Кубическая структура с телесным центром (BCC), мягкая и вязкая.
- Цементит: Карбид железа (Fe3C), твердый и хрупкий.
Термические циклы и их влияние
Термические циклы подразумевают нагрев и охлаждение сплава в определенных температурных диапазонах для достижения желаемых фазовых превращений. Скорость нагрева и охлаждения, а также продолжительность пребывания при определенных температурах существенно влияют на конечные свойства сплава.
Механизмы диффузии
Диффузия - перемещение атомов внутри металла - является ключевым механизмом при термообработке. Она позволяет перераспределять легирующие элементы, что приводит к изменению микроструктуры и свойств. Факторы, влияющие на диффузию, включают температуру, время и градиент концентрации диффундирующих веществ.
Методы термической обработки
-
Легированная сталь 31CrMoV9/1.8519
-
Легированная сталь 17CrNiMo6/1.6587
-
Легированная сталь 25CrMo4/1.7218/SCM430
-
Легированная сталь 8620/1.6523/20CrNiMoA/SNCM220
-
Легированная сталь 18CrNiMo7-6/17CrNiMo6/1.6587
-
Легированная сталь 18CrMo4/1.7243
-
Легированная сталь 30CrNiMo8/1.6580
-
Легированная сталь 36CrNiMo4/1.6511/SNCM439/EN24
-
Легированная сталь 34CrNiMo6/1.6582
Отжиг
Отжиг предполагает нагрев сплава до определенной температуры, выдержку в течение определенного времени, а затем медленное охлаждение. В результате этого процесса образуется утонченная микроструктура с улучшенной пластичностью и пониженной твердостью.
Виды отжига
- Полный отжиг: Нагревает сплав до температуры выше критической и медленно охлаждает.
- Отжиг для снятия напряжения: Уменьшает остаточные напряжения без существенного изменения микроструктуры.
- Сфероидизирующий отжиг: Получает сфероидальное распределение карбида для улучшения обрабатываемости.
Закаливание
Закалка подразумевает быстрое охлаждение сплава от высокой температуры для захвата определенных фаз, что приводит к увеличению твердости. Обычные закалочные среды включают воду, масло и воздух.
Методы закаливания
- Прямое закаливание: Сплав закаливают сразу после нагрева.
- Прерывистое гашение: Сплав охлаждается с контролируемой скоростью, чтобы сбалансировать твердость и вязкость.
Отпуск
Отпуск следует за закалкой для снижения хрупкости и повышения вязкости. Она предполагает повторный нагрев закаленного сплава до более низкой температуры и последующее охлаждение с контролируемой скоростью.
Этапы закалки
- Низкотемпературный отпуск: Сохраняет большую часть твердости при одновременном повышении прочности.
- Высокотемпературный отпуск: Снижает твердость, но значительно повышает пластичность и вязкость.
Нормализация
Нормализация включает в себя нагрев сплава выше критической температуры и охлаждение на воздухе. Этот процесс улучшает зернистую структуру, что приводит к улучшению механических свойств.
Закалка корпуса
Закалка в корпусе повышает поверхностную твердость, сохраняя при этом прочную сердцевину. К распространенным методам относятся науглероживание, азотирование и карбонитрирование.
Методы упрочнения корпуса
- Науглероживание: Добавляет углерод в поверхностный слой.
- Азотирование: Добавляет азот в поверхностный слой.
- Карбонитрирование: Добавляет в поверхностный слой углерод и азот.
Практическое применение термообработки
Аэрокосмическая промышленность
В аэрокосмической промышленности термообработка необходима для производства компонентов, способных выдерживать экстремальные условия. Например, лопатки турбин требуют высокой прочности и устойчивости к термической усталости, что достигается с помощью таких процессов, как закалка осадком.
Автомобильная промышленность
Термическая обработка в автомобильной промышленности имеет решающее значение для производства таких деталей, как шестерни, коленчатые валы и блоки двигателей. Такие процессы, как науглероживание и закалка, обеспечивают этим деталям необходимую твердость и износостойкость.
Строительная промышленность
Конструктивные элементы в строительстве, такие как стальные балки и арматура, подвергаются термической обработке для повышения их прочности и пластичности, что обеспечивает безопасность и надежность зданий и инфраструктуры.
Сравнение процессов термообработки
Чтобы лучше понять различия и сходства между процессами термообработки, в следующей таблице приведено сравнение по ключевым параметрам и результатам.
Процесс | Диапазон температур (°C) | Метод охлаждения | Основная цель | Типовые применения |
---|---|---|---|---|
Отжиг | 500 – 900 | Медленный (печь/воздух) | Смягчение, снятие стресса | Листовой металл, трубы, проволока |
Закаливание | 800 – 900 | Быстрое (вода/масло/воздух) | Закаливание | Режущие инструменты, износостойкие детали |
Отпуск | 150 – 650 | Контролируемый (воздух) | Упрочнение | Пружины, шестерни, валы |
Нормализация | 800 – 950 | Воздух | Рафинирование зерна | Конструкционная сталь, поковки |
Закалка корпуса | 850 – 950 | Контролируемый (варьируется) | Упрочнение поверхности | Шестерни, кулачки, подшипники |
Заключение
Понимание науки, лежащей в основе термическая обработка сплавов очень важен для выбора подходящего процесса для достижения желаемых механических свойств. Контролируя такие факторы, как температура, время и скорость охлаждения, можно изменять микроструктуру и характеристики сплава в соответствии с конкретными требованиями. Будь то аэрокосмическая, автомобильная или строительная промышленность, термообработка играет ключевую роль в повышении функциональности и долговечности металлических компонентов.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
Какова основная цель термообработки сплавов?
Основная цель термической обработки сплавов - изменение их физико-механических свойств, таких как твердость, прочность, пластичность и вязкость, чтобы сделать их пригодными для конкретного применения.
Как закалка влияет на свойства сплава?
Закалка быстро охлаждает сплав, удерживая определенные фазы, которые повышают твердость и прочность. Однако она также может сделать материал более хрупким, что часто смягчается последующим отпуском.
В чем разница между отжигом и нормализацией?
Отжиг предполагает медленное охлаждение для смягчения металла и повышения его пластичности, а нормализация - воздушное охлаждение для улучшения зерновой структуры и повышения прочности и вязкости.
Почему закалку проводят после закалки?
Отпуск производится после закалки для снижения хрупкости и повышения вязкости. Она включает в себя повторный нагрев закаленного сплава до более низкой температуры и последующее охлаждение с контролируемой скоростью.
Каковы преимущества закалки?
Закалка в корпусе повышает поверхностную твердость сплава, сохраняя при этом прочность внутренней поверхности. Это повышает износостойкость и продлевает срок службы таких деталей, как шестерни и подшипники.