Термическая обработка

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

Термическая обработка (или термообработка ) — это группа промышленных , термических и металлообрабатывающих процессов, используемых для изменения физических , а иногда и химических свойств материала. Наиболее распространенное применение – металлургия . Термическая обработка также используется при производстве многих других материалов, например стекла . Термическая обработка включает использование нагревания или охлаждения, обычно до экстремальных температур, для достижения желаемого результата, такого как затвердевание или размягчение материала. Методы термообработки включают отжиг , цементацию , дисперсионное упрочнение , отпуск , цементацию , нормализацию и закалку . 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 структуре решетки между альфа-железом (низкая температура) и гамма-железом (высокая температура). Альфа-железо не имеет места для размещения атомов углерода, тогда как гамма-железо открыто для свободного движения мелких атомов углерода.

Металлические материалы состоят из микроструктуры мелких кристаллов , называемых «зернами» или кристаллитами . Природа зерен (т.е. размер и состав зерен) является одним из наиболее эффективных факторов, которые могут определять общее механическое поведение металла. Термическая обработка обеспечивает эффективный способ манипулировать свойствами металла, контролируя скорость диффузии и скорость охлаждения внутри микроструктуры. Термическая обработка часто используется для изменения механических свойств металлического сплава , управляя такими свойствами, как твердость , прочность , ударная вязкость , пластичность и эластичность . ^[1]

Существует два механизма, которые могут изменить свойства сплава во время термической обработки: образование мартенсита кристаллов вызывает внутреннюю деформацию , а диффузионный механизм вызывает изменения в однородности сплава. ^[2]

Кристаллическая структура состоит из атомов, которые сгруппированы в очень специфическом расположении, называемом решеткой. У большинства элементов этот порядок меняется в зависимости от таких условий, как температура и давление. Эта перегруппировка, называемая аллотропией или полиморфизмом , может происходить несколько раз при разных температурах для конкретного металла. В сплавах эта перегруппировка может привести к тому, что элемент, который обычно не растворяется в основном металле, внезапно станет растворимым , в то время как изменение аллотропии сделает элементы частично или полностью нерастворимыми. ^[3]

В растворимом состоянии процесс диффузии заставляет атомы растворенного элемента распространяться, пытаясь сформировать однородное распределение внутри кристаллов основного металла. Если сплав охладить до нерастворимого состояния, атомы растворенных компонентов (растворенных веществ) могут мигрировать из раствора. Этот тип диффузии, называемый осаждением , приводит к зародышеобразованию , когда мигрирующие атомы группируются вместе на границах зерен. Это образует микроструктуру, обычно состоящую из двух или более отдельных фаз . ^[4] Например, сталь, нагретая выше температуры аустенизации (от красного до оранжевого цвета, или от 1500 °F (820 °C) до 1600 °F (870 °C) в зависимости от содержания углерода), а затем медленно охлажденная, образует слоистая структура, состоящая из чередующихся слоев феррита и цементита , превращающихся в мягкий перлит . ^[5] После нагрева стали до аустенитной фазы и последующей закалки в воде микроструктура окажется в мартенситной фазе. Это связано с тем, что после закалки сталь переходит из аустенитной фазы в мартенситную. Некоторое количество перлита или феррита может присутствовать, если закалка не привела к быстрому охлаждению всей стали. ^[4]

В отличие от сплавов на основе железа, большинство термообрабатываемых сплавов не подвергаются ферритному превращению. В этих сплавах зарождение на границах зерен часто усиливает структуру кристаллической матрицы. Эти металлы затвердевают под действием осадков. Обычно это медленный процесс, зависящий от температуры, его часто называют «старением». ^[6]

Многие металлы и неметаллы проявляют мартенситное превращение при быстром охлаждении (с внешними средами, такими как масло, полимер, вода и т. д.). Когда металл охлаждается очень быстро, нерастворимые атомы могут не успеть вовремя покинуть раствор. Это называется « бездиффузионным преобразованием ». Когда кристаллическая матрица переходит в низкотемпературное расположение, атомы растворенного вещества оказываются в ловушке внутри решетки. Захваченные атомы не позволяют кристаллической матрице полностью превратиться в ее низкотемпературный аллотроп, создавая напряжения сдвига внутри решетки. Когда некоторые сплавы, например сталь, быстро охлаждаются, мартенситное превращение приводит к упрочнению металла, а в других, например, в алюминии, сплав становится мягче. ^[7]^[8]

Эффекты композиции

Конкретный состав системы сплавов обычно оказывает большое влияние на результаты термообработки. Если процентное содержание каждого компонента правильное, сплав при охлаждении образует единую сплошную микроструктуру. Такая смесь называется эвтектоидной . Однако если процентное содержание растворенных веществ отличается от эвтектоидной смеси, обычно одновременно образуются две или более разные микроструктуры. Доэвтектоидный раствор содержит меньше растворенного вещества, чем заэвтектоидная смесь, а заэвтектоидный раствор - больше. ^[9]

Эвтектоидные сплавы

Эвтектоидный ) ( эвтектоподобный по поведению сплав подобен эвтектическому сплаву . сплав Эвтектический характеризуется наличием единой температуры плавления . Эта температура плавления ниже, чем у любого из компонентов, и никакие изменения в смеси не понизят температуру плавления еще больше. Когда расплавленный эвтектический сплав охлаждается, все его компоненты кристаллизуются в соответствующие фазы при одинаковой температуре.

Эвтектоидный сплав аналогичен, но фазовый переход происходит не из жидкости, а из твердого раствора . При охлаждении эвтектоидного сплава от температуры раствора его компоненты разделятся на разные кристаллические фазы , образуя единую микроструктуру . Например, эвтектоидная сталь содержит 0,77% углерода . При медленном охлаждении раствор железа и углерода (одна фаза, называемая аустенитом ) разделится на пластинки фаз феррита и цементита . Это образует слоистую микроструктуру, называемую перлитом .

Поскольку перлит тверже железа, достижимая степень мягкости обычно ограничивается той, которую обеспечивает перлит. Аналогичным образом, прокаливаемость ограничивается сплошной мартенситной микроструктурой, образующейся при очень быстром охлаждении. ^[10]

Гипоэвтектоидные сплавы

Доэвтектический сплав имеет две отдельные точки плавления. Оба находятся выше точки плавления эвтектики системы, но ниже температуры плавления любого компонента, образующего систему. Между этими двумя точками плавления сплав будет существовать частично в твердом состоянии, а частично в жидком. Первым затвердевает компонент с более высокой температурой плавления. При полном затвердевании доэвтектический сплав часто находится в твердом растворе.

Точно так же доэвтектоидный сплав имеет две критические температуры, называемые «арестами». Между этими двумя температурами сплав будет существовать частично в виде раствора, а частично в виде отдельной кристаллизующейся фазы, называемой «проэвтектоидной фазой». Эти две температуры называются верхней (А ₃ ) и нижней (А ₁ ) температурами превращения. По мере того как раствор охлаждается от верхней температуры превращения до нерастворимого состояния, избыток основного металла часто вынужден «кристаллизоваться», превращаясь в проэвтектоид. Это будет происходить до тех пор, пока оставшаяся концентрация растворенных веществ не достигнет уровня эвтектоида, который затем кристаллизуется в виде отдельной микроструктуры.

Например, доэвтектоидная сталь содержит менее 0,77% углерода. При охлаждении доэвтектоидной стали от температуры аустенитного превращения образуются небольшие островки доэвтектоидного феррита. Они будут продолжать расти, а углерод будет уменьшаться до тех пор, пока концентрация эвтектоидов в остальной части стали не будет достигнута. Эта эвтектоидная смесь затем кристаллизуется в виде микроструктуры перлита. Поскольку феррит мягче перлита, сочетание этих двух микроструктур увеличивает пластичность сплава. Следовательно, прокаливаемость сплава снижается. ^[11]

Заэвтектоидные сплавы

Заэвтектический сплав также имеет разные температуры плавления. Однако между этими точками твердым будет компонент с более высокой температурой плавления. Аналогично, заэвтектоидный сплав имеет две критические температуры. При охлаждении заэвтектоидного сплава от верхней температуры превращения обычно первыми 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 первым начнет кристаллизоваться цементит. Когда оставшаяся сталь станет по составу эвтектоидной, она кристаллизуется в перлит. Поскольку цементит намного тверже перлита, сплав имеет большую прокаливаемость за счет пластичности. ^[9]^[11]

Влияние времени и температуры

Диаграмма временно-температурного превращения (ТТТ) стали. Красные кривые представляют собой различные скорости охлаждения (скорости) при охлаждении от верхней критической температуры (А3). V1 (закалка) дает мартенсит. V2 (нормализация) дает как перлит, так и мартенсит, V3 (отжиг) дает бейнит, смешанный с перлитом.

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

За исключением снятия напряжений, отпуска и старения, большинство термических обработок начинаются с нагревания сплава выше определенной температуры превращения или остановки (А). Эту температуру называют «остановкой», поскольку при температуре А металл испытывает период гистерезиса . В этот момент вся тепловая энергия используется для изменения кристалла, поэтому температура на короткое время перестает расти (задерживается), а затем продолжает расти после завершения изменения. ^[13] Следовательно, чтобы произошло превращение, сплав должен быть нагрет выше критической температуры. Сплав обычно выдерживают при этой температуре достаточно долго, чтобы тепло полностью проникло в сплав и тем самым привело его в полный твердый раствор. Например, железо имеет четыре критические температуры в зависимости от содержания углерода. Чистое железо в альфа-состоянии (комнатной температуре) превращается в немагнитное гамма-железо при температуре А ₂ и свариваемое дельта-железо при температуре А ₄ . Однако по мере добавления углерода, превращающегося в сталь, температура А ₂ разделяется на температуру А ₃ , также называемую температурой аустенизации (все фазы становятся аустенитом, раствором гамма-железа и углерода), и ее _{А 1} температуру (аустенит превращается в перлит). при охлаждении). Между этими верхними и нижними температурами при охлаждении образуется проэвтектоидная фаза.

Поскольку меньший размер зерна обычно улучшает механические свойства, такие как ударная вязкость , прочность на сдвиг и прочность на растяжение , эти металлы часто нагревают до температуры, чуть превышающей верхнюю критическую температуру, чтобы предотвратить слишком большой рост зерен раствора. Например, когда сталь нагревается выше верхней критической температуры, образуются мелкие зерна аустенита. Они увеличиваются в размерах при повышении температуры. При очень быстром охлаждении во время мартенситного превращения размер аустенитного зерна напрямую влияет на размер мартенситного зерна. Зерна большего размера имеют большие границы зерен, которые служат слабыми местами в структуре. Размер зерна обычно контролируют, чтобы уменьшить вероятность поломки. ^[14]

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

Когда аустенит охлаждается, но поддерживается выше начальной температуры мартенсита Ms, так что мартенситное превращение не происходит, размер зерна аустенита будет влиять на скорость зарождения, но обычно именно температура и скорость охлаждения определяют размер зерна. и микроструктура. При крайне медленном охлаждении аустенита образуются крупные кристаллы феррита, заполненные сферическими включениями цементита. Эта микроструктура называется «сфероидитом». Если охладить немного быстрее, то образуется крупный перлит. Еще быстрее – и образуется мелкий перлит. При еще более быстром охлаждении образуется бейнит , при этом более полное превращение бейнита происходит в зависимости от времени, в течение которого находится выше начала мартенсита Ms. Аналогично, эти микроструктуры также образуются, если охладить до определенной температуры и затем выдержать ее в течение определенного времени. ^[17]

Большинство сплавов цветных металлов также нагревают для образования раствора. Чаще всего их затем очень быстро охлаждают, чтобы вызвать мартенситное превращение, переводя раствор в пересыщенное состояние. Сплав, находящийся в гораздо более мягком состоянии, может затем подвергаться холодной обработке . Это вызывает нагартование , повышающее прочность и твердость сплава. Более того, дефекты, вызванные пластической деформацией, имеют тенденцию ускорять осаждение, увеличивая твердость сверх нормальной для сплава. Даже если не подвергать холодной обработке, растворенные вещества в этих сплавах обычно выпадают в осадок, хотя этот процесс может занять гораздо больше времени. Иногда эти металлы затем нагревают до температуры ниже нижней критической температуры (А ₁ ), предотвращая рекристаллизацию и ускоряя осаждение. ^[18]^[19]^[20]

Виды термической обработки

Сложные графики термообработки, или «циклы», часто разрабатываются металлургами для оптимизации механических свойств сплава. В аэрокосмической промышленности суперсплав может подвергаться пяти или более различным операциям термообработки для достижения желаемых свойств. ^{[ нужна ссылка ]} Это может привести к проблемам с качеством в зависимости от точности регуляторов температуры и таймера печи. Эти операции обычно можно разделить на несколько основных приемов.

Отжиг

Отжиг заключается в нагреве металла до определенной температуры и последующем охлаждении со скоростью, обеспечивающей измельченную микроструктуру с полным или частичным разделением компонентов. Скорость охлаждения обычно медленная. Отжиг чаще всего используется для смягчения металла перед холодной обработкой, улучшения обрабатываемости или улучшения таких свойств, как электропроводность .

В сплавах железа отжиг обычно осуществляется путем нагрева металла выше верхней критической температуры и последующего очень медленного охлаждения, что приводит к образованию перлита . Как в чистых металлах, так и во многих сплавах, которые не поддаются термической обработке, отжиг используется для устранения твердости, вызванной холодной обработкой. Металл нагревают до температуры, при которой может произойти рекристаллизация , тем самым устраняя дефекты, вызванные пластической деформацией. В этих металлах скорость охлаждения обычно мало влияет. Большинство сплавов цветных металлов, поддающихся термической обработке, также подвергают отжигу для снижения твердости при холодной обработке. Их можно медленно охлаждать, чтобы обеспечить полное осаждение компонентов и получение более тонкой микроструктуры.

Сплавы железа обычно подвергаются либо «полному отжигу», либо «технологическому отжигу». Полный отжиг требует очень медленного охлаждения для образования крупного перлита. При технологическом отжиге скорость охлаждения может быть выше; вплоть до нормализации включительно. Основная цель процесса отжига — создание однородной микроструктуры. Сплавы цветных металлов часто подвергают 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 ( равноосных кристаллов ) по всему сплаву. Этот термин часто используется для ферросплавов, которые были аустенизированы , а затем охлаждены 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 для того же состава, чем при полном отжиге.

В процессе нормализации сталь нагревают примерно до 40 градусов Цельсия выше верхнего критического предела температуры, выдерживают при этой температуре некоторое время, а затем охлаждают на воздухе.

Снятие стресса

Снятие напряжений — это метод устранения или уменьшения внутренних напряжений, возникающих в металле. Эти напряжения могут быть вызваны разными способами: от холодной обработки до неравномерного охлаждения. Снятие напряжений обычно достигается путем нагрева металла ниже нижней критической температуры и последующего равномерного охлаждения. ^[21] Снятие напряжений обычно используется на таких предметах, как воздушные резервуары, котлы и другие сосуды под давлением , чтобы снять часть напряжений, возникающих в процессе сварки. ^[22]

Старение

Некоторые металлы относят к дисперсионно твердеющим металлам . При закалке дисперсионно-твердеющего сплава его легирующие элементы захватываются раствором, в результате чего металл становится мягким. Старение «растворенного» металла позволит легирующим элементам диффундировать через микроструктуру и образовывать интерметаллические частицы. Эти интерметаллические частицы зарождаются и выпадают из раствора и действуют как упрочняющая фаза, тем самым увеличивая прочность сплава. Сплавы могут стареть «естественным путем», что означает, что выделения образуются при комнатной температуре, или они могут стареть «искусственно», когда выделения образуются только при повышенных температурах. В некоторых случаях естественно стареющие сплавы можно хранить в морозильной камере, чтобы предотвратить затвердевание до завершения дальнейших операций - например, сборка заклепок может быть проще с использованием более мягкой детали.

серий 2000, 6000 и 7000 Примеры дисперсионно-твердеющих сплавов включают алюминиевые сплавы , а также некоторые суперсплавы и некоторые нержавеющие стали . Стали, которые затвердевают в результате старения, обычно называют мартенситно-стареющими сталями от сочетания термина «мартенситное старение». ^[21]

закалка

Закалка – это процесс быстрого охлаждения металла. Чаще всего это делается для осуществления мартенситного превращения. В сплавах черных металлов это часто приводит к образованию более твердого металла, тогда как сплавы цветных металлов обычно становятся мягче, чем обычно.

Для закалки металл (обычно сталь или чугун) должен быть нагрет выше верхней критической температуры (Сталь: выше 815–900 градусов Цельсия). ^[23]), а затем быстро остыл. В зависимости от сплава и других соображений (например, забота о максимальной твердости по сравнению с растрескиванием и деформацией) охлаждение может осуществляться принудительным воздухом или другими газами (например, азотом ). жидкости можно использовать Из-за их лучшей теплопроводности , такие как масло , вода, полимер растворенный в воде или рассол . При быстром охлаждении часть аустенита (в зависимости от состава сплава) преобразуется в мартенсит — твердую хрупкую кристаллическую структуру. 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. смесей полимеров воды и гликоля), пресной воды, масла и принудительного воздуха. привести к растрескиванию закалка некоторых сталей может быстрая . Однако слишком легированные стали или стали средней прочности, такие как XK1320 или AISI 1040, следует закаливать в рассоле.

Некоторые бета-сплавы на основе титана также продемонстрировали аналогичную тенденцию повышения прочности за счет быстрого охлаждения. ^[24] Однако большинство цветных металлов, таких как сплавы меди , алюминия или никеля , а также некоторые высоколегированные стали, такие как аустенитная нержавеющая сталь (304, 316), при закалке производят противоположный эффект: они размягчаются. Аустенитные нержавеющие стали необходимо закаливать, чтобы они стали полностью устойчивыми к коррозии, поскольку они значительно упрочняются. ^[21]

Закалка

Неотпущенная мартенситная сталь, хотя и очень твердая, слишком хрупкая, чтобы ее можно было использовать в большинстве случаев. Метод решения этой проблемы называется закалкой. В большинстве случаев требуется отпуск закаленных деталей. Закалка заключается в нагреве стали ниже нижней критической температуры (часто от 400°F до 1105°F или от 205°C до 595°C, в зависимости от желаемых результатов) для придания некоторой прочности . Более высокие температуры отпуска (возможно, до 1300°F или 700°C, в зависимости от сплава и применения) иногда используются для придания дополнительной пластичности, хотя некоторый предел текучести теряется .

Отпуск также может проводиться на нормализованных сталях. Другие методы отпуска заключаются в закалке до определенной температуры, которая выше температуры начала мартенсита, а затем выдерживании ее до тех пор, пока не образуется чистый бейнит или не будут сняты внутренние напряжения. К ним относятся закалка и закалка . ^[21]

Темперирование цветов

Свежешлифованная или полированная сталь при нагревании образует оксидные слои. При очень определенной температуре оксид железа образует слой очень определенной толщины, вызывая интерференцию тонких пленок . Это приводит к появлению цветов на поверхности стали. При повышении температуры слой оксида железа увеличивается в толщине, меняя цвет. ^[25] Эти цвета, называемые цветами закалки, на протяжении веков использовались для измерения температуры металла. ^[26]

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), тёмно-синий
640˚F (337˚C), голубой ^[26]

Цвета отпуска можно использовать для оценки конечных свойств закаленной стали. Очень твердые инструменты часто закаливаются от светлого до темного соломенного цвета, тогда как пружины часто закаляются до синего цвета. Однако конечная твердость закаленной стали будет варьироваться в зависимости от состава стали. с более высоким содержанием углерода Инструментальная сталь после отпуска останется намного тверже, чем пружинная сталь (с немного меньшим содержанием углерода) при отпуске при той же температуре. Оксидная пленка также со временем увеличивается в толщине. Поэтому сталь, выдержанная при температуре 400˚F в течение очень долгого времени, может стать коричневой или фиолетовой, 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. ^[26]

Селективная термическая обработка

Многие методы термообработки были разработаны для изменения свойств только части объекта. Они, как правило, состоят либо из охлаждения различных участков сплава с разной скоростью путем быстрого нагрева в локализованной области и последующей закалки посредством термохимической диффузии, либо из отпуска различных участков объекта при разных температурах, например, при дифференциальном отпуске . ^{[ нужна ссылка ]}

Дифференциальная закалка

Некоторые методы позволяют различным участкам одного объекта подвергаться разной термической обработке. Это называется дифференциальной закалкой . Это часто встречается в высококачественных ножах и мечах . Китайский цзянь является одним из самых ранних известных примеров этого, а японская катана, возможно, является наиболее широко известной. Непальский Хукури – еще один пример. В этом методе используется изолирующий слой, подобный слоям глины, для покрытия участков, которые должны оставаться мягкими. Области, подлежащие закалке, оставляют открытыми, что позволяет только определенным частям стали полностью затвердеть при закалке. ^{[ нужна ссылка ]}

Пламенная закалка

Пламенная закалка применяется для закалки только части металла. В отличие от дифференциальной закалки, при которой вся деталь нагревается, а затем охлаждается с разной скоростью, при пламенной закалке перед закалкой нагревается только часть металла. Обычно это проще, чем дифференциальная закалка, но часто образуется чрезвычайно хрупкая зона между нагретым и ненагретым металлом, поскольку охлаждение на краю этой зоны термического влияния происходит чрезвычайно быстро. ^{[ нужна ссылка ]}

Индукционная закалка

Индукционная закалка — это метод поверхностной закалки , при котором поверхность металла нагревается очень быстро с использованием бесконтактного метода индукционного нагрева . Затем сплав закаливают, вызывая мартенситное превращение на поверхности, оставляя основной металл неизменным. Это создает очень твердую, износостойкую поверхность, сохраняя при этом необходимую прочность большей части объекта. Шеи коленчатого вала являются хорошим примером индукционной закалки поверхности. ^[27]

Цементация

Цементация — это термохимический диффузионный процесс, при котором легирующий элемент, чаще всего углерод или азот, диффундирует в поверхность монолитного металла. Полученный твердый раствор внедрения более твердый, чем основной материал, что повышает износостойкость без ущерба для ударной вязкости. ^[21]

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

Холодная и криогенная обработка

Хотя закалка стали приводит к превращению аустенита в мартенсит, обычно весь аустенит не превращается. Некоторые кристаллы аустенита останутся неизменными даже после закалки ниже температуры окончания мартенсита (M _f ). Дальнейшее превращение аустенита в мартенсит можно вызвать путем медленного охлаждения металла до чрезвычайно низких температур. Холодная обработка обычно заключается в охлаждении стали примерно до -115°F (-81°C), но не удаляет 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 проводятся сразу после закалки, перед отпуском, и повышают твердость, износостойкость и уменьшают внутренние напряжения в металле, но, поскольку на самом деле это продолжение процесса закалки, она может повысить вероятность трещин во время процедуры. Этот процесс часто используется для инструментов, подшипников или других предметов, требующих хорошей износостойкости. Однако обычно он эффективен только для высокоуглеродистых или высоколегированных сталей, в которых после закалки сохраняется более 10% аустенита. ^[28]^[29]

Обезуглероживание

Нагрев стали иногда используется как метод изменения содержания углерода. 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, образуя шлак, который не обеспечивает защиты 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, например, в угли кузницы. Таким образом, атомы углерода начинают соединяться с окружающей окалиной и шлаком, образуя как окись углерода , так и двуокись углерода , которые выбрасываются в воздух.

Сталь содержит относительно небольшой процент углерода, который может свободно мигрировать внутри гамма-железа. Когда аустенитированная сталь подвергается воздействию воздуха в течение длительного периода времени, содержание углерода в стали может снизиться. Это противоположно тому, что происходит при нагревании стали в восстановительной среде , в которой углерод медленно диффундирует дальше в металл. В окислительной среде углерод может легко диффундировать наружу, поэтому аустенитированная сталь очень восприимчива к обезуглероживанию. Это часто используется для литой стали, где для отливки требуется высокое содержание углерода, но в готовом продукте желательно более низкое содержание углерода. Его часто используют при обработке чугуна для производства ковкого чугуна в процессе, называемом «белый отпуск». Эта тенденция к обезуглероживанию часто является проблемой в других операциях, таких как кузнечное дело, где становится более желательным аустенизировать сталь в течение как можно более короткого промежутка времени, чтобы предотвратить слишком сильное обезуглероживание. ^[30]

Спецификация термической обработки

Обычно вместо процесса, используемого при термообработке, указывается конечное состояние. ^[31]

Цементация

Закалка определяется «твердостью» и «глубиной корпуса». Глубину корпуса можно указать двумя способами: общую глубину корпуса или эффективную глубину корпуса. Общая глубина корпуса является истинной глубиной корпуса. Для большинства сплавов эффективная глубина гильзы — это глубина гильзы, твердость которой эквивалентна HRC50; однако некоторые сплавы имеют другую твердость (40–60 HRC) при эффективной глубине гильзы; это проверяется на микротвердомере Тукон. Это значение можно грубо оценить как 65% от общей глубины корпуса; однако химический состав и прокаливаемость могут повлиять на это приближение. Если ни один из типов глубины корпуса не указан, предполагается общая глубина корпуса. ^[31]

Для закаленных деталей спецификация должна иметь допуск не менее ±0,005 дюйма (0,13 мм). Если деталь подлежит шлифованию после термообработки, то глубину корпуса принимают после шлифования. ^[31]

Шкала твердости по Роквеллу, используемая для спецификации, зависит от общей глубины корпуса, как показано в таблице ниже. Обычно твердость измеряется по шкале Роквелла «C», но нагрузка, используемая по шкале, проникает сквозь корпус, если толщина корпуса составляет менее 0,030 дюйма (0,76 мм). Использование буквы «C» по шкале Роквелла для более тонкого корпуса приведет к неверным показаниям. ^[31]

Для корпусов различной глубины требуется шкала Роквелла. ^[31]
Общая глубина корпуса, мин. [в]	шкала Роквелла
0.030	С
0.024	А
0.021	45 Н
0.018	30 Н
0.015	15 Н
Менее 0,015	«Напиши жестко»

Для корпусов толщиной менее 0,015 дюйма (0,38 мм) шкалу Роквелла нельзя надежно использовать, поэтому файловый жесткий диск . Вместо этого указывается ^[31] Файловый хард примерно эквивалентен 58 HRC. ^[32]

При указании твердости следует указывать либо диапазон, либо указывать минимальную твердость. Если указан диапазон, должно быть присвоено не менее 5 баллов. ^[31]

Через закалку

Для сквозной закалки указана только твердость. Обычно это HRC с диапазоном не менее пяти пунктов. ^[31]

Отжиг

Твердость процесса отжига обычно указывается по шкале HRB как максимальное значение. ^[31] Это процесс измельчения зерна, повышения прочности, снятия остаточного напряжения и воздействия на электромагнитные свойства...

Виды печей

Печи, используемые для термообработки, можно разделить на две большие категории: печи периодического действия и печи непрерывного действия. Периодические печи обычно загружаются и разгружаются вручную, тогда как печи непрерывного действия имеют автоматическую систему транспортировки, обеспечивающую постоянную загрузку в камеру печи. ^[33]

Периодические печи

Периодические системы обычно состоят из изолированной камеры со стальным корпусом, системы отопления и дверцы доступа в камеру. ^[33]

Коробчатая печь

Многие базовые печи коробчатого типа были модернизированы до печей периодического действия полунепрерывного действия с добавлением встроенных закалочных ванн и камер медленного охлаждения. Эти модернизированные печи являются очень часто используемым оборудованием для термообработки. ^[33]

Печь автомобильного типа

Выдвижная печь, также известная как «выдвижной под», представляет собой чрезвычайно большую печь периодического действия. Пол выполнен в виде изолированной передвижной тележки, которую вставляют и вынимают из печи для загрузки и разгрузки. Автомобиль обычно герметизируется с помощью песчаных или твердых уплотнений, когда они установлены. Из-за сложности обеспечения достаточного уплотнения выдвижные печи обычно используются для процессов, не связанных с атмосферой. ^{[ нужна ссылка ]}

Элеваторная печь

По типу они аналогичны выдвижной печи, за исключением того, что тележка и под перекатываются под печь и поднимаются с помощью механизма с приводом от двигателя. Подъемные печи могут выдерживать большие тяжелые нагрузки и часто устраняют необходимость в каких-либо внешних кранах и транспортировке. механизмы. ^[33]

Колпаковая печь

Колпаковые печи имеют съемные крышки, называемые колпаками , которые с помощью крана опускаются над загрузкой и подом. Над очагом помещают внутренний колокол и герметизируют его для создания защитной атмосферы. Для обеспечения подвода тепла опускается внешний колокол. ^[33]

Ямные печи

Печи, построенные в яме и доходящие до уровня пола или немного выше, называются ямными печами. Заготовки можно подвешивать к приспособлениям, держать в корзинах или размещать на подставках в печи. Ямные печи подходят для нагрева длинных труб, валов и стержней, удерживая их в вертикальном положении. Такой способ загрузки обеспечивает минимальные искажения. ^[33]

Печи для соляных ванн

Соляные ванны используются в самых разных процессах термообработки, включая нейтральную закалку, жидкую цементацию, жидкое азотирование , аустификацию , отпуск и отпуск .

Детали загружаются в ванну с расплавленной солью, где они нагреваются за счет проводимости , образуя легкодоступный источник тепла. Внутренняя температура детали повышается примерно с той же скоростью, что и ее поверхность в соляной ванне. ^[33]

В соляных ваннах для термической обработки используются различные соли, наиболее широко используются цианистые соли. Обеспокоенность по поводу связанного с этим здоровья и безопасности на производстве, а также дорогостоящей утилизации и утилизации отходов из-за их воздействия на окружающую среду сделали использование соляных ванн менее привлекательным в последние годы. Следовательно, многие соляные ванны заменяются более экологически чистыми печами с псевдоожиженным слоем. ^[34]

Печи с кипящим слоем

состоит Псевдоожиженный слой из цилиндрической реторты, изготовленной из жаростойкого сплава, наполненной пескоподобными частицами оксида алюминия. Газ (воздух или азот) барботируется через оксид, и песок движется таким образом, что проявляет поведение жидкости, отсюда и термин « псевдоожиженный» . Контакт твердого тела оксида обеспечивает очень высокую теплопроводность и превосходную однородность температуры по всей печи, сравнимую с той, которая наблюдается в соляной ванне. ^[33]

См. также

Ссылки

^ ЗИА, Абдул Васи; Чжоу, Чжифэн; По-ван, Шум; Лоуренс Ли, Квак Ян (24 января 2017 г.). «Влияние двухэтапной термообработки на твердость, вязкость разрушения и износ различных смещенных алмазоподобных углеродных покрытий». Технология поверхностей и покрытий . 320 : 118–125. doi : 10.1016/j.surfcoat.2017.01.089 .
^ Шант П. Гупта (2002). Фазовые превращения твердого тела . Allied Publishers Private Limited. стр. 28–29.
^ Роберт В. Кан; Питер Хаасен, ред. (1996). Физическая металлургия . Том. 2. Эльзевир Наука. стр. 10–11.
^ Перейти обратно: ^а ^б Альваренга, HD; Ван де Путте, Т.; Ван Стинберг, Н.; Ситсма, Дж.; Террин, Х. (8 октября 2014 г.). «Влияние морфологии и микроструктуры карбидов на кинетику поверхностного обезуглероживания сталей C-Mn». Металлургические и сырьевые операции А . 46 : 123–133. дои : 10.1007/s11661-014-2600-y . S2CID 136871961 .
^ Физическая металлургия 1996 , стр. 136–198.
^ Гупта 2002 , стр. 299–347
^ Физическая металлургия 1996 , стр. 1508–1543.
^ Гупта 2002 , стр. 501–518
^ Перейти обратно: ^а ^б Б.Б. Патра; Бисваджит Самантрай (2011). Инженерная химия I. Дорлинг Киндерсли. стр. 75–77.
^ Доссетт, Джон Л.; Бойер, Ховард Э. (2006). Практичная термообработка . АСМ Интернешнл. стр. 17–22.
^ Перейти обратно: ^а ^б Доссетт и Бойер 2006 , стр. 17–22
^ Раджан, ТВ; Шарма, КП; Шарма, Ашок (1992). Термическая обработка: принципы и методы . Прентенс Холл. п. 1.
^ Новый край наковальни: справочник для кузнеца Джека Эндрюса --Shipjack Press, 1994, стр. 93-96
^ Раджан и Шарма 1992 , стр. 62–67.
^ Доссетт и Бойер 2006 , стр. 23–25
^ Физика фазовых переходов: концепции и приложения Пьер Папон, Жак Леблон, Пауль Герман Эрнст Мейер - Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006 Страница 66
^ Раджан и Шарма 1992
^ Доссетт и Бойер 2006 , с. 231
^ Раджан и Шарма 1992 , стр. 187–190, 321.
^ Технология производства: литейное производство, формовка и сварка. Автор: Рао - Тата МакГроу-Хилл, 1998 г., стр. 55.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Доссетт и Бойер 2006 , стр. 2–6
^ «Национальный совет инспекторов котлов и сосудов под давлением» . www.nationalboard.org . Архивировано из оригинала 20 декабря 2010 года . Проверено 29 апреля 2018 г.
^ Справочник техника по техническому обслуживанию авиации (изд. FAA-H-8983-30A). Федеральное управление гражданской авиации. 2018.
^ Наждахмади, А.; Зарей-Ханзаки, А.; Фаргадани, Э. (1 февраля 2014 г.). «Повышение механических свойств сплава Ti–29Nb–13Ta–4,6Zr термической обработкой без ущерба для его биосовместимости». Материалы и дизайн . 54 : 786–791. дои : 10.1016/j.matdes.2013.09.007 . ISSN 0261-3069 .
^ Свет, его взаимодействие с искусством и древностями Томас Б. Брилл - Plenum Publishing, 1980 г., стр. 55
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Эндрюс, Джек (1994). New Edge of the Anvil: справочник для кузнеца . стр. 98–99.
^ Поверхностная закалка сталей: понимание основ Джозеф Р. Дэвис - ASM International 2002
^ Руководство для специалистов по термообработке: методы и процедуры для чугуна и стали. Автор: ASM International - ASM International, 2007, стр. 12-13.
^ Справочник по остаточным напряжениям и деформации стали Джорджа Э. Тоттена, Мориса А.Х. Хоуза, Тацуо Иноуэ - ASM International 2002, стр. 331-337
^ Термическая обработка стали: металлургия и технологии Джордж Э. Тоттен - CRC press 2007, стр. 306--308
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я «Руководство дизайнера PMPA: Термическая обработка» . Архивировано из оригинала 14 июля 2009 г. Проверено 19 июня 2009 г.
^ Телефонное интервью с инспектором по контролю качества FPM, Элк-Гроув-Виллидж, Иллинойс. 21.06.2010
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Международный справочник ASM. (1991). Справочник ASM , Том 04 – Термическая обработка. АСМ Интернешнл.
^ «Сделано в Мидлендсе | Кипящий слой: зеленая альтернатива соляным ваннам» . Claytonholdings.madeinthemidlands.com . Архивировано из оригинала 7 февраля 2016 г. Проверено 2 июня 2015 г.

Дальнейшее чтение

Международный журнал по термообработке на английском языке
Рид-Хилл, Роберт (1994). Принципы физической металлургии (3-е изд.). Бостон: Издательство PWS.

[Abdul_Wasy_ZIA-1] ЗИА, Абдул Васи; Чжоу, Чжифэн; По-ван, Шум; Лоуренс Ли, Квак Ян (24 января 2017 г.). «Влияние двухэтапной термообработки на твердость, вязкость разрушения и износ различных смещенных алмазоподобных углеродных покрытий». Технология поверхностей и покрытий . 320 : 118–125. doi : 10.1016/j.surfcoat.2017.01.089 .

[2] Шант П. Гупта (2002). Фазовые превращения твердого тела . Allied Publishers Private Limited. стр. 28–29.

[3] Роберт В. Кан; Питер Хаасен, ред. (1996). Физическая металлургия . Том. 2. Эльзевир Наука. стр. 10–11.

[Alvarenga-4] Перейти обратно: ^а ^б Альваренга, HD; Ван де Путте, Т.; Ван Стинберг, Н.; Ситсма, Дж.; Террин, Х. (8 октября 2014 г.). «Влияние морфологии и микроструктуры карбидов на кинетику поверхностного обезуглероживания сталей C-Mn». Металлургические и сырьевые операции А . 46 : 123–133. дои : 10.1007/s11661-014-2600-y . S2CID 136871961 .

[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

[Patra,_75-77-9] Перейти обратно: ^а ^б Б.Б. Патра; Бисваджит Самантрай (2011). Инженерная химия I. Дорлинг Киндерсли. стр. 75–77.

[10] Доссетт, Джон Л.; Бойер, Ховард Э. (2006). Практичная термообработка . АСМ Интернешнл. стр. 17–22.

[Dossett,_2006,_17-22-11] Перейти обратно: ^а ^б Доссетт и Бойер 2006 , стр. 17–22

[12] Раджан, ТВ; Шарма, КП; Шарма, Ашок (1992). Термическая обработка: принципы и методы . Прентенс Холл. п. 1.

[13] Новый край наковальни: справочник для кузнеца Джека Эндрюса --Shipjack Press, 1994, стр. 93-96

[14] Раджан и Шарма 1992 , стр. 62–67.

[15] Доссетт и Бойер 2006 , стр. 23–25

[16] Физика фазовых переходов: концепции и приложения Пьер Папон, Жак Леблон, Пауль Герман Эрнст Мейер - Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006 Страница 66

[17] Раджан и Шарма 1992

[18] Доссетт и Бойер 2006 , с. 231

[19] Раджан и Шарма 1992 , стр. 187–190, 321.

[20] Технология производства: литейное производство, формовка и сварка. Автор: Рао - Тата МакГроу-Хилл, 1998 г., стр. 55.

[Dossett,_2006,_2-6-21] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Доссетт и Бойер 2006 , стр. 2–6

[22] «Национальный совет инспекторов котлов и сосудов под давлением» . www.nationalboard.org . Архивировано из оригинала 20 декабря 2010 года . Проверено 29 апреля 2018 г.

[23] Справочник техника по техническому обслуживанию авиации (изд. FAA-H-8983-30A). Федеральное управление гражданской авиации. 2018.

[24] Наждахмади, А.; Зарей-Ханзаки, А.; Фаргадани, Э. (1 февраля 2014 г.). «Повышение механических свойств сплава Ti–29Nb–13Ta–4,6Zr термической обработкой без ущерба для его биосовместимости». Материалы и дизайн . 54 : 786–791. дои : 10.1016/j.matdes.2013.09.007 . ISSN 0261-3069 .

[25] Свет, его взаимодействие с искусством и древностями Томас Б. Брилл - Plenum Publishing, 1980 г., стр. 55

[New_Edge_of_the_Anvil,98-99-26] Перейти обратно: ^а ^б ^с Эндрюс, Джек (1994). New Edge of the Anvil: справочник для кузнеца . стр. 98–99.

[27] Поверхностная закалка сталей: понимание основ Джозеф Р. Дэвис - ASM International 2002

[28] Руководство для специалистов по термообработке: методы и процедуры для чугуна и стали. Автор: ASM International - ASM International, 2007, стр. 12-13.

[29] Справочник по остаточным напряжениям и деформации стали Джорджа Э. Тоттена, Мориса А.Х. Хоуза, Тацуо Иноуэ - ASM International 2002, стр. 331-337

[30] Термическая обработка стали: металлургия и технологии Джордж Э. Тоттен - CRC press 2007, стр. 306--308

[pmpa-31] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я «Руководство дизайнера PMPA: Термическая обработка» . Архивировано из оригинала 14 июля 2009 г. Проверено 19 июня 2009 г.

[32] Телефонное интервью с инспектором по контролю качества FPM, Элк-Гроув-Виллидж, Иллинойс. 21.06.2010

[:0-33] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Международный справочник ASM. (1991). Справочник ASM , Том 04 – Термическая обработка. АСМ Интернешнл.

[34] «Сделано в Мидлендсе | Кипящий слой: зеленая альтернатива соляным ваннам» . Claytonholdings.madeinthemidlands.com . Архивировано из оригинала 7 февраля 2016 г. Проверено 2 июня 2015 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]

[32]

[33]

[34]