Toplotna obdelava jekla in njegovih vrst. Kemična toplotna obdelava jekla

Jeklo je zlitina železa z ogljikom, katere koncentracija ne presega 2,14%. V jeklu za splošno uporabo je njegova vsebnost od 0,05 do 1%. Nobeno področje človekove dejavnosti ni popolno brez te fuzije. Uporablja se za ustvarjanje volumetričnih struktur in za izdelavo visoko precizne opreme.

Ogljik in druge nečistoče v sestavi jekla

Doping železa z ogljikom je sestavljen iz dveh stopenj. Na prvi strani se železu doda 6,67% ogljika, kar povzroči tvorbo železovega karbida ali cementita. V normalnih pogojih je navadno jeklo sestavljeno iz dveh homogenih faz - cementita in ferita. Pri segrevanju se cementit raztopi v žlezi, da nastane austenit. Koncentracija ogljika vpliva na osnovne mehanske lastnosti jekla. Njegovo povečanje prispeva k zmanjšanju duktilnosti in viskoznosti, povečuje trdoto in trdnost snovi. Poleg tega ogljik izboljša lastnosti vlivanja, vendar zmanjša varljivost in uporabnost zadevnega materiala.

V jeklu so prisotne tudi različne nečistoče, katerih prisotnost je posledica tehnologije proizvodnje ali vnosa železove rude. Mangan in silicij so posebni dodatki, ki se vnesejo v jeklo, da se odstranijo žveplove spojine železa in dvovalentnega oksida. Koncentracija silicija je v razponu 0,4%, mangana pa 0,8%. Mangan in silicij se prav tako povečata meja trdnosti in elastičnost (spodaj je graf toplotne obdelave jekla).

Fosfor poveča trdnost snovi, zmanjša plastičnost in viskoznost. Negativni učinek elementa je, da jeklu daje hladno krhkost, tako da proizvodnja ne dopušča presežka njene vsebine v 0,045%. Žveplo povzroča rdečico zlitine, njena koncentracija je omejena na 0,05%.

Tipologija

Obstaja več klasifikacij jekla.

1. Glede na kemično sestavo: t

• karbonati, vsebujejo železo, ogljik in nečistoče;
• legirane z različnimi posebnimi dodatki.

2. Glede na koncentracijo ogljika: t

• visok ogljik (več kot 0,7%);
• srednje ogljik (0,25 - 0,7%);
• nizko vsebnost ogljika (do 0,25%).

3. Po dogovoru:

• konstrukcijska;
• instrumentalna;
• poseben namen.

4. Glede na kakovost:

• navadne kakovosti
• kakovosti,
• visoka kakovost;
• še posebej visoke kakovosti.

Toplotna obdelava jekla. Splošne informacije

Namen toplotne obdelave jekla je spremeniti strukturo zlitine, in
zato njegove lastnosti, na primer, dajejo trdoti proizvoda in krhkosti ali obratno mehkobo in plastičnost.

Bistvo postopka je v segrevanju jekla, njegove izpostavljenosti in hlajenju. Vse to se dogaja s strogim upoštevanjem določenih parametrov, zlasti temperature in hitrosti. Ti načini so prizadeti in razvrščanje jekla. Toplotna obdelava določenih vrst jekla zahteva različne pogoje za dosego istega rezultata.

V tabeli je mogoče prikazati poenostavljene strukturne spremembe jekla pri segrevanju.

Trdota avstenita je 2–2,5-krat večja od ferita. Slednji je bolj plastičen. Ko se ohladi, se struktura zlitine spremeni v obratnem vrstnem redu.

Glavne vrste toplotne obdelave jekla - kaljenje, normalizacija, kaljenje, žarjenje.

Žarjenje

Tehnologija tega postopka obsega segrevanje jeklenih gred, držanje in nato počasno hlajenje, po katerem se doseže ravnotežna struktura v kovini. Njegova naloga je zmanjšati notranje napetosti v zlitini in povečati plastičnost. Takšna toplotna obdelava jekla je razdeljena na dve vrsti. Imajo pomembne razlike. V prvem primeru toplotna obdelava jekla ne pomeni strukturnih sprememb na osnovi faznih transformacij.

Vrsta žarjenja I

Ta vrsta toplotne obdelave je razdeljena na 4 skupine:

- Homogenizacija . Za zlitine po kristalizaciji je značilna neenakomerna sestava kemijskih komponent za eno zrno in za celoten volumen ingota, ki ga povzročajo različne talilne točke elementov. Takšne neravnotežne strukture so bolj značilne za legirana jekla. Ker se uravnoteženje kemijske sestave pojavi zaradi difuzije, je za njegovo izvajanje potrebna visoka temperatura. Do 1100–1200 ºS se jeklenih jekel segreva v posebnih pečeh, ki se vzdržujejo od 8 do 15 ur, po tem pa se počasi ohlaja v peči (6-8 ur) do 800-850 ºС. Ko dosežemo želeno temperaturo, polene ohladimo na zraku. Takšna toplotna obdelava legiranih jekel zagotavlja njihovo plastičnost, kar močno olajša njihovo obdelavo z deformacijo.

- rekristalizacijsko žarjenje. Uporablja se za odstranitev učinka utrjevanja jekla, povezanega s hladno plastično deformacijo, zaradi česar nastanejo mrežne napake, ki se imenujejo dislokacije in prosta delovna mesta. Ob nastanku takšne strukture pride do sploščenja in izvlečenja kovinskih zrn, zaradi katerih pride do utrjevanja dela in se zmanjša duktilnost zlitine.

Ta tehnologija toplotne obdelave jekla vključuje segrevanje do temperature nad 100-200 ºS na začetku kristalizacije (približno 500-550 ºS).

Trajanje izpostavljenosti se giblje od 0,5 do 2 uri, nato se izvaja počasno hlajenje. Struktura se spreminja zaradi nastajanja novih zrn in postopnega izginjanja deformiranih zrn. Tako pride do zmanjšanja napak v mreži.

- Žarjenje za odstranjevanje preostalih napetosti. Notranje napetosti v jeklenih delih izhajajo iz postopkov kot so varjenje, ulivanje, rezanje, brušenje, vroča deformacija. Dosegajo precej velike količine. Kot rezultat, skupaj z delavci naknadno povzroči uničenje kovine.

Za odpravo tega pojava se žarjenje izvede pri temperaturi pod kristalizacijo (727 ° C). V procesu 20 ur pri 600 ° C so napetosti skoraj popolnoma odpravljene. Za skrajšanje trajanja postopka se temperatura poveča na 680-700 ºС.

Žarjenje tipa II

S tem postopkom dosežemo ravnotežno strukturo materiala med faznimi transformacijami. Struktura jekla po toplotni obdelavi se delno ali v celoti spremeni. Temeljna sprememba v strukturi zlitine nastane zaradi dvojne prekristalizacije, kar ima za posledico zmanjšanje velikosti zrn, odstranitev notranjih napetosti in odstranitev utrjevanja. Vrste toplotne obdelave jekla - polno (mehčanje) in nepopolno žarjenje.

Popolno žarjenje

Zaradi tega procesa se velika feritno-perlitna struktura preoblikuje v majhno avstenitno strukturo, ki se s počasnim hlajenjem (30-50 ° C) pretvori v majhno feritno-perlitno strukturo. Na ta način se konstrukcijsko jeklo obdela za povečanje duktilnosti in zmanjšanje trdote.

Nepopolno žarjenje

Zaradi nepopolnega žarjenja se ploščni perlit pretvori v granularni feritocenit, ki poteka skozi stopnjo avstenita (okoli 780 ºS). Ta postopek se uporablja orodna jekla.

Ker je žarjenje precej dolga operacija (do 20 ur), se kot alternativa uporablja normalizacija snovi. Gre za toplotno obdelavo jekla, zaradi česar se njegova obdelovalnost izboljša z rezanjem, popravi se struktura zvarov in zlitina se pripravi za utrjevanje. Temperatura procesa presega točke A _sz ali A _st , odvisno od vrste jekla, za 30-50 ºС.

Normalizacija je praviloma toplotna obdelava ogljikovih jekel. Posledica tega je, da nadaljnje utrjevanje srednje ogljikovih jekel in nekaterih posebnih jekel ni potrebno, saj se trdnost, potrebna za uporabo delov, doseže z normalizacijo. Struktura normaliziranega jekla je sorbitol.

Utrjevanje

Gre za toplotno obdelavo jekla, zaradi česar se povečuje njegova trdnost, odpornost proti obrabi, trdota, meja elastičnosti in zmanjšanje duktilnih lastnosti. Tehnologijo kaljenja sestavljajo segrevanje do določene temperature (približno 850-900 ° C), zadrževanje in gašenje, zaradi česar se dosežejo te lastnosti. Utrjevanje je najpogostejši način za izboljšanje fizikalnih in mehanskih lastnosti zlitine. Vrste toplotne obdelave jekla: z in brez polimorfne transformacije.

Utrjevanje s polimorfno transformacijo se uporablja za jekla, ki vsebujejo element, ki je sposoben polimorfnih transformacij.

Zlitina se segreje na temperaturo spremembe kristalne rešetke polimorfnega elementa. Zaradi segrevanja se poveča topnost zlitinskega sestavnega dela. Z zmanjšanjem temperature se vrsta mreže spreminja v nasprotni smeri, vendar se zaradi visoke hitrosti v zlitini ohrani presežna koncentracija elementa s spremenjeno mrežo. Tako nastane neravnotežna struktura, ki je termodinamično nestabilna. Ikularna mikrostruktura jekla, po toplotni obdelavi v zlitini, se imenuje martenzit. Za razbremenitev preostalih napetosti je kovina nadalje podvržena kaljenju.

Gašenje brez polimorfnih transformacij se uporablja v primerih, ko je ena od komponent zlitine delno raztopljena v drugi. Ko se zlitina segreje nad linijo solidus, se komponenta raztopi. S hitrim hlajenjem sekundarna faza nima časa, da bi se vrnila v prvotno stanje ni dovolj časa za pojav fazne meje, nastanek začetne rešetke in difuzijski proces. Posledično se pojavi metastabilna trdna raztopina s presežno vsebino sestavine. Postopek vodi do povečanja plastičnosti kovine. Termodinamska stabilnost se doseže v procesu spontanega ali toplotnega staranja.

Ker ima toplotna obdelava kaljenega jekla tako pomemben odločilni parameter kot hitrost hlajenja, je treba omeniti okolja, v katerih se proces odvija (zrak, voda, inertni plini, olje, vodne raztopine soli).

Stopnja hlajenja je postala 6-krat višja pri temperaturi 600 ° C in 28-krat pri 200 ° C (v primerjavi s tehničnim oljem). Uporablja se za hlajenje zlitin ogljika z visoko kritično hitrostjo kaljenja. Pomanjkanje vode je dovolj visoka stopnja hlajenja na območjih martenzita (200-300 ºS), ki lahko povzroči nastanek razpok. Soli se dodajo vodi, da se poveča njena trdnost. Tako se, na primer, pojavi toplotna obdelava jekla 45.

Zlitine z nizko stopnjo kritičnega gašenja, ki so dopirane, se ohladijo z oljem. Njegova uporaba je omejena na enostavno vnetljivost in sposobnost, da se prilepi na površino delov. Odgovorni deli iz ogljikovega jekla se hladijo v dveh medijih: vodi in olju.

Martenzitna jekla, na katerih ne sme biti nobenega oksidnega filma, na primer za medicinsko opremo, se hladijo v izpuščeni atmosferi ali v zraku.

Za pretvorbo ostanka avstenita, ki naredi jeklo krhko, v martenzit, se uporabi dodatno hlajenje.

V ta namen se deli shranijo v hladilnik s temperaturo -40 - -100 ° C ali prekrijejo z mešanico ogljikovega dioksida in acetona. Posebna dodatna obdelava pri nizkih temperaturah pomaga povečati trdoto rezalnih orodij, od katerih je material legirano jeklo, stabilizira dimenzijske parametre visoko natančnih delov in povečuje magnetne lastnosti kovine.

Za nekatere dele, kot so gredi, gredi, osi, zobniki, prsti za brusne sklopke, uporabite površinsko kaljenje. V tem primeru se tvori obrabno odporni premaz dela, katerega jedro je viskozno, s povečano utrujevalno trdnostjo. Za izdelavo takšnega kaljenja se uporabljajo visokofrekvenčni tokovi, ki jih oblikuje transformator iz posebnega generatorja. Zgrevajo površino dela, ki ga pokriva tuljava. Nato se del ohladi v zraku. Debelina kaljenega površinskega sloja se lahko spreminja od 1 do 10 mm.

Počitnice

To je toplotna obdelava jekla, ki je namenjena slabitvi notranjih napetosti, ki se pojavijo med gašenjem, in povečanjem viskoznosti. Takšna obdelava se uporablja za jekla, ki so doživela polimorfne transformacije. Načini toplotne obdelave jekla vključujejo segrevanje na temperaturo 150-650 ºS, zadrževanje in hlajenje, katerih hitrost ni pomembna. Med postopkom popuščanja se težje, vendar nestabilne strukture spremenijo v bolj plastične in stabilne. Počitnice so visoke, srednje in nizke.

Pri nizki temperaturi se segreje do 150-250 ° C, pojavi se 1.5 ur in se ohladi na zraku ali v olju. Spreminja se kristalne rešetke martenzit, ki ne vpliva na trdoto, poveča viskoznost in razbremeni notranje napetosti. Na ta način rezanje in merilno orodje.

Pri povprečnih počitnicah nastopi segrevanje na 300–500 ºS. Jeklena konstrukcija je predstavljena s številnimi prazniki. Za jeklene podrobnosti po obdelavi so značilne visoke elastične lastnosti in lastnosti trdnosti. To je obdelava vzmeti, membran, vzmeti.

Za visoko temperiranje je značilna temperatura segrevanja 450-650 ° C, kar vodi do nastanka sorbitola. Izdelki postanejo manj trdi, iz plastike, imajo visoko udarno trdnost. Nanj so izpostavljeni zobniki, osi, valji in drugi kritični deli mehanizmov.

Kemična toplotna obdelava jekla

Pomaga povečati trdnost in trdoto zlitine, njeno odpornost proti koroziji, daje lastnosti, ki preprečujejo trenje in odpornost proti obrabi. Ta proces vključuje tako toplotne kot kemične učinke na sestavo, strukturo in lastnosti površinske plasti zlitine.

Kemična toplotna obdelava jekla temelji na procesih, kot so disociacija, difuzija in adsorpcija. Odvisno od nasičnega elementa se deli na nitriranje, cementiranje, cianacijo itd.

Cementiranje

Naloga cementiranja je pridobiti trdo površino na nizkoogljičnih jeklenih delih z dovolj viskozno jedro. Postopek se izvaja v uplinjevalniku pri 930-950 ° C, saj je pri tej temperaturi austenit najbolj stabilen. Tako nizkoogljične kot tudi legirane zlitine. Na predelavo vpliva klasifikacija jekla. Toplotna obdelava nekaterih vrst jekla zahteva posebne parametre za doseganje rezultata.

Cementiranje se deli na trdne in plinske. V drugem primeru je mogoče pridobiti določeno vsebnost ogljika v površinskem sloju, skrajšati trajanje postopka, avtomatizirati. To je boljši način kot trdna cementacija.

Toplotno obdelavo izvedemo tako, da zmanjšamo zrnatost jedra in cementne plasti ter tako izboljšamo mehanske lastnosti. Temperaturna obdelava je sestavljena iz dvojnega utrjevanja in nizke temperature pri temperaturi 160-180 ºС.

Nitriranje

Predpostavlja nasičenost površinskih plasti delov iz legiranih jekel z dušikovimi atomi z difuzijo. Posledično dušik reagira z legirnimi elementi (molibden, krom, aluminij) z nastajanjem trdnih in stabilnih spojin - nitridov.

Prednost je nižja obdelovalna temperatura v primerjavi s postopkom cementiranja - 500-600 ºС. Poleg tega ima nitrirana plast višje mehanske lastnosti in odpornost proti koroziji (te lastnosti se vzdržujejo pri temperaturah do 500 ° C). Karakteristike cementirane plasti so pri temperaturah do 220 ºС stabilne.

Cianiranje

Ta proces je enkratno polnjenje površine jekla z dušikovimi in ogljikovimi atomi. Tehnologija vključuje uporabo tekoče in plinske faze. Cianid je lahko tudi nizka in visoka temperatura.

Ko je tekočina uporablja posebne kopeli napolnjene s cianidom in nevtralne soli. Po zasičenju površine z dušikom se proces dejansko spremeni v cementacijo. Pri nizkotemperaturnem cianidiranju se deli nadalje podvržejo dodatni toplotni obdelavi.

Cementiranje plina poteka v mediju, ki vsebuje pline za nitriranje in cementiranje. S to metodo cianidacije globina obdelanih plasti doseže 1,8 mm.