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, таких как стекло . Термическая обработка включает в себя использование нагрева или охлаждения, обычно до экстремальных температур, для достижения желаемого результата, такого как закалка 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 попутно во время других производственных процессов, таких как горячая формовка или сварка.
Металлические материалы состоят из микроструктуры мелких кристаллов, называемых «зернами» или кристаллитами . Природа зерен (т. е. размер зерна и состав) является одним из наиболее эффективных факторов, которые могут определять общее механическое поведение металла. Термическая обработка обеспечивает эффективный способ управления свойствами металла путем управления скоростью диффузии и скоростью охлаждения в пределах микроструктуры. Термическая обработка часто используется для изменения механических свойств металлического сплава , манипулируя такими свойствами, как твердость , прочность , вязкость , пластичность и эластичность . [1]
Существует два механизма, которые могут изменить свойства сплава во время термической обработки: образование мартенсита приводит к внутренней деформации кристаллов , а механизм диффузии вызывает изменения однородности сплава. [2]
Кристаллическая структура состоит из атомов, сгруппированных в очень специфическом порядке, называемом решеткой. В большинстве элементов этот порядок будет перестраиваться в зависимости от таких условий, как температура и давление. Эта перестройка, называемая аллотропией или полиморфизмом , может происходить несколько раз при многих различных температурах для конкретного металла. В сплавах эта перестройка 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 охлаждается до нерастворимого состояния, атомы растворенных компонентов (растворенных веществ) могут мигрировать из раствора. Этот тип диффузии, называемый осаждением , приводит к зародышеобразованию , где 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 оранжево-горячего, или около 1500 °F (820 °C) до 1600 °F (870 °C) в зависимости от содержания углерода), а затем медленно охлажденная, образует слоистую структуру, состоящую из чередующихся слоев феррита и цементита , становясь мягким перлитом . [5] После нагрева стали до аустенитной фазы и последующей закалки в воде микроструктура будет находиться в мартенситной фазе. Это связано с тем, что сталь перейдет из аустенитной фазы в мартенситную фазу после закалки. Может присутствовать некоторое количество перлита или феррита, если закалка не привела к быстрому охлаждению всей стали. [4]
В отличие от сплавов на основе железа, большинство термообрабатываемых сплавов не испытывают ферритного превращения. В этих сплавах зародышеобразование на границах зерен часто усиливает структуру кристаллической матрицы. Эти металлы затвердевают путем осаждения. Обычно это медленный процесс, зависящий от температуры, его часто называют «старением». [6]
Многие металлы и неметаллы демонстрируют 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 мигрировать из раствора. Это называется « бездиффузионным превращением ». Когда кристаллическая матрица переходит в низкотемпературное состояние, атомы растворенного вещества оказываются захваченными внутри решетки. Захваченные атомы не позволяют кристаллической матрице полностью перейти в ее низкотемпературный аллотроп, создавая сдвиговые напряжения внутри решетки. Когда некоторые сплавы охлаждаются быстро, например, сталь, мартенситное превращение закаляет металл, в то время как в других, например, в алюминии, сплав становится мягче. [7] [8]
Конкретный состав системы сплава обычно оказывает большое влияние на результаты термообработки. Если процентное содержание каждого компонента правильное, сплав образует единую непрерывную микроструктуру при охлаждении. Такая смесь называется эвтектоидной . Однако, если процентное содержание растворенных веществ отличается от эвтектоидной смеси, обычно одновременно образуются две или более различных микроструктур. Гипоэвтектоидный раствор содержит меньше растворенного вещества, чем эвтектоидная смесь, тогда как гиперэвтектоидный раствор содержит больше. [9]
Эвтектоидный ( подобный эвтектике ) сплав по поведению похож на эвтектический сплав . Эвтектический сплав характеризуется наличием единственной точки плавления . Эта точка плавления ниже, чем у любого из компонентов, и никакие изменения в смеси не понизят температуру плавления еще больше. Когда расплавленный эвтектический сплав охлаждается, все компоненты кристаллизуются в соответствующие им фазы при той же температуре.
Эвтектоидный сплав похож, но фазовый переход происходит не из жидкости, а из твердого раствора . При охлаждении эвтектоидного сплава от температуры раствора компоненты разделятся на различные кристаллические фазы , образуя единую микроструктуру . Например, эвтектоидная сталь содержит 0,77% углерода . При медленном охлаждении раствор железа и углерода (единая фаза, называемая аустенитом ) разделится на пластинки фаз феррита и цементита . Это образует слоистую микроструктуру, называемую перлитом .
Поскольку перлит тверже железа, степень достижимой мягкости обычно ограничивается той, которая создается перлитом. Аналогично, прокаливаемость ограничивается непрерывной мартенситной микроструктурой, образующейся при очень быстром охлаждении. [10]
Доэвтектический сплав имеет две отдельные точки плавления. Обе выше эвтектической точки плавления системы, но ниже точек плавления любого компонента, образующего систему. Между этими двумя точками плавления сплав будет существовать частично в твердом состоянии и частично в жидком. Компонент с более высокой точкой плавления затвердеет первым. После полного затвердевания доэвтектический сплав часто будет находиться в твердом растворе.
Аналогично, доэвтектоидный сплав имеет две критические температуры, называемые «задержки». Между этими двумя температурами сплав будет существовать частично как раствор и частично как отдельная кристаллизующаяся фаза, называемая «проэвтектоидной фазой». Эти две температуры называются верхней (A 3 ) и нижней (A 1 ) температурами превращения. По мере того, как раствор охлаждается от верхней температуры превращения до нерастворимого состояния, избыточный основной металл часто будет вынужден «кристаллизоваться», становясь проэвтектоидом. Это будет происходить до тех пор, пока остаточная концентрация растворенных веществ не достигнет эвтектоидного уровня, который затем кристаллизуется как отдельная микроструктура.
Например, доэвтектоидная сталь содержит менее 0,77% углерода. При охлаждении доэвтектоидной стали от температуры превращения аустенита образуются небольшие островки доэвтектоидного феррита. Они будут продолжать расти, а углерод будет отступать до тех пор, пока не будет достигнута эвтектоидная концентрация в остальной части стали. Эта эвтектоидная смесь затем кристаллизуется как микроструктура перлита. Поскольку феррит мягче перлита, две микроструктуры объединяются, чтобы увеличить пластичность сплава . Следовательно, прокаливаемость сплава снижается. [11]
У гиперэвтектического сплава также разные температуры плавления. Однако между этими точками твердым будет компонент с более высокой температурой плавления. Аналогично, у гиперэвтектоидного сплава есть две критические температуры. При охлаждении гиперэвтектоидного 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 эвтектоидной по составу, она кристаллизуется в перлит. Поскольку цементит намного тверже перлита, сплав имеет большую прокаливаемость за счет пластичности. [9] [11]
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 A металл испытывает период гистерезиса . В этот момент вся тепловая энергия используется для того, чтобы вызвать изменение кристалла, поэтому температура перестает расти на короткое время (остановка), а затем продолжает расти после завершения изменения. [13] Поэтому сплав должен быть нагрет выше критической температуры, чтобы произошло превращение. Сплав обычно выдерживают при этой температуре достаточно долго, чтобы тепло полностью проникло в сплав, тем самым переводя его в полный твердый раствор. Например, у железа есть четыре критические температуры в зависимости от содержания углерода. Чистое железо в своем альфа-состоянии (комнатная температура) переходит в немагнитное гамма-железо при своей температуре A 2 и свариваемое дельта-железо при своей температуре A 4 . Однако по мере добавления углерода, становясь сталью, температура A 2 разделяется на температуру A 3 , также называемую температурой аустенизации (все фазы становятся аустенитом, раствором гамма-железа и углерода), и ее температуру A 1 (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 , предел прочности на сдвиг и предел прочности на растяжение , эти металлы часто нагревают до температуры, которая немного выше верхней критической температуры, чтобы предотвратить слишком большой рост зерен раствора. Например, когда сталь нагревается выше верхней критической температуры, образуются мелкие зерна аустенита. Они увеличиваются по мере повышения 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 уменьшить вероятность поломки. [14]
Диффузионное превращение очень зависит от времени. Охлаждение металла обычно подавляет выделение до гораздо более низкой температуры. Аустенит, например, обычно существует только выше верхней критической температуры. Однако, если аустенит охлаждается достаточно быстро, превращение может быть подавлено на сотни градусов ниже нижней критической температуры. Такой аустенит крайне нестабилен и, если дать ему достаточно времени, будет выделяться в различные микроструктуры феррита и цементита. Скорость охлаждения может использоваться для управления скоростью роста зерен или даже может использоваться для получения 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 будет происходить со скоростью чуть ниже скорости звука. [16]
Когда аустенит охлаждается, но поддерживается выше температуры начала мартенсита Ms, так что мартенситное превращение не происходит, размер зерна аустенита будет иметь влияние на скорость зародышеобразования, но, как правило, температура и скорость охлаждения контролируют размер зерна и микроструктуру. Когда аустенит охлаждается крайне медленно, он образует крупные кристаллы феррита, заполненные сферическими включениями цементита. Эта микроструктура называется «сфероидит». Если охлаждать немного быстрее, то образуется крупный перлит. Еще быстрее, и образуется мелкий перлит. Если охлаждать еще быстрее, образуется бейнит , причем более полное превращение бейнита происходит в зависимости от времени, удерживаемого выше температуры начала мартенсита Ms. Аналогично, эти микроструктуры также образуются, если охлаждать до определенной температуры и затем удерживать ее в течение определенного времени. [17]
Большинство цветных сплавов также нагревают для образования раствора. Чаще всего их затем охлаждают очень быстро, чтобы вызвать мартенситное превращение, переводя раствор в пересыщенное состояние. Сплав, находящийся в гораздо более мягком состоянии, затем может быть подвергнут холодной обработке . Это вызывает упрочнение , которое увеличивает прочность и твердость сплава. Более того, дефекты, вызванные пластической деформацией, имеют тенденцию ускорять осаждение, увеличивая твердость сверх того, что является нормальным для сплава. Даже если они не подвергаются 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 нижней критической температуры (A 1 ), предотвращая рекристаллизацию, чтобы ускорить осаждение. [18] [19] [20]
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 получения желаемых свойств. [ необходима цитата ] Это может привести к проблемам с качеством в зависимости от точности контроля температуры печи и таймера. Эти операции обычно можно разделить на несколько основных методов.
Отжиг заключается в нагревании металла до определенной температуры и последующем охлаждении со скоростью, которая даст очищенную микроструктуру , полностью или частично разделяющую компоненты. Скорость охлаждения обычно низкая. Отжиг чаще всего используется для смягчения металла для холодной обработки, для улучшения обрабатываемости или для улучшения таких свойств, как электропроводность .
В сплавах на основе 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 могут быть подвергнуты термической обработке, отжиг используется для удаления твердости, вызванной холодной обработкой. Металл нагревается до температуры, при которой может произойти рекристаллизация , тем самым устраняя дефекты, вызванные пластической деформацией. В этих металлах скорость охлаждения обычно не оказывает большого влияния. Большинство сплавов на основе цветных металлов, которые можно подвергать термической обработке, также отжигают для снижения твердости, вызванной холодной обработкой. Их можно медленно охлаждать, чтобы обеспечить полное осаждение компонентов и получить очищенную микроструктуру.
Железные сплавы обычно подвергаются либо «полному отжигу», либо «технологическому отжигу». Полный отжиг требует очень медленных скоростей охлаждения для образования грубого перлита. При технологическом отжиге скорость охлаждения может быть выше, вплоть до нормализации включительно. Основной целью технологического отжига является 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, такую как снятие напряжений. [21]
Нормализация — это метод, используемый для обеспечения однородности размера зерна и состава ( равноосные кристаллы ) по всему сплаву. Этот термин часто используется для железных сплавов, которые были аустенизированы и затем охлаждены на открытом воздухе. [21] Нормализация производит 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 полный отжиг.
В процессе нормализации сталь нагревают примерно до 40 градусов Цельсия выше верхнего критического предела температуры, выдерживают при этой температуре в течение некоторого времени, а затем охлаждают на воздухе.
Снятие напряжений — это метод снятия или уменьшения внутренних напряжений, создаваемых в металле. Эти напряжения могут быть вызваны различными 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 изделиях, как воздушные резервуары, котлы и другие сосуды под давлением , для снятия части напряжений, создаваемых в процессе сварки. [22]
Некоторые металлы классифицируются как упрочняющиеся при осаждении металлы . Когда упрочняющийся при осаждении сплав закаливается, его легирующие элементы будут удерживаться в растворе, в результате чего металл станет мягким. Старение «растворенного» металла позволит легирующим элементам диффундировать через микроструктуру и образовывать интерметаллические частицы. Эти интерметаллические частицы будут зарождаться и выпадать из раствора и действовать как армирующая фаза, тем самым увеличивая прочность сплава. Сплавы могут стареть «естественно», что означает, что осадки образуются при комнатной температуре, или они могут стареть «искусственно», когда осадки 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 более мягкой частью.
Примерами дисперсионно-твердеющих сплавов являются алюминиевые сплавы серий 2000, 6000 и 7000 , а также некоторые суперсплавы и некоторые нержавеющие стали . Стали, которые упрочняются старением, обычно называют мартенситными сталями , от сочетания термина «старение мартенсита». [21]
Закалка — это процесс охлаждения металла с высокой скоростью. Чаще всего это делается для получения мартенситного превращения. В сплавах железа это часто приводит к получению более твердого металла, в то время как сплавы цветных металлов обычно становятся мягче обычного.
Для закалки закалкой металл (обычно сталь или чугун) необходимо нагреть выше верхней критической температуры (сталь: выше 815~900 градусов Цельсия [23] ), а затем быстро охладить. В зависимости от сплава и других соображений (таких как забота о максимальной твердости по сравнению с растрескиванием и деформацией), охлаждение может осуществляться с помощью принудительного воздуха или других газов (например, азота ). Могут использоваться жидкости 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. Твердость металла после закалки зависит от его химического состава и метода закалки. Скорости охлаждения, от самой быстрой до самой медленной, идут от рассола, полимера (т. е. смеси воды + гликолевых полимеров), пресной воды, масла и принудительного воздуха. Однако слишком быстрая закалка некоторых видов стали может привести к образованию трещин, поэтому высокопрочные стали, такие как AISI 4140, следует закаливать в масле, инструментальные стали, такие как ISO 1.2767 или инструментальная сталь для горячих работ H13, следует закаливать на воздухе с принудительной подачей воздуха, а низколегированные или среднепрочные стали, такие как XK1320 или AISI 1040, следует закаливать в рассоле.
Некоторые сплавы на основе бета-титана также показали схожие тенденции к повышению прочности при быстром охлаждении. [24] Однако большинство цветных металлов, таких как сплавы меди , алюминия или никеля , и некоторые высоколегированные стали, такие как аустенитная нержавеющая сталь (304, 316), производят противоположный эффект при закалке: они размягчаются. Аустенитные нержавеющие стали должны быть закалены, чтобы стать полностью коррозионно-стойкими, так как они значительно упрочняются. [21]
Незакаленная мартенситная сталь, хотя и очень твердая, слишком хрупкая, чтобы быть полезной для большинства применений. Метод решения этой проблемы называется отпуском. Большинство применений требуют, чтобы закаленные детали были закалены. Отпуск 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), чтобы придать некоторую вязкость . Более высокие температуры отпуска (возможно, до 1300˚F или 700˚C, в зависимости от сплава и применения) иногда используются для придания дополнительной пластичности, хотя некоторая потеря предела текучести .
Отпуск также может быть выполнен на нормализованных сталях. Другие методы отпуска состоят из закалки до определенной температуры, которая выше температуры начала мартенсита, и затем выдерживания ее там до тех пор, пока не сформируется чистый бейнит или не будут сняты внутренние напряжения. К ним относятся аустенит и мартенсит . [21]
Сталь, которая была недавно отшлифована или отполирована, при нагревании образует оксидные слои. При очень определенной температуре оксид железа образует слой с очень определенной толщиной, вызывая тонкопленочную интерференцию . Это приводит к появлению цветов на поверхности стали. По мере повышения температуры слой оксида железа увеличивается в толщине, изменяя цвет. [25] Эти цвета, называемые цветами закалки, использовались на протяжении столетий для измерения температуры металла. [26]
Цвета закалки можно использовать для оценки конечных свойств закаленной стали. Очень твердые инструменты часто закаляются в диапазоне от светлого до темно-соломенного, тогда как пружины часто закаляются до синего цвета. Однако окончательная твердость закаленной стали будет варьироваться в зависимости от состава стали. Инструментальная сталь с более высоким содержанием углерода останется намного тверже после закалки, чем пружинная сталь (с немного меньшим содержанием углерода) при закалке при той же температуре. Оксидная пленка также будет увеличиваться в толщине с течением времени. Поэтому сталь, которая выдерживалась при температуре 400˚F в течение очень долгого времени, может стать коричневой или фиолетовой, даже если температура никогда не превышала необходимую для получения светло-соломенного цвета. Другими факторами, влияющими на конечный результат, являются масляные пленки на поверхности и тип используемого источника тепла. [26]
Было разработано много методов термообработки, чтобы изменить свойства только части объекта. Они, как правило, состоят либо из охлаждения различных областей сплава с разной скоростью, либо из быстрого нагрева в локализованной области с последующей закалкой, либо из термохимической диффузии, либо из отпуска различных областей объекта при разных температурах, например, при дифференциальном отпуске . [ необходима цитата ]
Некоторые методы позволяют различным областям одного объекта получать различную термическую обработку. Это называется дифференциальной закалкой . Это распространено в высококачественных ножах и мечах . Китайский цзянь является одним из самых ранних известных примеров этого, а японская катана , возможно, является наиболее широко известной. Непальский кхукури является другим примером. Эта техника использует изолирующий слой, например слои глины, чтобы покрыть области, которые должны оставаться мягкими. Области, которые должны быть закалены, остаются открытыми, позволяя только определенным частям стали полностью затвердеть при закалке. [ необходима цитата ]
Закалка пламенем используется для закалки только части металла. В отличие от дифференциальной закалки, когда вся деталь нагревается, а затем охлаждается с разной скоростью, при закалке пламенем нагревается только часть металла перед закалкой. Это обычно проще, чем дифференциальная закалка, но часто приводит к образованию чрезвычайно хрупкой зоны между нагретым металлом и ненагретым металлом, поскольку охлаждение на краю этой зоны термического воздействия происходит чрезвычайно быстро. [ необходима цитата ]
Индукционная закалка — это метод поверхностной закалки , при котором поверхность металла нагревается очень быстро, используя бесконтактный метод индукционного нагрева . Затем сплав закаливается, вызывая мартенситное превращение на поверхности, оставляя при этом основной металл неизменным. Это создает очень твердую, износостойкую поверхность, сохраняя при этом надлежащую прочность в большинстве объектов. Хорошим примером поверхности, закаленной индукцией, являются шейки коленчатого вала . [27]
Упрочнение поверхности — это термохимический диффузионный процесс, в котором легирующий элемент, чаще всего углерод или азот, диффундирует в поверхность монолитного металла. Полученный твердый раствор внедрения тверже основного материала, что повышает износостойкость без ущерба для прочности. [21]
Лазерная поверхностная инженерия — 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.
Хотя закалка стали приводит к превращению аустенита в мартенсит, обычно не весь аустенит трансформируется. Некоторые кристаллы аустенита остаются неизменными даже после закалки ниже температуры окончания мартенсита (M f ). 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 отпуском, и повышает твердость, износостойкость и снижает внутренние напряжения в металле, но поскольку это на самом деле продолжение процесса закалки, она может увеличить вероятность образования трещин 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 сохраняется более 10% аустенита. [28] [29]
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 на самом деле увеличивает обезуглероживание, поскольку оксид железа удерживает кислород в контакте с зоной обезуглероживания даже после того, как сталь перемещается в бескислородную среду, такую как угли кузницы. Таким образом, атомы углерода начинают соединяться с окружающей окалиной и шлаком, образуя как оксид углерода , так и диоксид углерода , который выделяется в воздух.
Сталь содержит относительно небольшой процент углерода, который может свободно мигрировать в гамма-железе. Когда аустенизированная сталь подвергается воздействию воздуха в течение длительного времени, содержание углерода в стали может быть снижено. Это противоположно тому, что происходит, когда сталь нагревается в восстановительной среде , в которой углерод медленно диффундирует дальше в металл. В окислительной среде углерод может легко диффундировать наружу, поэтому аустенизированная сталь очень восприимчива к обезуглероживанию. Это часто используется для литой стали, где для литья требуется высокое содержание углерода, но в готовом продукте желательно более низкое содержание углерода. Это часто используется для чугуна для получения ковкого чугуна в процессе, называемом «белая закалка». 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 периода времени, чтобы предотвратить слишком большое обезуглероживание. [30]
Обычно указывается конечное состояние, а не процесс, используемый при термической обработке. [31]
Упрочнение поверхности определяется «твердостью» и «глубиной поверхности». Глубина поверхности может быть указана двумя способами: общая глубина поверхности или эффективная глубина поверхности. Общая глубина поверхности — это истинная глубина поверхности. Для большинства сплавов эффективная глубина поверхности — это глубина поверхности, которая имеет эквивалент твердости HRC50; однако, некоторые сплавы указывают другую твердость (40-60 HRC) на эффективной глубине поверхности; это проверяется на микротвердомере Tukon. Это значение можно приблизительно оценить как 65% от общей глубины поверхности; однако, химический состав и прокаливаемость могут повлиять на это приближение. Если не указан ни один тип глубины поверхности, предполагается общая глубина поверхности. [31]
Для закаленных деталей спецификация должна иметь допуск не менее ±0,005 дюйма (0,13 мм). Если деталь должна быть отшлифована после термической обработки, глубина закалки предполагается после шлифования. [31]
Шкала твердости по Роквеллу, используемая для спецификации, зависит от глубины общей глубины корпуса, как показано в таблице ниже. Обычно твердость измеряется по шкале Роквелла "C", но нагрузка, используемая на шкале, проникнет через корпус, если корпус меньше 0,030 дюйма (0,76 мм). Использование Роквелла "C" для более тонкого корпуса приведет к ложному показанию. [31]
Для случаев, толщина которых составляет менее 0,015 дюйма (0,38 мм), шкалу Роквелла нельзя использовать с уверенностью, поэтомуВместо этого указывается твердость файла . [31]Твердость файла приблизительно эквивалентна 58 HRC.[32]
При указании твердости следует указать либо диапазон, либо минимальную твердость. Если указан диапазон, следует указать не менее 5 баллов. [31]
Для сквозной закалки указывается только твердость. Обычно она указывается в виде HRC с диапазоном не менее пяти точек. [31]
Твердость для процесса отжига обычно указывается в шкале HRB как максимальное значение. [31] Это процесс измельчения размера зерна, повышения прочности, снятия остаточного напряжения и воздействия на электромагнитные свойства...
Печи, используемые для термообработки, можно разделить на две большие категории: печи периодического действия и печи непрерывного действия. Печи периодического действия обычно загружаются и выгружаются вручную, тогда как печи непрерывного действия имеют автоматическую систему транспортировки для обеспечения постоянной загрузки в камеру печи. [33]
Системы пакетной обработки обычно состоят из изолированной камеры со стальным корпусом, системы нагрева и дверцы доступа к камере. [33]
Многие базовые печи коробчатого типа были модернизированы до полунепрерывных печей периодического действия с добавлением интегрированных закалочных ванн и камер медленного охлаждения. Эти модернизированные печи являются очень часто используемым оборудованием для термообработки. [33]
Печь с выдвижным подом, также известная как «выдвижной под», представляет собой чрезвычайно большую печь периодического действия. Пол выполнен в виде изолированной подвижной тележки, которая вставляется в печь и выдвигается из нее для загрузки и выгрузки. Обычно тележка герметизируется с помощью песчаных уплотнений или твердых уплотнений, когда находится в нужном положении. Из-за сложности получения достаточной герметизации печи с выдвижным подом обычно используются для процессов без атмосферы. [ необходима цитата ]
Похожий по типу на выкатную 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 грузы и часто устраняют необходимость во внешних кранах и механизмах перемещения. [33]
Колпаковые печи имеют съемные крышки, называемые колоколами , которые опускаются над загрузкой и подом с помощью крана. Внутренний колокол размещается над подом и герметизируется для обеспечения защитной атмосферы. Внешний колокол опускается для обеспечения подачи тепла. [33]
Печи, которые строятся в яме и доходят до уровня пола или немного выше, называются шахтными печами. Заготовки могут быть подвешены к креплениям, удерживаться в корзинах или размещаться на основаниях в печи. Шахтные печи подходят для нагрева длинных труб, валов и стержней, удерживая их в вертикальном положении. Такой способ загрузки обеспечивает минимальную деформацию. [33]
Соляные ванны используются в самых разных процессах термической обработки, включая нейтральную закалку, жидкое науглероживание, жидкое азотирование , изотермическую закалку , мартенситную закалку и отпуск .
Детали загружаются в горшок с расплавленной солью, где они нагреваются за счет теплопроводности , что дает очень легкодоступный источник тепла. Внутренняя температура детали повышается примерно с той же скоростью, что и ее поверхность в соляной ванне. [33]
Соляные ванны используют различные соли для термической обработки, причем наиболее широко используются соли цианида. Опасения по поводу связанных с этим профессиональных заболеваний и безопасности, а также дорогостоящее управление отходами и утилизация 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]
Псевдоожиженный слой состоит из цилиндрической реторты, изготовленной из высокотемпературного сплава, заполненной песчаноподобными частицами оксида алюминия. Газ (воздух или азот) барботируется через оксид, и песок движется таким образом, что он проявляет жидкоподобное поведение, отсюда и термин « псевдоожиженный» . Твердо-твердый контакт оксида обеспечивает очень высокую теплопроводность и превосходную однородность температуры по всей печи, сравнимую с теми, которые наблюдаются в соляной ванне. [33]
