Термічна обробка сталевих виливків базується на фазовій діаграмі Fe-Fe3C для контролю мікроструктури сталевих виливків для досягнення необхідної продуктивності.Термічна обробка є одним з важливих процесів у виробництві сталевого литва.Якість і ефект термічної обробки безпосередньо залежать від кінцевих характеристик сталевого литва.
Лита структура сталевих виливків залежить від хімічного складу та процесу затвердіння.Як правило, спостерігається відносно серйозна сегрегація дендритів, дуже нерівна структура та грубі зерна.Таким чином, сталеві виливки, як правило, потребують термічної обробки, щоб усунути або зменшити вплив вищезазначених проблем, щоб покращити механічні властивості сталевих виливків.Крім того, через різницю в структурі та товщині стінок сталевих виливків різні частини одного й того самого виливка мають різні організаційні форми та створюють значні залишкові внутрішні напруги.Тому сталеві виливки (особливо виливки з легованої сталі), як правило, повинні поставлятися в термічно обробленому стані.
1. Характеристики термічної обробки сталевих виливків
1) У литій структурі сталевих виливків часто є грубі дендрити та сегрегація.При термічній обробці час нагрівання має бути трохи вищим, ніж у кованих сталевих деталей того ж складу.У той же час час витримки аустенітизації необхідно відповідним чином подовжити.
2) Через серйозну сегрегацію литої структури деяких виливків з легованої сталі, щоб усунути її вплив на кінцеві властивості виливків, слід вжити заходів для гомогенізації під час термічної обробки.
3) Для сталевих виливків зі складною формою та великою різницею товщини стінок під час термічної обробки слід враховувати ефекти поперечного перерізу та коефіцієнти напруги лиття.
4) Коли термічна обробка виконується на сталевих виливках, вона повинна бути розумною на основі її структурних характеристик і намагатися уникнути деформації виливків.
2. Основні технологічні фактори термічної обробки сталевих виливків
Термічна обробка сталевих виливків складається з трьох стадій: нагрівання, теплозбереження та охолодження.Визначення параметрів процесу має ґрунтуватися на меті забезпечення якості продукції та економії витрат.
1) Опалення
Нагрівання є найбільш енерговитратним процесом у процесі термообробки.Основними технічними параметрами процесу нагріву є вибір відповідного способу нагріву, швидкості нагріву та способу зарядки.
(1) Спосіб нагрівання.Методи нагрівання сталевих виливків в основному включають радіаційне нагрівання, нагрівання соляною ванною та індукційне нагрівання.Принцип вибору методу нагрівання - швидкий і рівномірний, простий у контролі, висока ефективність і низька вартість.Під час нагрівання ливарне виробництво зазвичай враховує структурний розмір, хімічний склад, процес термічної обробки та вимоги до якості виливка.
(2) Швидкість нагріву.Для загальних сталевих виливків швидкість нагріву може не обмежуватися, для нагріву використовується максимальна потужність печі.Використання гарячої завантаження печі може значно скоротити час нагрівання та виробничий цикл.Насправді, за умови швидкого нагрівання, немає явного температурного гістерезису між поверхнею виливка та серцевиною.Повільне нагрівання призведе до зниження ефективності виробництва, збільшення споживання енергії та серйозного окислення та зневуглецювання на поверхні виливка.Однак для деяких виливків зі складною формою і конструкцією, великою товщиною стінок і великими термічними напругами в процесі нагрівання слід контролювати швидкість нагріву.Як правило, можна використовувати низьку температуру та повільне нагрівання (нижче 600 °C) або перебування при низькій або середній температурі, а потім швидке нагрівання можна використовувати в зонах з високою температурою.
(3) Спосіб завантаження.Принцип розміщення сталевих відливок у печі полягає в повному використанні ефективного простору, забезпеченні рівномірного нагрівання та розміщенні виливків для деформації.
2) Ізоляція
Температуру витримки для аустенітізації сталевих виливків слід вибирати відповідно до хімічного складу вилитої сталі та необхідних властивостей.Температура витримки, як правило, трохи вища (близько 20 °C), ніж кування сталевих деталей того самого складу.Для евтектоїдних сталевих виливків слід переконатися, що карбіди можуть швидко включатися в аустеніт, і що аустеніт може зберігати дрібне зерно.
Для тривалості збереження тепла сталевих виливків слід враховувати два фактори: перший фактор полягає в тому, щоб зробити температуру поверхні лиття та серцевини рівномірною, а другий фактор полягає в забезпеченні однорідності структури.Тому час витримки в основному залежить від теплопровідності виливка, товщини стінки профілю та елементів сплаву.Загалом виливки з легованої сталі вимагають більш тривалого часу витримки, ніж виливки з вуглецевої сталі.Товщина стінки виливка зазвичай є основною основою для розрахунку часу витримки.Щодо часу витримки обробки відпуску та обробки старіння слід враховувати такі фактори, як мета термічної обробки, температура витримки та швидкість дифузії елементів.
3) Охолодження
Сталеві виливки можуть охолоджуватися з різною швидкістю після збереження тепла, щоб завершити металографічне перетворення, отримати необхідну металографічну структуру та досягти заданих показників ефективності.Загалом кажучи, збільшення швидкості охолодження може допомогти отримати гарну структуру та подрібнити зерна, тим самим покращуючи механічні властивості виливка.Однак, якщо швидкість охолодження надто висока, можна легко спричинити більшу напругу у відливці.Це може призвести до деформації або розтріскування виливків зі складною структурою.
Охолоджувальне середовище для термічної обробки сталевих виливків зазвичай включає повітря, масло, воду, солону воду та розплавлену сіль.
3. Спосіб термічної обробки сталевих виливків
Відповідно до різних методів нагрівання, часу витримки та умов охолодження, методи термічної обробки сталевих виливків в основному включають відпал, нормалізацію, загартування, відпустку, обробку розчином, дисперсійне зміцнення, обробку для зняття напруги та обробку для видалення водню.
1) Відпал.
Відпал — це нагрівання сталі, структура якої відхиляється від рівноважного стану, до певної температури, заздалегідь визначеної процесом, а потім повільне охолодження після збереження тепла (зазвичай охолодження в печі або заливання вапном) для отримання процесу термічної обробки, близького до процесу відпалу. рівноважний стан конструкції.Відповідно до складу сталі та призначення та вимог до відпалу, відпал можна розділити на повний відпал, ізотермічний відпал, сфероїдизуючий відпал, рекристалізаційний відпал, відпал для зняття напруги тощо.
(1) Повний відпал.Загальний процес повного відпалу: нагрівання сталевого лиття до 20 °C-30 °C вище Ac3, витримування протягом певного часу, щоб структура сталі повністю перетворилася на аустеніт, а потім повільне охолодження (зазвичай охолодження за допомогою печі) при 500 ℃-600 ℃ і, нарешті, охолоджується на повітрі.Так звана повна означає, що при нагріванні виходить повна структура аустеніту.
Мета повного відпалу в основному включає: перше - покращити грубу та нерівну структуру, викликану гарячою обробкою;по-друге, зменшити твердість виливків із вуглецевої та легованої сталі вище середньовуглецевої, тим самим покращуючи ефективність різання (загалом, коли твердість заготовки становить від 170 HBW-230 HBW, її легко різати. Коли твердість вище або нижче цього діапазону, це ускладнить різання);третє - усунення внутрішньої напруги сталевого литва.
Область використання повного відпалу.Повний відпал в основному підходить для виливків з вуглецевої сталі та легованої сталі з доевтектоїдним складом із вмістом вуглецю від 0,25% до 0,77%.Заевтектоїдну сталь не слід повністю відпалювати, тому що, коли заевтектоїдна сталь нагрівається вище Accm і повільно охолоджується, вторинний цементит буде випадати вздовж межі зерен аустеніту у формі мережі, що робить міцність, пластичність і ударну в'язкість сталі значною. занепад.
(2) Ізотермічний відпал.Ізотермічний відпал стосується нагрівання сталевих виливків до температури на 20 °C - 30 °C вище Ac3 (або Ac1), після витримки протягом певного періоду часу, швидкого охолодження до максимальної температури кривої ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту, а потім витримування протягом певного періоду. часу (зона перетворення перліту).Після перетворення аустеніту в перліт він повільно остигає.
(3) Сфероїдизуючий відпал.Сфероїдизуючий відпал полягає в нагріванні сталевих виливків до температури, трохи вищій за Ac1, а потім після тривалого збереження тепла вторинний цементит у сталі спонтанно перетворюється на гранульований (або сферичний) цементит, а потім на повільній швидкості Термообробка процес охолодити до кімнатної температури.
Метою сфероїдизуючого відпалу є: зниження твердості;надання однорідності металографічної структури;підвищення продуктивності різання та підготовка до загартування.
Сфероїдизуючий відпал в основному застосовується до евтектоїдних і заевтектоїдних сталей (вміст вуглецю понад 0,77%), таких як вуглецева інструментальна сталь, легована пружинна сталь, сталь підшипників кочення та легована інструментальна сталь.
(4) Відпал для зняття напруги та рекристалізаційний відпал.Відпал для зняття напруги також називають низькотемпературним відпалом.Це процес, у якому сталеві виливки нагрівають до температури нижче Ac1 (400 °C - 500 °C), потім витримують протягом певного часу, а потім повільно охолоджують до кімнатної температури.Метою відпалу для зняття напруги є усунення внутрішньої напруги виливка.Металографічна структура сталі не зміниться під час процесу відпалу для зняття напруги.Рекристалізаційний відпал в основному використовується для усунення спотвореної структури, викликаної обробкою холодною деформацією, і усунення зміцнення.Температура нагріву для рекристалізаційного відпалу на 150 °C - 250 °C вище температури рекристалізації.Рекристалізаційний відпал може повторно сформувати подовжені кристалічні зерна в однорідні рівновісні кристали після холодної деформації, таким чином усуваючи ефект зміцнення.
2) Нормалізація
Нормалізація - це термічна обробка, під час якої сталь нагрівають до 30 °C - 50 °C вище Ac3 (доевтектоїдна сталь) і Acm (доевтектоїдна сталь), а після періоду збереження тепла її охолоджують до кімнатної температури на повітрі або в примусове повітря.метод.Нормалізація має більш швидку швидкість охолодження, ніж відпал, тому нормалізована структура тонша, ніж відпалена структура, а її міцність і твердість також вищі, ніж у відпаленої структури.Завдяки короткому виробничому циклу і високій завантаженості обладнання нормалізації, нормалізація широко використовується в різних сталевих виливках.
Мета нормалізації поділяється на такі три категорії:
(1) Нормалізація як кінцева термічна обробка
Для металевих виливків з низькими вимогами до міцності нормалізацію можна використовувати як остаточну термічну обробку.Нормалізація може покращити зерна, гомогенізувати структуру, зменшити вміст фериту в доевтектоїдній сталі, збільшити та покращити вміст перліту, тим самим покращуючи міцність, твердість і ударну в’язкість сталі.
(2) Нормалізація як попередня термічна обробка
Для сталевих виливків із великим перерізом нормалізація перед загартуванням або загартуванням і відпуском (загартування та відпуск при високій температурі) може усунути структуру Відманштаттена та стрічкову структуру та отримати тонку та однорідну структуру.Для сітчастого цементиту, присутнього у вуглецевих і легованих інструментальних сталях із вмістом вуглецю понад 0,77%, нормалізація може знизити вміст вторинного цементиту та запобігти утворенню безперервної сітки, готуючи організацію до сфероїдного відпалу.
(3) Поліпшення ефективності різання
Нормалізація може покращити продуктивність різання низьковуглецевої сталі.Твердість виливків з низьковуглецевої сталі занадто низька після відпалу, і їх легко прилипнути до ножа під час різання, що призводить до надмірної шорсткості поверхні.Завдяки нормалізації термічної обробки твердість виливків з низьковуглецевої сталі можна збільшити до 140 HBW - 190 HBW, що є близьким до оптимальної твердості різання, тим самим покращуючи продуктивність різання.
3) Загартування
Загартування - це процес термічної обробки, під час якого сталеві виливки нагрівають до температури вище Ac3 або Ac1, а потім швидко охолоджують після витримки протягом певного періоду часу для отримання повної мартенситної структури.Сталеві виливки слід гартувати вчасно після найгарячішої температури, щоб усунути напругу гарту та отримати необхідні повні механічні властивості.
(1) Температура гасіння
Температура нагрівання загартування доевтектоїдної сталі становить 30 ℃-50 ℃ вище Ac3;температура загартування евтектоїдної та заевтектоїдної сталі на 30℃-50℃ вище Ac1.Доевтектоїдна вуглецева сталь нагрівається при вищезгаданій температурі загартування, щоб отримати дрібнозернистий аустеніт, а після загартування можна отримати дрібну мартенситну структуру.Евтектоїдна сталь і заевтектоїдна сталь були сфероїдизовані та відпалені перед загартуванням і нагріванням, тому після нагрівання до 30 ℃-50 ℃ вище Ac1 і неповної аустенізації структура представляє собою аустеніт і частково нерозчинені дрібнозернисті інфільтраційні частинки вуглецю.Після гарту аустеніт перетворюється на мартенсит, а нерозчинені частинки цементиту зберігаються.Завдяки високій твердості цементиту він не тільки не знижує твердість сталі, але й підвищує її зносостійкість.Нормально загартованою структурою заевтектоїдної сталі є дрібний пластівчастий мартенсит, а дрібнозернистий цементит і невелика кількість залишкового аустеніту рівномірно розподілені по матриці.Така конструкція має високу міцність і зносостійкість, але також володіє певним ступенем ударної в'язкості.
(2) Охолоджуюче середовище для процесу термообробки
Метою гарту є отримання повного мартенситу.Тому швидкість охолодження литої сталі під час загартування повинна бути більшою за критичну швидкість охолодження литої сталі, інакше неможливо отримати мартенситну структуру та відповідні властивості.Однак занадто висока швидкість охолодження може легко призвести до деформації або розтріскування виливка.Для того, щоб одночасно відповідати вищезазначеним вимогам, слід вибрати відповідне охолоджувальне середовище відповідно до матеріалу виливка або застосувати метод поетапного охолодження.У діапазоні температур 650℃-400℃ швидкість ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту сталі є найбільшою.Тому при гарту виливка необхідно забезпечити швидке охолодження в цьому діапазоні температур.Нижче точки Ms швидкість охолодження повинна бути повільнішою, щоб запобігти деформації або розтріскування.Середовище гасіння зазвичай приймає воду, водний розчин або масло.На стадії загартування або відпуску зазвичай використовувані середовища включають гаряче масло, розплавлений метал, розплавлену сіль або розплавлений луг.
Охолоджувальна здатність води у зоні високих температур 650℃-550℃ є високою, а охолоджувальна здатність води в зоні низьких температур 300℃-200℃ дуже висока.Вода більше підходить для загартування та охолодження виливків з вуглецевої сталі простих форм і великих поперечних перерізів.При використанні для гартування та охолодження температура води зазвичай не перевищує 30°C.Тому, як правило, прийнято посилювати циркуляцію води, щоб підтримувати температуру води в розумних межах.Крім того, нагрівання солі (NaCl) або лугу (NaOH) у воді значно збільшить охолоджувальну здатність розчину.
Основна перевага масла як охолоджувального середовища полягає в тому, що швидкість охолодження в зоні низьких температур 300 ℃-200 ℃ набагато нижча, ніж у води, що може значно зменшити внутрішню напругу загартованої заготовки та зменшити можливість деформації. і розтріскування виливка.У той же час охолоджувальна здатність олії у високотемпературному діапазоні 650 ℃-550 ℃ відносно низька, що також є головним недоліком олії як середовища для гарту.Температура гасіння масла зазвичай контролюється на рівні 60 ℃-80 ℃.Масло в основному використовується для гарту виливків із легованої сталі складної форми та гарту виливків із вуглецевої сталі малого поперечного перерізу та складної форми.
Крім того, розплавлена сіль також зазвичай використовується як середовище для гасіння, яке в цей час стає соляною ванною.Соляна ванна характеризується високою температурою кипіння, а її охолоджувальна здатність знаходиться між водою та олією.Соляна ванна часто використовується для відпустки і стадійного гарту, а також для обробки виливків складної форми, малих розмірів і суворих вимог до деформації.
4) Загартування
Гартування відноситься до процесу термічної обробки, під час якого загартовані або нормалізовані сталеві виливки нагрівають до вибраної температури, нижчої за критичну точку Ac1, і після витримки протягом певного періоду часу вони охолоджуються з відповідною швидкістю.Термічна обробка відпуском може перетворити нестабільну структуру, отриману після загартування або нормалізації, у стабільну структуру для усунення напруги та покращення пластичності та міцності сталевих виливків.Як правило, процес термічної обробки загартування та високотемпературної обробки називається гартуванням та відпуском.Загартовані сталеві виливки повинні бути відпущені вчасно, а нормалізовані сталеві виливки повинні бути загартовані, коли це необхідно.Продуктивність сталевих виливків після гарту залежить від температури гарту, часу та кількості разів.Підвищення температури відпуску та подовження часу витримки в будь-який час може не тільки зменшити напругу гарту сталевих виливків, але й перетворити нестабільний загартований мартенсит у відпущений мартенсит, троостит або сорбіт.Міцність і твердість сталевих виливків знижуються, а пластичність значно поліпшується.Для деяких середньолегованих сталей з легуючими елементами, які сильно утворюють карбіди (такими як хром, молібден, ванадій і вольфрам тощо), твердість збільшується, а в’язкість знижується під час відпустки при 400℃-500℃.Це явище називається вторинним зміцненням, тобто твердість литої сталі в відпущеному стані досягає максимуму.У реальному виробництві середньолегована лита сталь із характеристиками вторинного зміцнення потребує багаторазового відпуску.
(1) Низькотемпературний відпуск
Температурний діапазон низькотемпературного відпустки становить 150℃-250℃.Низькотемпературний відпуск може отримати загартовану мартенситну структуру, яка в основному використовується для загартування високовуглецевої сталі та загартування високолегованої сталі.Загартований мартенсит відноситься до структури криптокристалічного мартенситу плюс дрібнозернистих карбідів.Структура доевтектоїдної сталі після низькотемпературного відпустки — відпущений мартенсит;Структура заевтектоїдної сталі після низькотемпературного відпустки являє собою відпущений мартенсит + карбіди + залишковий аустеніт.Метою низькотемпературного відпустки є відповідне підвищення в'язкості загартованої сталі при збереженні високої твердості (58HRC-64HRC), високої міцності та зносостійкості, одночасно значно зменшуючи напругу гарту та крихкість сталевих виливків.
(2) Середньотемпературний відпуск
Середня температура загартування зазвичай становить 350-500 ℃.Структура після відпустки при середній температурі являє собою велику кількість дрібнозернистого цементиту, диспергованого та розподіленого на феритовій матриці, тобто структуру відпущеного трооститу.Ферит у структурі загартованого трооститу все ще зберігає форму мартенситу.Внутрішня напруга сталевих виливків після відпустки в основному усувається, і вони мають вищу межу пружності та текучості, вищу міцність і твердість, а також хорошу пластичність і міцність.
(3) Високотемпературний відпуск
Температура високотемпературного відпуску, як правило, становить 500 °C-650 °C, а процес термічної обробки, який поєднує загартування та наступний високотемпературний відпуск, зазвичай називається загартуванням і відпуском.Структура після високотемпературного відпустки являє собою відпущений сорбіт, тобто дрібнозернистий цементит і ферит.Ферит у відпущеному сорбіті є полігональним феритом, який піддається рекристалізації.Сталеві виливки після високотемпературного відпустки мають хороші комплексні механічні властивості з точки зору міцності, пластичності та в'язкості.Високотемпературний відпуск широко використовується для середньовуглецевої сталі, низьколегованої сталі та різних важливих конструкційних деталей зі складними зусиллями.
5) Обробка твердим розчином
Основною метою обробки розчину є розчинення карбідів або інших виділених фаз у твердому розчині для отримання перенасиченої однофазної структури.Виливки з аустенітної нержавіючої сталі, аустенітної марганцевої сталі та нержавіючої сталі, що зміцнюється дисперсійним загартовуванням, зазвичай повинні бути оброблені твердим розчином.Вибір температури розчину залежить від хімічного складу та фазової діаграми литої сталі.Температура виливків з аустенітної марганцевої сталі зазвичай становить 1000 ℃ - 1100 ℃;температура аустенітних хромонікелевих виливків з нержавіючої сталі зазвичай становить 1000 ℃-1250 ℃.
Чим вищий вміст вуглецю в литій сталі і більше нерозчинних легуючих елементів, тим вище повинна бути температура її твердого розчину.Для сталевих виливків із дисперсійним зміцненням, що містять мідь, твердість сталевих виливків підвищується завдяки випаданню твердих фаз, багатих міддю, у литому стані під час охолодження.Для того, щоб пом’якшити структуру та покращити продуктивність обробки, сталеві відливки необхідно обробити твердим розчином.Його температура твердого розчину становить 900 ℃-950 ℃.
6) Опадове зміцнення
Обробка дисперсійним зміцненням — це обробка дисперсійним зміцненням, яка виконується в діапазоні температур відпуску, також відома як штучне старіння.Суть обробки дисперсійним зміцненням полягає в тому, що при більш високих температурах карбіди, нітриди, інтерметалічні сполуки та інші нестабільні проміжні фази виділяються з перенасиченого твердого розчину та диспергуються в матриці, таким чином роблячи сталевий литий всебічний Поліпшені механічні властивості та твердість.
Температура обробки старінням безпосередньо впливає на кінцеві характеристики сталевих виливків.Якщо температура старіння занадто низька, фаза дисперсійного твердіння випадатиме повільно;якщо температура старіння занадто висока, накопичення осадженої фази спричинить надмірне старіння, і найкраща продуктивність не буде досягнута.Таким чином, ливарний цех повинен вибрати відповідну температуру старіння відповідно до марки литої сталі та заданих характеристик сталевого лиття.Температура старіння аустенітної жаростійкої литої сталі зазвичай становить 550 ℃-850 ℃;температура старіння високоміцної литої сталі, що зміцнюється, зазвичай становить 500 ℃.
7) Лікування зняття стресу
Метою термічної обробки для зняття напруги є усунення напруги лиття, напруги гарту та напруги, що утворюється в результаті механічної обробки, щоб стабілізувати розмір виливка.Термічна обробка для зняття напруги, як правило, нагрівається до 100°C-200°C нижче Ac1, потім витримується протягом певного періоду часу і, нарешті, охолоджується в печі.Структура сталевого виливка не змінилася в процесі зняття напруги.Виливки з вуглецевої сталі, виливки з низьколегованої сталі та виливки з високолегованої сталі можуть бути піддані обробці для зняття напруги.
4. Вплив термічної обробки на властивості сталевих виливків
На додаток до продуктивності сталевих виливків залежно від хімічного складу та процесу лиття, також можна використовувати різні методи термічної обробки, щоб надати їм чудові повні механічні властивості.Загальною метою процесу термічної обробки є підвищення якості виливків, зменшення ваги виливків, продовження терміну служби та зниження витрат.Важливим засобом поліпшення механічних властивостей виливків є термічна обробка;механічні властивості виливків є важливим показником для судження про ефект термічної обробки.Окрім наступних властивостей, ливарний цех також повинен враховувати такі фактори, як процедури обробки, продуктивність різання та вимоги до використання виливків під час термічної обробки сталевих виливків.
1) Вплив термічної обробки на міцність виливків
За умови однакового складу литої сталі міцність сталевих виливків після різних процесів термічної обробки має тенденцію до зростання.Загалом, міцність на розрив виливків з вуглецевої сталі та виливків з низьколегованої сталі може досягати 414 МПа-1724 МПа після термічної обробки.
2) Вплив термічної обробки на пластичність сталевих виливків
Лита структура сталевих виливків груба, а пластичність низька.Після термічної обробки його мікроструктура та пластичність відповідно покращаться.Зокрема, значно покращиться пластичність сталевих виливків після загартування та відпустки (загартування + відпуск при високій температурі).
3) В'язкість сталевого литва
Показник міцності сталевих виливків часто оцінюють за допомогою випробувань на удар.Оскільки міцність і в’язкість сталевих відливок є двома суперечливими показниками, ливарне виробництво має ретельно обдумати вибір відповідного процесу термічної обробки, щоб досягти повних механічних властивостей, необхідних клієнтам.
4) Вплив термічної обробки на твердість виливків
Коли загартовуваність литої сталі однакова, твердість литої сталі після термічної обробки може приблизно відображати міцність литої сталі.Таким чином, твердість може бути використана як інтуїтивно зрозумілий показник для оцінки продуктивності литої сталі після термічної обробки.Взагалі кажучи, твердість виливків з вуглецевої сталі може досягати 120 HBW - 280 HBW після термічної обробки.
Час публікації: 12 липня 2021 р