Термическая обработка стальных отливок основана на фазовой диаграмме Fe-Fe3C для управления микроструктурой стальных отливок и достижения требуемых характеристик. Термическая обработка является одним из важных процессов в производстве стальных отливок. Качество и эффект термообработки напрямую связаны с конечными характеристиками стальных отливок.
Литая структура стальных отливок зависит от химического состава и процесса затвердевания. Как правило, наблюдается относительно серьезная сегрегация дендритов, очень неравномерная структура и крупные зерна. Поэтому стальные отливки обычно необходимо подвергать термической обработке, чтобы устранить или уменьшить влияние вышеупомянутых проблем, чтобы улучшить механические свойства стальных отливок. Кроме того, из-за различия структуры и толщины стенок стальных отливок различные части одной и той же отливки имеют разную организационную форму и создают значительные остаточные внутренние напряжения. Поэтому стальные отливки (особенно отливки из легированной стали) обычно следует поставлять в термически обработанном состоянии.
1. Особенности термической обработки стальных отливок.
1) В литой структуре стальных отливок часто наблюдаются грубые дендриты и сегрегации. При термообработке время нагрева должно быть несколько больше, чем у поковок стальных деталей того же состава. В то же время время выдержки аустенитизации необходимо соответствующим образом продлить.
2) В связи с серьезной сегрегацией литой структуры некоторых отливок из легированных сталей, чтобы исключить ее влияние на конечные свойства отливок, следует принять меры по гомогенизации при термообработке.
3) Для стальных отливок сложной формы и большой разницы в толщине стенок во время термической обработки необходимо учитывать влияние поперечного сечения и факторы напряжения отливки.
4) При проведении термической обработки стальных отливок она должна быть разумной, исходя из ее структурных особенностей и стараться избегать деформации отливок.
2. Основные технологические факторы термической обработки стальных отливок.
Термическая обработка стальных отливок состоит из трех стадий: нагрева, сохранения тепла и охлаждения. Определение параметров процесса должно основываться на целях обеспечения качества продукции и экономии затрат.
1) Отопление
Нагревание является наиболее энергозатратным процессом в процессе термообработки. Основные технические параметры процесса нагрева заключаются в выборе подходящего способа нагрева, скорости нагрева и способа загрузки.
(1) Метод нагрева. Методы нагрева стальных отливок в основном включают лучистый нагрев, нагрев в соляной ванне и индукционный нагрев. Принцип выбора метода нагрева: быстрый и равномерный, простой в управлении, высокий КПД и низкая стоимость. При нагреве литейное производство обычно учитывает структурный размер, химический состав, процесс термообработки и требования к качеству отливки.
(2) Скорость нагрева. Для обычных стальных отливок скорость нагрева может не ограничиваться, а для нагрева используется максимальная мощность печи. Использование горячей загрузки печи позволяет значительно сократить время нагрева и производственный цикл. Фактически в условиях быстрого нагрева не наблюдается явного температурного гистерезиса между поверхностью отливки и сердцевиной. Медленный нагрев приведет к снижению эффективности производства, увеличению энергопотребления, а также к серьезному окислению и обезуглероживанию поверхности отливки. Однако для некоторых отливок сложной формы и конструкции, большой толщины стенок и больших термических напряжений в процессе нагрева скорость нагрева должна контролироваться. Как правило, можно использовать низкую температуру и медленный нагрев (ниже 600 °C) или поддержание низкой или средней температуры, а затем можно использовать быстрый нагрев в зонах с высокими температурами.
(3) Способ загрузки. Принцип помещения стальных отливок в печь заключается в том, чтобы полностью использовать полезное пространство, обеспечить равномерный нагрев и разместить отливки для деформации.
2) Изоляция
Температуру выдержки при аустенитизации стальных отливок следует выбирать в зависимости от химического состава отлитой стали и требуемых свойств. Температура выдержки обычно немного выше (около 20 °C), чем при ковке стальных деталей того же состава. Для отливок из эвтектоидной стали следует обеспечить возможность быстрого включения карбидов в аустенит и сохранение мелких зерен в аустените.
Для времени сохранения тепла стальных отливок следует учитывать два фактора: первый фактор — сделать температуру поверхности отливки и сердечника однородной, а второй фактор — обеспечить однородность структуры. Поэтому время выдержки в основном зависит от теплопроводности отливки, толщины стенки сечения и элементов сплава. Вообще говоря, отливки из легированной стали требуют более длительного времени выдержки, чем отливки из углеродистой стали. Толщина стенок отливки обычно является основной основой для расчета времени выдержки. Для времени выдержки отпуска и старения следует учитывать такие факторы, как цель термообработки, температура выдержки и скорость диффузии элемента.
3) Охлаждение
Стальные отливки после термоконсервации могут охлаждаться с различной скоростью для завершения металлографического превращения, получения необходимой металлографической структуры и достижения заданных эксплуатационных показателей. Вообще говоря, увеличение скорости охлаждения может помочь получить хорошую структуру и измельчить зерна, тем самым улучшая механические свойства отливки. Однако если скорость охлаждения слишком высока, можно легко вызвать большее напряжение в отливке. Это может привести к деформации или растрескиванию отливок сложной конструкции.
Охлаждающая среда для термообработки стальных отливок обычно включает воздух, масло, воду, соленую воду и расплавленную соль.
3. Способ термообработки стальных отливок.
В зависимости от различных методов нагрева, времени выдержки и условий охлаждения методы термообработки стальных отливок в основном включают отжиг, нормализацию, закалку, отпуск, обработку на раствор, дисперсионное твердение, обработку для снятия напряжений и обработку для удаления водорода.
1) Отжиг.
Отжиг заключается в нагреве стали, структура которой отклоняется от равновесного состояния, до определенной, заданной процессом температуры, а затем медленном ее охлаждении после сохранения тепла (обычно охлаждением в печи или закапыванием в известку) для получения процесса термической обработки, близкого к равновесное состояние конструкции. В зависимости от состава стали, цели и требований отжига отжиг можно разделить на полный отжиг, изотермический отжиг, сфероидизирующий отжиг, рекристаллизационный отжиг, отжиг для снятия напряжений и так далее.
(1) Полный отжиг. Общий процесс полного отжига заключается в следующем: нагрев стальной отливки до температуры 20–30 °С выше Ас3, выдержка ее в течение некоторого времени, чтобы структура стали полностью превратилась в аустенит, а затем медленное охлаждение (обычно охлаждение печью) при 500℃-600℃ и окончательно охлаждается на воздухе. Так называемая полная означает, что при нагреве получается полная аустенитная структура.
Целью полного отжига в основном является: во-первых, улучшение грубой и неравномерной структуры, вызванной горячей обработкой; во-вторых, снизить твердость отливок из углеродистой и легированной стали выше среднеуглеродистой, тем самым улучшая их режущие характеристики (в целом, когда твердость заготовки находится в пределах 170–230 HBW, ее легко резать. Когда твердость выше или ниже этого диапазона, это затруднит резку); третье – устранить внутренние напряжения стальной отливки.
Область использования полного отжига. Полный отжиг в основном подходит для отливок из углеродистой и легированной стали доэвтектоидного состава с содержанием углерода от 0,25% до 0,77%. Заэвтектоидную сталь не следует полностью отжигать, потому что, когда заэвтектоидная сталь нагревается до температуры выше Accm и медленно охлаждается, вторичный цементит выпадает вдоль границы аустенитного зерна в форме сетки, что делает прочность, пластичность и ударную вязкость стали значительными. отклонить.
(2) Изотермический отжиг. Изотермический отжиг подразумевает нагрев стальных отливок до температуры на 20–30 °C выше Ac3 (или Ac1) после выдержки в течение определенного периода времени, быстрое охлаждение до пиковой температуры переохлажденной кривой изотермического превращения аустенита, а затем выдержку в течение определенного периода времени. времени (зона перлитного преобразования). После превращения аустенита в перлит он медленно остывает.
(3) Сфероидизирующий отжиг. Сфероидизирующий отжиг заключается в нагреве стальных отливок до температуры несколько выше Ас1, после чего после длительного сохранения тепла вторичный цементит в стали самопроизвольно превращается в зернистый (или сферический) цементит, а затем на медленной скорости термическая обработка. процесс остывания до комнатной температуры.
Цель сфероидизирующего отжига включает: снижение твердости; придание металлографической структуры однородности; улучшение производительности резания и подготовка к закалке.
Сфероидизирующий отжиг в основном применим к эвтектоидным и заэвтектоидным сталям (содержание углерода более 0,77%), таким как углеродистая инструментальная сталь, легированная пружинная сталь, сталь подшипников качения и легированная инструментальная сталь.
(4) Отжиг для снятия напряжений и рекристаллизационный отжиг. Отжиг для снятия напряжений также называют низкотемпературным отжигом. Это процесс, при котором стальные отливки нагревают до температуры ниже Ac1 (400–500 °C), затем выдерживают в течение определенного периода времени, а затем медленно охлаждают до комнатной температуры. Целью отжига для снятия напряжений является устранение внутренних напряжений отливки. Металлографическая структура стали не изменится в процессе отжига для снятия напряжений. Рекристаллизационный отжиг в основном используется для устранения искаженной структуры, вызванной холодной деформационной обработкой, и устранения наклепа. Температура нагрева при рекристаллизационном отжиге на 150–250 °C превышает температуру рекристаллизации. Рекристаллизационный отжиг позволяет после холодной деформации переформировать удлиненные кристаллические зерна в однородные равноосные кристаллы, тем самым устраняя эффект наклепа.
2) Нормализация
Нормализация – это термическая обработка, при которой сталь нагревают до температуры 30°С - 50°С выше Ас3 (доэвтектоидная сталь) и Асм (заэвтектоидная сталь), а после периода сохранения тепла охлаждают до комнатной температуры на воздухе или в принудительный воздух. метод. Нормализация имеет более высокую скорость охлаждения, чем отжиг, поэтому нормализованная структура тоньше, чем отожженная структура, а ее прочность и твердость также выше, чем у отожженной структуры. Благодаря короткому производственному циклу и высокой загрузке оборудования нормализации нормализация широко применяется при различных стальных отливках.
Цель нормализации подразделяется на следующие три категории:
(1) Нормализация как заключительная термообработка.
Для металлических отливок с низкими требованиями к прочности нормализацию можно применять в качестве окончательной термической обработки. Нормализация позволяет измельчить зерна, гомогенизировать структуру, снизить содержание феррита в доэвтектоидной стали, увеличить и измельчить содержание перлита, тем самым улучшая прочность, твердость и ударную вязкость стали.
(2) Нормализация в качестве предварительной термообработки.
Для стальных отливок большего сечения нормализация перед закалкой или закалкой и отпуском (закалка и высокотемпературный отпуск) позволяет устранить видманштеттовскую структуру и полосчатую структуру и получить тонкую и однородную структуру. Для сетчатого цементита, присутствующего в углеродистых сталях и легированных инструментальных сталях с содержанием углерода более 0,77%, нормализация позволяет снизить содержание вторичного цементита и предотвратить образование в нем сплошной сетки, подготавливая организацию к сфероидизирующему отжигу.
(3) Улучшение производительности резки
Нормализация может улучшить режущие характеристики низкоуглеродистой стали. Твердость отливок из низкоуглеродистой стали после отжига слишком низкая, и во время резки они легко прилипают к ножу, что приводит к чрезмерной шероховатости поверхности. За счет нормализации термообработки твердость отливок из низкоуглеродистой стали можно повысить до 140–190 HBW, что близко к оптимальной твердости при резании, тем самым улучшая производительность резания.
3) Закалка
Закалка — это процесс термообработки, при котором стальные отливки нагреваются до температуры выше Ac3 или Ac1, а затем быстро охлаждаются после выдержки в течение определенного периода времени для получения полной мартенситной структуры. Стальные отливки должны быть подвергнуты закалке вовремя после самых горячих, чтобы устранить закалочное напряжение и получить необходимые комплексные механические свойства.
(1) Температура закалки
Температура закалки доэвтектоидной стали на 30–50 ℃ выше Ac3; температура закалочного нагрева эвтектоидной и заэвтектоидной стали на 30–50 ℃ выше Ac1. Доэвтектоидную углеродистую сталь нагревают при вышеупомянутой температуре закалки, чтобы получить мелкозернистый аустенит, и после закалки можно получить мелкозернистую структуру мартенсита. Эвтектоидная и заэвтектоидная сталь были сфероидизированы и отожжены перед закалкой и нагревом, поэтому после нагрева до температуры 30–50 ℃ выше Ac1 и неполной аустенизации структура представляет собой аустенит и частично нерастворенные мелкозернистые частицы инфильтрационного углеродного тела. После закалки аустенит превращается в мартенсит, при этом нерастворенные частицы цементита сохраняются. Благодаря высокой твердости цементита он не только не снижает твердость стали, но и повышает ее износостойкость. Нормальная закаленная структура заэвтектоидной стали представляет собой мелкочешуйчатый мартенсит, а по матрице равномерно распределены мелкозернистый цементит и небольшое количество остаточного аустенита. Эта структура обладает высокой прочностью и износостойкостью, но также обладает определенной степенью жесткости.
(2) Охлаждающая среда для процесса закалочной термообработки
Целью закалки является получение полного мартенсита. Поэтому скорость охлаждения литой стали при закалке должна быть больше критической скорости охлаждения литой стали, иначе не удастся получить мартенситную структуру и соответствующие свойства. Однако слишком высокая скорость охлаждения легко может привести к деформации или растрескиванию отливки. Чтобы одновременно удовлетворить вышеуказанные требования, следует выбрать соответствующую охлаждающую среду в соответствии с материалом отливки или использовать метод поэтапного охлаждения. В диапазоне температур 650℃-400℃ скорость изотермического превращения переохлажденного аустенита стали наибольшая. Поэтому при закалке отливки в этом температурном диапазоне необходимо обеспечить быстрое охлаждение. Ниже точки Ms скорость охлаждения должна быть медленнее, чтобы предотвратить деформацию или растрескивание. В качестве закалочной среды обычно используется вода, водный раствор или масло. На стадии закалки или дополнительного отпуска обычно используемые среды включают горячее масло, расплавленный металл, расплавленную соль или расплавленную щелочь.
Охлаждающая способность воды в зоне высоких температур 650–550 ℃ высока, а охлаждающая способность воды в зоне низких температур 300–200 ℃ очень высока. Вода больше подходит для закалки и охлаждения отливок из углеродистой стали простой формы и большого сечения. При использовании для закалки и охлаждения температура воды обычно не превышает 30°C. Поэтому обычно принято усиливать циркуляцию воды, чтобы поддерживать температуру воды в разумных пределах. Кроме того, нагревание соли (NaCl) или щелочи (NaOH) в воде значительно увеличивает охлаждающую способность раствора.
Основное преимущество масла в качестве охлаждающей среды заключается в том, что скорость охлаждения в зоне низких температур 300–200 ℃ намного ниже, чем у воды, что может значительно снизить внутреннее напряжение закаленной детали и уменьшить возможность деформации. и растрескивание отливки. В то же время охлаждающая способность масла в диапазоне высоких температур 650–550 ℃ относительно низкая, что также является основным недостатком масла как закалочной среды. Температура закалочного масла обычно поддерживается на уровне 60℃-80℃. Масло в основном используется для закалки отливок из легированной стали сложной формы и для закалки отливок из углеродистой стали малого сечения и сложной формы.
Кроме того, в качестве закалочной среды также обычно используется расплавленная соль, которая в это время превращается в соляную ванну. Соляная ванна характеризуется высокой температурой кипения, а ее охлаждающая способность находится на уровне воды и масла. Соляную ванну часто используют для закалки и ступенчатой закалки, а также для обработки отливок сложной формы, малых размеров и жестких требований к деформации.
4) Закалка
Закалка относится к процессу термообработки, при котором закаленные или нормализованные стальные отливки нагреваются до выбранной температуры ниже критической точки Ac1, и после выдержки в течение определенного периода времени они охлаждаются с соответствующей скоростью. Отпускная термообработка позволяет преобразовать нестабильную структуру, полученную после закалки или нормализации, в стабильную структуру, устранить напряжения и улучшить пластичность и ударную вязкость стальных отливок. Как правило, процесс термообработки закалки и высокотемпературного отпуска называется закалкой и отпуском. Отливки из закаленной стали необходимо своевременно подвергать отпуску, а отливки из нормализованной стали — при необходимости. Работоспособность стальных отливок после отпуска зависит от температуры, времени и количества отпусков. Повышение температуры отпуска и продление времени выдержки в любой момент позволяет не только снять закалочное напряжение стальных отливок, но и превратить нестабильный закаленный мартенсит в отпущенный мартенсит, троостит или сорбит. Прочность и твердость стальных отливок снижаются, а пластичность значительно улучшается. Для некоторых среднелегированных сталей с легирующими элементами, сильно образующими карбиды (такими как хром, молибден, ванадий и вольфрам и т. д.), при отпуске при 400℃-500℃ твердость увеличивается, а ударная вязкость снижается. Это явление называется вторичной закалкой, то есть твердость литой стали в закаленном состоянии достигает максимальной. В реальных условиях литая среднелегированная сталь с характеристиками вторичной закалки требует многократного отпуска.
(1) Низкотемпературный отпуск
Диапазон температур низкотемпературного отпуска составляет 150℃-250℃. Низкотемпературный отпуск позволяет получить отпущенную мартенситную структуру, которая в основном используется для закалки высокоуглеродистой стали и закалки высоколегированной стали. Отпущенный мартенсит представляет собой структуру скрытокристаллического мартенсита плюс мелкозернистые карбиды. Структура доэвтектоидной стали после низкотемпературного отпуска — отпущенный мартенсит; Структура заэвтектоидной стали после низкотемпературного отпуска — отпущенный мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Целью низкотемпературного отпуска является соответствующее улучшение ударной вязкости закаленной стали при сохранении высокой твердости (58HRC-64HRC), высокой прочности и износостойкости, а также значительного снижения закалочного напряжения и хрупкости стальных отливок.
(2) Среднетемпературный отпуск
Температура отпуска средней температуры обычно составляет 350–500 ℃. Структура после отпуска при средней температуре представляет собой большое количество мелкозернистого цементита, диспергированного и распределенного на ферритной матрице, то есть структуру отпущенного троостита. Феррит в структуре отпущенного троостита все еще сохраняет форму мартенсита. Внутреннее напряжение стальных отливок после отпуска практически исключено, они имеют более высокий предел упругости и предела текучести, более высокую прочность и твердость, а также хорошую пластичность и вязкость.
(3) Высокотемпературный отпуск
Температура высокотемпературного отпуска обычно составляет 500–650 °C, а процесс термообработки, сочетающий в себе закалку и последующий высокотемпературный отпуск, обычно называют закалкой и отпуском. Структура после высокотемпературного отпуска представляет собой отпущенный сорбит, то есть мелкозернистый цементит и феррит. Феррит в отпущенном сорбите представляет собой полигональный феррит, подвергающийся рекристаллизации. Стальные отливки после высокотемпературного отпуска имеют хорошие комплексные механические свойства с точки зрения прочности, пластичности и ударной вязкости. Высокотемпературный отпуск широко используется в среднеуглеродистой и низколегированной стали, а также в различных важных деталях конструкций, подвергающихся сложным нагрузкам.
5) Лечение твердым раствором
Основная цель обработки раствора — растворить карбиды или другие осажденные фазы в твердом растворе для получения пересыщенной однофазной структуры. Отливки из аустенитной нержавеющей стали, аустенитно-марганцевой стали и дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали обычно следует обрабатывать твердым раствором. Выбор температуры раствора зависит от химического состава и диаграммы состояния отлитой стали. Температура отливок из аустенитной марганцевой стали обычно составляет 1000–1100 ℃; Температура отливок из аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали обычно составляет 1000–1250 ℃.
Чем выше содержание углерода в литой стали и чем больше нерастворимых легирующих элементов, тем выше должна быть температура ее твердого раствора. Для дисперсионно-твердеющих стальных отливок, содержащих медь, твердость стальных отливок увеличивается за счет выделения твердых богатых медью фаз в литом состоянии при охлаждении. Чтобы смягчить структуру и улучшить производительность обработки, стальные отливки необходимо обрабатывать твердым раствором. Температура твердого раствора составляет 900–950 ℃.
6) Обработка дисперсионным отверждением
Дисперсионное упрочнение — это дисперсионное упрочнение, проводимое в диапазоне температур отпуска, также известное как искусственное старение. Сущность дисперсионного твердения заключается в том, что при более высоких температурах карбиды, нитриды, интерметаллиды и другие нестабильные промежуточные фазы выделяются из пересыщенного твердого раствора и диспергируются в матрице, что обеспечивает комплексное улучшение механических свойств и твердости литой стали.
Температура старения напрямую влияет на конечные характеристики стальных отливок. Если температура старения слишком низкая, фаза дисперсионного отверждения будет выделяться медленно; если температура старения слишком высока, накопление осажденной фазы приведет к перестарению, и наилучшие характеристики не будут достигнуты. Таким образом, литейный завод должен выбрать подходящую температуру старения в зависимости от марки стали и заданных характеристик стальной отливки. Температура старения аустенитной жаростойкой литой стали обычно составляет 550–850 ℃; Температура старения высокопрочной дисперсионно-твердеющей литой стали обычно составляет 500 ℃.
7) Лечение стресса
Целью термообработки для снятия напряжений является устранение литейного напряжения, закалочного напряжения и напряжения, возникающего в результате механической обработки, чтобы стабилизировать размер отливки. Термическая обработка для снятия напряжений обычно нагревается до температуры на 100–200°C ниже Ac1, затем выдерживается в течение определенного периода времени и, наконец, охлаждается в печи. Структура стальной отливки в процессе снятия напряжений не изменилась. Отливки из углеродистой стали, отливки из низколегированной стали и отливки из высоколегированной стали могут подвергаться обработке для снятия напряжений.
4. Влияние термической обработки на свойства стальных отливок.
Помимо характеристик стальных отливок в зависимости от химического состава и процесса литья, также можно использовать различные методы термообработки, чтобы придать им превосходные комплексные механические свойства. Общей целью процесса термообработки является улучшение качества отливок, снижение веса отливок, продление срока службы и снижение затрат. Термическая обработка — важное средство улучшения механических свойств отливок; Механические свойства отливок являются важным показателем для оценки эффекта термической обработки. В дополнение к следующим свойствам литейный завод должен также учитывать такие факторы, как процедуры обработки, производительность резки и требования к использованию отливок при термообработке стальных отливок.
1) Влияние термической обработки на прочность отливок.
При условии одного и того же состава литой стали прочность стальных отливок после различных процессов термообработки имеет тенденцию к увеличению. Вообще говоря, предел прочности отливок из углеродистой стали и отливок из низколегированной стали после термообработки может достигать 414–1724 МПа.
2) Влияние термической обработки на пластичность стальных отливок.
Литая структура стальных отливок грубая, пластичность низкая. После термообработки его микроструктура и пластичность соответственно улучшатся. В частности, значительно улучшится пластичность стальных отливок после закалки и отпуска (закалка + высокотемпературный отпуск).
3) Прочность стальных отливок
Индекс вязкости стальных отливок часто оценивают с помощью испытаний на удар. Поскольку прочность и ударная вязкость стальных отливок представляют собой пару противоречивых показателей, литейному предприятию необходимо тщательно продумать выбор подходящего процесса термообработки для достижения комплексных механических свойств, требуемых клиентами.
4) Влияние термообработки на твердость отливок.
Когда прокаливаемость литой стали одинакова, твердость литой стали после термообработки может примерно отражать прочность литой стали. Таким образом, твердость можно использовать в качестве интуитивного показателя для оценки характеристик литой стали после термообработки. Вообще говоря, твердость отливок из углеродистой стали после термообработки может достигать 120–280 HBW.
Время публикации: 12 июля 2021 г.