Литейный завод по выплавляемым моделям |Литье в песчаные формы

Отливки из нержавеющей стали, отливки из серого чугуна, отливки из ковкого чугуна

Общие сведения о термической обработке стальных отливок

Термическая обработка стальных отливок основана на фазовой диаграмме Fe-Fe3C для управления микроструктурой стальных отливок для достижения требуемых характеристик.Термическая обработка является одним из важных процессов в производстве стальных отливок.Качество и эффект термической обработки напрямую связаны с конечными характеристиками стальных отливок.

Литая структура стальных отливок зависит от химического состава и процесса затвердевания.Как правило, наблюдается относительно серьезная ликвация дендритов, очень неравномерная структура и крупнозернистость.Следовательно, стальные отливки обычно необходимо подвергать термообработке, чтобы устранить или уменьшить влияние вышеуказанных проблем, чтобы улучшить механические свойства стальных отливок.Кроме того, из-за различий в структуре и толщине стенок стальных отливок различные детали одной и той же отливки имеют разную организационную форму и создают значительные остаточные внутренние напряжения.Поэтому стальные отливки (особенно отливки из легированных сталей) обычно должны поставляться в термически обработанном состоянии.

 

Кристаллическая область литой стали

 

1. Особенности термической обработки стальных отливок.

1) В литой структуре стальных отливок часто присутствуют крупные дендриты и ликвации.При термообработке время нагрева должно быть несколько выше, чем у деталей из поковок того же состава.В то же время время выдержки аустенитизации должно быть соответствующим образом увеличено.

2) В связи с серьезной ликвацией литой структуры некоторых отливок из легированных сталей, для исключения ее влияния на конечные свойства отливок следует принимать меры по гомогенизации при термической обработке.

3) Для стальных отливок со сложной формой и большой разницей в толщине стенки при термической обработке необходимо учитывать эффекты поперечного сечения и факторы напряжения отливки.
4) При проведении термической обработки стальных отливок она должна быть разумной с учетом ее структурных характеристик и стараться избегать деформации отливок.

 

2. Основные технологические факторы термической обработки стальных отливок.

Термическая обработка стальных отливок состоит из трех этапов: нагрева, сохранения тепла и охлаждения.Определение параметров процесса должно основываться на целях обеспечения качества продукции и экономии затрат.

1) Отопление

Нагрев является наиболее энергозатратным процессом в процессе термической обработки.Основными техническими параметрами процесса нагрева являются выбор соответствующего метода нагрева, скорости нагрева и способа загрузки.

(1) Метод нагрева.Методы нагрева стальных отливок в основном включают лучистый нагрев, нагрев в солевых ваннах и индукционный нагрев.Принцип выбора метода нагрева: быстрый и равномерный, простой в управлении, высокая эффективность и низкая стоимость.При нагреве литейный завод 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 нет явного температурного гистерезиса между поверхностью отливки и сердечником.Медленный нагрев приведет к снижению эффективности производства, увеличению потребления энергии и серьезному окислению и обезуглероживанию поверхности отливки.Однако для некоторых отливок со сложной формой и структурой, большой толщиной стенки и большими термическими напряжениями в процессе нагрева необходимо контролировать скорость нагрева.Как правило, можно использовать низкую температуру и медленный нагрев (ниже 600 °C) или выдерживание при низкой или средней температуре, а затем можно использовать быстрый нагрев в областях с высокой температурой.

(3) Способ загрузки.Принцип помещения стальных отливок в печь заключается в полном использовании полезного пространства, обеспечении равномерного нагрева и размещении отливок для деформации.

2) Изоляция

Температуру выдержки при аустенизации стальных отливок следует выбирать в зависимости от химического состава разливаемой стали и требуемых свойств.Температура выдержки, как правило, немного выше (около 20 °C), чем у деталей из кованой стали того же состава.Для отливок из эвтектоидной стали необходимо обеспечить быстрое включение карбидов в аустенит и сохранение мелкозернистости аустенита.

Для времени сохранения тепла стальных отливок следует учитывать два фактора: первый фактор - сделать температуру поверхности отливки и сердцевины 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 стенки отливки обычно является основным основанием для расчета времени выдержки.Для времени выдержки при отпуске и старении следует учитывать такие факторы, как цель термообработки, температура выдержки и скорость диффузии элемента.

3) Охлаждение

Стальные отливки могут охлаждаться с разной скоростью после термоконсервации для завершения металлографического превращения, получения необходимой металлографической структуры и достижения заданных показателей эффективности.Вообще говоря, увеличение скорости охлаждения может помочь получить хорошую структуру и измельчить зерна, тем самым улучшив механические свойства отливки.Однако, если скорость охлаждения слишком высока, легко вызвать большее напряжение в отливке.Это может вызвать деформацию или растрескивание отливок сложной конструкции.

Охлаждающая среда для термической обработки стальных отливок обычно включает воздух, масло, воду, соленую воду и расплав соли.

 

Температурная кривая термической обработки стальных отливок

 

3. Метод термической обработки стальных отливок.

В зависимости от различных методов нагрева, времени выдержки и условий охлаждения методы термической обработки стальных отливок в основном включают отжиг, нормализацию, закалку, отпуск, обработку на твердый раствор, дисперсионное твердение, обработку для снятия напряжения и удаление водорода.

1) Отжиг.

Отжиг заключается в нагреве стали, структура которой отклоняется от равновесного состояния, до определенной температуры, заданной технологическим процессом, и последующем ее медленном охлаждении после сохранения тепла (обычно охлаждением с печью или закапыванием в известь) до получения процесса термообработки, 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 напряжения и так далее.

(1) Полный отжиг.Общий процесс полного отжига: нагрев стальной отливки до температуры 20–30 °C выше Ac3, выдержка в течение некоторого времени, чтобы структура стали полностью преобразовалась в аустенитную, а затем медленное охлаждение (обычно охлаждение с печью) при 500 ℃- 600 ℃ и окончательное охлаждение на воздухе.Так называемый полный означает, что при нагреве получается полная аустенитная структура.

Цель полного отжига в основном включает: во-первых, улучшение грубой и неравномерной структуры, вызванной горячей обработкой;во-вторых, уменьшить твердость отливок из углеродистой и легированной стали выше среднеуглеродистой, тем самым улучшив их режущие характеристики (в целом, когда твердость заготовки составляет от 170 HBW до 230 HBW, ее легко резать. Когда твердость выше или ниже этого диапазона, резка будет затруднена);в-третьих, устранить внутреннее напряжение стальной отливки.

Диапазон 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 подвергать полному отжигу, потому что, когда заэвтектоидная сталь нагревается выше Accm и медленно охлаждается, вторичный цементит будет выделяться вдоль границы аустенитного зерна в форме сетки, что делает прочность, пластичность и ударную вязкость стали значительными. отклонить.

(2) Изотермический отжиг.Изотермический отжиг относится к нагреву стальных отливок на 20–30 °C выше Ac3 (или Ac1) после выдержки в течение определенного периода времени, быстрому охлаждению до пиковой температуры кривой изотермического превращения переохлажденного аустенита, а затем выдержке в течение периода времени (зона превращения перлита).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 с малой скоростью Термическая обработка процесс охлаждения до комнатной температуры.
Цель сфероидизирующего отжига включает: снижение твердости;придание металлографической структуре однородности;повышение 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 для подшипников качения и легированная инструментальная сталь.

(4) Отжиг для снятия напряжения и рекристаллизационный отжиг.Отжиг для снятия напряжения 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 в отливке.Металлографическая структура стали не изменится в процессе отжига для снятия напряжений.Рекристаллизационный отжиг в основном используется для устранения искаженной структуры, вызванной обработкой холодной деформацией, и устранения деформационного упрочнения.Температура нагрева при рекристаллизационном отжиге на 150-250°С выше температуры рекристаллизации.Рекристаллизационный отжиг может преобразовать вытянутые кристаллические зерна в однородные равноосные кристаллы после холодной деформации, тем самым устраняя эффект деформационного упрочнения.

2) Нормализация

Нормализация – это термическая обработка, при которой сталь нагревают на 30-50°С выше Ас3 (доэвтектоидная сталь) и Асм (заэвтектоидная сталь), а после выдержки 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, а ее прочность и твердость также выше, чем у отожженной структуры.Благодаря короткому производственному циклу и высокой загруженности оборудования нормализации, нормализация широко применяется в различных стальных отливках.

Цель нормализации делится на следующие три категории:

(1) Нормализация как окончательная термообработка
Для металлических отливок с низкими требованиями к прочности в качестве окончательной термической обработки может применяться нормализация.Нормализация может измельчать зерна, гомогенизировать структуру, уменьшать содержание феррита в доэвтектоидной стали, увеличивать и очищать содержание перлита, тем самым улучшая прочность, твердость и ударную вязкость стали.

(2) Нормализация в качестве предварительной термообработки
Для стальных отливок с большими сечениями нормализация перед закалкой или закалкой и отпуском (закалка и высокотемпературный отпуск) может устранить видманштеттову 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 может снизить содержание вторичного цементита и предотвратить образование из него сплошной сетки, подготавливая организацию к сфероидизирующему отжигу.

(3) Улучшить производительность резки
Нормализация может улучшить характеристики резания низкоуглеродистой стали.Твердость отливок из низкоуглеродистой стали после отжига слишком низкая, и они легко прилипают к ножу во время резки, что приводит к чрезмерной шероховатости поверхности.За счет нормализации термической обработки твердость отливок из низкоуглеродистой стали может быть увеличена до 140 HBW - 190 HBW, что близко к оптимальной твердости при резании, тем самым улучшая характеристики резания.

3) Закалка

Закалка представляет собой процесс термической обработки, при котором стальные отливки нагревают до температуры выше Ac3 или Ac1, а затем быстро охлаждают после выдержки в течение определенного периода времени для получения полной мартенситной структуры.Стальные отливки должны быть своевременно отпущены после самых горячих, чтобы устранить закалочные напряжения и получить требуемые комплексные механические свойства.

(1) Температура закалки
Температура закалочного нагрева доэвтектоидной стали на 30–50 ℃ выше Ac3;температура закалочного нагрева эвтектоидной стали и заэвтектоидной стали на 30–50 ℃ выше Ac1.Доэвтектоидную углеродистую сталь нагревают при указанной выше температуре закалки для получения мелкозернистого аустенита, а после закалки можно получить мелкозернистую мартенситную структуру.Эвтектоидная сталь и заэвтектоидная сталь были сфероидизированы и отожжены перед закалкой и нагревом, поэтому после нагрева до 30 ℃-50 ℃ выше Ac1 и неполной аустенизации структура представляет собой аустенит и частично нерастворенную мелкозернистую инфильтрацию. Частицы углеродного тела.После закалки аустенит превращается в мартенсит, а нерастворившиеся 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 мелкозернистый цементит и небольшое количество остаточного аустенита равномерно распределены по матрице.Эта структура обладает высокой прочностью и износостойкостью, но также обладает определенной степенью ударной вязкости.

(2) Охлаждающая среда для закалки в процессе термообработки
Целью закалки является получение полного мартенсита.Поэтому скорость охлаждения стальной отливки при закалке должна быть больше критической скорости охлаждения стальной отливки, иначе невозможно получить мартенситную структуру и соответствующие свойства.Однако слишком высокая скорость охлаждения может легко привести к деформации или растрескиванию отливки.Чтобы одновременно удовлетворить вышеуказанные требования, следует выбрать соответствующую охлаждающую среду в соответствии с материалом отливки или использовать метод ступенчатого охлаждения.В диапазоне температур 650℃-400℃ скорость изотермического превращения переохлажденного аустенита стали наибольшая.Поэтому при закалке отливки в этом интервале температур должно быть обеспечено быстрое охлаждение.Ниже точки Ms скорость охлаждения должна быть ниже, чтобы предотвратить деформацию или растрескивание.Закалочная среда обычно принимает воду, водный раствор или масло.На стадии закалки или аустенитного отпуска обычно используемые среды включают горячее масло, расплавленный металл, расплав соли или расплавленную щелочь.

Охлаждающая способность воды в высокотемпературной зоне 650 ℃-550 ℃ высока, а охлаждающая способность воды в низкотемпературной зоне 300 ℃-200 ℃ очень высока.Вода больше подходит для закалки и охлаждения отливок из углеродистой стали простых форм и больших сечений.При использовании для закалки и охлаждения температура воды обычно не выше 30°С.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 низкотемпературной зоне 300℃-200℃ намного ниже, чем у воды, что позволяет значительно снизить внутреннее напряжение закаленной заготовки и уменьшить возможность деформации. и растрескивание литья.В то же время охлаждающая способность масла в высокотемпературном диапазоне 650-550°С относительно невелика, 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 закалки отливок из углеродистой стали с небольшим поперечным сечением и сложной формы.

Кроме того, расплавленная соль также обычно используется в качестве закалочной среды, которая в это время превращается в соляную ванну.Соляная ванна характеризуется высокой температурой кипения, а ее охлаждающая способность находится между водой и маслом.Соляная ванна часто используется для аустенитной и ступенчатой ​​закалки, а также для обработки отливок сложной формы, малых размеров и жестких требований к деформации.

 

Температурная кривая закалки и отпуска

 

4) Закалка

Отпуск относится к процессу термической обработки, при котором закаленные или нормализованные стальные отливки нагревают до выбранной температуры ниже критической точки Ac1 и после выдержки в течение определенного периода времени охлаждают с соответствующей скоростью.Термическая обработка отпуском может преобразовать нестабильную структуру, полученную после закалки или нормализации, в стабильную структуру для устранения напряжения и улучшения пластичности и ударной вязкости стальных отливок.Как правило, процесс термической обработки закалки и высокотемпературного отпуска называется закалкой и отпуском.Отливки из закаленной стали должны своевременно подвергаться отпуску, а отливки из нормализованной стали при необходимости должны подвергаться отпуску.Работоспособность стальных отливок после отпуска зависит от температуры отпуска, времени и количества раз.Повышение температуры отпуска и увеличение времени выдержки в любое время может не только снять напряжение закалки стальных отливок, но и превратить нестабильный закаленный мартенсит в отпущенный мартенсит, троостит или сорбит.Снижаются прочность и твердость стальных отливок, значительно повышается пластичность.Для некоторых среднелегированных сталей с легирующими элементами, сильно образующими карбиды (например, хромом, молибденом, ванадием и вольфрамом и др.), твердость увеличивается, а ударная вязкость снижается при отпуске при 400℃-500℃.Это явление называется вторичной закалкой, то есть твердость литой стали в отпущенном состоянии достигает максимума.В реальном производстве среднелегированная сталь с характеристиками вторичной закалки требует многократного отпуска.

(1) Низкотемпературный отпуск
Температурный диапазон низкотемпературного отпуска составляет 150℃-250℃.Низкотемпературный отпуск позволяет получить мартенситную структуру отпуска, которая в основном используется для закалки высокоуглеродистой стали и закалки высоколегированной стали.Отпущенный мартенсит относится к структуре скрытокристаллического мартенсита и мелкозернистых карбидов.Структура доэвтектоидной стали после низкотемпературного отпуска – мартенсит отпуска;Структура заэвтектоидной стали после низкотемпературного отпуска – мартенсит отпуска + карбиды + остаточный аустенит.Целью низкотемпературного отпуска является соответствующее повышение ударной вязкости закаленной стали при сохранении высокой твердости (58HRC-64HRC), высокой прочности и износостойкости, а также значительном снижении напряжения закалки и хрупкости стальных отливок.

(2) Среднетемпературный отпуск
Температура отпуска при средней температуре обычно составляет от 350 ℃ до 500 ℃.Структура после отпуска при средней температуре представляет собой большое количество мелкозернистого цементита, диспергированного и распределенного по ферритовой матрице, то есть структуру отпущенного троостита.Феррит в структуре отпущенного троостита еще сохраняет форму мартенсита.Внутреннее напряжение стальных отливок после отпуска в основном устраняется, они имеют более высокие пределы упругости и текучести, более высокую прочность и твердость, хорошую пластичность и ударную вязкость.

(3) Высокотемпературный отпуск
Температура высокотемпературного отпуска обычно составляет 500–650 °C, а процесс термической обработки, сочетающий 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 закаленном сорбите представляет собой полигональный феррит, подвергающийся рекристаллизации.Стальные отливки после высокотемпературного отпуска обладают хорошими комплексными механическими свойствами по прочности, пластичности и ударной вязкости.Высокотемпературный отпуск широко используется в среднеуглеродистой стали, низколегированной стали и различных важных конструкционных деталях со сложными усилиями.

 

Влияние термической обработки на механические свойства отливок из углеродистой стали

 

5) Обработка твердым раствором

Основной целью обработки раствора является растворение карбидов или других осажденных фаз в твердом растворе для получения пересыщенной однофазной структуры.Отливки из аустенитной нержавеющей стали, аустенитной марганцовистой стали и дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали обычно должны подвергаться обработке твердым раствором.Выбор температуры раствора зависит от химического состава и фазовой диаграммы разливаемой стали.Температура отливок из аустенитной марганцовистой 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 стальных отливок с дисперсионным твердением, содержащих медь, твердость стальных отливок увеличивается за счет выделения твердых фаз с высоким содержанием меди в литом состоянии во время охлаждения.Чтобы смягчить структуру и улучшить характеристики обработки, стальные отливки необходимо обрабатывать твердым раствором.Температура его твердого раствора составляет 900 ℃-950 ℃.

6) Осадкоупрочняющая обработка

Дисперсионное твердение представляет собой дисперсионно-упрочняющую обработку, проводимую в диапазоне температур отпуска, также известную как искусственное старение.Суть дисперсионно-твердеющей обработки заключается в том, что при более высоких температурах карбиды, нитриды, интерметаллические соединения и другие неустойчивые промежуточные фазы выделяются из пересыщенного твердого раствора и диспергируются в матрице, что придает отливке всесторонне улучшенные механические свойства и твердость.

Температура обработки старением напрямую влияет на конечные характеристики стальных отливок.Если температура старения слишком низкая, фаза дисперсионного твердения будет осаждаться медленно;если температура старения слишком высока, накопление осажденной фазы вызовет перестаривание, и наилучшие характеристики не будут получены.Следовательно, литейный завод должен выбрать соответствующую температуру старения в соответствии с маркой литой стали и заданными характеристиками стального литья.Температура старения аустенитной жаропрочной литой стали обычно составляет 550–850 ℃;температура старения высокопрочной литой стали с дисперсионным твердением обычно составляет 500 ℃.

7) Лечение стресса

Целью термической обработки для снятия напряжения является устранение напряжения отливки, напряжения закалки и напряжения, возникающего при механической обработке, чтобы стабилизировать размер отливки.Термическая обработка для снятия напряжения обычно нагревается до 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 напряжения.

 

Твердость и энергия поглощения удара после термической обработки

 

4. Влияние термической обработки на свойства стальных отливок.

В дополнение к характеристикам стальных отливок, зависящим от химического состава и процесса литья, также могут использоваться различные методы термической обработки, чтобы придать им превосходные комплексные механические свойства.Общей целью процесса термической обработки является улучшение качества отливок, снижение веса отливок, увеличение срока службы и снижение затрат.Термическая обработка является важным средством улучшения механических свойств отливок;механические свойства отливок являются важным показателем для суждения о влиянии термической обработки.В дополнение к следующим свойствам литейный завод также должен учитывать такие факторы, как процедуры обработки, характеристики резки и требования к использованию отливок при термообработке стальных отливок.

1) Влияние термической обработки на прочность отливок.
При одинаковом составе литейной стали прочность стальных отливок после различных процессов термической обработки имеет тенденцию к увеличению.Вообще говоря, предел прочности на растяжение отливок из углеродистой стали и отливок из низколегированной стали может достигать 414-1724 МПа после термической обработки.

2) Влияние термической обработки на пластичность стальных отливок.
Литая структура стальных отливок грубая, а пластичность низкая.После термообработки соответственно улучшаются его микроструктура и пластичность.Особенно пластичность стальных отливок после закалки и отпуска (закалка + высокотемпературный отпуск) будет значительно улучшена.

3) Прочность стальных отливок
Показатель ударной вязкости стальных отливок часто оценивают испытаниями на удар.Поскольку прочность и ударная вязкость стальных отливок представляют собой пару противоречивых показателей, литейный завод должен всесторонне рассмотреть вопрос выбора подходящего процесса термообработки для достижения комплексных механических свойств, требуемых клиентами.

4) Влияние термической обработки на твердость отливок.
Когда прокаливаемость литой стали одинакова, твердость литой стали после термической обработки может примерно отражать прочность литой стали.Таким образом, твердость можно использовать как интуитивный показатель для оценки характеристик литой стали после термической обработки.Вообще говоря, твердость отливок из углеродистой стали может достигать 120 HBW - 280 HBW после термической обработки.

Нормализация температуры литой углеродистой стали
Температура закалки стальных отливок
Твердость и другие свойства углеродистой стали
Влияние термической обработки на отливки из низколегированных сталей

Время публикации: 12 июля 2021 г.