Härdning av stål är den viktigaste och mest använda processen i värmebehandlingsprocessen. Härdning kan avsevärt öka hållfastheten och hårdheten hos stål.
Definitionen och syftet med släckning
Stålet värms upp till en temperatur över den kritiska punkten Ac3 (hypoeutectoid stål) eller Ac1 (hypereutektoid stål), hålls under en tid för att göra det helt eller delvis austenitiserat och kyls sedan med en hastighet som är högre än den kritiska härdningshastigheten. Värmebehandlingsprocessen som omvandlar underkyld austenit till martensit eller lägre bainit kallas härdning.
Syftet med härdning är att omvandla den underkylda austeniten till martensit eller bainit för att erhålla en martensit- eller lägre bainitstruktur, som sedan kombineras med härdning vid olika temperaturer för att kraftigt förbättra stålets hållfasthet, hårdhet och motståndskraft. Bärbarhet, utmattningshållfasthet och seghet, etc., för att möta de olika användningskraven för olika mekaniska delar och verktyg. Härdning kan också användas för att uppfylla de speciella fysikaliska och kemiska egenskaperna hos vissa specialstål såsom ferromagnetism och korrosionsbeständighet.
När ståldelar kyls i ett härdningsmedium med förändringar i fysiskt tillstånd delas kylningsprocessen i allmänhet in i följande tre steg: ångfilmssteg, kokningssteg och konvektionssteg.
Härdbarhet av stål
Härdbarhet och härdbarhet är två prestandaindikatorer som kännetecknar stålets förmåga att genomgå härdning. De är också viktiga underlag för materialval och användning.
1. Begreppen härdbarhet och härdbarhet
Härdbarhet är stålets förmåga att uppnå den högsta hårdhet det kan uppnå när härdhärdning under idealiska förhållanden. Den huvudsakliga faktorn som avgör stålets härdbarhet är kolhalten i stålet, eller mer exakt kolhalten som lösts upp i austeniten under härdning och upphettning. Ju högre kolhalt, desto högre härdbarhet har stålet. Legeringselementen i stål har liten inverkan på härdbarheten, men de har en betydande inverkan på stålets härdbarhet.
Härdbarhet avser de egenskaper som bestämmer stålets härddjup och hårdhetsfördelning under specificerade förhållanden. Det vill säga förmågan att erhålla djupet av det härdade lagret när stål kyls. Det är en inneboende egenskap hos stål. Härdbarhet återspeglar faktiskt hur lätt austenit omvandlas till martensit när stålet härdas. Det är främst relaterat till stabiliteten hos stålets underkylda austenit eller till stålets kritiska kylningshastighet för härdning.
Det bör också påpekas att stålets härdbarhet måste särskiljas från ståldelars effektiva härdningsdjup under specifika härdningsförhållanden. Stålets härdbarhet är en inneboende egenskap hos själva stålet. Det beror bara på sina egna inre faktorer och har inget med yttre faktorer att göra. Stålets effektiva härdbarhetsdjup beror inte bara på stålets härdbarhet utan beror också på vilket material som används. Det är relaterat till externa faktorer som kylmediet och arbetsstyckets storlek. Till exempel, under samma austenitiserande förhållanden, är härdbarheten för samma stål densamma, men det effektiva härddjupet för vattenhärdning är större än för oljehärdning, och små delar är mindre än oljehärdning. Det effektiva härddjupet för stora delar är stort. Detta betyder inte att vattenhärdning har högre härdbarhet än oljehärdning, och det kan inte heller sägas att små delar har högre härdbarhet än stora delar. Det kan ses att för att utvärdera stålets härdbarhet måste påverkan av yttre faktorer såsom arbetsstyckets form, storlek, kylmedium etc. elimineras.
Dessutom, eftersom härdbarhet och härdbarhet är två olika begrepp, har stål med hög hårdhet efter härdning inte nödvändigtvis hög härdbarhet; och stål med låg hårdhet kan också ha hög härdbarhet.
2. Faktorer som påverkar härdbarheten
Stålets härdbarhet beror på austenitens stabilitet. Varje faktor som kan förbättra stabiliteten hos underkyld austenit, förskjuta C-kurvan åt höger och därigenom minska den kritiska kylningshastigheten kan förbättra härdbarheten hos högstål. Austenitens stabilitet beror huvudsakligen på dess kemiska sammansättning, kornstorlek och sammansättningslikformighet, som är relaterade till stålets kemiska sammansättning och uppvärmningsförhållanden.
3.Metod för bestämning av härdbarhet
Det finns många metoder för att mäta stålets härdbarhet, de vanligaste är mätmetoden för kritisk diameter och testmetoden för ändhärdbarhet.
(1) Metod för mätning av kritisk diameter: Efter att stålet har kylts i ett visst medium, kallas den maximala diametern när all martensit eller 50 % martensitstruktur erhålls i centrum den kritiska diametern, representerad av Dc. Den kritiska diametermätmetoden är att göra en serie runda stavar med olika diametrar, och efter härdning, mäta hårdhetskurvan U fördelat längs diametern på varje provsektion och hitta staven med semi-martensitstrukturen i mitten. Diametern på rundstaven Det är den kritiska diametern. Ju större kritisk diameter, desto högre härdbarhet har stålet.
(2) Slutsläckningstestmetod Slutsläckningstestmetoden använder ett slutsläckt prov av standardstorlek (φ25 mm×100 mm). Efter austenitisering sprayas vatten på ena ändytan av specialutrustningen för att kyla den. Efter kylning kyls den längs axelriktningen. Testmetod för att mäta sambandskurvan mellan hårdhet och avstånd från vattenkylningsänden. Ändhärdningstestmetoden är en av metoderna för att bestämma stålets härdbarhet. Dess fördelar är enkel hantering och brett användningsområde.
4. Släckspänning, deformation och sprickbildning
(1) Inre spänning av arbetsstycket under härdning
När arbetsstycket snabbt kyls i kylmediet, eftersom arbetsstycket har en viss storlek och värmeledningskoefficienten också är ett visst värde, kommer en viss temperaturgradient att inträffa längs den inre delen av arbetsstycket under kylningsprocessen. Yttemperaturen är låg, kärntemperaturen är hög och yt- och kärntemperaturen är hög. Det finns en temperaturskillnad. Under arbetsstyckets kylprocess finns det också två fysiska fenomen: det ena är termisk expansion, när temperaturen sjunker kommer arbetsstyckets linjelängd att krympa; den andra är omvandlingen av austenit till martensit när temperaturen sjunker till martensitomvandlingspunkten. , vilket kommer att öka den specifika volymen. På grund av temperaturskillnaden under kylningsprocessen kommer graden av termisk expansion att vara olika vid olika delar längs arbetsstyckets tvärsnitt, och inre spänningar kommer att genereras i olika delar av arbetsstycket. På grund av förekomsten av temperaturskillnader inom arbetsstycket kan det även finnas delar där temperaturen sjunker snabbare än den punkt där martensit uppstår. Transformation, volymen expanderar och delarna med hög temperatur är fortfarande högre än punkten och är fortfarande i austenittillstånd. Dessa olika delar kommer också att generera inre spänningar på grund av skillnader i specifika volymförändringar. Därför kan två typer av inre stress genereras under härdnings- och kylprocessen: den ena är termisk stress och den andra är vävnadsstress.
Beroende på existenstidens egenskaper för inre stress kan den också delas in i momentan stress och kvarvarande stress. Den inre spänningen som genereras av arbetsstycket vid ett visst ögonblick under kylningsprocessen kallas momentan spänning; efter att arbetsstycket har kylts kallas den spänning som finns kvar inuti arbetsstycket för restspänning.
Termisk spänning hänvisar till spänningen som orsakas av inkonsekvent termisk expansion (eller kallkontraktion) på grund av temperaturskillnader i olika delar av arbetsstycket när det värms (eller kyls).
Ta nu en solid cylinder som ett exempel för att illustrera bildningen och förändringsreglerna för inre spänningar under dess avkylningsprocess. Endast den axiella spänningen diskuteras här. I början av kylningen, eftersom ytan kyls snabbt, är temperaturen låg och krymper mycket, medan kärnan svalnar långsamt, temperaturen är hög och krympningen är liten. Som ett resultat stör ytan och insidan varandra, vilket resulterar i dragspänningar på ytan, medan kärnan är under tryck. stress. När kylningen fortskrider ökar temperaturskillnaden mellan insidan och utsidan, och den inre spänningen ökar också i enlighet med detta. När spänningen ökar för att överskrida sträckgränsen vid denna temperatur uppstår plastisk deformation. Eftersom kärnans temperatur är högre än ytans, drar kärnan alltid ihop sig axiellt först. Som ett resultat av plastisk deformation ökar inte längre den inre spänningen. Efter kylning till en viss tidsperiod kommer minskningen av yttemperaturen gradvis att sakta ner, och dess krympning kommer också gradvis att minska. Vid denna tidpunkt krymper kärnan fortfarande, så dragspänningen på ytan och tryckspänningen på kärnan kommer gradvis att minska tills de försvinner. Men när kylningen fortsätter, blir ytfuktigheten lägre och lägre, och mängden krympning blir mindre och mindre, eller till och med slutar att krympa. Eftersom kärnans temperatur fortfarande är hög kommer den att fortsätta att krympa och slutligen kommer en tryckspänning att bildas på arbetsstyckets yta, medan kärnan kommer att ha en dragspänning. Men eftersom temperaturen är låg är det inte lätt att producera plastisk deformation, så denna påfrestning kommer att öka när kylningen fortskrider. Den fortsätter att öka och stannar slutligen inuti arbetsstycket som restspänning.
Det kan ses att den termiska spänningen under kylningsprocessen initialt gör att ytskiktet sträcks och kärnan komprimeras, och den återstående restspänningen är ytskiktet som ska komprimeras och kärnan som ska sträckas.
Sammanfattningsvis orsakas den termiska spänningen som genereras under kylning av kylning av tvärsnittstemperaturskillnaden under kylningsprocessen. Ju högre avkylningshastighet och ju större tvärsnittstemperaturskillnad, desto större värmepåkänning genereras. Under samma kylmediumförhållanden, ju högre uppvärmningstemperaturen för arbetsstycket är, desto större storlek, desto mindre värmeledningskoefficient för stålet, desto större temperaturskillnad inom arbetsstycket och desto större värmepåkänning. Om arbetsstycket kyls ojämnt vid hög temperatur kommer det att förvrängas och deformeras. Om den momentana dragspänningen som genereras under arbetsstyckets kylning är större än materialets draghållfasthet, kommer härdsprickor att uppstå.
Fasomvandlingsspänning hänvisar till den spänning som orsakas av olika tidpunkter för fasomvandling i olika delar av arbetsstycket under värmebehandlingsprocessen, även känd som vävnadsspänning.
Under härdning och snabb kylning, när ytskiktet kyls till Ms-punkten, inträffar martensitisk transformation och orsakar volymexpansion. Men på grund av blockeringen av kärnan som ännu inte har genomgått transformation, genererar ytskiktet tryckspänning, medan kärnan har dragspänning. När spänningen är tillräckligt stor kommer den att orsaka deformation. När kärnan kyls till Ms-punkten kommer den också att genomgå martensitisk transformation och expandera i volym. Men på grund av begränsningarna för det transformerade ytskiktet med låg plasticitet och hög hållfasthet, kommer dess slutliga kvarvarande spänning att vara i form av ytspänning, och kärnan kommer att under tryck. Det kan ses att förändringen och sluttillståndet för fasomvandlingsspänningen är exakt motsatta till termisk spänning. Dessutom, eftersom fasändringsspänningar inträffar vid låga temperaturer med låg plasticitet, är deformation svår vid denna tidpunkt, så fasändringsspänning är mer sannolikt att orsaka sprickbildning i arbetsstycket.
Det finns många faktorer som påverkar storleken på fasomvandlingsspänningen. Ju snabbare stålets kylningshastighet i martensitomvandlingstemperaturområdet är, desto större är stålstyckets storlek, desto sämre är stålets värmeledningsförmåga, desto större är den specifika volymen av martensit, desto större är fasomvandlingsspänningen. Desto större. Dessutom är fasomvandlingsspänningen också relaterad till stålets sammansättning och stålets härdbarhet. Till exempel ökar höglegerat stål med hög kolhalt den specifika volymen av martensit på grund av dess höga kolinnehåll, vilket bör öka fasomvandlingsspänningen hos stålet. Men när kolhalten ökar minskar Ms-punkten och det finns en stor mängd kvarhållen austenit efter härdning. Dess volymexpansion minskar och restspänningen är låg.
(2) Deformation av arbetsstycket under härdning
Under härdning finns det två huvudtyper av deformation i arbetsstycket: den ena är förändringen i arbetsstyckets geometriska form, vilket manifesteras som förändringar i storlek och form, ofta kallad förvrängningsdeformation, som orsakas av härdningsspänning; den andra är volymdeformation. , vilket manifesterar sig som en proportionell expansion eller sammandragning av arbetsstyckets volym, vilket orsakas av förändringen i specifik volym under fasändring.
Vridningsdeformation inkluderar även formdeformation och vridningsdeformation. Vriddeformation orsakas huvudsakligen av felaktig placering av arbetsstycket i ugnen under uppvärmning, eller brist på formningsbehandling efter deformationskorrigering före härdning, eller ojämn kylning av olika delar av arbetsstycket när arbetsstycket kyls. Denna deformation kan analyseras och lösas för specifika situationer. Det följande diskuterar huvudsakligen volymdeformation och formdeformation.
1) Orsaker till släckningsdeformation och dess ändrade regler
Volymdeformation orsakad av strukturell transformation Arbetsstyckets strukturella tillstånd före härdning är i allmänhet perlit, det vill säga en blandad struktur av ferrit och cementit, och efter härdning är det en martensitisk struktur. De olika specifika volymerna av dessa vävnader kommer att orsaka volymförändringar före och efter släckning, vilket resulterar i deformation. Denna deformation får dock bara arbetsstycket att expandera och dra ihop sig proportionellt, så det ändrar inte formen på arbetsstycket.
Dessutom, ju mer martensit i strukturen efter värmebehandling, eller ju högre kolinnehåll i martensit, desto större volymexpansion, och ju större mängd kvarhållen austenit, desto mindre volymexpansion. Därför kan volymförändringen kontrolleras genom att kontrollera det relativa innehållet av martensit och kvarhållen austenit under värmebehandlingen. Om den kontrolleras på rätt sätt kommer volymen varken att expandera eller krympa.
(a) Formdeformation orsakad av termisk spänning Deformation orsakad av termisk spänning inträffar i områden med hög temperatur där ståldelar har låg sträckgräns, hög plasticitet, snabb ytkylning och den största temperaturskillnaden mellan insidan och utsidan av arbetsstycket. Vid denna tidpunkt är den momentana termiska spänningen ytdragspänning och härdens tryckspänning. Eftersom kärntemperaturen är hög vid denna tidpunkt är sträckgränsen mycket lägre än ytan, så den visar sig som deformation under inverkan av flerriktad tryckspänning, det vill säga kuben är sfärisk i riktning. Mängd. Resultatet är att den större krymper och den mindre expanderar. Till exempel förkortas en lång cylinder i längdriktningen och expanderar i diameterriktningen.
(b) Formdeformation orsakad av vävnadsstress Deformation orsakad av vävnadsstress inträffar också i det tidiga ögonblicket när vävnadsspänningen är maximal. Vid denna tidpunkt är tvärsnittstemperaturskillnaden stor, kärntemperaturen är högre, den är fortfarande i austenittillstånd, plasticiteten är god och sträckgränsen är låg. Den momentana vävnadsspänningen är yttryckspänning och dragspänning i kärnan. Därför manifesteras deformationen som förlängningen av kärnan under inverkan av dragspänning i flera riktningar. Resultatet är att under inverkan av vävnadsspänning förlängs den större sidan av arbetsstycket, medan den mindre sidan förkortas. Till exempel är deformationen som orsakas av vävnadsspänning i en lång cylinder förlängning i längd och minskning av diameter. Följande tabell visar härdningsdeformationsreglerna för olika typiska ståldelar.
bild
2) Faktorer som påverkar släckningsdeformation
De faktorer som påverkar härdningsdeformationen är främst stålets kemiska sammansättning, den ursprungliga strukturen, delarnas geometri och värmebehandlingsprocessen.
(3) Släckning av sprickor
Sprickor i delar uppstår huvudsakligen i det sena stadiet av härdning och kylning, det vill säga efter att martensitisk omvandling i princip är avslutad eller efter fullständig kylning, uppstår sprödbrott eftersom dragspänningen i delarna överstiger stålets brotthållfasthet. Sprickor är vanligtvis vinkelräta mot riktningen för maximal dragdeformation, så olika former av sprickor i delar beror huvudsakligen på spänningsfördelningstillståndet.
Vanliga typer av härdsprickor: Längsgående (axiella) sprickor genereras huvudsakligen när den tangentiella dragspänningen överstiger materialets brotthållfasthet; tvärgående sprickor bildas när den stora axiella dragspänningen som bildas på delens inre yta överstiger materialets brotthållfasthet. Sprickor; nätverkssprickor bildas under inverkan av tvådimensionell dragspänning på ytan; avskalningssprickor uppstår i ett mycket tunt härdat lager, vilket kan uppstå när spänningen ändras kraftigt och överdriven dragspänning verkar i radiell riktning. Typ av spricka.
Längsgående sprickor kallas också för axiella sprickor. Sprickor uppstår vid maximal dragspänning nära delens yta, och har ett visst djup mot mitten. Riktningen på sprickorna är i allmänhet parallell med axeln, men riktningen kan också ändras när det finns spänningskoncentration i delen eller när det finns inre strukturella defekter.
Efter att arbetsstycket är fullständigt släckt, är längsgående sprickor benägna att uppstå. Detta är relaterat till den stora tangentiella dragspänningen på ytan av det kylda arbetsstycket. När kolhalten i stålet ökar ökar tendensen att bilda längsgående sprickor. Lågt kolstål har en liten specifik volym av martensit och stark termisk stress. Det finns en stor kvarvarande tryckspänning på ytan, så det är inte lätt att släckas. När kolhalten ökar, minskar yttryckspänningen och den strukturella spänningen ökar. Samtidigt rör sig toppdragspänningen mot ytskiktet. Därför är stål med hög kolhalt benägna att få längsgående härdningssprickor när det överhettas.
Storleken på delarna påverkar direkt storleken och fördelningen av kvarvarande spänning, och dess släckande sprickningstendens är också annorlunda. Längsgående sprickor bildas också lätt genom härdning inom det farliga tvärsnittsstorleksintervallet. Dessutom orsakar blockeringen av stålråvaror ofta längsgående sprickor. Eftersom de flesta ståldelar tillverkas genom valsning, fördelas icke-guldinneslutningar, karbider etc. i stålet längs deformationsriktningen, vilket gör att stålet blir anisotropt. Till exempel, om verktygsstålet har en bandliknande struktur, är dess tvärgående brotthållfasthet efter härdning 30 % till 50 % mindre än den längsgående brotthållfastheten. Om det finns faktorer som icke-guldinneslutningar i stålet som orsakar spänningskoncentration, även om den tangentiella spänningen är större än den axiella spänningen, är det lätt att bilda längsgående sprickor under låga spänningsförhållanden. Av denna anledning är strikt kontroll av nivån av icke-metalliska inneslutningar och socker i stål en viktig faktor för att förhindra släckande sprickor.
De inre spänningsfördelningsegenskaperna hos tvärgående sprickor och bågssprickor är: ytan är utsatt för tryckspänning. Efter att ha lämnat ytan en viss sträcka övergår tryckspänningen till en stor dragspänning. Sprickan uppstår i området för dragspänningen, och sedan när den inre spänningen sprider sig till ytan av delen endast om den omfördelas eller om stålets sprödhet ökar ytterligare.
Tvärsprickor förekommer ofta i stora axeldelar, såsom rullar, turbinrotorer eller andra axeldelar. Kännetecken för sprickorna är att de är vinkelräta mot axelriktningen och bryter från insidan till utsidan. De bildas ofta innan de härdas och orsakas av termisk stress. Stora smidesdelar har ofta metallurgiska defekter som porer, inneslutningar, smidessprickor och vita fläckar. Dessa defekter tjänar som startpunkten för brott och brott under inverkan av axiell dragspänning. Ljusbågssprickor orsakas av termisk påkänning och är vanligtvis fördelade i en bågform vid de delar där delens form förändras. Det förekommer huvudsakligen inuti arbetsstycket eller nära skarpa kanter, spår och hål, och är fördelat i en båge. När delar av högkolstål med en diameter eller tjocklek på 80 till 100 mm eller mer inte härdas, kommer ytan att visa tryckspänning och mitten kommer att visa dragspänning. Stress, i det härdade lagret till icke-
