Przedstawmy proces obróbki cieplnej stali konstrukcyjnej węglowej.
Istotą procesu obróbki cieplnej węglowej stali konstrukcyjnej jest dostosowanie wewnętrznej mikrostruktury (takiej jak ferryt, perlit, martenzyt itp.) stali poprzez kontrolowanie procesów ogrzewania, utrzymywania i chłodzenia, optymalizując w ten sposób jej właściwości mechaniczne (wytrzymałość, twardość, plastyczność i udarność) w celu dostosowania do różnych zastosowań. Ponieważ węglowa stal konstrukcyjna ma wyjątkowo niską zawartość pierwiastków stopowych (zawiera tylko podstawowe pierwiastki, takie jak C, Si i Mn, bez innych pierwiastków stopowych lub w ich niewielkiej ilości), procesy obróbki cieplnej charakteryzują się prostotą, oszczędnością i ukierunkowanym wzmocnieniem. Dzielą się one głównie na dwa główne typy: obróbka cieplna w masie i obróbka cieplna powierzchni. Poniżej znajduje się szczegółowe wprowadzenie do tych typowych typów procesów:
1. Obróbka cieplna w masie: zmiana ogólnej mikrostruktury i właściwości stali
Obróbka cieplna masowa polega na ogrzewaniu, utrzymywaniu i chłodzeniu całego materiału stalowego. Nadaje się do części wymagających zoptymalizowanych ogólnych właściwości mechanicznych (takich jak wały, koła zębate, śruby itp.). Najczęściej stosowane procesy obróbki cieplnej w masie stali konstrukcyjnej węglowej obejmują wyżarzanie, normalizowanie oraz hartowanie i odpuszczanie.
2. Obróbka cieplna powierzchni: wzmacnia tylko powierzchnię stali, utrzymując wytrzymałość rdzenia
Obróbka cieplna powierzchni węglowej stali konstrukcyjnej jest przeznaczona przede wszystkim do zastosowań wymagających wysokiej twardości/odporności na zużycie powierzchni przy jednoczesnym zachowaniu plastyczności/wytrzymałości rdzenia (np. koła zębate i wały korbowe). Ponieważ nie zawiera pierwiastków stopowych, wzmacnianie powierzchni opiera się na dostosowaniu składu powierzchni lub szybkim nagrzewaniu i chłodzeniu powierzchni. Typowe procesy obejmują hartowanie i nawęglanie (w przypadku stali nisko-węglowej).
1. Hartowanie powierzchniowe (hartowanie powierzchni z nagrzewaniem indukcyjnym o wysokiej-/średniej-częstotliwości)
Podstawowa zasada: przy użyciu prądu indukcyjnego o wysokiej-częstotliwości (100-500 kHz) lub średniej częstotliwości (500 Hz–10 kHz) powierzchnia stali szybko nagrzewa się do temperatury powyżej Ac3 (temperatura rdzenia pozostaje poniżej Ac1, zachowując pierwotną mikrostrukturę). Następnie następuje natychmiastowe chłodzenie natryskiem wody, uzyskując „utwardzoną powierzchnię przy jednoczesnym zachowaniu miękkiego rdzenia”. Funkcje procesu:
Duża prędkość nagrzewania (kilka sekund do kilkudziesięciu sekund), mała-strefa wpływu ciepła (utwardzanie tylko powierzchni 0,5–5 mm), minimalne odkształcenie części;
Nie jest wymagana żadna zmiana składu chemicznego powierzchni, wzmocnienie powierzchni wyłącznie poprzez szybką przemianę fazową;
Nadaje się do stali średnio-węglowej (takiej jak stal 45# i stal 50#); hartowanie powierzchniowe stali nisko-węglowej jest mniej skuteczne (utwardzona warstwa ma niską twardość).
Zastosowania: Czopy główne wału korbowego, powierzchnie zębów przekładni, prowadnice obrabiarek i inne części wymagające odporności na zużycie powierzchniowe i udarność rdzenia.
2. Nawęglanie i hartowanie (specjalizacja dla stali konstrukcyjnej-o niskiej zawartości węgla)
Podstawowa zasada: Stal-niskowęglowa (taka jak stal Q235 i 20#) ma niską zawartość węgla (mniejszą lub równą 0,25%) i nie można osiągnąć wysokiej twardości poprzez bezpośrednie hartowanie. Zamiast tego wymagane jest nawęglanie, aby zwiększyć zawartość węgla na powierzchni do 0,8%-1,2% (tworząc warstwę powierzchniową o wysokiej- zawartości węgla). Następnie następuje hartowanie i odpuszczanie-w niskiej temperaturze, w wyniku czego ostatecznie uzyskuje się „wysoce twardą i odporną na zużycie-powierzchnię z niskoemisyjnym, miękkim i wytrzymałym rdzeniem”. Typowy proces:
Nawęglanie: Umieść część w piecu do nawęglania (przy użyciu środka nawęglającego, takiego jak gaz ziemny lub propan) i trzymaj ją w temperaturze 900–950 stopni przez 4–10 godzin, aby atomy węgla mogły przeniknąć przez powierzchnię.
Hartowanie: Po nawęglaniu schłodzić bezpośrednio do 820-850 stopni, przetrzymać, a następnie ostudzić w wodzie lub oleju (w celu wytworzenia martenzytu na powierzchni).
Niskie-odpuszczanie: utrzymywać temperaturę 150–200 stopni przez 1–2 godziny, aby wyeliminować naprężenia hartownicze i ustabilizować twardość powierzchni.
Wydajność i zastosowania: Twardość powierzchni może osiągnąć HRC58-62 (wysoka odporność na zużycie), podczas gdy twardość rdzenia jest mniejsza lub równa 250HB (wysoka wytrzymałość). Nadaje się do części narażonych na uderzenia i zużycie powierzchniowe (takich jak przekładnie i widełki przegubów uniwersalnych). III. Kluczowe zagadnienia dotyczące obróbki cieplnej stali konstrukcyjnej węglowej
Słaba hartowność: Unikaj hartowania dużych przekrojów:
Stal konstrukcyjna węglowa nie zawiera pierwiastków stopowych (takich jak Cr, Ni i Mo), co powoduje wyjątkowo niską hartowność. Tylko małe-części przekrojowe (takie jak wał stalowy 45# o średnicy mniejszej lub równej 20 mm) można całkowicie utwardzić poprzez hartowanie w wodzie. Hartowanie-części o dużych przekrojach może łatwo spowodować utworzenie w rdzeniu „struktury nie-martenzytycznej” (takiej jak perlit), co prowadzi do nierównych właściwości wewnętrznych i zewnętrznych, a nawet pęknięć. Dlatego części-o dużych przekrojach często zamiast hartowania poddaje się „odpuszczaniu normalizującemu” lub „odpuszczaniu-w wysokiej temperaturze”. Różnice w przetwarzaniu stali niskowęglowej-i średnio{{12}węglowej:
Stal nisko-węglowa (C mniejsza lub równa 0,25%, np. Q235 i 20#): ma dobrą plastyczność, ale niską wytrzymałość. Na ogół nie jest gaszony sam. Aby poprawić urabialność, stosuje się wyżarzanie/normalizację, a w celu wzmocnienia powierzchni stosuje się nawęglanie i hartowanie.
Stal średnio-węglowa (C=0.25%-0,6%, np. 45# i 55#): Nadaje się przede wszystkim do hartowania i odpuszczania. Równowagę „twardości i wytrzymałości” można osiągnąć poprzez regulację temperatury odpuszczania. Jest materiałem podstawowym do części mechanicznych.
Wybór medium chłodzącego:
Szybkość chłodzenia bezpośrednio określa jakość hartowania:
Hartowanie w wodzie: Duża szybkość chłodzenia, odpowiednia dla stali średnio-węglowej (takiej jak 45#), umożliwia osiągnięcie wysokiej twardości, ale jest podatna na naprężenia wewnętrzne (które wymagają szybkiego odpuszczania w celu wyeliminowania).
Hartowanie w oleju: wolniejsze tempo chłodzenia niż woda, odpowiednie dla części o nieco większych-przekrojach poprzecznych, może zmniejszyć ryzyko pękania, ale ma nieco niższą twardość niż hartowanie w wodzie.
Chłodzenie powietrzem/chłodzenie pieca: Stosowane wyłącznie do wyżarzania i normalizowania, a nie do hartowania. Kluczem jest odprężenie:
Naprężenia szczątkowe pozostają w częściach po hartowaniu i spawaniu. Części te, jeśli nie zostaną odprężone, są podatne na odkształcenia i pękanie podczas przetwarzania lub użytkowania. Dlatego też konieczne jest odpuszczanie-w niskiej temperaturze (po hartowaniu) lub wyżarzanie odprężające (po spawaniu), aby uwolnić te naprężenia i ustabilizować wymiary części.
Streszczenie
Proces obróbki cieplnej stali konstrukcyjnej węglowej koncentruje się na niskich kosztach i ukierunkowanym zastosowaniu. Wyżarzanie/normalizowanie zapewnia zmiękczenie, odprężenie i lepszą urabialność; hartowanie i odpuszczanie poprawia właściwości mechaniczne; a hartowanie/nawęglanie pozwala uzyskać różnicę w wydajności od powierzchni-do-rdzenia. W zastosowaniach praktycznych należy wybrać odpowiedni proces w oparciu o zawartość węgla w stali (niskowęglowa/średniowęglowa),{{4}wymiary przekroju poprzecznego części i wymagania aplikacji (odporność na zużycie/odporność na uderzenia/łatwość obróbki), aby zmaksymalizować-opłacalność węglowej stali konstrukcyjnej.