Naprezanje i utjecaj toplinske obrade čelika u cijevnoj peći

Preostala sila toplinske obrade odnosi se na naprezanje koje ostaje nakon toplinske obrade obratka, što ima značajan utjecaj na oblik, veličinu i performanse obratka. Kada prekorači granicu razvlačenja materijala, uzrokuje deformaciju izratka, a kada prekorači granicu čvrstoće materijala, može izazvati pucanje izratka. To je štetan aspekt koji treba smanjiti i eliminirati. Međutim, pod određenim uvjetima, kontroliranje raspodjele naprezanja kako bi bila razumna može poboljšati mehanička svojstva i životni vijek dijela, pretvarajući štetu u prednost. Analizirajući zakon raspodjele i varijacije naprezanja u čeliku tijekom procesa toplinske obrade, njegova razumna raspodjela ima duboko praktično značenje za poboljšanje kvalitete proizvoda. Na primjer, pitanje razumne raspodjele zaostalog tlačnog naprezanja na površinskom sloju i njegov utjecaj na životni vijek dijelova privuklo je široku pozornost.
Što je brža brzina hlađenja, to je veći sadržaj ugljika i sastav legure, te je veća neravnomjerna plastična deformacija nastala pod toplinskim naprezanjem tijekom procesa hlađenja, što rezultira većim zaostalim naprezanjem. S druge strane, zbog strukturne promjene tijekom toplinske obrade čelika, odnosno kada austenit prelazi u martenzit, povećanje specifičnog volumena će pratiti povećanje volumena izratka, te će svaki dio izratka proći fazu sukcesivne transformacije, što rezultira nedosljednim rastom volumena i stvaranjem strukturnog naprezanja. Konačni rezultat promjena organizacijskog naprezanja je vlačno naprezanje na površini i tlačno naprezanje na jezgri, što je upravo suprotno od toplinskog naprezanja. Veličina strukturnog naprezanja povezana je s brzinom hlađenja i oblikom obratka u zoni martenzitne transformacije, kemijskim sastavom materijala i drugim čimbenicima.
Tijekom procesa zagrijavanja i hlađenja izratka, zbog nedosljednosti u brzini i vremenu hlađenja između površine i jezgre, stvara se temperaturna razlika, što dovodi do neravnomjernog širenja i skupljanja volumena i stvara naprezanje. Pod djelovanjem toplinskog naprezanja površina počinje imati nižu temperaturu od jezgre, a kontrakcija je također veća od jezgre, što uzrokuje povlačenje jezgre. Kada je hlađenje završeno, površina se sabija, a jezgra se povlači zbog nemogućnosti slobodnog odvijanja konačnog hlađenja volumenske kontrakcije jezgre. Pod djelovanjem toplinskog naprezanja, površina obratka se konačno stisne dok se jezgra povlači. Na ovu pojavu utječu čimbenici kao što su brzina hlađenja, sastav materijala i postupak toplinske obrade.
Praksa je dokazala da će se toplinsko naprezanje i strukturno naprezanje pojaviti u svakom obratku tijekom procesa toplinske obrade, sve dok postoji promjena faze. Međutim, toplinski stres se stvara već prije organizacijske transformacije, a organizacijski stres se stvara tijekom procesa organizacijske transformacije. Tijekom procesa hlađenja, kombinirani učinak toplinskog stresa i organizacijskog stresa je stvarni stres prisutan u radnom predmetu. Kombinirani učinak ova dva naprezanja vrlo je složen i na njega utječu mnogi čimbenici, kao što su sastav, oblik, proces toplinske obrade itd. Što se tiče procesa njegovog razvoja, postoje samo dvije vrste, a to su toplinsko naprezanje i naprezanje tkiva. Kad je smjer djelovanja suprotan, ta dva se poništavaju, a kad je smjer djelovanja isti, to se dvoje preklapaju. Bilo da se radi o međusobnom poništavanju ili superpoziciji, dva naprezanja trebaju imati jedan dominantan čimbenik, a kada dominira toplinsko naprezanje, rezultat je da se središte izratka povlači i površina sabija. Kada organizacijski stres dominira, rezultat je da je stisnuta površina u središtu izratka u napetosti.
Učinak naprezanja toplinske obrade na pukotine u kaljenju postoji u čimbenicima koji mogu uzrokovati koncentraciju naprezanja na različitim dijelovima kaljenog dijela (uključujući metalurške nedostatke), koji imaju pospješujući učinak na stvaranje pukotina u kaljenju. Međutim, ono se očituje samo u polju vlačnog naprezanja (osobito pri maksimalnom vlačnom naprezanju), ako nema promotivnog učinka u polju tlačnog naprezanja.
Pouzdano načelo ove vrste čelika koji može formirati samo uzdužne pukotine u čeličnim dijelovima visoke prokaljivosti kaljenim pod normalnim uvjetima kako bi se izbjegle pukotine u gašenju je pokušati smanjiti neizokronitet transformacije martenzita unutar i izvan presjeka što je više moguće. Samo polagano hlađenje u zoni martenzitne transformacije nije dovoljno da spriječi nastanak uzdužnih pukotina. Općenito, lučne pukotine mogu se pojaviti samo u dijelovima koji se ne mogu očvrsnuti. Iako je sveukupno brzo hlađenje nužan uvjet za formiranje, pravi razlog za njegovo stvaranje nije brzo hlađenje (uključujući zonu transformacije martenzita), već lokalni položaj kaljenog dijela (određen geometrijskom strukturom). Brzina hlađenja u visokotemperaturnoj kritičnoj temperaturnoj zoni značajno je usporena u odsutnosti stvrdnjavanja. A poprečna i uzdužna pukotina koja se javljaju u velikim dijelovima koji se ne mogu očvrsnuti uzrokovana su zaostalim vlačnim naprezanjem, koje se uglavnom sastoji od toplinskog naprezanja, koje djeluje na središte kaljenog dijela. U središtu konačnog očvrslog dijela kaljenog dijela najprije se formiraju pukotine koje se šire iznutra prema van.
Kako bi se izbjegle takve pukotine, često se koristi postupak kaljenja vodom i uljem s dvostrukom tekućinom. U ovom procesu, brzo hlađenje u dijelu visoke temperature koristi se samo kako bi se osiguralo da vanjski metal dobije martenzitnu strukturu. Iz perspektive unutarnjeg stresa brzo hlađenje je štetno i beskorisno. Drugo, svrha sporog hlađenja u kasnijoj fazi hlađenja nije smanjiti brzinu ekspanzije transformacije martenzita i vrijednost naprezanja strukture, već minimizirati temperaturnu razliku presjeka i stopu skupljanja metala u središtu presjeka, kako bi se smanjila vrijednost naprezanja i u konačnici spriječilo stvaranje pukotina pri kaljenju.
Brzina hlađenja pri kaljenju važan je čimbenik koji može utjecati na kvalitetu kaljenja i odrediti zaostalo naprezanje, kao i čimbenik koji može imati važan ili čak presudan utjecaj na pukotine u kaljenju. Kako bi se postigla svrha kaljenja, obično je potrebno ubrzati brzinu hlađenja dijelova u visokotemperaturnom dijelu i učiniti je da premaši kritičnu brzinu hlađenja čelika da bi se dobila struktura martenzita. Što se tiče zaostalog naprezanja, cjevasta električna peć može povećati vrijednost toplinskog naprezanja koja se suprotstavlja učinku strukturnog naprezanja, čime se smanjuje vlačno naprezanje na površini obratka i postiže cilj suzbijanja uzdužnih pukotina. Učinak će se povećati s ubrzanjem brzine hlađenja visoke temperature. Štoviše, u slučaju prokaljivosti, što je veća veličina poprečnog presjeka izratka, iako je stvarna brzina hlađenja sporija, to je veći rizik od pucanja. Sve je to zbog činjenice da toplinsko naprezanje ove vrste čelika usporava stvarnu brzinu hlađenja s povećanjem veličine, smanjuje toplinsko naprezanje i povećava strukturno naprezanje s povećanjem veličine. Kutijasta električna peć na kraju stvara vlačno naprezanje koje se uglavnom sastoji od strukturnog naprezanja, koje djeluje na površini izratka. I potpuno je drugačije od tradicionalnog koncepta da što je sporije hlađenje, to je manji stres.
Učinak zaostalog tlačnog naprezanja na obradak naširoko se koristi kao metoda za poboljšanje čvrstoće na zamor izratka kroz ojačavanje površine naugljičenjem. S jedne strane, može učinkovito povećati čvrstoću i tvrdoću površine izratka, poboljšati otpornost na habanje izratka, a s druge strane, pougljičenje može učinkovito poboljšati raspodjelu naprezanja izratka, dobiti veliko zaostalo tlačno naprezanje u površinskog sloja izratka, te poboljšati čvrstoću izratka na zamor. Ako se nakon pougljičavanja provede izotermno kaljenje, to će povećati zaostalo tlačno naprezanje na površinskom sloju i dodatno poboljšati čvrstoću na zamor. Netko je ispitao zaostalo naprezanje čelika 35SiMn2MoV nakon izotermnog kaljenja i kaljenja na niskim temperaturama nakon karburizacije. Rezultati su prikazani u tablici 1.35: Vrijednosti zaostalog naprezanja čelika SiMn2MoV nakon izotermnog kaljenja i kaljenja na niskim temperaturama nakon karburizacije
Vrijednost zaostalog naprezanja (kg/mm2)
Zagrijavanje u slanoj kupki od 880-900 stupnjeva nakon karburizacije, izotermno na 260 stupnjeva 40 minuta
-65
Nakon karburizacije, zagrijte i ohladite u slanoj kupki od 880-900 stupnjeva, izotermno na 260 stupnjeva 90 minuta
-18
Nakon karburizacije, zagrijavajte u slanoj kupelji na 880-900 stupnjeva Celzijusa, izotermno na 260 stupnjeva Celzijusa 40 minuta i temperirajte na 260 stupnjeva Celzijusa 90 minuta
-38
Gledajući rezultate ispitivanja u tablici 1, može se vidjeti da izotermno kaljenje ima veće površinsko zaostalo tlačno naprezanje od uobičajenog procesa kaljenja i niskotemperaturnog kaljenja. Čak i nakon niskotemperaturnog kaljenja nakon izotermnog kaljenja, zaostalo tlačno naprezanje na površini je veće od onoga nakon niskotemperaturnog kaljenja nakon kaljenja. Stoga se može zaključiti da je površinsko zaostalo tlačno naprezanje dobiveno izotermnim kaljenjem nakon pougljičavanja veće od onog dobivenog konvencionalnim kaljenjem pougljičenjem i kaljenjem na niskim temperaturama. Iz perspektive blagotvornog učinka zaostalog tlačnog naprezanja površinskog sloja na otpornost na zamor, izotermni postupak kaljenja pougljičenim je učinkovita metoda za poboljšanje čvrstoće na zamor naugljičenih dijelova.
Dva su glavna razloga zašto se pougljičenjem i kaljenjem može postići površinsko zaostalo tlačno naprezanje, a pougljičenjem i izotermnim kaljenjem može se postići veće površinsko zaostalo tlačno naprezanje. Jedan od razloga je taj što je specifični volumen martenzita s visokim udjelom ugljika u površinskom sloju veći od onog martenzita s niskim udjelom ugljika u središtu. Nakon kaljenja, površinski volumen se širi i jako širi, dok je volumensko širenje martenzita s niskim udjelom ugljika u središtu malo, što ograničava Slobodno širenje površinskog sloja i uzrokuje stanje naprezanja površinskog sloja pod tlakom i središte pod napetostom . Još jedan važniji razlog je da je početna temperatura transformacije (Ms) pothlađenog austenita s visokim udjelom ugljika u martenzit niža od temperature pothlađenog austenita s niskim sadržajem ugljika u središtu u martenzit. Kada se izotermno kaljenje provodi nakon pougljičavanja, kada je izotermna temperatura iznad temperature početka transformacije martenzita (Ms) naugljičenog sloja, izotermno kaljenje na odgovarajućoj temperaturi ispod točke temperature početka transformacije martenzita (Ms) u središtu može jamčiti sekvencijske karakteristike ove transformacije više od kontinuiranog kaljenja hlađenjem (to jest, osigurati da se transformacija martenzita u površinskom sloju dogodi samo u procesu hlađenja nakon izotermnog kaljenja). Naravno, izotermna temperatura i vrijeme izotermnog kaljenja nakon karburizacije imaju značajan utjecaj na veličinu zaostalog naprezanja u površinskom sloju. Netko je testirao površinsko zaostalo naprezanje uzoraka čelika 35SiMn2MoV nakon karburizacije na 260 stupnjeva i 320 stupnjeva tijekom 40 minuta, a rezultati su prikazani u tablici 2. Iz tablice 2 se može vidjeti da je površinsko zaostalo naprezanje na 260 stupnjeva više nego dvostruko viši od onog na 320 stupnjeva. Površinsko zaostalo naprezanje čelika 35SiMn2MoV pri različitim izotermnim temperaturama.
U procesu kaljenja, transformacija martenzita u središtu često je prva koja uzrokuje ekspanziju volumena u središtu i postaje ojačana, ali površina se još nije ohladila do svoje odgovarajuće početne točke transformacije martenzita (Ms), tako da je još uvijek u prehlađeno stanje austenita, s dobrom plastičnošću, i neće igrati ozbiljnu ulogu u suzbijanju volumenskog širenja martenzitne transformacije u središtu. Kontinuiranim smanjenjem temperature hlađenja kaljenjem, površinska temperatura pada ispod točke (Ms), a u površinskom sloju dolazi do transformacije martenzita, što uzrokuje širenje površinskog volumena. Međutim, središte je već pretvoreno u martenzit i ojačano, tako da će središte igrati veliku ulogu u suzbijanju volumenskog širenja površinskog sloja, čineći da površinski sloj dobije zaostalo tlačno naprezanje.

Gore navedeni sadržaj organizira Superb heater Company, supergrijač. Uglavnom profesionalna proizvodnja: industrijski grijaći elementi, elementi za mjerenje temperature, proizvodna oprema, pribor i sirovine kao što su cijevni grijači, cijevni grijači, remenski grijači, keramički grijači, grijači od silikonske gume, termoelementi itd.

Dobrodošli globalni industrijski partneri da razgovaramo o suradnji!