Stres i wpływ stali do obróbki cieplnej w piecu rurowym

Siła szczątkowa obróbki cieplnej odnosi się do naprężeń, które pozostają po obróbce cieplnej przedmiotu obrabianego, co ma znaczący wpływ na kształt, rozmiar i wydajność przedmiotu obrabianego. Przekroczenie granicy plastyczności materiału powoduje odkształcenie przedmiotu obrabianego, a przekroczenie granicy wytrzymałości materiału może spowodować pękanie przedmiotu obrabianego. Jest to szkodliwy aspekt, który należy ograniczać i eliminować. Jednak w pewnych warunkach kontrolowanie rozkładu naprężeń, aby było rozsądne, może poprawić właściwości mechaniczne i żywotność części, zamieniając szkodę w korzyść. Analizując prawo rozkładu i zmienności naprężeń w stali podczas procesu obróbki cieplnej, Racjonalne jego rozłożenie ma ogromne praktyczne znaczenie dla poprawy jakości wyrobów. Na przykład kwestia rozsądnego rozkładu szczątkowego naprężenia ściskającego na warstwie wierzchniej i jego wpływu na żywotność części przyciągnęła powszechną uwagę.
Im większa szybkość chłodzenia, tym wyższa zawartość węgla i skład stopu oraz większe nierównomierne odkształcenie plastyczne powstające pod wpływem naprężeń termicznych podczas procesu chłodzenia, co skutkuje większymi naprężeniami resztkowymi. Z drugiej strony, ze względu na przemianę strukturalną podczas obróbki cieplnej stali, czyli przejście austenitu w martenzyt, wzrostowi objętości właściwej towarzyszyć będzie rozszerzanie się objętości przedmiotu obrabianego, a każda część przedmiotu przechodzi fazę sukcesywnie przekształcane, co skutkuje niespójnym wzrostem objętości i generowaniem naprężeń strukturalnych. Końcowym rezultatem zmian naprężeń organizacyjnych jest naprężenie rozciągające na powierzchni i naprężenie ściskające na rdzeniu, które jest dokładnie odwrotne do naprężenia termicznego. Wielkość naprężeń strukturalnych jest związana z szybkością chłodzenia i kształtem przedmiotu obrabianego w strefie przemiany martenzytycznej, składem chemicznym materiału i innymi czynnikami.
Podczas procesu nagrzewania i chłodzenia przedmiotu obrabianego, na skutek niezgodności prędkości i czasu chłodzenia między powierzchnią a rdzeniem, powstaje różnica temperatur, która prowadzi do nierównomiernego rozszerzania i kurczenia się objętości oraz generuje naprężenia. Pod wpływem naprężeń termicznych powierzchnia zaczyna mieć temperaturę niższą niż rdzeń, a skurcz jest również większy niż rdzeń, co powoduje wyrywanie rdzenia. Po zakończeniu chłodzenia powierzchnia jest ściskana, a rdzeń jest ciągnięty z powodu niezdolności do swobodnego skurczu objętości końcowego chłodzenia rdzenia. Pod wpływem naprężeń termicznych powierzchnia przedmiotu obrabianego jest ostatecznie ściskana, podczas gdy rdzeń jest ciągnięty. Na zjawisko to mają wpływ takie czynniki jak szybkość chłodzenia, skład materiału oraz proces obróbki cieplnej.
Praktyka dowiodła, że ​​naprężenia termiczne i naprężenia strukturalne wystąpią w każdym przedmiocie obrabianym podczas procesu obróbki cieplnej, o ile nastąpi przemiana fazowa. Jednak stres termiczny jest generowany już przed transformacją organizacyjną, a stres organizacyjny jest generowany podczas procesu transformacji organizacyjnej. W całym procesie chłodzenia połączony efekt naprężeń termicznych i naprężeń organizacyjnych jest rzeczywistym naprężeniem występującym w przedmiocie obrabianym. Łączny efekt tych dwóch naprężeń jest bardzo złożony i zależy od wielu czynników, takich jak skład, kształt, proces obróbki cieplnej itp. Pod względem procesu jego rozwoju istnieją tylko dwa rodzaje, a mianowicie stres termiczny i stres tkankowy. Gdy kierunek działania jest przeciwny, oba znoszą się, a gdy kierunek działania jest taki sam, nakładają się na siebie. Niezależnie od tego, czy jest to wzajemne znoszenie, czy superpozycja, dwa naprężenia powinny mieć jeden dominujący czynnik, a gdy dominuje naprężenie termiczne, wynikiem jest pociągnięcie środka przedmiotu obrabianego i ściśnięcie powierzchni. Kiedy dominuje stres organizacyjny, wynikiem tego jest napięcie ściśniętej powierzchni w środku przedmiotu obrabianego.
Wpływ naprężeń obróbki cieplnej na pęknięcia hartownicze występuje w czynnikach, które mogą powodować koncentrację naprężeń w różnych częściach hartowanej części (w tym wady metalurgiczne), które sprzyjają powstawaniu pęknięć hartowniczych. Jednak przejawia się to tylko w polu naprężeń rozciągających (zwłaszcza przy maksymalnym naprężeniu rozciągającym), jeśli nie ma efektu promującego w polu naprężeń ściskających.
Niezawodną zasadą tego rodzaju stali, która może tworzyć podłużne pęknięcia w częściach ze stali o wysokiej hartowności, hartowanych w normalnych warunkach w celu uniknięcia pęknięć hartowniczych, jest próba maksymalnego zmniejszenia nieizochronowości przemiany martenzytu wewnątrz i na zewnątrz przekroju. Samo powolne chłodzenie w strefie przemiany martenzytycznej nie wystarczy, aby zapobiec powstawaniu pęknięć podłużnych. Zasadniczo pęknięcia łukowe mogą wystąpić tylko w częściach nieutwardzalnych. Chociaż ogólne szybkie ochłodzenie jest warunkiem koniecznym formowania, prawdziwym powodem jego powstania nie jest szybkie ochłodzenie (w tym strefa przemiany martenzytycznej), ale lokalne położenie zahartowanej części (określone przez strukturę geometryczną). Szybkość chłodzenia w strefie temperatury krytycznej wysokiej temperatury jest znacznie spowolniona przy braku utwardzania. A poprzeczne i podłużne pęknięcia, które występują w dużych nieutwardzalnych częściach, są spowodowane resztkowym naprężeniem rozciągającym, składającym się głównie z naprężenia termicznego, działającego na środek hartowanej części. W środku końcowego zahartowanego odcinka hartowanej części najpierw tworzą się pęknięcia, które rozprzestrzeniają się od wewnątrz na zewnątrz.
Aby uniknąć takich pęknięć, często stosuje się proces hartowania z podwójnym olejem wodnym. W tym procesie szybkie chłodzenie w sekcji wysokotemperaturowej jest stosowane tylko w celu zapewnienia, że ​​zewnętrzny metal uzyska strukturę martenzytu. Z punktu widzenia naprężeń wewnętrznych szybkie schładzanie jest szkodliwe i bezużyteczne. Po drugie powolne chłodzenie w późniejszym etapie chłodzenia nie ma na celu zmniejszenia szybkości ekspansji przemiany martenzytycznej i wartości naprężeń struktury, ale zminimalizowanie różnicy temperatur przekroju i szybkości skurczu metalu w środku przekroju, tak aby zmniejszyć wartość naprężeń i ostatecznie zahamować pękanie hartownicze.
Szybkość chłodzenia hartowania jest ważnym czynnikiem, który może wpływać na jakość hartowania i określać naprężenia szczątkowe, a także czynnikiem, który może mieć istotny lub nawet decydujący wpływ na pękanie hartownicze. Aby osiągnąć cel hartowania, zwykle konieczne jest przyspieszenie szybkości chłodzenia części w sekcji wysokotemperaturowej i przekroczenie krytycznej szybkości chłodzenia stali w celu uzyskania struktury martenzytycznej. Jeśli chodzi o naprężenia szczątkowe, rurowy piec elektryczny może zwiększyć wartość naprężenia termicznego, która przeciwdziała efektowi naprężeń strukturalnych, zmniejszając w ten sposób naprężenie rozciągające na powierzchni przedmiotu obrabianego i osiągając cel tłumienia pęknięć podłużnych. Efekt będzie się zwiększał wraz z przyspieszeniem szybkości chłodzenia w wysokiej temperaturze. Ponadto, w przypadku hartowności, im większy przekrój poprzeczny przedmiotu obrabianego, chociaż rzeczywista szybkość chłodzenia jest mniejsza, tym większe jest ryzyko pękania. Wszystko to wynika z faktu, że naprężenia termiczne tego typu stali spowalniają rzeczywistą szybkość chłodzenia wraz ze wzrostem rozmiaru, zmniejszają naprężenia termiczne i zwiększają naprężenia strukturalne wraz ze wzrostem rozmiaru. Piec elektryczny typu skrzynkowego ostatecznie tworzy naprężenie rozciągające składające się głównie z naprężeń strukturalnych, które działają na powierzchnię przedmiotu obrabianego. I zupełnie różni się od tradycyjnej koncepcji, że im wolniejsze chłodzenie, tym mniejszy stres.
Wpływ szczątkowych naprężeń ściskających na przedmiot obrabiany jest szeroko stosowany jako metoda poprawy wytrzymałości zmęczeniowej przedmiotu obrabianego poprzez nawęglanie wzmacniające powierzchnię. Z jednej strony może skutecznie zwiększyć wytrzymałość i twardość powierzchni przedmiotu obrabianego, poprawić odporność przedmiotu obrabianego na zużycie, az drugiej strony nawęglanie może skutecznie poprawić rozkład naprężeń przedmiotu obrabianego, uzyskać duże szczątkowe naprężenie ściskające w warstwę powierzchniową przedmiotu obrabianego i poprawić wytrzymałość zmęczeniową przedmiotu obrabianego. Jeśli po nawęglaniu zostanie przeprowadzone hartowanie izotermiczne, zwiększy to szczątkowe naprężenie ściskające warstwy powierzchniowej i dodatkowo poprawi wytrzymałość zmęczeniową. Ktoś przetestował naprężenia szczątkowe stali 35SiMn2MoV po hartowaniu izotermicznym i niskotemperaturowym odpuszczaniu po nawęglaniu. Wyniki przedstawiono w Tabeli 1.35: Wartości naprężeń szczątkowych stali SiMn2MoV po hartowaniu izotermicznym i niskotemperaturowym odpuszczaniu po nawęglaniu
Wartość naprężenia szczątkowego (kg/mm2)
Wygrzewanie w kąpieli solnej 880-900 stopni po nawęglaniu, izotermicznie w temperaturze 260 stopni przez 40 minut
-65
Po nawęgleniu podgrzać i hartować w kąpieli solnej 880-900 stopni, izotermicznie w temperaturze 260 stopni przez 90 minut
-18
Po nawęglaniu wygrzewać w kąpieli solnej w 880-900 stopniach Celsjusza, izotermicznie w 260 stopniach przez 40 minut i odpuszczać w 260 stopniach przez 90 minut
-38
Patrząc na wyniki badań w Tabeli 1, można zauważyć, że hartowanie izotermiczne ma wyższe szczątkowe naprężenie ściskające powierzchni niż zwykły proces hartowania i odpuszczania w niskiej temperaturze. Nawet po odpuszczaniu niskotemperaturowym po hartowaniu izotermicznym szczątkowe naprężenie ściskające na powierzchni jest większe niż po hartowaniu niskotemperaturowym. Można zatem stwierdzić, że szczątkowe naprężenie ściskające powierzchni uzyskane w wyniku hartowania izotermicznego po nawęglaniu jest wyższe niż uzyskane w wyniku konwencjonalnego hartowania przez nawęglanie i niskotemperaturowego odpuszczania. Z punktu widzenia korzystnego wpływu szczątkowego naprężenia ściskającego warstwy wierzchniej na odporność zmęczeniową, proces hartowania izotermicznego nawęglania jest skuteczną metodą poprawy wytrzymałości zmęczeniowej części nawęglanych.
Istnieją dwa główne powody, dla których w procesie nawęglania i hartowania można uzyskać powierzchniowe szczątkowe naprężenia ściskające, a nawęglanie i hartowanie izotermiczne mogą uzyskać większe szczątkowe naprężenia ściskające powierzchni. Jednym z powodów jest to, że objętość właściwa martenzytu wysokowęglowego w warstwie powierzchniowej jest większa niż martenzytu niskowęglowego w środku. Po hartowaniu objętość powierzchni znacznie się rozszerza i rozszerza, podczas gdy ekspansja objętości martenzytu niskowęglowego w środku jest niewielka, co ogranicza swobodną ekspansję warstwy powierzchniowej i powoduje stan naprężenia warstwy powierzchniowej pod ciśnieniem i centrum pod napięciem . Innym ważniejszym powodem jest to, że początkowa temperatura przemiany (Ms) przechłodzonego austenitu wysokowęglowego w martenzyt jest niższa niż temperatury przechłodzonego austenitu o niskiej zawartości węgla w środku w martenzyt. W przypadku hartowania izotermicznego po nawęglaniu, gdy temperatura izotermiczna jest wyższa od temperatury początku przemiany martenzytycznej (Ms) warstwy nawęglonej, hartowanie izotermiczne w odpowiedniej temperaturze poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej (Ms) w środku może zagwarantować sekwencyjne charakterystyki tej przemiany bardziej niż ciągłe hartowanie chłodzące (to znaczy zapewnienie, że przemiana martenzytu w warstwie powierzchniowej zachodzi tylko w procesie chłodzenia po hartowaniu izotermicznym). Oczywiście temperatura izotermiczna i czas hartowania izotermicznego po nawęglaniu mają istotny wpływ na wielkość naprężeń własnych w warstwie wierzchniej. Ktoś przetestował naprężenie szczątkowe powierzchni próbek stali 35SiMn2MoV po nawęglaniu w 260 stopniach i 320 stopniach przez 40 minut, a wyniki przedstawiono w tabeli 2. Z tabeli 2 widać, że naprężenie szczątkowe powierzchni przy 260 stopniach jest większe niż dwukrotnie wyższy niż przy 320 stopniach. Powierzchniowe naprężenia resztkowe stali 35SiMn2MoV w różnych temperaturach izotermicznych.
W procesie hartowania przemiana martenzytu w środku jest często pierwszą przyczyną rozszerzenia objętości w środku i wzmocnienia, ale powierzchnia nie ostygła jeszcze do odpowiadającego jej początkowego punktu przemiany martenzytu (Ms), więc nadal jest w przechłodzony stan austenitu, z dobrą plastycznością i nie będzie odgrywał poważnej roli w tłumieniu ekspansji objętościowej przemiany martenzytu w środku. Wraz z ciągłym spadkiem temperatury chłodzenia hartowniczego, temperatura powierzchni spada poniżej punktu (Ms) i następuje przemiana martenzytyczna w warstwie powierzchniowej powodująca rozszerzenie objętości powierzchniowej. Jednak środek został już przekształcony w martenzyt i wzmocniony, więc środek będzie odgrywał dużą rolę w tłumieniu rozszerzania objętościowego warstwy powierzchniowej, powodując, że warstwa powierzchniowa uzyska szczątkowe naprężenie ściskające.

Powyższa treść jest zorganizowana przez firmę Superb heater Company, supergrzejnik. Głównie produkcja profesjonalna: przemysłowe elementy grzejne, elementy do pomiaru temperatury, urządzenia produkcyjne, akcesoria i surowce, takie jak grzejniki rurowe, grzejniki rurowe, grzejniki taśmowe, grzejniki ceramiczne, grzejniki z gumy silikonowej, termopary itp.

Witamy globalnych partnerów branżowych w celu omówienia współpracy!