Obremenitev in vpliv toplotne obdelave jekla v cevni peči

Preostala sila pri toplotni obdelavi se nanaša na napetost, ki ostane po tem, ko je obdelovanec toplotno obdelan, kar pomembno vpliva na obliko, velikost in zmogljivost obdelovanca. Ko preseže mejo tečenja materiala, povzroči deformacijo obdelovanca, ko preseže mejo trdnosti materiala, pa lahko povzroči pokanje obdelovanca. To je škodljiv vidik, ki ga je treba zmanjšati in odpraviti. Vendar pa lahko pod določenimi pogoji nadzor nad porazdelitvijo napetosti, da je razumna, izboljša mehanske lastnosti in življenjsko dobo dela, s čimer škodo spremeni v prednost. Analiza porazdelitve in variacijskega zakona napetosti v jeklu med postopkom toplotne obdelave ima razumno porazdelitev velik praktični pomen za izboljšanje kakovosti izdelkov. Na primer, vprašanje razumne porazdelitve preostale tlačne napetosti na površinski plasti in njen vpliv na življenjsko dobo delov je pritegnilo široko pozornost.
Hitrejša kot je hitrost hlajenja, večja je vsebnost ogljika in sestava zlitine ter večja je neenakomerna plastična deformacija, ki nastane pod toplotno obremenitvijo med procesom hlajenja, kar ima za posledico večjo zaostalo napetost. Po drugi strani pa bo zaradi strukturne spremembe med toplotno obdelavo jekla, to je, ko se avstenit spremeni v martenzit, povečanje specifične prostornine spremljalo povečanje prostornine obdelovanca in vsak del obdelovanca bo podvržen fazi preoblikovanje zaporedoma, kar ima za posledico nedosledno rast volumna in ustvarjanje strukturnih napetosti. Končni rezultat sprememb organizacijske napetosti je natezna napetost na površini in tlačna napetost na jedru, kar je ravno nasprotno od toplotne napetosti. Velikost strukturne napetosti je povezana s hitrostjo ohlajanja in obliko obdelovanca v območju martenzitne transformacije, kemično sestavo materiala in drugimi dejavniki.
Med postopkom segrevanja in ohlajanja obdelovanca se zaradi neskladnosti v hitrosti in času ohlajanja med površino in jedrom tvori temperaturna razlika, ki povzroči neenakomerno širjenje in krčenje volumna ter ustvarja napetost. Pod delovanjem toplotne obremenitve začne površina imeti nižjo temperaturo od jedra, krčenje pa je tudi večje od jedra, kar povzroči vlečenje jedra. Ko je ohlajanje končano, je površina stisnjena in jedro vlečeno zaradi nezmožnosti končnega ohlajenega volumskega krčenja jedra, da bi prosto potekalo. Pod delovanjem toplotne obremenitve se površina obdelovanca končno stisne, medtem ko se jedro vleče. Na ta pojav vplivajo dejavniki, kot so hitrost hlajenja, sestava materiala in postopek toplotne obdelave.
Praksa je dokazala, da se toplotna obremenitev in strukturna obremenitev pojavita v katerem koli obdelovancu med postopkom toplotne obdelave, če le pride do fazne spremembe. Vendar toplotni stres nastane že pred organizacijsko transformacijo, organizacijski stres pa nastane med procesom organizacijske transformacije. V celotnem procesu hlajenja je skupni učinek toplotne obremenitve in organizacijske obremenitve dejanska obremenitev obdelovanca. Skupni učinek teh dveh obremenitev je zelo kompleksen in nanj vplivajo številni dejavniki, kot so sestava, oblika, postopek toplotne obdelave itd. Glede na razvojni proces obstajata le dve vrsti, in sicer toplotna obremenitev in obremenitev tkiva. Ko je smer delovanja nasprotna, se oba izničita, ko je smer delovanja enaka, pa se med seboj prekrivata. Ne glede na to, ali gre za medsebojno preklic ali superpozicijo, morata obe napetosti imeti en prevladujoč dejavnik, in ko prevladuje toplotna napetost, je rezultat vlečenje središča obdelovanca in stisnjena površina. Ko prevladuje organizacijski stres, je rezultat stisnjena površina v središču obdelovanca v napetosti.
Učinek napetosti pri toplotni obdelavi na razpoke pri kaljenju obstaja v dejavnikih, ki lahko povzročijo koncentracijo napetosti na različnih delih kaljenega dela (vključno z metalurškimi napakami), kar pospešuje nastanek razpok pri kaljenju. Vendar pa se manifestira le v polju nateznih napetosti (zlasti pri največji natezni napetosti), če ni pospeševalnega učinka v polju tlačnih napetosti.
Zanesljivo načelo te vrste jekla, ki lahko tvori le vzdolžne razpoke v jeklenih delih z visoko kaljivostjo, kaljenih v normalnih pogojih, da bi se izognili kaljenim razpokam, je poskušati čim bolj zmanjšati neizokronost martenzitne transformacije znotraj in zunaj odseka. Le počasno ohlajanje v coni martenzitne transformacije ni dovolj, da bi preprečili nastanek vzdolžnih razpok. Na splošno se obločne razpoke lahko pojavijo samo v delih, ki jih ni mogoče kaliti. Čeprav je splošno hitro ohlajanje nujen pogoj za nastanek, pravi razlog za nastanek ni hitro ohlajanje (vključno z martenzitno transformacijsko cono), temveč lokalni položaj kaljenega dela (ki ga določa geometrijska struktura). Hitrost hlajenja v visokotemperaturnem kritičnem temperaturnem območju se znatno upočasni, če ni utrjevanja. Prečne in vzdolžne razpoke, ki se pojavljajo v velikih delih, ki jih ni mogoče kaliti, povzroči zaostala natezna napetost, ki je v glavnem sestavljena iz toplotne napetosti, ki deluje na središče kaljenega dela. V središču končnega utrjenega odseka kaljenega dela najprej nastanejo razpoke, ki se širijo od znotraj navzven.
Da bi se izognili takšnim razpokam, se pogosto uporablja postopek kaljenja z dvojno tekočino v vodi in olju. V tem procesu se hitro hlajenje v visokotemperaturnem delu uporablja samo za zagotovitev, da zunanja kovina dobi martenzitno strukturo. Z vidika notranjih obremenitev je hitro ohlajanje škodljivo in neuporabno. Drugič, namen počasnega hlajenja v poznejši fazi hlajenja ni zmanjšati stopnjo raztezanja martenzitne transformacije in vrednost napetosti strukture, temveč zmanjšati temperaturno razliko preseka in stopnjo krčenja kovine v središču odseka, tako da se zmanjša vrednost napetosti in na koncu prepreči nastanek razpok pri kaljenju.
Hitrost hlajenja pri kaljenju je pomemben dejavnik, ki lahko vpliva na kakovost kaljenja in določa preostale napetosti, pa tudi dejavnik, ki lahko pomembno ali celo odločilno vpliva na nastanek razpok pri kaljenju. Da bi dosegli namen kaljenja, je običajno treba pospešiti hitrost hlajenja delov v visokotemperaturnem delu in preseči kritično hitrost hlajenja jekla, da dobimo martenzitno strukturo. Kar zadeva preostale napetosti, lahko cevna električna peč poveča vrednost toplotne napetosti, ki izniči učinek strukturne napetosti, s čimer se zmanjša natezna napetost na površini obdelovanca in doseže cilj zatiranja vzdolžnih razpok. Učinek se bo povečal s pospeševanjem hitrosti visokotemperaturnega hlajenja. Poleg tega je v primeru kaljivosti večja kot je presek obdelovanca, čeprav je dejanska hitrost hlajenja počasnejša, večja je nevarnost razpok. Vse to je posledica dejstva, da toplotna obremenitev te vrste jekla s povečanjem velikosti upočasni dejansko hitrost ohlajanja, zmanjša toplotno obremenitev in poveča strukturno obremenitev s povečanjem velikosti. Škatlasta električna peč končno tvori natezno napetost, ki je v glavnem sestavljena iz strukturne napetosti, ki deluje na površini obdelovanca. In povsem drugače od tradicionalnega koncepta je, da počasnejše kot je ohlajanje, manjši je stres.
Učinek preostale tlačne napetosti na obdelovanec se pogosto uporablja kot metoda za izboljšanje trdnosti obdelovanca proti utrujenosti z naogljičenjem površinske utrditve. Po eni strani lahko učinkovito poveča trdnost in trdoto površine obdelovanca, izboljša odpornost obdelovanca proti obrabi, po drugi strani pa lahko karburizacija učinkovito izboljša porazdelitev napetosti obdelovanca, pridobi veliko preostalo tlačno napetost v površinsko plast obdelovanca in izboljšati odpornost proti utrujenosti obdelovanca. Če se po naogljičenju izvede izotermno kaljenje, bo to povečalo preostalo tlačno napetost na površinski plasti in dodatno izboljšalo utrujenostno trdnost. Nekdo je preizkusil preostalo napetost jekla 35SiMn2MoV po izotermnem kaljenju in popuščanju pri nizki temperaturi po karburizaciji. Rezultati so prikazani v tabeli 1.35: Vrednosti preostale napetosti jekla SiMn2MoV po izotermnem kaljenju in nizkotemperaturnem popuščanju po karburizaciji
Vrednost preostale napetosti (kg/mm2)
Segrevanje v solni kopeli 880-900 stopinj po karburizaciji, izotermno pri 260 stopinjah 40 minut
-65
Po naogljičenju segrejte in ohladite v solni kopeli 880-900 stopinj, izotermično pri 260 stopinjah 90 minut
-18
Po naogljičenju segrevajte v solni kopeli pri 880-900 stopinj Celzija, izotermno pri 260 stopinjah Celzija 40 minut in temperirajte pri 260 stopinjah Celzija 90 minut
-38
Če pogledamo rezultate preskusa v tabeli 1, je razvidno, da ima izotermično kaljenje višjo površinsko preostalo tlačno napetost kot običajni proces kaljenja in popuščanja pri nizkih temperaturah. Tudi po nizkotemperaturnem popuščanju po izotermnem kaljenju je preostala tlačna napetost na površini višja kot po nizkotemperaturnem popuščanju po kaljenju. Zato lahko sklepamo, da je površinska preostala tlačna napetost, dobljena z izotermnim kaljenjem po naogljičenju, višja od tiste, ki jo dobimo s konvencionalnim naogljičevanjem in popuščanjem pri nizkih temperaturah. Z vidika ugodnega učinka preostale tlačne napetosti površinske plasti na odpornost proti utrujenosti je postopek izotermnega kaljenja z naogljičenjem učinkovita metoda za izboljšanje trdnosti na utrujanje naogljičenih delov.
Obstajata dva glavna razloga, zakaj lahko postopek naogljičenja in kaljenja povzroči površinsko preostalo tlačno napetost, naogljičenje in izotermično kaljenje pa lahko povzročita večjo površinsko preostalo tlačno napetost. Eden od razlogov je, da je specifična prostornina visokoogljičnega martenzita v površinski plasti večja od nizkoogljičnega martenzita v sredini. Po kaljenju se prostornina površine močno razširi in razširi, medtem ko je prostorninska ekspanzija nizkoogljičnega martenzita v središču majhna, kar omejuje prosto širitev površinske plasti in povzroči napetostno stanje površinske plasti pod pritiskom in središče pod napetostjo . Drug pomembnejši razlog je, da je začetna temperatura pretvorbe (Ms) visokoogljičnega podhlajenega avstenita v martenzit nižja od temperature podhlajenega avstenita z nizko vsebnostjo ogljika v središču v martenzit. Ko se izotermno kaljenje izvede po naogljičenju, ko je izotermna temperatura nad temperaturo začetka pretvorbe martenzita (Ms) naogljičene plasti, lahko izotermno kaljenje pri ustrezni temperaturi pod točko začetne pretvorbe martenzita (Ms) v središču zagotovi zaporedne značilnosti te transformacije več kot neprekinjeno kaljenje pri hlajenju (to je zagotoviti, da se martenzitna transformacija v površinski plasti pojavi šele v procesu hlajenja po izotermnem kaljenju). Seveda imata izotermna temperatura in čas izotermnega kaljenja po karburizaciji pomemben vpliv na velikost preostale napetosti v površinski plasti. Nekdo je testiral površinsko preostalo napetost vzorcev jekla 35SiMn2MoV po karburizaciji pri 260 stopinjah in 320 stopinjah 40 minut, rezultati pa so prikazani v tabeli 2. Iz tabele 2 je razvidno, da je površinska preostala napetost pri 260 stopinjah večja dvakrat višja kot pri 320 stopinjah. Površinska zaostala napetost jekla 35SiMn2MoV pri različnih izotermnih temperaturah.
V procesu kaljenja je martenzitna transformacija v središču pogosto prva, ki povzroči razširitev volumna v sredini in se okrepi, vendar se površina še ni ohladila na ustrezno začetno točko transformacije martenzita (Ms), tako da je še vedno v prehlajeno avstenitno stanje z dobro plastičnostjo in ne bo imelo resne vloge pri zatiranju volumske ekspanzije martenzitne transformacije v središču. Z nenehnim zniževanjem temperature hlajenja pri kaljenju površinska temperatura pade pod točko (Ms) in v površinski plasti pride do transformacije martenzita, kar povzroči razširitev površinskega volumna. Vendar pa je središče že preoblikovalo v martenzit in okrepilo, tako da bo središče igralo veliko vlogo pri zatiranju volumskega širjenja površinske plasti, zaradi česar površinska plast pridobi preostalo tlačno napetost.

Zgornjo vsebino organizira Superb heater Company, super heater. V glavnem profesionalna proizvodnja: industrijski grelni elementi, elementi za merjenje temperature, proizvodna oprema, dodatki in surovine, kot so cevni grelniki, cevni grelniki, tračni grelniki, keramični grelniki, grelniki iz silikonske gume, termoelementi itd.

Dobrodošli globalni industrijski partnerji, da se pogovorimo o sodelovanju!