Многие детали выходят из строя раньше времени или изнашиваются из-за слишком мягкой или хрупкой стали. Это может привести к поломкам, проблемам с безопасностью или потерям денег. Термообработка изменяет свойства стали, корректируя ее внутреннюю структуру. Она может сделать сталь более твердой, жесткой или гибкой, в зависимости от того, что вам нужно. Но некоторые люди не знают, что такое термообработанная сталь на самом деле, как она производится и почему так много отраслей промышленности используют ее.
Если вы работаете с металлом или покупаете стальные детали, вы должны знать, почему термообработанная сталь имеет значение. Давайте разберемся, что делает термообработка и где она имеет значение.
Что такое термически обработанная сталь?
Термообработанная сталь - это сталь, которая была нагрета и охлаждена особым образом для изменения ее внутренней структуры. Это происходит за счет изменения микроструктуры стали, состоящей из зерен, которые образуются в процессе затвердевания и охлаждения. Цель состоит в том, чтобы контролировать процесс формирования и изменения этих зерен.
Этот процесс ничего не добавляет к стали. Вместо этого он перестраивает атомы внутри металла, заставляя его по-другому вести себя под воздействием напряжения или тепла. Это также может улучшить износостойкость стали или ее устойчивость к ударам.
Существует множество видов термообработки, каждый из которых по-разному влияет на сталь. Одни делают ее очень твердой, другие - более гибкой или легко поддающейся резке.
Как происходит термообработка?
Термическая обработка изменяет поведение стали, управляя ее нагревом и охлаждением. Ниже перечислены основные этапы и методы термической обработки стали:
Нагрев металла
Сначала сталь нагревают до определенной температуры - обычно от 750 до 950°C (примерно от 1380 до 1740°F), в зависимости от типа стали и цели обработки.
При таких температурах внутренняя структура стали преобразуется. Атомы начинают вибрировать и свободно двигаться, и сталь переходит в фазу, называемую аустенитмягкий и немагнитный.
Вымачивание (поддержание температуры)
После достижения заданной температуры сталь выдерживается в течение определенного времени, чтобы ее структура полностью изменилась. Время выдержки зависит от размера и толщины детали.
- Общепринятое правило - 1 час на толщину 25 мм (1 дюйм).
- Для стального листа толщиной 12 мм обычно достаточно 30 минут выдержки.
Если время выдержки слишком мало, превращение будет неполным, что приведет к образованию мягкой сердцевины или неравномерной твердости. Однако при слишком длительном времени происходит рост зерна, что может снизить вязкость и сделать сталь хрупкой.
Охлаждение металла
Охлаждение - самый ответственный этап. Он контролирует процесс изменения структуры стали, что напрямую влияет на конечные механические свойства.
- Закалка (быстрое охлаждение) в воде или масле позволяет охладить сталь с 850°C до 100°C менее чем за 10 секунд, создавая сложную мартенситную структуру.
- Отжиг (медленное охлаждение в печи) может длиться несколько часов. Это позволяет структуре стать перлит или ферритОни более мягкие и пластичные.
Для разных сталей требуются разные методы охлаждения:
- Закалка в воде часто используется для простых углеродистых сталей, но может вызвать трещины в высоколегированных сталях.
- Закалка в масле происходит медленнее и лучше для легированных сталей, таких как 4140 или 4340.
- Воздушное охлаждение используется для сталей с воздушной закалкой, таких как инструментальная сталь A2.
Структурные изменения в стали
Термическая обработка изменяет свойства стали. микроструктура, который управляет поведением этого устройства в процессе использования.
Вот некоторые ключевые структуры:
| Структура | Сформирован, когда | Характеристики |
|---|---|---|
| Аустенит | Нагрев выше 723°C | Мягкий, гибкий, немагнитный |
| Мартенсит | Быстро затухает | Очень твердый, хрупкий, высокая износостойкость |
| Перлит | Медленно охлаждается | Средняя твердость, хорошая прочность |
| Бейнит | Охлаждается со средней скоростью | Более прочный, чем перлит, менее хрупкий, чем мартенсит |
Этапы после лечения
После термообработки сталь может нуждаться в корректировке в зависимости от ее конечного использования.
- Отпуск производится после закалки для снижения хрупкости. Например, инструментальная сталь, закаленная до 62 HRC, может быть закалена до 58 HRC, что повышает ее ударопрочность.
Виды процессов термообработки
Термическая обработка изменяет поведение стали. Каждый метод использует различные способы нагрева и охлаждения для достижения желаемого результата.
Отжиг
Отжиг смягчает сталь и облегчает ее обработку. Во время этой обработки сталь медленно нагревается до температуры, обычно составляющей от 500 до 700 °C (или даже выше, в зависимости от материала), а затем очень медленно охлаждается в печи.
Медленное охлаждение позволяет атомам внутри стали перейти в более спокойное положение. Это уменьшает внутренние напряжения, которые могли образоваться при резке, гибке или сварке. Это также способствует росту крупных зерен в структуре стали, делая материал менее сложным и более пластичным.
В результате отожженная сталь легче поддается обработке. сгибать, сверло, или машина. Однако при этом теряется прочность и износостойкость. Этот метод обычно используется перед дальнейшей формовкой или резкой. Он часто применяется для холоднокатаной стали, листов из нержавеющей стали и стали, используемой в глубокий рисунок или штамповочные работы.
Нормализация
Нормализация похожа на отжиг, но с более быстрым охлаждением. Сталь нагревают до более высокой температуры - обычно от 750 до 950 °C, выше точки превращения, когда зернистая структура переходит в аустенит. Затем сталь охлаждают на открытом воздухе, а не в печи.
Благодаря более быстрому охлаждению в стали образуются более мелкие зерна. Мелкозернистая структура повышает прочность, вязкость и однородность механических свойств. Она также помогает устранить последствия неравномерного нагрева или закалки в результате предыдущих процессов.
Нормализованная сталь прочнее отожженной, но сохраняет некоторую гибкость. Она часто используется для деталей, подвергающихся постоянным нагрузкам или вибрациям, например, валы двигателей, шатуны или литые стальные детали.
Закалка
Закалка используется в тех случаях, когда сталь должна быть очень твердой и прочной. Этот процесс включает в себя нагрев стали до высокой температуры - обычно от 800°C до 900°C, в зависимости от типа стали. Цель - превратить внутреннюю структуру в аустенит.
После нагрева сталь быстро охлаждается, или "закаливается", в воде, масле или другой охлаждающей жидкости. В результате резкого снижения температуры структура стали превращается в мартенсит, который отличается высокой твердостью и прочностью. Однако мартенсит также хрупок и может расколоться при ударе.
Закалка в основном используется для инструментов, ножей, штампов, пуансонов или деталей, которые должны выдерживать сильный износ. Но поскольку она делает сталь хрупкой, за ней почти всегда следует закалка.
Закалка
Отпуск - это последующий этап закалки. Она уменьшает хрупкость, вызванную мартенситом. При этом закаленную сталь повторно нагревают до более низкой температуры - обычно от 150 до 650 °C - и затем снова охлаждают с контролируемой скоростью.
Этот этап позволяет частично снять внутреннее напряжение. Это немного снижает твердость, но повышает способность стали поглощать удары или выдерживать внезапные нагрузки без разрушения. Точная температура и время зависят от того, какая твердость или прочность требуется.
В закаленной стали соблюдается баланс между твердостью и прочностью. Она используется для изготовления пружин, опор конструкций, инструментов и деталей машин, которые должны выдерживать удары без растрескивания.
Влияние термической обработки на свойства стали
Термическая обработка изменяет поведение стали в реальных условиях эксплуатации. Она изменяет внутреннюю структуру металла, что влияет на его прочность, гибкость и срок службы.
Прочность и твердость
Термическая обработка позволяет сделать сталь прочнее и тверже. Такие методы, как закалка и отпуск, повышают их способность выдерживать давление и сопротивляться износу.
Более прочная сталь лучше сохраняет форму при интенсивном использовании, что делает ее полезной для режущих инструментов, штампов и деталей машин с высокой нагрузкой.
Но если сталь становится слишком твердой, она также может стать хрупкой. Поэтому за закалкой часто следует отпуск. Этот этап помогает восстановить гибкость, сохраняя при этом прочность.
Пластичность и вязкость
Пластичность - это то, насколько сильно сталь может согнуться или растянуться, прежде чем сломается. Жесткость - это то, насколько хорошо она выдерживает удары или внезапные силовые воздействия.
Такие процессы, как отжиг и нормализация, помогают улучшить оба показателя. Эти процессы смягчают сталь и делают ее менее склонной к образованию трещин.
Прочность необходима для таких деталей, как рамы, кронштейныОпоры. Эти детали часто подвергаются ударам или тряске. Без достаточной прочности сталь может сломаться при внезапном напряжении.
Износостойкость и коррозионная стойкость
Более твердая сталь обычно изнашивается медленнее. Поэтому термообработанные детали, такие как инструменты или штампы, часто служат дольше, чем необработанные.
Термообработка также помогает повысить устойчивость к ржавчине, особенно в сочетании с другими защитными покрытиями. Это не полное решение проблемы коррозии, но оно делает сталь более устойчивой в суровых условиях.
Изменения микроструктуры
Самые значительные изменения происходят внутри стали. Термическая обработка изменяет структуру зерна металла.
Различные формы, такие как мартенсит, перлит или бейнит, придают стали различные качества. Эти изменения определяют, насколько прочной, гибкой или сложной становится сталь.
Промышленное применение термообработанной стали
Термообработанная сталь используется во многих отраслях промышленности, где важны прочность, долговечность и износостойкость. Этот процесс помогает удовлетворить потребности в производительности без увеличения веса или стоимости.
Автомобильные компоненты
Многие автомобильные детали подвергаются термической обработке, чтобы выдержать нагрузки, удары и нагрев. К распространенным примерам относятся:
- Шестеренки
- Оси
- Коленчатые валы
- Детали подвески
Закалка придает этим деталям прочность, чтобы противостоять износу, а закалка помогает им поглощать удары без образования трещин. Результат - более долгий срок службы и лучшая производительность на дороге.
Аэрокосмическая промышленность и авиация
Авиационные детали должны быть прочными, но при этом легкими. Термообработанная сталь используется для:
- Шасси
- Детали двигателя
- Крепежи и кронштейны
Эти детали подвергаются воздействию экстремального давления, вибрации и перепадов температур. Термообработка придает им прочность и устойчивость, необходимые для безопасного полета.
Строительство и тяжелое оборудование
Конструкционная сталь, рамы машин и несущие детали - все они выигрывают от термообработки. Она повышает прочность при нагрузках и снижает вероятность разрушения:
- Краны
- Экскаваторы
- Строительные опоры
- Сварочные конструкции
Прочная, надежная сталь позволяет этим машинам работать дольше и выдерживать большие нагрузки без повреждений.
Производство инструментов и штампов
Режущие инструменты, штампы и пресс-формы подвергаются закалке, чтобы сохранить свою форму при многократном использовании. Примеры включают:
- Сверла для дрели
- Перфораторы
- Формы для литья под давлением
- Пресс-инструменты
Термообработанная сталь дольше сохраняет острые края и предотвращает растрескивание под действием силы. Это продлевает срок службы инструментов и обеспечивает бесперебойную работу производства.
Сравнение термически обработанной и нетермически обработанной стали
Выбор между термообработанной и нетермообработанной сталью зависит от предназначения детали. Каждый вариант имеет компромиссы в прочности, стоимости и долговечности.
Работа в жестких условиях
Термообработанная сталь лучше работает в суровых условиях. Она может выдерживать:
- Высокие нагрузки
- Трение
- Воздействие
- Нагревать
Сталь, не прошедшая термическую обработку, может погнуться, износиться или треснуть под нагрузкой. Она не подходит для деталей, которые находятся в постоянном движении или подвергаются воздействию экстремальных температур. Термическая обработка придает стали прочность и устойчивость, чтобы она прослужила долго в таких условиях.
Стоимость и долговечность
Термообработанная сталь обходится дороже, поскольку этот процесс требует дополнительного времени, труда и оборудования, но со временем он окупается.
Обработанные детали служат дольше, реже выходят из строя и сокращают потребность в замене или ремонте. Это снижает долгосрочные затраты, особенно для деталей машин, транспортных средств и инструментов.
Хотя сталь без термообработки может быть дешевле, она быстрее изнашивается. Выход из строя критически важных деталей может привести к простою или повреждению.
Соотношение веса и прочности
Термообработка повышает прочность стали без увеличения веса. Это позволяет инженерам использовать более тонкие или мелкие детали, отвечающие требованиям прочности.
Это полезно в таких отраслях, как автомобилестроение или аэрокосмическая промышленность, где снижение веса улучшает расход топлива и производительность.
Сталь, не прошедшая термическую обработку, требует большего объема, чтобы соответствовать этой прочности, что увеличивает вес и занимает больше места.
Заключение
Термообработанная сталь прочнее, сложнее и надежнее необработанной. Она лучше работает под нагрузкой, служит дольше и подходит для различных промышленных целей. От автомобильной и аэрокосмической промышленности до тяжелого оборудования и инструментов - термическая обработка помогает стали соответствовать требованиям реальных условий эксплуатации.
Вам нужны детали из термообработанной стали? Мы предлагаем индивидуальные решения с быстрыми сроками изготовления и жесткими допусками. Свяжитесь с нами сегодня чтобы получить бесплатное предложение или обсудить ваш следующий проект.
Привет, я Кевин Ли
Последние 10 лет я занимался различными формами изготовления листового металла и делился здесь интересными идеями из своего опыта работы в различных мастерских.
Связаться
Кевин Ли
У меня более десяти лет профессионального опыта в производстве листового металла, специализирующегося на лазерной резке, гибке, сварке и методах обработки поверхности. Как технический директор Shengen, я стремлюсь решать сложные производственные задачи и внедрять инновации и качество в каждом проекте.
