Изотермично отгряване на стомана – процес, температура, микроструктура и приложение

Изотермично отгряване на стомана е процес на термична обработка, при който след нагряване на материала до температурата на аустенитизация, стоманата се охлажда до подходящо избрана температура на трансформация и след това се държи изотермично, докато се постигне желаната микроструктура. След като основната трансформация е завършена, материалът може да се охлади до околна температура.
Не харесвам пълно отгряване, по време на което аустенитната трансформация протича по време на много бавно, непрекъснато охлаждане, изотермичното отгряване използва контролирано задържане на материала при определена температура. Това позволява по-добър контрол на процеса на трансформация, по-равномерна микроструктура и – за подходящи марки стомана – съкращаване на времето за обработка.
Процесът се използва предимно за легирани стомани, инструментални стомани и други марки, за които традиционното отгряване с много бавно охлаждане би отнело време или би затруднило получаването на необходимата структура.

Какво е изотермично отгряване?

Същността на процеса е да се отдели охлаждането след аустенитизация от действителното преобразуване на аустенита. След като се постигне подходяща аустенитна структура, стоманата не се охлажда много бавно до околна температура. Температурата се понижава до ниво, при което може да се осъществи контролирано преобразуване на аустенит, след което материалът се държи при тази температура за определен период.
Срок "изотермичен" означава, че основната част от трансформацията се осъществява, докато материалът се поддържа при приблизително постоянна температура.
Температурата и времето на задържане трябва да бъдат избрани за конкретния клас стомана. Те се определят от фактори като химичен състав, критични температури, кинетика на аустенитна трансформация, необходими свойства и размер на детайла.

Цел на изотермичното отгряване

Основната цел на изотермичното отгряване е да се получи контролирана и евентуално хомогенна микроструктура, използвайки аустенитната трансформация, протичаща при правилно избрана температура.
Процесът може да се използва за:

• намаляване на твърдостта на стоманата преди по-нататъшна обработка,
• подобряване на обработваемостта на подходящи марки стомана,
• получаване на по-хомогенна микроструктура в цялото напречно сечение на елемента,
• подготовка на материала за по-нататъшна термична обработка,
• контролиране на продуктите от аустенитната трансформация,
• съкращаване на времето за обработка в сравнение с много бавното охлаждане, използвано по време на класическото пълно отгряване, особено при някои легирани стомани.

Изотермичен процес на отгряване

Типичният изотермичен процес на отгряване може да бъде разделен на четири основни стъпки: аустенитизиране, охлаждане до температурата на трансформация, изотермично задържане и окончателно охлаждане.

1. Нагряване и аустенитизация

Стоманата се нагрява до температура, подходяща за класа и необходимата аустенитизация. По време на нагряване протичат трансформации, които водят до образуването на аустенит.
Температурата на аустенитизация не може да бъде определена като единна универсална стойност за всички стомани. Тя зависи от съдържанието на въглерод, легиращите елементи, началната структура и критичните температури на материала.

2. Охлаждане до изотермична температура на задържане

След завършване на аустенизацията, стоманата се охлажда до подходящо избрана температура, при която протича основното преобразуване на аустенита.
Тази стъпка трябва да се изпълни по такъв начин, че да се ограничи започването на нежелани трансформации по време на прехода към изотермичната температура на задържане. Необходимата скорост на охлаждане зависи от характеристиките на трансформация на конкретния клас стомана.

3. Изотермично съпротивление

След като се достигне необходимата температура, материалът се държи там за време, достатъчно за да се осъществи желаната аустенитна трансформация.
Тази стъпка отличава процеса от класическото пълно отгряване. Вместо да се провежда трансформацията с непрекъснато, много бавно понижаване на температурата, се използва температурен диапазон, в който трансформацията може да протича контролирано.

4. Окончателно охлаждане

След като необходимата трансформация е завършена, материалът се охлажда до околна температура. Тъй като първичната аустенитна трансформация вече е завършена по време на изотермично задържане, методът за допълнително охлаждане има различно значение от охлаждането директно от аустенитната област.
Точният метод на окончателно охлаждане трябва да се определи от технологията, подходяща за конкретния клас и размери на компонента.

Температура на изотермично отгряване

При изотермично отгряване трябва да се прави разлика между температура на аустенитизация od изотермична температура на задържанеТова са два различни параметъра на процеса.
Температурата на аустенитизация трябва да достигне необходимата аустенитна структура. След това материалът се охлажда до по-ниска температура, подходяща за необходимата трансформация.
Следователно, една единствена стойност, като например 600–700°C, не трябва да се използва като универсална „изотермична температура на отгряване“. Този диапазон може да се среща при специфични технологии, но подходящата температура зависи от марката стомана и процеса на нейното преобразуване.

Значението на CTPi диаграмите при изотермично отгряване

Изборът на параметри на изотермично отгряване е тясно свързан с кинетиката на аустенитните трансформации. Те са особено полезни CTPi – графики на трансформация време-температура за изотермични трансформации, показваща връзката между температурата, времето на задържане и хода на трансформациите на преохладен аустенит.
Въз основа на диаграмата можете да определите, наред с други неща:

• температурата, при която започва специфична трансформация,
• времето, необходимо за започване на трансформацията,
• времето, необходимо за завършването му,
• температурен диапазон на образуване на специфични продукти от аустенитната трансформация.

CTPi диаграмите са специфични за конкретен клас и състояние на материала. Следователно, параметрите на изотермично отгряване не трябва да се прехвърлят директно от един клас стомана към друг.

Какво се случва с аустенита по време на изотермично отгряване?

Аустенитът, образуван по време на нагряване, се превръща в преохладена структура, когато се охлади под диапазона си на стабилност. Ако стоманата се поддържа при подходяща температура, започват трансформации, водещи до образуването на нови микроструктурни компоненти.
Видът на получената структура зависи от изотермичната температура на задържане и характеристиките на трансформация на дадения клас стомана. В диапазона на перлитна трансформация може да се образува феритно-перлитна структура, чиято морфология зависи от температурата на трансформация.
Колкото по-ниска е температурата на трансформация в перлитния диапазон, толкова по-фина може да бъде получената перлитна структура. Тази промяна в микроструктурата впоследствие влияе върху твърдостта, якостта и обработваемостта на материала.

Микроструктура след изотермично отгряване

Няма единна характеристика на микроструктурата за всеки изотермичен процес на отгряване. Ефектът зависи от състава на стоманата, температурата на аустенитизация, скоростта на охлаждане до температурата на трансформация, както и от времето и температурата на задържане.
Ако процесът включва перлитна трансформация, целта може да бъде постигане на равномерна феритно-перлитна структура. Свойствата на такава структура зависят, наред с други неща, от степента на фрагментация на перлита и съотношението на отделните структурни компоненти.

Влияние на параметрите върху ефекта на изотермичното отгряване

Изотермично отгряване и пълно отгряване

И двата процеса могат да започнат с аустенитизация, но се различават по начина, по който се извършва аустенитната трансформация. пълно отгряване Материалът се охлажда много бавно, обикновено с пещта, а промените се случват, когато температурата непрекъснато спада.
При изотермично отгряване аустенитизираният материал се охлажда до определена температура и се държи там, за да претърпи трансформацията.

Изотермично отгряване и нормализиране

По време на нормализираща стомана След аустенитизация, материалът се охлажда на въздух. Характерната изотермична функция на отгряване, която се състои в спиране на процеса при определена температура за постигане на контролирана трансформация, се пропуска.
Нормализирането се използва предимно за стандартизиране и усъвършенстване на структурата и постигане на специфични механични свойства. Изотермичното отгряване, от друга страна, позволява по-прецизен контрол на условията на аустенитна трансформация.

Изотермично отгряване и сфероидизиращо отгряване

Сфероидизиращото отгряване е предназначено предимно за постигане на подходяща, почти сферична форма за цементит или други карбиди. То е особено важно за високовъглеродни, лагерни и инструментални стомани.
Изотермичното отгряване, от друга страна, използва аустенитната трансформация, която се случва по време на задържане при определена температура. Следователно целите и механизмите на двата процеса са различни, въпреки че и двата могат да се използват за подготовка на стоманата за по-нататъшна обработка.

Изотермично отгряване и изотермично закаляване

Изотермичното отгряване не трябва да се бърка с изотермичното закаляване. И в двата процеса материалът се държи при определена температура, но целта на обработката, диапазонът от температури на трансформация и необходимата крайна микроструктура са различни.
Изотермичното отгряване има за цел, наред с други неща, да постигне структура, подходяща за по-нататъшна обработка, и често да намали твърдостта. Изотермичното закаляване, от друга страна, използва внимателно подбран цикъл за постигане на структурата и свойствата, характерни за този вид закаляване.

Изотермично отгряване на легирани стомани

Изотермичното отгряване е от особено значение в случая на легирани стомани, тъй като наличието на елементи като хром, молибден, никел или манган може значително да промени кинетиката на преохладените аустенитни трансформации.
Увеличеното време, необходимо за започване и завършване на трансформацията по време на непрекъснато охлаждане, може да направи класическото пълно отгряване времеемко. Правилно проектираният изотермичен процес може да позволи по-контролирана трансформация.

Изотермично отгряване на инструментални стомани

Когато става въпрос за инструментални стомани, състоянието на материала преди машинна обработка и последващо закаляване е от решаващо значение. Подходящото отгряване може да намали твърдостта и да улесни прецизните операции по рязане.
Това обаче не означава, че изотермичното отгряване винаги е най-добрият метод за всяка инструментална стомана. За много високовъглеродни инструментални стомани изотермичното отгряване е особено важно. сфероидизиращо отгряване, тъй като свойствата на материала преди втвърдяване също се определят от формата и разпределението на карбидите.

Влиянието на изотермичното отгряване върху обработваемостта

Правилно извършеното изотермично отгряване може да подобри обработваемостта на материала чрез получаване на по-равномерна микроструктура и подходяща твърдост.
Не бива обаче да се приема, че простото минимизиране на твърдостта винаги осигурява оптимална обработваемост. Твърде меката и пластична стомана може да доведе до неблагоприятно образуване на стружки, натрупване на ръбове и влошаване на качеството на повърхността. Следователно, оптималната микроструктура трябва да бъде избрана за конкретния клас стомана и последващия метод на обработка.

Влиянието на размера на елемента върху изотермичния процес

Размерите на даден компонент са особено важни по време на прехода от температурата на аустенитизация към изотермичната температура на задържане. Повърхността на компонента се охлажда по-бързо от сърцевината му, така че постигането на равномерна температура в целия обем на компонентите с голямо сечение изисква внимателно проектиран процес.
Ако по време на охлаждане част от напречното сечение започне да се трансформира преди достигане на изотермичната температура на задържане, крайната микроструктура може да е нееднородна. Следователно, приложението на процеса трябва да вземе предвид не само марката стомана, но и масата и геометрията на компонента.

Предимства на изотермичното отгряване

• възможността за по-прецизен контрол на условията на аустенитна трансформация,
• възможност за получаване на хомогенна микроструктура,
• при подходящи стомани времето за процес може да бъде съкратено в сравнение с много бавното охлаждане,
• възможността за получаване на свойства, благоприятни за по-нататъшна обработка,
• подходящ за обработка на някои легирани и инструментални стомани,
• способността за адаптиране на микроструктурата към последващите етапи на производство.

Недостатъци и ограничения на изотермичното отгряване

• необходимостта от прецизен избор на температурата и времето на задържане за вида стомана,
• по-големи изисквания за контрол на температурата, отколкото при прости процеси на отгряване,
• ограничения, свързани с големи напречни сечения на елементите и разлики в скоростите на охлаждане на повърхността и сърцевината,
• рискът от започване на нежелана трансформация по време на охлаждане до изотермична температура,
• необходимостта от познаване на кинетиката на трансформациите на специфичен вид стомана,
• Процесът не е оптимален за всеки вид стомана.

Изотермично отгряване – най-важната информация

Изотермично отгряване е процес на термична обработка, който използва контролирана трансформация на преохладен аустенит, докато стоманата се държи при избрана температура. След аустенитизация материалът се охлажда до температурата на трансформация, държи се при тази температура за необходимото време и след това се охлажда до стайна температура.
В сравнение с пълното отгряване, този процес позволява по-директен контрол на условията на аустенитна трансформация и при подходящи стомани може да съкрати времето за обработка. Това е особено важно за някои легирани стомани, за които много бавното охлаждане по време на класическото пълно отгряване би било продължително.
Температурата на аустенитизация, изотермичната температура на задържане и времето за трансформация трябва да се избират индивидуално за конкретна марка стомана. Основният инструмент за анализ на такива трансформации са CTPi диаграмите, които изобразяват връзката между времето, температурата и хода на трансформациите на преохладения аустенит.

Методи за термична и термохимична обработка на стомана

Омекотяването е само една група процеси, използвани за модифициране на микроструктурата и свойствата на стоманата. В зависимост от желания ефект се използват също нормализиране, облекчаване на напрежението, закаляване, отпускане и термохимични процеси като цементация и азотиране.

Методи за термична обработка на стомана

• Нормализираща стомана – изтъняване на зърната и унифициране на микроструктурата.
• Отгряване за облекчаване на напрежението – намаляване на остатъчните напрежения.
• Омекотяване на стоманата – намаляване на твърдостта и подобряване на податливостта на по-нататъшна обработка.
• Пълно отгряване – аустенитизация и бавно охлаждане.
• Изотермично отгряване – трансформация, извършена при правилно избрана температура.
• Отгряване на топки – сфероидизиране – промяна в морфологията на цементита или други карбиди.
• Рекристализиращо отгряване – премахване на ефектите от смачкване и възстановяване на пластичността.
• Хомогенизиращо отгряване – намаляване на сегрегацията и хомогенизиране на състава на материала.
• Втвърдяване и термична обработка – оформяне на микроструктурата и свойствата чрез закаляване и отпускане.
• Закаляване на стомана – контролирана модификация на свойствата на стоманата след втвърдяване.
• Индукционно закаляване – повърхностно индукционно нагряване и бързо охлаждане.
• Втвърдяване на пламъка – повърхностно втвърдяване след локално нагряване с пламък.
• Пренасищане – получаване на пренаситен твърд разтвор чрез подходящ термичен цикъл.
• Стареене – контролирано фазово разделяне, водещо до укрепване на материала.

Методи за термохимична обработка на стомана

• Азотиране на стомана – дифузионно обогатяване на повърхностния слой с азот.
• Карбуризираща стомана – дифузионно обогатяване на повърхности с въглерод.
• Карбонитриране – едновременно обогатяване на повърхностния слой с въглерод и азот.
• Нитрокарбонизация / нитрокарбонизация – обогатяване на слоя предимно с азот и въглерод.
• Сондиране – дифузионно насищане на повърхността с бор.
• Дифузионно хромиране – дифузионно обогатяване на слоя с хром.
• Дифузионно алуминизиране – дифузионно обогатяване на слоя в алуминий.