Ủ hoàn toàn thép – Quy trình, nhiệt độ, cấu trúc vi mô và ứng dụng

Ủ thép toàn phần Đây là một quá trình xử lý nhiệt bao gồm việc nung nóng vật liệu đến nhiệt độ đủ để đạt được trạng thái austenit hóa, giữ ở nhiệt độ đó, và sau đó làm nguội rất chậm, thường là trong lò nung. Mục tiêu của quá trình này là đạt được cấu trúc gần trạng thái cân bằng, giảm độ cứng, tăng độ dẻo và chuẩn bị thép cho các quá trình gia công cơ học hoặc nhiệt tiếp theo.
Quá trình ủ hoàn toàn chủ yếu được sử dụng cho thép dưới điểm eutectoid. Chu trình nung nóng và làm nguội chậm được lựa chọn cẩn thận cho phép chuyển đổi cấu trúc ban đầu thành ferit và perlit, đạt được các đặc tính thuận lợi cho quá trình gia công vật liệu tiếp theo.
Quá trình này thuộc nhóm các phương pháp. thép mềmTuy nhiên, điều này không đồng nghĩa với việc làm mềm. Việc giảm độ cứng cũng có thể đạt được bằng cách làm cầu hóa, ủ đẳng nhiệt hoặc ủ tái kết tinh, với cơ chế và ứng dụng của mỗi quy trình là khác nhau.

Ủ thép toàn phần là gì?

Nguyên tắc cơ bản của quá trình ủ hoàn toàn là sự chuyển đổi cấu trúc thép thành austenit trong quá trình nung nóng, tiếp theo là sự phân hủy có kiểm soát của austenit trong quá trình làm nguội rất chậm. Trong trường hợp thép dưới điểm eutectoid, vật liệu được nung nóng trên nhiệt độ tới hạn Ac3, cho phép ferit và perlit có trong cấu trúc ban đầu chuyển hóa thành austenit.
Sau khi quá trình austenit hóa hoàn tất, thép được nung nóng trong thời gian cần thiết để cân bằng nhiệt độ trên toàn tiết diện và đạt được các biến đổi cần thiết. Sau đó, vật liệu được làm nguội từ từ trong lò. Khi đi qua phạm vi nhiệt độ chuyển đổi, austenit dần dần chuyển hóa thành cấu trúc ferit-perlit.
Làm nguội chậm là yếu tố then chốt quyết định kết quả của quá trình. Nó là điểm khác biệt giữa quá trình ủ hoàn toàn với, trong số những yếu tố khác, thép chuẩn hóaTrong giai đoạn này, vật liệu được làm nguội trong không khí sau khi nung nóng đến trạng thái austenit.

Mục đích của quá trình ủ hoàn toàn

Quá trình ủ toàn phần được sử dụng khi cần vật liệu có cấu trúc tương đối mềm, dẻo và đồng nhất hơn. Quá trình này có thể được thực hiện sau khi rèn, cán nóng, đúc hoặc các công đoạn gia công khác khiến cấu trúc vật liệu không thuận lợi cho việc gia công tiếp theo.
Mục đích chính của quá trình ủ toàn phần là:

• làm giảm độ cứng của thép,
• làm tăng tính dẻo của vật liệu,
• thu được cấu trúc vi mô đồng nhất hơn,
• Sự chuyển đổi cấu trúc không thuận lợi được tạo ra trong các quy trình công nghệ trước đó,
• Chuẩn bị vật liệu cho các công đoạn gia công tiếp theo.
• Chuẩn bị thép cho các quy trình xử lý nhiệt tiếp theo.
• Đạt được trạng thái đầu ra có thể dự đoán được trước khi xử lý tiếp.

Nhiệt độ ủ hoàn toàn

Nhiệt độ ủ hoàn toàn không phải là một hằng số duy nhất cho tất cả các loại thép. Nó được lựa chọn dựa trên các nhiệt độ tới hạn phát sinh từ thành phần hóa học của vật liệu.
Đối với thép dưới điểm eutectoid được sử dụng trong quá trình ủ toàn phần cổ điển, nhiệt độ của quá trình là nhiệt độ trên Ac3Trên thực tế, người ta sử dụng nhiệt độ quá cao thích hợp trên Ac3, đủ để thực hiện quá trình austenit hóa đúng cách mà không làm tăng nhiệt độ xử lý một cách không cần thiết.
Các giá trị được tìm thấy trong tài liệu định nghĩa nhiệt độ ủ là một số độ cụ thể trên Ac3 nên được xem là gần đúng. Nhiệt độ chính xác cần được xác định bởi mác thép, thành phần hóa học, cấu trúc ban đầu, kích thước chi tiết và hiệu quả công nghệ mong muốn.

Nhiệt độ tới hạn Ac1 và Ac3 – tầm quan trọng trong quá trình ủ nhiệt

Nhiệt độ tới hạn liên quan đến những thay đổi xảy ra trong quá trình nung nóng thép rất quan trọng để hiểu rõ quá trình ủ hoàn toàn.

• Ac1 – nhiệt độ mà tại đó quá trình chuyển hóa dẫn đến sự hình thành austenit bắt đầu trong quá trình nung nóng.
• Ac3 – nhiệt độ mà ở đó quá trình chuyển hóa thành austenit hoàn tất trong thép dưới điểm eutectoid.

Chữ "c" trong ký hiệu Ac đề cập đến nhiệt độ tới hạn được xác định trong quá trình nung nóng. Trong quá trình làm nguội, ký hiệu Ar được sử dụng vì, do động học của các chuyển đổi, nhiệt độ chuyển đổi trong quá trình nung nóng và làm nguội không giống nhau.
Trong quá trình ủ hoàn toàn thép dưới điểm eutectoid cổ điển, việc vượt quá Ac3 cho phép thu được cấu trúc austenit trước khi bắt đầu làm nguội chậm.

Quy trình ủ hoàn toàn – sơ đồ quy trình

Quá trình này có thể được chia thành ba giai đoạn chính: gia nhiệt, giữ nhiệt và làm nguội chậm.

1. Nung nóng thép

Chi tiết được nung nóng đến nhiệt độ ủ thích hợp cho từng loại vật liệu. Phương pháp nung nóng cần tính đến kích thước và hình dạng của chi tiết, tiết diện ngang, độ dẫn nhiệt của vật liệu và khả năng xảy ra chênh lệch nhiệt độ.
Đối với các sản phẩm rèn, đúc hoặc các chi tiết có kích thước lớn với tiết diện thay đổi đáng kể, việc nung nóng quá nhanh có thể dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bề mặt và lõi. Điều này có thể gây ra ứng suất nhiệt, vì vậy trong thực tiễn công nghiệp, chu trình nung nóng có thể bao gồm thêm các giai đoạn trung gian.

2. Sưởi ấm

Khi đạt đến nhiệt độ yêu cầu, chi tiết được nung nóng để làm đồng đều nhiệt độ trên toàn bộ tiết diện và thực hiện các thay đổi cấu trúc cần thiết.
Thời gian gia nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mác thép, kích thước chi tiết, hình dạng, trọng lượng mẻ sản phẩm, loại lò và phương pháp gia nhiệt. Do đó, việc quy đổi đơn giản thời gian trên mỗi milimét độ dày không nên được coi là quy tắc công nghệ phổ quát.

3. Làm nguội từ từ trong lò nướng

Sau khi quá trình ủ hoàn tất, giai đoạn quan trọng nhất về mặt cấu trúc vi mô cuối cùng bắt đầu: làm nguội chậm. Trong quá trình ủ hoàn toàn cổ điển, thép nguội cùng với lò nung trong phạm vi nhiệt độ nơi xảy ra quá trình chuyển đổi austenit.
Quá trình tản nhiệt chậm tạo điều kiện cho các biến đổi khuếch tán xảy ra và hình thành cấu trúc gần trạng thái cân bằng. Sau khi trải qua một loạt các biến đổi đáng kể, quá trình làm nguội tiếp tục có thể được thực hiện bằng công nghệ phù hợp với vật liệu và linh kiện cụ thể.

Điều gì xảy ra với thép khi nguội?

Trong quá trình làm nguội chậm thép dưới điểm eutectoid, austenit trải qua quá trình biến đổi dần dần. Khi nhiệt độ vượt quá một mức nhất định, ferit bắt đầu kết tủa, và austenit còn lại thay đổi thành phần khi nhiệt độ giảm xuống.
Khi tiếp tục làm nguội, austenit còn lại trải qua quá trình chuyển hóa thành pealit. Kết quả là, ở nhiệt độ môi trường, thép dưới điểm eutectoid điển hình sau khi ủ hoàn toàn có cấu trúc bao gồm... ferit và perlit.
Tỷ lệ các thành phần cấu trúc riêng lẻ chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon. Khi hàm lượng cacbon trong thép dưới điểm eutectoid tăng lên, tỷ lệ perlit tăng lên, trong khi tỷ lệ ferit trước điểm eutectoid giảm xuống.

Cấu trúc vi mô của thép sau khi ủ hoàn toàn

Cấu trúc vi mô cuối cùng là một trong những yếu tố quan trọng nhất quyết định tính chất của thép sau khi ủ. Thép dưới điểm eutectoid điển hình có cấu trúc ferit-perlit.
Do quá trình làm nguội chậm, khoảng cách giữa các phiến ferit và xementit trong perlit có thể lớn hơn so với khi làm nguội nhanh hơn trong quá trình chuẩn hóa. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất cơ học của vật liệu.
Cấu trúc thu được sau quá trình ủ hoàn toàn thường có độ cứng và độ bền thấp hơn, nhưng độ dẻo cao hơn so với cấu trúc thu được sau quá trình chuẩn hóa cùng loại thép đó.

Ferrit, perlit và xementit trong thép ủ

Ferrit Đây là một thành phần cấu trúc mềm và dẻo của thép. Hàm lượng cao của nó góp phần tạo nên độ cứng tương đối thấp và khả năng biến dạng tốt của vật liệu.
đá trân châu Perlit là hỗn hợp ferit và xementit được hình thành trong quá trình chuyển đổi eutectoid. Tính chất của nó phụ thuộc, trong số những yếu tố khác, vào khoảng cách giữa các phiến mỏng của cả hai pha. Do đó, tốc độ làm nguội ảnh hưởng đến hình thái của perlit và, do đó, ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của thép.
Xi măng sắt₃C Đây là một pha cứng và giòn chứa cacbon. Hàm lượng, hình dạng và sự phân bố của nó có tác động đáng kể đến độ cứng, khả năng gia công và tính chất của thép trong quá trình gia công tiếp theo.

Ảnh hưởng của quá trình ủ hoàn toàn đến tính chất của thép

Ủ hoàn toàn và chuẩn hóa thép

Ủ toàn phần và chuẩn hóa đều có chung bước tôi hóa, nhưng chúng khác nhau về cơ bản ở phương pháp làm nguội. Trong quá trình ủ toàn phần, thép được làm nguội rất chậm, thường là trong lò. Trong quá trình chuẩn hóa, việc làm nguội diễn ra trong không khí.

Ủ nhiệt hoàn toàn và ủ nhiệt cầu hóa

Không nên coi hai quá trình này là đồng nghĩa. Ủ hoàn toàn sử dụng phương pháp austenit hóa và làm nguội chậm để đạt được cấu trúc ferit-perlit. Mặt khác, ủ cầu hóa chủ yếu làm thay đổi hình thái của xementit và các cacbua khác.
Trong thép cacbon cao và thép dụng cụ, cấu trúc với các cacbua phân bố hợp lý ở dạng gần như hình cầu có thể mang lại nhiều lợi ích hơn trước khi gia công và tôi cứng sau đó. Vì lý do này, đối với các vật liệu như vậy, ủ cầu hóa thay vì phương pháp ủ toàn phần cổ điển.

Ủ hoàn toàn và ủ giảm ứng suất

Ủ nhiệt giảm ứng suất Quá trình này được thực hiện dưới phạm vi austenit hóa vì nhiệm vụ chính của nó là giảm ứng suất dư mà không làm thay đổi cấu trúc vi mô cơ bản của vật liệu.
Tuy nhiên, trong quá trình ủ hoàn toàn, thép được austenit hóa, và sau đó một cấu trúc vi mô mới được hình thành trong quá trình làm nguội chậm. Sự khác biệt không chỉ nằm ở nhiệt độ mà còn ở cơ chế và mục đích của toàn bộ quá trình.

Ủ và tôi cứng hoàn toàn

Làm cứng Quá trình ủ hoàn toàn có thể bắt đầu bằng việc nung nóng thép đến vùng austenit, nhưng sau khi ủ, chúng diễn ra theo một cách hoàn toàn khác.
Trong quá trình ủ, thép được làm nguội rất chậm để cho phép các biến đổi khuếch tán và đạt được cấu trúc tương đối mềm. Trong quá trình tôi cứng, vật liệu được làm nguội đủ nhanh để hạn chế các biến đổi khuếch tán và đạt được cấu trúc có độ cứng cao, thường với hàm lượng mactenxit đáng kể.
Nói một cách đơn giản, cả hai quá trình này có thể được coi là trái ngược nhau về hiệu quả mong muốn: ủ hoàn toàn chủ yếu nhằm mục đích làm mềm vật liệu và tăng khả năng gia công tiếp theo, trong khi tôi cứng nhằm mục đích tăng độ cứng của vật liệu.

Ủ nhiệt toàn phần và ủ nhiệt đẳng nhiệt

Trong quá trình ủ toàn phần, sự chuyển đổi austenit xảy ra trong quá trình làm nguội liên tục và rất chậm. Trong quá trình ủ đẳng nhiệt, sau khi austenit hóa, vật liệu được đưa đến nhiệt độ thích hợp đã chọn và giữ ở nhiệt độ đó trong thời gian cần thiết để đạt được sự chuyển đổi mong muốn.
Ủ đẳng nhiệt có thể mang lại lợi ích cho một số loại thép hợp kim mà phương pháp làm nguội chậm truyền thống sẽ đòi hỏi thời gian rất dài.

Ủ hoàn toàn sau khi rèn

Quá trình rèn nóng có thể tạo ra cấu trúc vật liệu đòi hỏi phải xử lý nhiệt thêm. Tùy thuộc vào nhiệt độ cuối quá trình rèn, tốc độ làm nguội, mác thép và kích thước sản phẩm rèn, cấu trúc có thể không đồng nhất hoặc không phù hợp cho việc gia công tiếp theo.
Đối với một số loại thép nhất định, có thể sử dụng phương pháp ủ toàn phần để chuẩn bị phôi cho quá trình gia công hoặc xử lý nhiệt tiếp theo. Trong các trường hợp khác, phương pháp chuẩn hóa, ủ đẳng nhiệt hoặc ủ cầu hóa có thể phù hợp hơn.

Ủ hoàn toàn sau khi cán

Tình huống tương tự cũng xảy ra với các sản phẩm bán thành phẩm cán nóng. Cấu trúc vi mô cuối cùng phụ thuộc vào nhiệt độ cán, mức độ biến dạng và điều kiện làm nguội.
Quá trình ủ có thể được sử dụng để đạt được cấu trúc và tính chất cần thiết cho các công đoạn gia công tiếp theo. Tuy nhiên, không nên nhầm lẫn quá trình này với quá trình ủ tái kết tinh, được sử dụng sau khi gia công nguội kéo dài.

Ủ hoàn toàn thép cacbon

Quá trình ủ toàn phần cổ điển đặc biệt quan trọng đối với thép cacbon dưới điểm eutectoid. Khi hàm lượng cacbon tăng lên, nhiệt độ tới hạn và tỷ lệ ferit và perlit trong cấu trúc cuối cùng sẽ thay đổi.
Đối với thép có hàm lượng cacbon cao hơn, mục đích của quá trình gia công tiếp theo cũng cần được xem xét. Nếu mục tiêu quan trọng nhất là đạt được khả năng gia công tuyệt vời và cấu trúc phù hợp trước khi tôi cứng, đặc biệt là đối với thép cacbon cao, thì phương pháp ủ cầu hóa có thể được ưu tiên hơn.

Ủ hoàn toàn thép hợp kim

Trong thép hợp kim, sự hiện diện của crom, molypden, niken, mangan và các nguyên tố khác làm thay đổi nhiệt độ chuyển pha và động học phân hủy austenit. Để tăng khả năng tôi cứng, cần lựa chọn chu trình làm nguội cẩn thận.
Đối với một số loại thép hợp kim, quá trình làm nguội rất chậm cần thiết để đạt được cấu trúc mong muốn có thể kéo dài đáng kể thời gian xử lý. Trong những trường hợp như vậy, quá trình ủ đẳng nhiệt có thể mang lại nhiều lợi thế hơn về mặt công nghệ.

Hiệu quả của quá trình ủ hoàn toàn phụ thuộc vào điều gì?

Các lỗi thường gặp nhất trong quá trình ủ toàn phần

Việc ủ nhiệt không đúng cách không chỉ không mang lại kết quả như mong đợi mà còn có thể làm suy giảm các đặc tính của vật liệu.

• Nhiệt độ quá cao – có thể gây ra sự phát triển quá mức của các hạt austenit.
• Đun nóng quá lâu – làm tăng nguy cơ nảy mầm và kéo dài quá trình một cách không cần thiết.
• Nhiệt độ không đủ – có thể ngăn cản quá trình austenit hóa cần thiết diễn ra.
• Làm lạnh quá nhanh – Có thể dẫn đến cấu trúc và đặc tính khác với dự kiến.
• Sưởi ấm không đều – Ở các cấu kiện lớn, điều này có thể dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ và hình thành ứng suất nhiệt.
• Lựa chọn quy trình không phù hợp với loại thép. – Đối với thép cacbon cao, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim cao, một loại ủ khác có thể phù hợp hơn.

Ưu điểm của quá trình ủ hoàn toàn

• làm giảm độ cứng của vật liệu,
• tăng tính dẻo,
• khả năng đạt được cấu trúc vi mô đồng nhất hơn,
• Chuẩn bị vật liệu cho các công đoạn gia công tiếp theo.
• Chuẩn bị thép cho các quy trình xử lý nhiệt tiếp theo.
• Khả năng thay đổi cấu trúc không thuận lợi sau các quy trình công nghệ trước đó.

Nhược điểm và hạn chế của quá trình ủ hoàn toàn

• Thời gian xử lý kéo dài do quá trình làm nguội chậm.
• Thời gian và năng lượng tiêu hao cao khi vận hành lò nung, đặc biệt là đối với các chi tiết lớn.
• Khả năng hạt phát triển khi chọn nhiệt độ hoặc thời gian không chính xác.
• Không phải lúc nào cũng mang lại khả năng gia công tốt nhất cho thép cacbon cao.
• Đối với một số loại thép hợp kim, quá trình ủ đẳng nhiệt hoặc ủ cầu hóa có thể mang lại nhiều lợi ích hơn.
• Các thông số quy trình phải được lựa chọn phù hợp với loại và kích thước cụ thể của chi tiết.

Ủ nhiệt toàn phần – ứng dụng công nghiệp

Quá trình ủ toàn phần có thể được sử dụng ở nhiều giai đoạn khác nhau trong sản xuất thép. Nó thường được sử dụng nhất như một quy trình chuẩn bị trước khi gia công hoặc xử lý nhiệt tiếp theo.
Typowe zastosowania obejmują:

• các sản phẩm rèn thép,
• các sản phẩm đúc thép có mác thép phù hợp,
• các sản phẩm bán thành phẩm cán nóng,
• Các bộ phận máy móc dùng để gia công cơ khí tiếp theo,
• trục, bánh xe và các bộ phận kết cấu khác,
• Sản phẩm bán thành phẩm được chuẩn bị cho các quy trình xử lý nhiệt tiếp theo.

Ủ nhiệt hoàn toàn – thông tin quan trọng nhất

Ủ hoàn toàn Quá trình austenit hóa thép là một quá trình xử lý nhiệt sử dụng phương pháp austenit hóa và làm nguội rất chậm thép, thường được thực hiện trong lò nung. Đối với thép dưới điểm eutectoid, quá trình này dẫn đến sự hình thành cấu trúc ferit-perlit và cho phép thu được vật liệu có độ cứng thấp hơn và độ dẻo cao hơn so với đặc tính làm nguội nhanh của quá trình chuẩn hóa.
Quá trình này chủ yếu được sử dụng như một bước chuẩn bị thép cho các quá trình gia công cơ học hoặc nhiệt tiếp theo. Tuy nhiên, nó không phải là giải pháp phổ quát. Đối với thép cacbon cao và thép dụng cụ, ủ cầu hóa có thể mang lại nhiều lợi ích hơn, trong khi đối với một số loại thép hợp kim, ủ đẳng nhiệt có thể hiệu quả hơn. Các thông số cuối cùng của quá trình ủ toàn phần luôn phải được lựa chọn dựa trên mác thép cụ thể, nhiệt độ tới hạn, kích thước chi tiết, cấu trúc vi mô ban đầu và các đặc tính cuối cùng cần thiết.

Các phương pháp xử lý nhiệt và nhiệt hóa học đối với thép

Làm mềm chỉ là một trong số các quy trình được sử dụng để thay đổi cấu trúc vi mô và tính chất của thép. Tùy thuộc vào hiệu quả mong muốn, các quy trình như chuẩn hóa, giảm ứng suất, tôi cứng, ram và các quy trình nhiệt hóa học như thấm cacbon và thấm nitơ cũng được sử dụng.

Các phương pháp xử lý nhiệt thép

• Thép chuẩn hóa – Tinh luyện hạt và thống nhất cấu trúc vi mô.
• Ủ nhiệt giảm ứng suất – Giảm ứng suất dư.
• Sự mềm hóa thép – Giảm độ cứng và cải thiện khả năng gia công tiếp theo.
• Ủ hoàn toàn – Quá trình austenit hóa và làm nguội chậm.
• Ủ đẳng nhiệt – Quá trình chuyển hóa được thực hiện trong khi giữ ở nhiệt độ đã được lựa chọn phù hợp.
• Ủ bi – tạo hình cầu – Sự thay đổi về hình thái của xi măngit hoặc các cacbua khác.
• Ủ tái kết tinh – Loại bỏ tác động của sự nghiền nát và khôi phục tính dẻo.
• Ủ đồng nhất – Giảm thiểu sự phân tách và đồng nhất thành phần vật liệu.
• Tôi cứng và xử lý nhiệt – Điều chỉnh cấu trúc vi mô và tính chất bằng phương pháp tôi cứng và ram nhiệt.
• Thép tôi luyện – Điều chỉnh có kiểm soát các đặc tính của thép sau khi tôi cứng.
• Tôi cứng bằng cảm ứng – Gia nhiệt cảm ứng bề mặt và làm nguội nhanh.
• Tôi cứng bằng ngọn lửa – Làm cứng bề mặt sau khi nung nóng cục bộ bằng ngọn lửa.
• Quá bão hòa – Thu được dung dịch rắn siêu bão hòa bằng chu trình nhiệt thích hợp.
• Lão hóa – Sự phân tách pha được kiểm soát dẫn đến sự tăng cường độ bền vật liệu.

Các phương pháp xử lý nhiệt hóa học đối với thép

• Quá trình nitriding thép – Sự làm giàu nitơ ở lớp bề mặt bằng phương pháp khuếch tán.
• Thép cacbon hóa – Làm giàu bề mặt bằng phương pháp khuếch tán carbon.
• Cacbonit hóa – Làm giàu đồng thời lớp bề mặt bằng cacbon và nitơ.
• Nitrocacbon hóa / nitrocacbon hóa – Làm giàu lớp đất chủ yếu bằng nitơ và carbon.
• Khoan – Sự bão hòa khuếch tán của bề mặt với boron.
• Mạ crom khuếch tán – Sự làm giàu lớp bằng phương pháp khuếch tán crom.
• Mạ nhôm bằng phương pháp khuếch tán – Sự làm giàu bằng khuếch tán của lớp nhôm.