El templado del acero es el proceso más importante y más utilizado en el proceso de tratamiento térmico. El enfriamiento puede aumentar significativamente la resistencia y dureza del acero.
La definición y el propósito de apagar.
El acero se calienta a una temperatura superior al punto crítico Ac3 (acero hipoeutectoide) o Ac1 (acero hipereutectoide), se mantiene durante un período de tiempo para austenitizarlo total o parcialmente y luego se enfría a una velocidad mayor que la velocidad crítica de enfriamiento. El proceso de tratamiento térmico que transforma la austenita sobreenfriada en martensita o bainita inferior se llama temple.
El propósito del templado es transformar la austenita sobreenfriada en martensita o bainita para obtener una estructura de martensita o bainita inferior, que luego se combina con revenido a diferentes temperaturas para mejorar en gran medida la resistencia, dureza y resistencia del acero. Usabilidad, resistencia a la fatiga y tenacidad, etc., para cumplir con los diferentes requisitos de uso de diversas piezas mecánicas y herramientas. El enfriamiento también se puede utilizar para cumplir con las propiedades físicas y químicas especiales de ciertos aceros especiales, como el ferromagnetismo y la resistencia a la corrosión.
Cuando las piezas de acero se enfrían en un medio de enfriamiento con cambios en el estado físico, el proceso de enfriamiento generalmente se divide en las tres etapas siguientes: etapa de película de vapor, etapa de ebullición y etapa de convección.
Templabilidad del acero
La templabilidad y la templabilidad son dos indicadores de rendimiento que caracterizan la capacidad del acero para sufrir temple. También son una base importante para la selección y el uso de materiales.
1. Los conceptos de templabilidad y templabilidad.
La templabilidad es la capacidad del acero para alcanzar la mayor dureza que puede alcanzar cuando se templa en condiciones ideales. El principal factor que determina la templabilidad del acero es el contenido de carbono del acero, o más precisamente, el contenido de carbono disuelto en la austenita durante el enfriamiento y el calentamiento. Cuanto mayor sea el contenido de carbono, mayor será la templabilidad del acero. Los elementos de aleación en el acero tienen poco impacto en la templabilidad, pero tienen un impacto significativo en la templabilidad del acero.
La templabilidad se refiere a las características que determinan la profundidad de endurecimiento y la distribución de la dureza del acero en condiciones específicas. Es decir, la capacidad de obtener la profundidad de la capa endurecida cuando se templa el acero. Es una propiedad inherente del acero. La templabilidad en realidad refleja la facilidad con la que la austenita se transforma en martensita cuando se templa el acero. Está relacionado principalmente con la estabilidad de la austenita sobreenfriada del acero, o con la velocidad crítica de enfriamiento del acero.
También cabe señalar que la templabilidad del acero debe distinguirse de la profundidad de endurecimiento efectiva de las piezas de acero en condiciones de temple específicas. La templabilidad del acero es una propiedad inherente del propio acero. Solo depende de sus propios factores internos y no tiene nada que ver con factores externos. La profundidad de templabilidad efectiva del acero no solo depende de la templabilidad del acero, sino que también depende del material utilizado. Está relacionado con factores externos como el medio refrigerante y el tamaño de la pieza de trabajo. Por ejemplo, en las mismas condiciones de austenización, la templabilidad del mismo acero es la misma, pero la profundidad de endurecimiento efectiva del templado con agua es mayor que la del templado con aceite, y las piezas pequeñas son más pequeñas que las del templado con aceite. La profundidad de endurecimiento efectiva de piezas grandes es grande. Esto no significa que el templado con agua tenga una mayor templabilidad que el templado con aceite, ni se puede decir que las piezas pequeñas tengan una mayor templabilidad que las piezas grandes. Se puede observar que para evaluar la templabilidad del acero se debe eliminar la influencia de factores externos como la forma, el tamaño de la pieza, el medio refrigerante, etc.
Además, dado que la templabilidad y la templabilidad son dos conceptos diferentes, el acero con alta dureza después del templado no necesariamente tiene una alta templabilidad; y el acero con baja dureza también puede tener una alta templabilidad.
2. Factores que afectan la templabilidad
La templabilidad del acero depende de la estabilidad de la austenita. Cualquier factor que pueda mejorar la estabilidad de la austenita sobreenfriada, desplazar la curva C hacia la derecha y, por lo tanto, reducir la velocidad de enfriamiento crítica, puede mejorar la templabilidad del acero de alto contenido en acero. La estabilidad de la austenita depende principalmente de su composición química, tamaño de grano y uniformidad de la composición, que están relacionados con la composición química del acero y las condiciones de calentamiento.
3.Método para determinar la templabilidad.
Existen muchos métodos para medir la templabilidad del acero, los más utilizados son el método de medición del diámetro crítico y el método de prueba de templabilidad final.
(1) Método de medición del diámetro crítico: después de que el acero se templa en un medio determinado, el diámetro máximo cuando se obtiene toda la martensita o 50% de estructura de martensita en el centro se denomina diámetro crítico, representado por Dc. El método de medición del diámetro crítico consiste en hacer una serie de varillas redondas con diferentes diámetros y, después del enfriamiento, medir la curva U de dureza distribuida a lo largo del diámetro en cada sección de muestra y encontrar la varilla con la estructura de semimartensita en el centro. El diámetro de la varilla redonda. Ese es el diámetro crítico. Cuanto mayor sea el diámetro crítico, mayor será la templabilidad del acero.
(2) Método de prueba de enfriamiento final El método de prueba de enfriamiento final utiliza una muestra templada de tamaño estándar (φ25 mm × 100 mm). Después de la austenitización, se rocía agua sobre la superficie de un extremo del equipo especial para enfriarlo. Después del enfriamiento, se enfría a lo largo de la dirección del eje. Método de prueba para medir la curva de relación entre dureza y distancia desde el extremo de refrigeración por agua. El método de prueba de endurecimiento final es uno de los métodos para determinar la templabilidad del acero. Sus ventajas son un funcionamiento sencillo y una amplia gama de aplicaciones.
4.Apagar la tensión, la deformación y el agrietamiento.
(1) Tensión interna de la pieza de trabajo durante el enfriamiento.
Cuando la pieza de trabajo se enfría rápidamente en el medio de enfriamiento, dado que la pieza de trabajo tiene un cierto tamaño y el coeficiente de conductividad térmica también es un cierto valor, se producirá un cierto gradiente de temperatura a lo largo de la sección interna de la pieza de trabajo durante el proceso de enfriamiento. La temperatura de la superficie es baja, la temperatura central es alta y las temperaturas superficial y central son altas. Hay una diferencia de temperatura. Durante el proceso de enfriamiento de la pieza de trabajo, también hay dos fenómenos físicos: uno es la expansión térmica, a medida que baja la temperatura, la longitud de la línea de la pieza de trabajo se contraerá; el otro es la transformación de austenita en martensita cuando la temperatura desciende hasta el punto de transformación de martensita. , lo que aumentará el volumen específico. Debido a la diferencia de temperatura durante el proceso de enfriamiento, la cantidad de expansión térmica será diferente en diferentes partes a lo largo de la sección transversal de la pieza de trabajo y se generará tensión interna en diferentes partes de la pieza de trabajo. Debido a la existencia de diferencias de temperatura dentro de la pieza de trabajo, también puede haber piezas donde la temperatura baje más rápido que el punto donde se produce la martensita. Tras la transformación, el volumen se expande y las piezas con alta temperatura siguen siendo más altas que el punto y todavía están en estado de austenita. Estas diferentes partes también generarán tensión interna debido a diferencias en cambios de volumen específicos. Por lo tanto, se pueden generar dos tipos de estrés interno durante el proceso de enfriamiento y enfriamiento: uno es estrés térmico y el otro es estrés tisular.
Según las características temporales de existencia de la tensión interna, también se puede dividir en tensión instantánea y tensión residual. La tensión interna generada por la pieza de trabajo en un momento determinado durante el proceso de enfriamiento se denomina tensión instantánea; Después de que se enfría la pieza de trabajo, la tensión que queda dentro de la pieza de trabajo se llama tensión residual.
La tensión térmica se refiere a la tensión causada por una expansión térmica inconsistente (o contracción en frío) debido a diferencias de temperatura en diferentes partes de la pieza de trabajo cuando se calienta (o enfría).
Ahora tome un cilindro sólido como ejemplo para ilustrar la formación y las reglas de cambio de tensión interna durante su proceso de enfriamiento. Aquí sólo se analiza la tensión axial. Al comienzo del enfriamiento, debido a que la superficie se enfría rápidamente, la temperatura es baja y se contrae mucho, mientras que el núcleo se enfría lentamente, la temperatura es alta y la contracción es pequeña. Como resultado, la superficie y el interior interfieren entre sí, lo que genera una tensión de tracción en la superficie, mientras que el núcleo está bajo presión. estrés. A medida que avanza el enfriamiento, la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior aumenta y la tensión interna también aumenta en consecuencia. Cuando la tensión aumenta hasta exceder el límite elástico a esta temperatura, se produce deformación plástica. Dado que la temperatura del núcleo es mayor que la de la superficie, el núcleo siempre se contrae axialmente primero. Como resultado de la deformación plástica, la tensión interna ya no aumenta. Después de enfriar durante un cierto período de tiempo, la disminución de la temperatura de la superficie se ralentizará gradualmente y su contracción también disminuirá gradualmente. En este momento, el núcleo todavía se está contrayendo, por lo que la tensión de tracción en la superficie y la tensión de compresión en el núcleo disminuirán gradualmente hasta desaparecer. Sin embargo, a medida que continúa el enfriamiento, la humedad de la superficie disminuye cada vez más y la cantidad de contracción es cada vez menor, o incluso deja de encogerse. Debido a que la temperatura del núcleo aún es alta, continuará contrayéndose y finalmente se formará una tensión de compresión en la superficie de la pieza de trabajo, mientras que el núcleo tendrá una tensión de tracción. Sin embargo, debido a que la temperatura es baja, no es fácil producir deformación plástica, por lo que esta tensión aumentará a medida que avanza el enfriamiento. Continúa aumentando y finalmente permanece dentro de la pieza de trabajo como tensión residual.
Se puede ver que la tensión térmica durante el proceso de enfriamiento inicialmente hace que la capa superficial se estire y el núcleo se comprima, y la tensión residual restante es que la capa superficial se comprima y el núcleo se estire.
En resumen, el estrés térmico generado durante el enfriamiento por enfriamiento es causado por la diferencia de temperatura de la sección transversal durante el proceso de enfriamiento. Cuanto mayor sea la velocidad de enfriamiento y mayor la diferencia de temperatura de la sección transversal, mayor será el estrés térmico generado. En las mismas condiciones del medio de enfriamiento, cuanto mayor es la temperatura de calentamiento de la pieza de trabajo, mayor es el tamaño, menor es el coeficiente de conductividad térmica del acero, mayor es la diferencia de temperatura dentro de la pieza de trabajo y mayor es la tensión térmica. Si la pieza de trabajo se enfría de manera desigual a alta temperatura, se distorsionará y deformará. Si la tensión de tracción instantánea generada durante el proceso de enfriamiento de la pieza de trabajo es mayor que la resistencia a la tracción del material, se producirán grietas por enfriamiento.
La tensión de transformación de fase se refiere a la tensión causada por los diferentes tiempos de transformación de fase en varias partes de la pieza de trabajo durante el proceso de tratamiento térmico, también conocida como tensión del tejido.
Durante el enfriamiento rápido y el enfriamiento rápido, cuando la capa superficial se enfría hasta el punto Ms, se produce una transformación martensítica y provoca una expansión de volumen. Sin embargo, debido a la obstrucción del núcleo que aún no ha sufrido transformación, la capa superficial genera esfuerzos de compresión, mientras que el núcleo tiene esfuerzos de tracción. Cuando la tensión es lo suficientemente grande, provocará deformación. Cuando el núcleo se enfría hasta el punto Ms, también sufrirá una transformación martensítica y expandirá su volumen. Sin embargo, debido a las limitaciones de la capa superficial transformada con baja plasticidad y alta resistencia, su tensión residual final será en forma de tensión superficial y el núcleo estará bajo presión. Se puede observar que el cambio y el estado final de la tensión de transformación de fase son exactamente opuestos a la tensión térmica. Además, dado que la tensión de cambio de fase se produce a bajas temperaturas con baja plasticidad, la deformación es difícil en este momento, por lo que es más probable que la tensión de cambio de fase cause grietas en la pieza de trabajo.
Hay muchos factores que afectan el tamaño de la tensión de transformación de fase. Cuanto más rápida sea la velocidad de enfriamiento del acero en el rango de temperatura de transformación de martensita, mayor será el tamaño de la pieza de acero, peor será la conductividad térmica del acero, mayor será el volumen específico de martensita y mayor será la tensión de transformación de fase. Cuanto más grande. Además, la tensión de transformación de fase también está relacionada con la composición del acero y la templabilidad del acero. Por ejemplo, el acero de alta aleación con alto contenido de carbono aumenta el volumen específico de martensita debido a su alto contenido de carbono, lo que debería aumentar la tensión de transformación de fase del acero. Sin embargo, a medida que aumenta el contenido de carbono, el punto Ms disminuye y hay una gran cantidad de austenita retenida después del enfriamiento. Su expansión de volumen disminuye y la tensión residual es baja.
(2) Deformación de la pieza de trabajo durante el enfriamiento.
Durante el enfriamiento, existen dos tipos principales de deformación en la pieza de trabajo: uno es el cambio en la forma geométrica de la pieza de trabajo, que se manifiesta como cambios de tamaño y forma, a menudo llamado deformación por alabeo, que es causado por la tensión de enfriamiento; el otro es la deformación del volumen. , que se manifiesta como una expansión o contracción proporcional del volumen de la pieza de trabajo, que es causada por el cambio de volumen específico durante el cambio de fase.
La deformación por alabeo también incluye la deformación de la forma y la deformación por torsión. La deformación por torsión se debe principalmente a la colocación inadecuada de la pieza de trabajo en el horno durante el calentamiento, o a la falta de tratamiento de conformación después de la corrección de la deformación antes del enfriamiento, o al enfriamiento desigual de varias partes de la pieza de trabajo cuando se enfría la pieza de trabajo. Esta deformación se puede analizar y solucionar para situaciones específicas. A continuación se analiza principalmente la deformación del volumen y la deformación de la forma.
1) Causas de la deformación por enfriamiento y sus reglas cambiantes.
Deformación del volumen causada por transformación estructural El estado estructural de la pieza de trabajo antes del temple es generalmente perlita, es decir, una estructura mixta de ferrita y cementita, y después del temple es una estructura martensítica. Los diferentes volúmenes específicos de estos tejidos provocarán cambios de volumen antes y después del enfriamiento, lo que provocará deformación. Sin embargo, esta deformación sólo hace que la pieza de trabajo se expanda y contraiga proporcionalmente, por lo que no cambia la forma de la pieza de trabajo.
Además, cuanto más martensita haya en la estructura después del tratamiento térmico, o cuanto mayor sea el contenido de carbono en la martensita, mayor será su expansión volumétrica, y cuanto mayor sea la cantidad de austenita retenida, menor será la expansión volumétrica. Por lo tanto, el cambio de volumen se puede controlar controlando el contenido relativo de martensita y austenita retenida durante el tratamiento térmico. Si se controla adecuadamente, el volumen no se expandirá ni se contraerá.
(a) Deformación de la forma causada por tensión térmica La deformación causada por tensión térmica ocurre en áreas de alta temperatura donde las piezas de acero tienen un límite elástico bajo, alta plasticidad, enfriamiento rápido de la superficie y la mayor diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la pieza de trabajo. En este momento, la tensión térmica instantánea es la tensión de tracción superficial y la tensión de compresión del núcleo. Dado que la temperatura del núcleo es alta en este momento, el límite elástico es mucho menor que el de la superficie, por lo que se manifiesta como una deformación bajo la acción de una tensión de compresión multidireccional, es decir, el cubo tiene una dirección esférica. Variedad. El resultado es que el más grande se contrae y el más pequeño se expande. Por ejemplo, un cilindro largo se acorta en la dirección longitudinal y se expande en la dirección del diámetro.
(b) Deformación de la forma causada por la tensión del tejido La deformación causada por la tensión del tejido también ocurre en el momento inicial cuando la tensión del tejido es máxima. En este momento, la diferencia de temperatura de la sección transversal es grande, la temperatura del núcleo es más alta, todavía está en estado de austenita, la plasticidad es buena y el límite elástico es bajo. La tensión tisular instantánea es la tensión de compresión superficial y la tensión de tracción del núcleo. Por tanto, la deformación se manifiesta como el alargamiento del núcleo bajo la acción de tensiones de tracción multidireccionales. El resultado es que bajo la acción de la tensión del tejido, el lado más grande de la pieza de trabajo se alarga, mientras que el lado más pequeño se acorta. Por ejemplo, la deformación causada por la tensión del tejido en un cilindro largo es un alargamiento de longitud y una reducción de diámetro. La siguiente tabla muestra las reglas de deformación por enfriamiento de varias piezas de acero típicas.
imagen
2) Factores que afectan la deformación por enfriamiento.
Los factores que afectan la deformación por temple son principalmente la composición química del acero, la estructura original, la geometría de las piezas y el proceso de tratamiento térmico.
(3) Apagar grietas
Las grietas en las piezas ocurren principalmente en la última etapa de enfriamiento y enfriamiento, es decir, después de que se completa básicamente la transformación martensítica o después del enfriamiento completo, se produce una falla frágil porque la tensión de tracción en las piezas excede la resistencia a la fractura del acero. Las grietas suelen ser perpendiculares a la dirección de máxima deformación por tracción, por lo que las diferentes formas de grietas en las piezas dependen principalmente del estado de distribución de tensiones.
Tipos comunes de grietas por enfriamiento: Las grietas longitudinales (axiales) se generan principalmente cuando la tensión de tracción tangencial excede la resistencia a la rotura del material; Las grietas transversales se forman cuando la gran tensión de tracción axial formada en la superficie interior de la pieza excede la resistencia a la rotura del material. Grietas; las grietas de la red se forman bajo la acción de una tensión de tracción bidimensional en la superficie; Las grietas por desprendimiento ocurren en una capa endurecida muy delgada, lo que puede ocurrir cuando la tensión cambia bruscamente y una tensión de tracción excesiva actúa en la dirección radial. Una especie de crack.
Las grietas longitudinales también se denominan grietas axiales. Las grietas ocurren bajo la tensión máxima de tracción cerca de la superficie de la pieza y tienen una cierta profundidad hacia el centro. La dirección de las grietas es generalmente paralela al eje, pero la dirección también puede cambiar cuando hay concentración de tensiones en la pieza o cuando hay defectos estructurales internos.
Una vez que la pieza de trabajo está completamente templada, es probable que se produzcan grietas longitudinales. Esto está relacionado con la gran tensión de tracción tangencial en la superficie de la pieza de trabajo templada. A medida que aumenta el contenido de carbono del acero, aumenta la tendencia a formar grietas longitudinales. El acero con bajo contenido de carbono tiene un pequeño volumen específico de martensita y un fuerte estrés térmico. Hay una gran tensión de compresión residual en la superficie, por lo que no es fácil apagarla. A medida que aumenta el contenido de carbono, la tensión de compresión superficial disminuye y la tensión estructural aumenta. Al mismo tiempo, la tensión máxima de tracción se mueve hacia la capa superficial. Por lo tanto, el acero con alto contenido de carbono es propenso a sufrir grietas longitudinales cuando se sobrecalienta.
El tamaño de las piezas afecta directamente el tamaño y la distribución de la tensión residual, y su tendencia al agrietamiento por enfriamiento también es diferente. Las grietas longitudinales también se forman fácilmente mediante enfriamiento dentro del rango de tamaño de sección transversal peligroso. Además, el bloqueo de las materias primas de acero provoca a menudo grietas longitudinales. Dado que la mayoría de las piezas de acero se fabrican mediante laminación, las inclusiones no doradas, carburos, etc. en el acero se distribuyen a lo largo de la dirección de deformación, lo que hace que el acero sea anisotrópico. Por ejemplo, si el acero para herramientas tiene una estructura en forma de banda, su resistencia a la fractura transversal después del templado es entre un 30% y un 50% menor que la resistencia a la fractura longitudinal. Si hay factores como inclusiones distintas de oro en el acero que causan la concentración de tensiones, incluso si la tensión tangencial es mayor que la tensión axial, es fácil que se formen grietas longitudinales en condiciones de tensión baja. Por esta razón, un control estricto del nivel de inclusiones no metálicas y azúcar en el acero es un factor importante para prevenir las grietas por enfriamiento.
Las características de distribución de tensiones internas de las grietas transversales y las grietas de arco son: la superficie está sujeta a tensiones de compresión. Después de abandonar la superficie por una cierta distancia, la tensión de compresión cambia a una gran tensión de tracción. La grieta ocurre en el área de la tensión de tracción, y luego cuando la tensión interna se propaga a la superficie de la pieza solo si se redistribuye o si la fragilidad del acero aumenta aún más.
Las grietas transversales suelen aparecer en piezas grandes del eje, como rodillos, rotores de turbinas u otras piezas del eje. Las características de las grietas son que son perpendiculares a la dirección del eje y se rompen de adentro hacia afuera. A menudo se forman antes de endurecerse y son causadas por estrés térmico. Las piezas forjadas grandes suelen tener defectos metalúrgicos como poros, inclusiones, grietas de forja y manchas blancas. Estos defectos sirven como punto de partida de fractura y rotura bajo la acción de esfuerzos de tracción axial. Las grietas por arco son causadas por tensión térmica y generalmente se distribuyen en forma de arco en las partes donde cambia la forma de la pieza. Ocurre principalmente dentro de la pieza de trabajo o cerca de bordes afilados, ranuras y agujeros, y se distribuye en forma de arco. Cuando las piezas de acero con alto contenido de carbono con un diámetro o espesor de 80 a 100 mm o más no se templan, la superficie mostrará tensión de compresión y el centro mostrará tensión de tracción. Tensión, en la capa endurecida a no-
