Metaalwarmtebehandeling is een procesmethode waarbij een metalen werkstuk in een bepaald medium wordt geplaatst en tot een geschikte temperatuur wordt verhit. Vervolgens wordt het werkstuk gedurende een bepaalde tijd op deze temperatuur gehouden en vervolgens met verschillende snelheden afgekoeld.
Metaalwarmtebehandeling is een van de belangrijke processen in de mechanische productie. Vergeleken met andere verwerkingstechnologieën verandert warmtebehandeling over het algemeen niet de vorm en de algehele chemische samenstelling van het werkstuk, maar verandert eerder de microstructuur in het werkstuk of de chemische samenstelling op het oppervlak van het werkstuk om de prestaties van het werkstuk te geven of te verbeteren. Het kenmerk is om de intrinsieke kwaliteit van het werkstuk te verbeteren, wat over het algemeen niet zichtbaar is met het blote oog.
Om het metalen werkstuk de vereiste mechanische eigenschappen, fysieke eigenschappen en chemische eigenschappen te geven, zijn naast de redelijke selectie van materialen en verschillende vormprocessen, warmtebehandelingsprocessen vaak onmisbaar. Staal is het meest gebruikte materiaal in de machine-industrie. De microstructuur van staal is complex en kan worden gecontroleerd door warmtebehandeling, dus de warmtebehandeling van staal is de belangrijkste inhoud van metaalwarmtebehandeling. Bovendien kunnen aluminium, koper, magnesium, titanium, enz. en hun legeringen ook hun mechanische, fysieke en chemische eigenschappen veranderen door warmtebehandeling om verschillende prestaties te verkrijgen.
In het proces van de Steentijd naar de Bronstijd en de IJzertijd is de rol van warmtebehandeling geleidelijk door mensen erkend. Al in 770-222 v.Chr. ontdekten de Chinezen in de productiepraktijk dat de eigenschappen van koper en ijzer zouden veranderen door de invloed van temperatuur en drukvervorming. De verzachtende behandeling van wit gietijzer is een belangrijk proces voor het maken van landbouwwerktuigen.
In de zesde eeuw v.Chr. werden stalen wapens geleidelijk overgenomen. Om de hardheid van staal te verbeteren, werd het blusproces snel ontwikkeld. Twee zwaarden en een hellebaard die zijn opgegraven in Yanxiadu, Yi County, provincie Hebei, China, hebben martensiet in hun microstructuren, wat aangeeft dat ze zijn geblust.
Met de ontwikkeling van blustechnologie ontdekten mensen geleidelijk de invloed van koelmiddelen op de bluskwaliteit. Pu Yuan, een Shu-man in de periode van de Drie Koninkrijken, maakte ooit 3,000 messen voor Zhuge Liang in Xiagu, provincie Shaanxi. Er wordt gezegd dat hij mensen naar Chengdu stuurde om water te halen om te blussen. Dit laat zien dat China in de oudheid de koelcapaciteit van verschillende waterkwaliteiten opmerkte en ook aandacht besteedde aan de koelcapaciteit van olie en urine. Het zwaard dat in het graf van koning Jing van Zhongshan werd opgegraven tijdens de Westelijke Han-dynastie (206 v.Chr.-24 n.Chr.) in China heeft een koolstofgehalte van 0.15-0.4% in de kern, terwijl het koolstofgehalte op het oppervlak meer dan 0,6% is, wat aangeeft dat de carbureringstechnologie is toegepast. Echter, als een geheim van persoonlijk "vakmanschap" in die tijd, wilde het niet worden doorgegeven, dus ontwikkelde het zich heel langzaam.
In 1863 toonden Britse metallologen en geologen zes verschillende metallografische structuren van staal onder een microscoop, wat aantoonde dat wanneer staal wordt verhit en afgekoeld, de interne structuur zal veranderen en de fase bij hoge temperatuur in staal zal transformeren in een hardere fase wanneer het snel wordt afgekoeld. De ijzerallotropietheorie die werd opgesteld door de Fransman Osmond en het ijzer-koolstoffasediagram dat voor het eerst werd geformuleerd door de Brit Austin, legden de theoretische basis voor moderne warmtebehandelingstechnologie. Tegelijkertijd bestudeerden mensen ook de beschermingsmethoden van metalen tijdens het verwarmingsproces van metaalwarmtebehandeling om oxidatie en ontkoling van metalen tijdens het verwarmen te voorkomen.
Van 1850 tot 1880 was er een reeks patenten voor de toepassing van verschillende gassen (zoals waterstof, steenkoolgas, koolmonoxide, enz.) voor beschermende verwarming. Van 1889 tot 1890 verkreeg het Britse Lake patenten voor heldere warmtebehandeling van verschillende metalen.
Sinds de 20e eeuw hebben de ontwikkeling van metaalfysica en de transplantatie en toepassing van andere nieuwe technologieën het metaalwarmtebehandelingsproces verder ontwikkeld. Een belangrijke vooruitgang was de toepassing van roterende ovens voor gascarbureren in industriële productie van 1901 tot 1925; de opkomst van dauwpuntpotentiometers in de jaren 1930 maakte het koolstofpotentieel van de ovenatmosfeer regelbaar, en later werd het gebruik van koolstofdioxide-infraroodinstrumenten, zuurstofsondes, enz. bestudeerd om het koolstofpotentieel van de ovenatmosfeer verder te regelen; in de jaren 1960 gebruikte warmtebehandelingstechnologie de rol van plasmavelden om ionennitrerings- en carbureringsprocessen te ontwikkelen; de toepassing van laser- en elektronenbundeltechnologie heeft metalen in staat gesteld om nieuwe oppervlaktewarmtebehandeling en chemische warmtebehandelingsmethoden te verkrijgen.
2. Metaalwarmtebehandelingsproces
Het warmtebehandelingsproces omvat over het algemeen drie processen: verwarmen, isoleren en koelen, en soms slechts twee processen: verwarmen en koelen. Deze processen zijn met elkaar verbonden en kunnen niet worden onderbroken.
Verhitting is een van de belangrijke stappen in warmtebehandeling. Er zijn veel verwarmingsmethoden voor metaalwarmtebehandeling. De eerste gebruikten houtskool en steenkool als warmtebronnen, en daarna werden vloeibare en gasvormige brandstoffen gebruikt. De toepassing van elektriciteit maakt verwarming eenvoudig te regelen en milieuvriendelijk. Deze warmtebronnen kunnen worden gebruikt voor directe verwarming, of indirect via gesmolten zouten of metalen, of zelfs zwevende deeltjes.
Wanneer metaal wordt verhit, wordt het werkstuk blootgesteld aan de lucht en treedt er vaak oxidatie en ontkoling op (dat wil zeggen, het koolstofgehalte op het oppervlak van stalen onderdelen neemt af), wat een zeer nadelig effect heeft op de oppervlakte-eigenschappen van de onderdelen na warmtebehandeling. Daarom moeten metalen meestal worden verhit in een gecontroleerde atmosfeer of beschermende atmosfeer, in gesmolten zouten en in een vacuüm, en kunnen ze ook worden beschermd en verhit door middel van coating- of verpakkingsmethoden.
De verwarmingstemperatuur is een van de belangrijke procesparameters van het warmtebehandelingsproces. De selectie en controle van de verwarmingstemperatuur is het belangrijkste punt om de kwaliteit van de warmtebehandeling te waarborgen. De verwarmingstemperatuur varieert met het te behandelen metaalmateriaal en het doel van de warmtebehandeling, maar wordt over het algemeen boven de faseveranderingstemperatuur verhit om de vereiste structuur te verkrijgen. Bovendien vereist de transformatie een bepaalde hoeveelheid tijd. Daarom moet het oppervlak van het metalen werkstuk, wanneer het de vereiste verwarmingstemperatuur bereikt, gedurende een bepaalde periode op deze temperatuur worden gehouden om de interne en externe temperaturen consistent te maken en de microstructuurtransformatie te voltooien. Deze periode wordt de houdtijd genoemd. Wanneer verwarming met hoge energiedichtheid en oppervlaktewarmtebehandeling worden gebruikt, is de verwarmingssnelheid extreem snel en is er over het algemeen geen houdtijd of is de houdtijd erg kort, terwijl de houdtijd van chemische warmtebehandeling vaak langer is.
Koelen is ook een onmisbare stap in het warmtebehandelingsproces. De koelmethode varieert afhankelijk van het proces, voornamelijk om de koelsnelheid te regelen. Over het algemeen heeft gloeien de langzaamste koelsnelheid, normaliseren heeft een snellere koelsnelheid en blussen heeft een nog snellere koelsnelheid. Er zijn echter verschillende vereisten voor verschillende soorten staal. Luchtgehard staal kan bijvoorbeeld worden gehard met dezelfde koelsnelheid als normaliseren.
Metaalwarmtebehandelingsprocessen kunnen grofweg worden onderverdeeld in algehele warmtebehandeling, oppervlaktewarmtebehandeling, lokale warmtebehandeling en chemische warmtebehandeling. Afhankelijk van de verschillende verwarmingsmedia, verwarmingstemperatuur en koelmethoden, kan elke hoofdcategorie worden onderverdeeld in verschillende warmtebehandelingsprocessen. Hetzelfde metaal kan verschillende structuren krijgen en dus verschillende eigenschappen hebben door verschillende warmtebehandelingsprocessen te gebruiken. Staal is het meest gebruikte metaal in de industrie en de microstructuur is ook het meest complex, dus er zijn veel soorten staalwarmtebehandelingsprocessen.
Algehele warmtebehandeling is een metaalwarmtebehandelingsproces dat het werkstuk als geheel verwarmt en het vervolgens afkoelt met een geschikte snelheid om de algehele mechanische eigenschappen te veranderen. Er zijn vier basisprocessen voor algehele warmtebehandeling van staal: gloeien, normaliseren, blussen en temperen.
Gloeien is het verwarmen van het werkstuk tot een geschikte temperatuur, het gebruiken van verschillende houdtijden afhankelijk van het materiaal en de grootte van het werkstuk, en het vervolgens langzaam afkoelen. Het doel is om de interne structuur van het metaal een evenwichtstoestand te laten bereiken of benaderen, goede procesprestaties te verkrijgen en prestaties te gebruiken, of de structuur voor te bereiden op verder blussen. Normaliseren is het verwarmen van het werkstuk tot een geschikte temperatuur en het vervolgens in de lucht afkoelen. Het effect van normaliseren is vergelijkbaar met gloeien, maar de verkregen structuur is fijner. Het wordt vaak gebruikt om de snijprestaties van het materiaal te verbeteren, en wordt soms gebruikt als de laatste warmtebehandeling voor sommige onderdelen met lage vereisten.
Quenchen is het verwarmen en warm houden van het werkstuk, en het vervolgens snel afkoelen in een blusmedium zoals water, olie of andere anorganische zouten, organische waterige oplossingen, enz. Na het blussen wordt het staal hard, maar ook bros. Om de brosheid van stalen onderdelen te verminderen, worden de gebluste stalen onderdelen gedurende lange tijd warm gehouden op een geschikte temperatuur boven kamertemperatuur en onder 710 graden, en vervolgens afgekoeld. Dit proces wordt temperen genoemd. Gloeien, normaliseren, blussen en temperen zijn de "vier vuren" in de algehele warmtebehandeling. Onder hen zijn blussen en temperen nauw verwant en worden vaak in combinatie gebruikt. Ze zijn onmisbaar.
De "vier vuren" zijn geëvolueerd tot verschillende warmtebehandelingsprocessen met verschillende verwarmingstemperaturen en koelmethoden. Om een bepaalde sterkte en taaiheid te verkrijgen, wordt het proces van het combineren van blussen en temperen op hoge temperatuur blussen en temperen genoemd. Nadat sommige legeringen zijn geblust om een oververzadigde vaste oplossing te vormen, worden ze gedurende lange tijd op kamertemperatuur of een iets hogere geschikte temperatuur gehouden om de hardheid, sterkte of elektrische en magnetische eigenschappen van de legering te verbeteren. Een dergelijk warmtebehandelingsproces wordt verouderingsbehandeling genoemd. De methode om drukverwerkingsvervorming effectief en nauw te combineren met warmtebehandeling om het werkstuk een goede combinatie van sterkte en taaiheid te laten verkrijgen, wordt vervormingswarmtebehandeling genoemd; warmtebehandeling in een negatieve drukatmosfeer of vacuüm wordt vacuümwarmtebehandeling genoemd, wat niet alleen kan voorkomen dat het werkstuk oxideert en ontkolt, het oppervlak van het werkstuk glad houdt na de behandeling en de prestaties van het werkstuk verbetert, maar ook de infiltrant doorlaat voor chemische warmtebehandeling.
Oppervlaktewarmtebehandeling is een metaalwarmtebehandelingsproces dat alleen het oppervlak van het werkstuk verwarmt om de mechanische oppervlakte-eigenschappen ervan te veranderen. Om alleen het oppervlak van het werkstuk te verwarmen zonder dat er te veel warmte wordt overgedragen naar het binnenste van het werkstuk, moet de gebruikte warmtebron een hoge energiedichtheid hebben, dat wil zeggen een grote hoeveelheid warmte-energie per oppervlakte-eenheid van het werkstuk geven, zodat het oppervlak of het lokale deel van het werkstuk in korte tijd of onmiddellijk een hoge temperatuur kan bereiken. De belangrijkste methoden van oppervlaktewarmtebehandeling zijn laserwarmtebehandeling, vlamblussing en inductieverwarmingswarmtebehandeling. Veelgebruikte warmtebronnen zijn vlammen zoals oxyacetyleen of oxypropaan, geïnduceerde stroom, laser en elektronenbundel.
Chemische warmtebehandeling is een metaalwarmtebehandelingsproces dat de chemische samenstelling, organisatie en eigenschappen van het oppervlak van het werkstuk verandert. Het verschil tussen chemische warmtebehandeling en oppervlaktewarmtebehandeling is dat de laatste de chemische samenstelling van het oppervlak van het werkstuk verandert. Chemische warmtebehandeling is het verwarmen van het werkstuk in een medium (gas, vloeistof, vaste stof) dat koolstof, stikstof of andere legeringselementen bevat, en het gedurende een lange tijd warm houden, zodat het oppervlak van het werkstuk kan worden geïnfiltreerd met elementen zoals koolstof, stikstof, boor en chroom. Nadat de elementen zijn geïnfiltreerd, zijn soms andere warmtebehandelingsprocessen zoals blussen en temperen vereist. De belangrijkste methoden van chemische warmtebehandeling zijn carbureren, nitreren, metalliseren en composietinfiltratie.
Warmtebehandeling is een van de belangrijke processen in het productieproces van mechanische onderdelen en gereedschappen en mallen. Over het algemeen kan het de verschillende eigenschappen van het werkstuk garanderen en verbeteren, zoals slijtvastheid en corrosiebestendigheid. Het kan ook de organisatie en spanningstoestand van de blanco verbeteren om verschillende koude en warme verwerkingen te vergemakkelijken.
Bijvoorbeeld, wit gietijzer kan worden verkregen door langdurig gloeien om smeedbaar gietijzer te verkrijgen en de plasticiteit te verbeteren; tandwielen kunnen worden gebruikt met het juiste warmtebehandelingsproces. De levensduur kan worden verdubbeld of tientallen keren langer zijn dan tandwielen die niet zijn warmtebehandeld; bovendien heeft goedkoop koolstofstaal enkele dure gelegeerde staaleigenschappen door bepaalde legeringselementen te infiltreren, die hittebestendig staal en roestvrij staal kunnen vervangen; bijna alle gereedschappen en mallen moeten worden warmtebehandeld voordat ze kunnen worden gebruikt.
3. Classificatie van staal
Staal is een legering met ijzer en koolstof als hoofdbestanddelen, en het koolstofgehalte is over het algemeen minder dan 2,11%. Staal is een uiterst belangrijk metaalmateriaal in economische constructie. Staal wordt onderverdeeld in twee categorieën op basis van de chemische samenstelling: koolstofstaal (afgekort als koolstofstaal) en gelegeerd staal. Koolstofstaal is een legering die wordt verkregen door het smelten van ruwijzer. Naast ijzer en koolstof als hoofdbestanddelen bevat het ook een kleine hoeveelheid onzuiverheden zoals mangaan, silicium, zwavel en fosfor. Koolstofstaal heeft bepaalde mechanische eigenschappen, goede procesprestaties en een lage prijs. Daarom is koolstofstaal op grote schaal gebruikt. Met de snelle ontwikkeling van de moderne industrie en wetenschap en technologie kunnen de prestaties van koolstofstaal echter niet meer volledig voldoen aan de behoeften, dus hebben mensen verschillende gelegeerde staalsoorten ontwikkeld. Gelegeerd staal is een legering met meerdere elementen die wordt verkregen door doelbewust bepaalde elementen (legeringselementen genoemd) toe te voegen aan koolstofstaal. Vergeleken met koolstofstaal zijn de prestaties van gelegeerd staal aanzienlijk verbeterd, dus de toepassing ervan wordt steeds uitgebreider.
