Belastung und Einfluss von Vergütungsstahl im Rohrofen

Die Restkraft der Wärmebehandlung bezieht sich auf die Spannung, die nach der Wärmebehandlung des Werkstücks verbleibt, was einen erheblichen Einfluss auf die Form, Größe und Leistung des Werkstücks hat. Wenn es die Streckgrenze des Materials überschreitet, verursacht es eine Verformung des Werkstücks, und wenn es die Festigkeitsgrenze des Materials überschreitet, kann es ein Reißen des Werkstücks verursachen. Dies ist ein schädlicher Aspekt, der reduziert und beseitigt werden sollte. Unter bestimmten Bedingungen kann jedoch die Kontrolle der Spannungsverteilung, um sie vernünftig zu machen, die mechanischen Eigenschaften und die Lebensdauer des Teils verbessern, wodurch Schaden in Vorteil umgewandelt wird. Die Analyse des Verteilungs- und Variationsgesetzes von Spannungen in Stahl während des Wärmebehandlungsprozesses und deren angemessene Verteilung hat eine tiefgreifende praktische Bedeutung für die Verbesserung der Produktqualität. So hat beispielsweise die Frage nach der sinnvollen Verteilung der Druckeigenspannung auf der Randschicht und deren Auswirkung auf die Lebensdauer von Bauteilen große Aufmerksamkeit erregt.
Je schneller die Abkühlgeschwindigkeit, desto höher der Kohlenstoffgehalt und die Legierungszusammensetzung und desto größer die ungleichmäßige plastische Verformung, die unter thermischer Belastung während des Abkühlvorgangs erzeugt wird, was zu einer größeren Eigenspannung führt. Andererseits geht aufgrund der Strukturänderung während der Wärmebehandlung von Stahl, d. h. wenn sich der Austenit in Martensit umwandelt, die Zunahme des spezifischen Volumens mit der Ausdehnung des Werkstückvolumens einher, und jeder Teil des Werkstücks wird einer Phase unterzogen sukzessive umwandeln, was zu einem inkonsistenten Volumenwachstum führt und strukturelle Spannungen erzeugt. Das Endergebnis von Änderungen in der organisatorischen Belastung ist eine Zugbelastung an der Oberfläche und eine Druckbelastung im Kern, die der thermischen Belastung genau entgegengesetzt ist. Die Größe der Strukturspannung hängt von der Abkühlgeschwindigkeit und Form des Werkstücks in der Martensit-Umwandlungszone, der chemischen Zusammensetzung des Materials und anderen Faktoren ab.
Während des Erwärmungs- und Abkühlungsprozesses des Werkstücks entsteht aufgrund der Ungleichmäßigkeit der Abkühlungsgeschwindigkeit und -zeit zwischen Oberfläche und Kern ein Temperaturunterschied, der zu einer ungleichmäßigen Volumenausdehnung und -kontraktion führt und Spannungen erzeugt. Unter der Einwirkung von thermischer Spannung beginnt die Oberfläche eine Temperatur zu haben, die niedriger ist als die des Kerns, und die Kontraktion ist auch größer als die des Kerns, wodurch der Kern gezogen wird. Wenn das Abkühlen abgeschlossen ist, wird die Oberfläche zusammengedrückt und der Kern wird gezogen, da die endgültige Kontraktion des Volumens beim Abkühlen des Kerns nicht frei ablaufen kann. Unter Einwirkung thermischer Spannung wird die Oberfläche des Werkstücks schließlich komprimiert, während der Kern gezogen wird. Dieses Phänomen wird durch Faktoren wie Abkühlgeschwindigkeit, Materialzusammensetzung und Wärmebehandlungsprozess beeinflusst.
Die Praxis hat gezeigt, dass in jedem Werkstück während des Wärmebehandlungsprozesses thermische Spannungen und strukturelle Spannungen auftreten, solange ein Phasenwechsel stattfindet. Thermischer Stress wird jedoch bereits vor der organisatorischen Transformation erzeugt, und organisatorischer Stress wird während des organisatorischen Transformationsprozesses generiert. Während des gesamten Kühlprozesses ist die kombinierte Wirkung von thermischer Belastung und organisatorischer Belastung die tatsächliche Belastung, die im Werkstück vorhanden ist. Die kombinierte Wirkung dieser beiden Belastungen ist sehr komplex und wird von vielen Faktoren wie Zusammensetzung, Form, Wärmebehandlungsverfahren usw. beeinflusst. Hinsichtlich des Entstehungsprozesses gibt es nur zwei Arten, nämlich thermische Belastung und Gewebebelastung. Bei entgegengesetzter Wirkungsrichtung heben sich beide auf, bei gleicher Wirkungsrichtung überlagern sich beide. Unabhängig davon, ob es sich um eine gegenseitige Aufhebung oder Überlagerung handelt, sollten die beiden Spannungen einen dominierenden Faktor haben, und wenn die thermische Spannung dominiert, besteht das Ergebnis darin, dass die Mitte des Werkstücks gezogen und die Oberfläche komprimiert wird. Wenn organisatorischer Stress dominiert, ist das Ergebnis, dass die komprimierte Oberfläche in der Mitte des Werkstücks unter Spannung steht.
Die Wirkung der Wärmebehandlungsspannung auf Abschreckrisse besteht aus Faktoren, die eine Spannungskonzentration an verschiedenen Teilen des abgeschreckten Teils (einschließlich metallurgischer Defekte) verursachen können, die eine fördernde Wirkung auf die Entstehung von Abschreckrissen haben. Sie zeigt sich jedoch nur im Zugspannungsbereich (insbesondere bei maximaler Zugspannung), wenn im Druckspannungsbereich keine fördernde Wirkung eintritt.
Das zuverlässige Prinzip dieser Stahlsorte, die Längsrisse nur in hochhärtbaren Stahlteilen bilden kann, die unter normalen Bedingungen abgeschreckt werden, um Abschreckrisse zu vermeiden, besteht darin, zu versuchen, die Nichtisochronität der Martensitumwandlung innerhalb und außerhalb des Abschnitts so weit wie möglich zu reduzieren. Nur eine langsame Abkühlung in der Martensit-Umwandlungszone reicht nicht aus, um die Bildung von Längsrissen zu verhindern. Im Allgemeinen können Lichtbogenrisse nur in nicht härtbaren Teilen auftreten. Obwohl eine insgesamt schnelle Abkühlung die notwendige Bildungsbedingung ist, ist der eigentliche Grund für seine Bildung nicht die schnelle Abkühlung (einschließlich der Martensit-Umwandlungszone), sondern die lokale Position des abgeschreckten Teils (bestimmt durch die geometrische Struktur). Die Abkühlgeschwindigkeit in der kritischen Hochtemperaturzone wird ohne Härten deutlich verlangsamt. Und die Quer- und Längsrisse, die bei großen nicht härtbaren Teilen auftreten, werden durch Restzugspannungen verursacht, die hauptsächlich aus thermischer Spannung bestehen und auf die Mitte des abgeschreckten Teils einwirken. In der Mitte des abschließend gehärteten Abschnitts des abgeschreckten Teils bilden sich zuerst Risse und breiten sich von innen nach außen aus.
Um solche Risse zu vermeiden, wird häufig ein Wasser-Öl-Dual-Flüssigkeits-Abschreckverfahren verwendet. Bei diesem Verfahren dient die schnelle Abkühlung im Hochtemperaturbereich lediglich dazu, dass das Außenmetall Martensitstruktur erhält. Aus Sicht der Eigenspannung ist eine schnelle Abkühlung schädlich und nutzlos. Zweitens besteht der Zweck des langsamen Abkühlens in der späteren Abkühlstufe nicht darin, die Expansionsrate der Martensitumwandlung und den Spannungswert der Struktur zu verringern, sondern die Temperaturdifferenz des Abschnitts und die Schrumpfungsrate des Metalls in der Mitte zu minimieren des Abschnitts, um den Spannungswert zu reduzieren und schließlich Abschreckrisse zu verhindern.
Die Abschreckgeschwindigkeit ist ein wichtiger Faktor, der die Abschreckqualität beeinflussen und die Restspannung bestimmen kann, sowie ein Faktor, der einen wichtigen oder sogar entscheidenden Einfluss auf Abschreckrisse haben kann. Um den Zweck des Abschreckens zu erreichen, ist es normalerweise notwendig, die Abkühlungsgeschwindigkeit von Teilen im Hochtemperaturabschnitt zu beschleunigen und sie dazu zu bringen, die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit von Stahl zu überschreiten, um eine Martensitstruktur zu erhalten. In Bezug auf Eigenspannungen kann der Rohrelektroofen den thermischen Spannungswert erhöhen, der der Wirkung von strukturellen Spannungen entgegenwirkt, wodurch die Zugspannung an der Oberfläche des Werkstücks reduziert wird und das Ziel erreicht wird, Längsrisse zu unterdrücken. Der Effekt wird mit der Beschleunigung der Hochtemperatur-Kühlrate zunehmen. Darüber hinaus gilt im Fall der Härtbarkeit, je größer die Querschnittsgröße des Werkstücks ist, obwohl die tatsächliche Abkühlgeschwindigkeit langsamer ist, desto größer ist das Rissrisiko. All dies ist darauf zurückzuführen, dass die Wärmespannung dieser Stahlsorte die tatsächliche Abkühlgeschwindigkeit mit zunehmender Größe verlangsamt, die Wärmespannung verringert und die strukturelle Spannung mit zunehmender Größe erhöht. Der Elektroofen vom Kastentyp bildet schließlich eine Zugspannung, die hauptsächlich aus struktureller Spannung besteht, die auf die Oberfläche des Werkstücks wirkt. Und es ist völlig anders als das traditionelle Konzept, dass die Belastung umso geringer ist, je langsamer die Abkühlung ist.
Die Wirkung der Druckeigenspannung auf das Werkstück wird weithin als Verfahren zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit des Werkstücks durch Aufkohlen der Oberflächenverstärkung verwendet. Einerseits kann es die Festigkeit und Härte der Werkstückoberfläche effektiv erhöhen, die Verschleißfestigkeit des Werkstücks verbessern, und andererseits kann die Aufkohlung die Spannungsverteilung des Werkstücks effektiv verbessern und eine große Druckeigenspannung im erhalten Oberflächenschicht des Werkstücks und verbessern die Ermüdungsfestigkeit des Werkstücks. Wenn nach dem Aufkohlen isotherm abgeschreckt wird, erhöht dies die Druckeigenspannung auf der Randschicht und verbessert die Ermüdungsfestigkeit weiter. Jemand hat die Restspannung von 35SiMn2MoV-Stahl nach isothermischer Abschreckung und Niedertemperaturanlass nach der Aufkohlung getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1.35 dargestellt: Eigenspannungswerte von SiMn2MoV-Stählen nach isothermem Abschrecken und Niedertemperaturanlassen nach dem Aufkohlen
Restspannungswert (kg/mm2)
Erhitzen in einem Salzbad von 880-900 Grad nach der Aufkohlung, isotherm bei 260 Grad für 40 Minuten
-65
Nach dem Aufkohlen in einem 880-900-Grad-Salzbad erhitzen und abschrecken, isotherm bei 260 Grad für 90 Minuten
-18
Nach dem Aufkohlen in einem Salzbad bei 880-900 Grad Celsius erhitzen, 40 Minuten lang isotherm bei 260 Grad Celsius erhitzen und 90 Minuten lang bei 260 Grad Celsius anlassen
-38
Betrachtet man die Versuchsergebnisse in Tabelle 1, so ist ersichtlich, dass das isotherme Abschrecken eine höhere Oberflächeneigendruckspannung aufweist als das übliche Abschrecken und Niedertemperatur-Anlassverfahren. Auch nach dem Kaltvergüten nach dem isothermen Abschrecken ist die Druckeigenspannung an der Oberfläche höher als nach dem Kaltvergüten nach dem Abschrecken. Daraus kann geschlossen werden, dass die durch isothermisches Abschrecken nach dem Aufkohlen erhaltene Oberflächeneigendruckspannung höher ist als diejenige, die durch herkömmliches Aufkohlen und Anlassen bei niedriger Temperatur erhalten wird. Aus der Perspektive der vorteilhaften Wirkung der Druckeigenspannung der Oberflächenschicht auf die Ermüdungsbeständigkeit ist das aufkohlende isotherme Abschreckverfahren ein wirksames Verfahren zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von aufgekohlten Teilen.
Es gibt zwei Hauptgründe, warum der Aufkohlungs- und Abschreckprozess eine Oberflächeneigendruckspannung erhalten kann und das Aufkohlen und das isotherme Abschrecken eine größere Oberflächeneigendruckspannung erhalten können. Ein Grund dafür ist, dass das spezifische Volumen von Martensit mit hohem Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht größer ist als das von Martensit mit niedrigem Kohlenstoffgehalt in der Mitte. Nach dem Abschrecken dehnt sich das Oberflächenvolumen aus und dehnt sich stark aus, während die Volumenausdehnung von kohlenstoffarmem Martensit in der Mitte gering ist, was die freie Ausdehnung der Oberflächenschicht einschränkt und den Spannungszustand der Oberflächenschicht unter Druck und der Mitte unter Spannung verursacht . Ein weiterer, wichtigerer Grund ist, dass die Anfangs-Umwandlungstemperatur (Ms) von unterkühltem Austenit mit hohem Kohlenstoffgehalt zu Martensit niedriger ist als die von unterkühltem Austenit mit niedrigem Kohlenstoffgehalt in der Mitte zu Martensit. Wenn isothermes Abschrecken nach dem Aufkohlen durchgeführt wird, wenn die isotherme Temperatur über der Martensit-Startumwandlungstemperatur (Ms) der aufgekohlten Schicht liegt, kann isothermes Abschrecken bei einer geeigneten Temperatur unter dem Martensit-Startumwandlungstemperaturpunkt (Ms) in der Mitte garantieren sequentielle Charakteristik dieser Umwandlung mehr als kontinuierliches Abkühlen (d. h. sicherstellen, dass die Martensit-Umwandlung in der Randschicht erst im Abkühlprozess nach isothermem Abschrecken auftritt). Natürlich haben die isotherme Temperatur und die Zeit des isothermen Abschreckens nach der Aufkohlung einen signifikanten Einfluss auf die Größe der Restspannung in der Oberflächenschicht. Jemand hat die Oberflächeneigenspannung von 35SiMn2MoV-Stahlproben nach der Aufkohlung bei 260 Grad und 320 Grad für 40 Minuten getestet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die Oberflächeneigenspannung bei 260 Grad größer ist als doppelt so hoch wie bei 320 Grad. Oberflächeneigenspannung von 35SiMn2MoV-Stahl bei verschiedenen isothermen Temperaturen.
Beim Abschreckprozess ist die Martensit-Umwandlung in der Mitte oft die erste, die die Volumenausdehnung in der Mitte verursacht und sich verfestigt, aber die Oberfläche ist noch nicht auf ihren entsprechenden Martensit-Startumwandlungspunkt (Ms) abgekühlt, also ist sie noch drin der unterkühlte Austenitzustand mit guter Plastizität und spielt keine ernsthafte Rolle bei der Unterdrückung der Volumenausdehnung der Martensitumwandlung im Zentrum. Mit der kontinuierlichen Abnahme der Abschreckkühltemperatur fällt die Oberflächentemperatur unter den (Ms)-Punkt, und in der Oberflächenschicht tritt eine Martensitumwandlung auf, die eine Ausdehnung des Oberflächenvolumens verursacht. Das Zentrum wurde jedoch bereits in Martensit umgewandelt und verstärkt, so dass das Zentrum eine große Rolle bei der Unterdrückung der Volumenausdehnung der Oberflächenschicht spielen wird, wodurch die Oberflächenschicht eine Druckeigenspannung erhält.

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