การชุบแข็งเหล็กโครงสร้างคาร์บอนมีจุดประสงค์อะไร?

การชุบแข็งเหล็กโครงสร้างคาร์บอนมีจุดประสงค์อะไร?
กระบวนการชุบแข็งสำหรับเหล็กโครงสร้างคาร์บอนเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่เหล็กจนถึงอุณหภูมิออสเทนไนซ์ (โดยทั่วไปคือ 30- เหนือระดับ Ac3 ซึ่งจำเป็นต้องมีออสเทนไนต์สำหรับเหล็กกล้าไฮโปยูเทคตอยด์โดยสมบูรณ์) โดยคงเหล็กไว้ที่อุณหภูมินี้เป็นระยะเวลาหนึ่งเพื่อให้โครงสร้างจุลภาคเปลี่ยนเป็นออสเทนไนต์ได้อย่างสมบูรณ์ จากนั้นจึงทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วในตัวกลางทำความเย็น เช่น น้ำหรือน้ำมัน วัตถุประสงค์หลักคือการบรรลุการปรับปรุงคุณสมบัติทางกล "ก้าวล้ำ" โดยการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคภายในของเหล็ก (เปลี่ยนออสเทนไนต์เป็นโครงสร้างที่ไม่สมดุล เช่น มาร์เทนไซต์หรือเบนไนต์) โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับข้อกำหนดด้านความแข็งแรงและความแข็ง กระบวนการนี้สามารถแบ่งออกเป็นวัตถุประสงค์หลักสี่ประการต่อไปนี้:
1. ปรับปรุงความแข็งของเหล็กและความต้านทานการสึกหรออย่างมีนัยสำคัญ
โครงสร้างจุลภาคที่สมดุลของเหล็กโครงสร้างคาร์บอน (เช่น เพิร์ลไลต์ + เฟอร์ไรต์) มีความแข็งค่อนข้างต่ำ (เช่น ความแข็งรีดร้อน-ของเหล็ก Q235 อยู่ที่ประมาณ HB150-180 และของเหล็ก 45 มีค่าประมาณ HB170-210) ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความต้านทานการสึกหรอและรอยขีดข่วน (เช่น พื้นผิวที่ทนทานต่อการสึกหรอบนชิ้นส่วนเครื่องจักรกลและขอบเครื่องมือ) ในระหว่างการดับ ออสเทนไนต์จะเย็นลงอย่างรวดเร็ว (อัตราการทำความเย็นจะต้องเกิน "อัตราการทำความเย็นวิกฤต") อะตอมไม่มีเวลาที่จะกระจายและสร้างสมดุลของเพิร์ลไลต์ และถูกบังคับให้ก่อตัวเป็นมาร์เทนไซต์แทน มาร์เทนไซต์เป็นสารละลายคาร์บอนที่เป็นของแข็งอิ่มตัวยวดยิ่งใน -Fe โดยมีความบิดเบี้ยวของโครงตาข่ายอย่างมีนัยสำคัญและมีการเคลื่อนที่ภายในจำนวนมาก สิ่งนี้จะเพิ่มความแข็งอย่างมาก:
เหล็กโครงสร้างคาร์บอนปานกลาง- (เช่น เหล็ก 45) อาจมีความแข็ง HRC55-60 หลังจากการชุบแข็ง ซึ่งเกินกว่าเหล็กรีดร้อนมาก
เหล็กโครงสร้างคาร์บอนสูง- (เช่น เหล็ก 65) อาจมีความแข็ง HRC60-65 หลังจากการชุบแข็ง ซึ่งเข้าใกล้ระดับเหล็กกล้าเครื่องมือทั่วไป
ความแข็งสูงนี้ช่วยเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอของชิ้นส่วนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และลดการสึกหรอระหว่างการใช้งาน (เช่น การดับรางนำทางของเครื่องมือกล และขอบฟันเฟือง)
2. ปรับปรุงความแข็งแรงของเหล็กและความต้านทานการเสียรูปอย่างมีนัยสำคัญ
นอกจากความแข็งแล้ว การชุบแข็งยังช่วยเพิ่มความต้านทานแรงดึง ความแข็งแรงของผลผลิต และความต้านทานการเสียรูปของเหล็กโครงสร้างคาร์บอนอีกด้วย เฟอร์ไรต์ในโครงสร้างสมดุลมีความเป็นพลาสติกสูงแต่มีความแข็งแรงต่ำ ในขณะที่เพิร์ลไลท์มีความแข็งแรงปานกลาง อย่างไรก็ตาม มาร์เทนไซต์สามารถเพิ่มความแข็งแรงได้ 50%-100% เนื่องจากการบิดเบี้ยวของโครงตาข่ายและการเสริมความคลาดเคลื่อน
ตัวอย่างเช่น เหล็ก 45 มีความต้านทานแรงดึงรีดร้อน-ที่ประมาณ 600 MPa หลังจากการชุบแข็ง (โดยไม่แบ่งเบาบรรเทา) ความต้านทานแรงดึงจะเพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 1,000 MPa และความแข็งแรงของผลผลิตเพิ่มขึ้นจาก 355 MPa เป็นมากกว่า 800 MPa
สำหรับชิ้นส่วนที่รับน้ำหนัก ต้านทานแรงกระแทก หรือต้านทานการเสียรูป (เช่น เพลา ก้านสูบ และสลักเกลียว) ความแข็งแรงสูงหลังการชุบแข็งจะทำให้แน่ใจได้ว่าชิ้นส่วนจะไม่เสียรูปหรือแตกหักภายใต้สภาพการทำงานที่ซับซ้อน จึงเป็นไปตาม-ข้อกำหนดแบริ่ง. 3. ของโครงสร้าง จะเป็นการวางรากฐานสำหรับกระบวนการ "แบ่งเบาบรรเทา" ที่ตามมา เพื่อให้ได้ "ความแข็งแกร่ง-ความแข็งแกร่ง สมดุล."
แม้ว่าเหล็กโครงสร้างคาร์บอนจะมีความแข็งและความแข็งแรงสูงมากหลังจากการชุบแข็ง แต่ก็มีข้อเสียที่สำคัญ: ความเครียดภายในสูงในโครงสร้างมาร์เทนไซต์ ความเหนียวต่ำ และความเหนียวต่ำมาก (มีแนวโน้มที่จะแตกหักง่าย โดยโดยทั่วไปแล้วจะดูดซับพลังงานกระแทกเพียง 5-10J) การใช้งานโดยตรงอาจนำไปสู่ความล้มเหลวได้ง่ายเนื่องจากการกระแทกเล็กน้อยหรือความเข้มข้นของความเครียด ดังนั้นการดับจึงไม่ค่อยถูกใช้เป็น "การบำบัดความร้อนขั้นสุดท้าย" แต่เป็นสารตั้งต้นของกระบวนการแบ่งเบาบรรเทา หน้าที่หลักของมันคือการสร้าง "โครงสร้างพื้นฐานที่มีความแข็งและความแข็งแรงสูงสูง" สำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพในภายหลัง
การอบคืนตัวครั้งต่อไปที่อุณหภูมิต่างๆ (การอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูง- 150-250 องศา , การอบคืนตัวที่อุณหภูมิปานกลาง- 350-500 องศา และการอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูง 500-650 องศา ) สามารถขจัดความเครียดของมาร์เทนไซต์ภายในและปรับปรุงความเหนียวในขณะที่ยังคงรักษาความแข็งแกร่งที่ดับไว้ได้เกือบทั้งหมด
ตัวอย่างเช่น หลังจากการชุบแข็งและการอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูง- (การดับและการอบคืนตัว) ของเหล็ก 45 ความแข็งจะลดลงเหลือ HRC 28-32 ในขณะที่ความต้านทานแรงดึงยังคงสูงกว่า 800 MPa และการดูดซับพลังงานกระแทกจะเพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 50J สิ่งนี้ทำให้เกิดความสมดุลในอุดมคติระหว่าง "ความแข็งแรงสูงและความเหนียวสูง" ทำให้เป็นโซลูชันการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานที่ครอบคลุมที่ใช้กันมากที่สุดในการผลิตเครื่องจักร. 4. การปรับปรุงประสิทธิภาพในท้องถิ่นและตรงตามข้อกำหนด "การเสริมสร้างความแข็งแกร่งในท้องถิ่น"
ชิ้นส่วนเหล็กโครงสร้างคาร์บอนบางชิ้นไม่ต้องการความแข็งแรงสูงโดยรวม (เพื่อหลีกเลี่ยงความเปราะบางโดยรวม) และต้องการเพียงการเสริมความแข็งแกร่งให้กับพื้นที่ทำงานที่สำคัญเท่านั้น (เช่น พื้นผิวที่สึกหรอและพื้นที่ที่มีความเครียดเข้มข้น) ในกรณีเหล่านี้ การดับสามารถบรรลุ "การปรับปรุงประสิทธิภาพเฉพาะที่" ได้ด้วยแนวทาง "การทำความร้อนเฉพาะจุด + การทำความเย็นเฉพาะจุด"
ตัวอย่างเช่น รางนำของเครื่องมือกลต้องการความต้านทานการสึกหรอของพื้นผิว (ความแข็งสูง) แต่เมทริกซ์รางนำจะต้องรักษาความเหนียวไว้ (เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกหักของแรงกระแทก) ซึ่งสามารถทำได้โดย "การชุบแข็งพื้นผิวการให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำ" ซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำความร้อนเฉพาะพื้นผิวรางนำเพื่อออสเทนไนซ์และทำความเย็นอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดมาร์เทนไซต์ที่ดับแล้ว (ความแข็ง HRC 50-55) บนพื้นผิวในขณะที่ยังคงรักษาโครงสร้างสมดุลดั้งเดิมของเมทริกซ์ (รักษาความแข็งแกร่ง)
อีกตัวอย่างหนึ่ง หัวหรือส่วนที่เป็นเกลียวของสลักเกลียวต้องมีความต้านทานแรงเฉือนและการสึกหรอ การดับเฉพาะจุดสามารถบรรลุประสิทธิภาพที่สำคัญ ในขณะเดียวกันก็หลีกเลี่ยงความเปราะบางโดยรวม และลดความเสี่ยงของความล้มเหลวของชิ้นส่วน