จุดประสงค์ของการแบ่งเบาบรรเทาเหล็กโครงสร้างคาร์บอนคืออะไร?

จุดประสงค์ของการแบ่งเบาบรรเทาเหล็กโครงสร้างคาร์บอนคืออะไร?
การอบคืนเหล็กกล้าโครงสร้างคาร์บอนเกี่ยวข้องกับการอุ่นเหล็กชุบแข็งอีกครั้งให้มีอุณหภูมิต่ำกว่า Ac1 (โดยทั่วไปคือ 150-650 องศา เพื่อหลีกเลี่ยงโซนการสลายตัววิกฤตของมาร์เทนไซต์ที่ดับแล้ว) โดยคงไว้ตามระยะเวลาที่กำหนด จากนั้นจึงค่อยๆ เย็นลง หน้าที่หลักคือแก้ไขข้อบกพร่องด้านประสิทธิภาพหลังการชุบแข็ง และ "ปรับแต่ง" คุณสมบัติทางกลของเหล็กตามความต้องการ เพื่อให้ได้ความสมดุลระหว่างความแข็งแรง ความแข็ง ความเหนียว และความเหนียวในที่สุด ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็น 5 หน้าที่หลักดังต่อไปนี้:
1. ขจัดความเครียดภายในที่ดับลงเพื่อป้องกันการแตกร้าวหรือการเสียรูปในชิ้นส่วน
กระบวนการทำความเย็นอย่างรวดเร็วระหว่างการชุบแข็งอาจทำให้เกิดความเครียดภายในอย่างรุนแรงภายในเหล็กได้ สาเหตุหลักมาจากสองแหล่ง:
ความเครียดจากการแปรสัณฐาน: เมื่อออสเทนไนต์เปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์อย่างรวดเร็ว ปริมาตรของมันจะขยายตัว (มาร์เทนไซต์จะมีขนาดใหญ่กว่าออสเทนไนต์โดยปริมาตร) อย่างไรก็ตาม อัตราการระบายความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของชิ้นส่วนต่างๆ ของชิ้นส่วน (เช่น พื้นผิวและแกนของชิ้นส่วนที่มีผนังหนา- หรือขอบและร่องของชิ้นส่วนที่มีรูปร่างซับซ้อน-) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคแบบอะซิงโครนัสและทำให้เกิดความเครียดภายใน
ความเครียดจากความร้อน: ในระหว่างการทำความเย็นอย่างรวดเร็ว ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวและแกนของชิ้นส่วนมีความสำคัญ ส่งผลให้พื้นผิวหดตัวเร็วกว่าแกน ส่งผลให้เกิดแรงดึงและแรงอัด
หากไม่กำจัดความเค้นภายในเหล่านี้ออกไป อย่างดีที่สุด อาจเป็นสาเหตุให้เกิดการเสียรูปของชิ้นส่วนระหว่างการเก็บรักษาหรือการประมวลผล (เช่น การโค้งงอของเพลาหรือการบิดงอของแผ่นเพลท) หรือที่แย่ที่สุดคือทำให้เกิดการแตกร้าวโดยตรง (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเหล็กโครงสร้างคาร์บอนสูง-หรือชิ้นส่วนหน้าตัด-ขนาดใหญ่-) ในระหว่างการแบ่งเบาบรรเทา อะตอมจะได้รับพลังงานในระหว่างการให้ความร้อน ซึ่งสามารถบรรเทาความผิดเพี้ยนของโครงตาข่ายผ่านการแพร่กระจายและการเคลื่อนตัวของการเคลื่อนที่ และค่อยๆ ปลดปล่อยความเครียดภายในออกมา
ตัวอย่างเช่น หลังจากดับแล้ว ความเค้นภายในของเหล็ก 45 สามารถเข้าถึง MPa หลายร้อยได้ หลังจากอบคืนอุณหภูมิต่ำ-ที่ 200 องศา ความเครียดนี้สามารถบรรเทาลงได้ 50%-60% หลังจากการอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูงที่ 500 องศา อัตราการบรรเทาความเครียดสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 80% ซึ่งเป็นการป้องกันความล้มเหลวของส่วนประกอบโดยพื้นฐาน
2. ลดความเปราะบางและปรับปรุงความเหนียวและความเป็นพลาสติกของเหล็ก
แม้ว่าเหล็กโครงสร้างคาร์บอนดับแล้วจะมีความแข็งและความแข็งแรงสูงมาก แต่โครงสร้างมาร์เทนไซต์นั้นเป็น "สารละลายของแข็งอิ่มตัวยิ่งยวด" ส่งผลให้เกิดการบิดเบี้ยวของโครงตาข่ายอย่างรุนแรงและความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ที่สูงมาก ส่งผลให้มีความเหนียวต่ำมากและมีความเป็นพลาสติกต่ำ (ตัวอย่างเช่น พลังงานกระแทกที่ดูดซับโดยเหล็ก 45 ดับแล้วมีค่าเพียง 5-10J ทำให้มีแนวโน้มที่จะแตกหักง่ายเมื่อโค้งงอและไม่สามารถทนต่อแรงกระแทกได้) ทำให้แทบไม่เหมาะสำหรับการใช้งานโดยตรงเป็นชิ้นส่วนสำเร็จรูป หน้าที่หลักประการหนึ่งของการแบ่งเบาบรรเทาคือการลดความเปราะบาง ในระหว่างการทำความร้อน คาร์บอนอิ่มตัวยวดยิ่งจะตกตะกอนจากมาร์เทนไซต์ (ก่อตัวเป็นคาร์ไบด์ เช่น ซีเมนไทต์) ค่อยๆ บรรเทาความผิดเพี้ยนของโครงตาข่ายของมาร์เทนไซต์ และลดความต้านทานต่อการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่ ซึ่งช่วยเพิ่มความเหนียวและความเหนียวได้อย่างมาก

ตัวอย่างเช่น เหล็ก 45 มีการดูดซับพลังงานกระแทกประมาณ 8J หลังจากการชุบแข็ง (ไม่มีการอบชุบ) พลังงานนี้จะเพิ่มขึ้นเป็น 15-20J หลังจากการอบคืนอุณหภูมิต่ำ-ที่ 200 องศา (ยังค่อนข้างเปราะ แต่เพียงพอสำหรับการใช้งานที่มีแรงกระแทกต่ำ-) หลังจากการอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูงที่ 550 องศา การดูดซับพลังงานกระแทกจะสูงถึงมากกว่า 50J (ปรับปรุงความเหนียวอย่างมีนัยสำคัญและทำให้ทนต่อแรงกระแทกปานกลาง)

สำหรับเหล็กโครงสร้างคาร์บอนสูง- (เช่น เหล็ก 65) การปรับปรุงความเป็นพลาสติกหลังจากการอบคืนตัวจะเด่นชัดยิ่งขึ้น โดยมีการยืดตัวเพิ่มขึ้นจาก 1%-2% หลังจากการชุบแข็งเป็น 10%-15% ป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนแตกหักง่ายเมื่อถูกแรงภายนอก
3. การปรับความแข็งและความแข็งแกร่งให้ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานที่แตกต่างกัน
หลังจากการชุบแข็ง เหล็กจะมีความแข็งและความแข็งแรงสูงสุด (เช่น เหล็ก 45 จะมีความแข็ง HRC55-60 และความต้านทานแรงดึงมากกว่า 1,000 MPa หลังจากการชุบแข็ง) อย่างไรก็ตามไม่ใช่ทุกการใช้งานที่ต้องการความแข็งมาก ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพสำหรับชิ้นส่วนต่างๆ นั้นแตกต่างกันอย่างมาก (เช่น เครื่องมือต้องมีความแข็งสูง เพลาต้องการความแข็งแรงและความเหนียวที่สมดุล และตัวเชื่อมต่อต้องการความเป็นพลาสติก) การแบ่งเบาบรรเทาช่วยให้สามารถปรับความแข็งและความแข็งแรงได้อย่างแม่นยำโดยการควบคุมอุณหภูมิความร้อน:

การอบคืนตัวด้วยอุณหภูมิต่ำ- (150-250 องศา ): คาร์ไบด์ละเอียดเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่จะตกตะกอน ช่วยรักษาโครงสร้างมาร์เทนไซต์ และลดการสูญเสียความแข็งและความแข็งแรงให้เหลือน้อยที่สุด (เหล็ก 45 มีความแข็ง HRC50-55 และความต้านทานแรงดึงมากกว่า 900 MPa หลังจากการอบคืนตัว) โดยหลักแล้วจะใช้ในงานที่ต้องการทั้งความแข็งสูงและความทนทานในระดับหนึ่ง (เช่น เครื่องมือตัดและบุชชิ่งที่ทนต่อการสึกหรอ)

การแบ่งเบาบรรเทาอุณหภูมิปานกลาง- (350-500 องศา ): มาร์เทนไซต์สลายตัวอย่างมีนัยสำคัญเป็นโทรสต์ไทต์ที่ผ่านการอบชุบ (ซีเมนต์ไทต์เนื้อละเอียด + เฟอร์ไรต์) ซึ่งลดความแข็งลงเหลือ 100% ที่ HRC 35-45 ความแข็งแรงยังคงอยู่ที่ 700-800 MPa ในขณะที่ความยืดหยุ่นได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ (ขีดจำกัดความยืดหยุ่นถึง 300-400 MPa) เหมาะสำหรับสปริงและส่วนประกอบที่ยืดหยุ่น (เช่น สปริงโช้คอัพรถยนต์และหัวจับเครื่องมือกล)
การอบคืนตัวด้วยอุณหภูมิสูง- (500-650 องศา ): มาร์เทนไซต์จะถูกย่อยสลายอย่างสมบูรณ์เป็น "โทรสไทต์ที่ผ่านการอบชุบ" (ซีเมนต์ไทต์เนื้อหยาบ + เฟอร์ไรต์-) ​​ซึ่งช่วยลดความแข็งลงเหลือ HRC 25-35 อีก ความแข็งแรงยังคงอยู่ที่ 600-800 MPa และความเหนียวและความเหนียวได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ เหมาะสำหรับชิ้นส่วนแกนกลางที่ต้องการความสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความเหนียว (เช่น เพลา ก้านสูบ และเฟือง). 4. ปรับโครงสร้างจุลภาคและขนาดให้คงที่เพื่อให้มั่นใจถึงความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของชิ้นส่วนในระยะยาว
มาร์เทนไซต์ที่ดับแล้วเป็นโครงสร้างที่ไม่-สมดุลและยังคงมีแนวโน้มที่จะสลายตัวตามธรรมชาติที่อุณหภูมิห้อง (คาร์บอนค่อยๆ ตกตะกอน และค่อยๆ เปลี่ยนโครงสร้างไปสู่สมดุล) "ผลกระทบจากการแก่ชรา" นี้สามารถนำไปสู่สิ่งต่อไปนี้ในระหว่างการใช้งานหรือการเก็บรักษา-ในระยะยาว:
ความไม่แน่นอนของโครงสร้างระดับจุลภาค: มาร์เทนไซต์ค่อยๆ สลายตัวเป็นเพิร์ลไลต์หรือซีเมนไทต์ ส่งผลให้คุณสมบัติลดลงทีละน้อย (เช่น ความแข็งและความยืดหยุ่น)
ความไม่เสถียรของมิติ: การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างระดับจุลภาคจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงปริมาตร ซึ่งนำไปสู่การเบี่ยงเบนเล็กน้อยแต่คงอยู่ถาวรในมิติชิ้นส่วน (เช่น การสูญเสียความแม่นยำของมิติในตลับลูกปืนที่มีความแม่นยำและเครื่องมือวัด)
การแบ่งเบาบรรเทาจะเร่งการสลายตัวของมาร์เทนไซต์และการตกตะกอนของคาร์ไบด์ผ่าน "การให้ความร้อนแบบแอกทีฟ" ซึ่งช่วยให้โครงสร้างมีสถานะค่อนข้างเสถียรตั้งแต่เนิ่นๆ (เช่น เบนไนต์ที่ถูกทำให้ร้อนที่เกิดขึ้นหลังจากการอบคืนความร้อนที่อุณหภูมิสูง-แทบจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างระดับจุลภาคที่อุณหภูมิห้องเลย) ส่งผลให้:
การล็อคโครงสร้างจุลภาค: ป้องกันความผันผวนของประสิทธิภาพในระหว่างการใช้งานครั้งต่อไป
การแก้ไขขนาด: ขจัดความเสี่ยงของ "การเสียรูปตามอายุการใช้งาน" ทำให้มั่นใจในความแม่นยำของมิติ-ในระยะยาวของชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำ (เช่น สปินเดิลของเครื่องมือกลและสลักเกลียวที่มีความแม่นยำ). 5. อำนวยความสะดวกในการประมวลผลภายหลัง (ปรับปรุงความสามารถในการขึ้นรูป)
ความแข็งของเหล็กชุบแข็งนั้นสูงมาก (เช่น เหล็ก 45 จะไปถึง HRC 55-60 หลังจากการชุบแข็ง) การตัดโดยตรง (เช่น การกลึงและการกัด) ต้องเผชิญกับปัญหาหลักสองประการ:
การสึกหรอของเครื่องมืออย่างรวดเร็ว: เหล็กกล้าที่มีความแข็งสูง-จะสึกหรออย่างรวดเร็ว-เหล็กกล้าความเร็วสูงหรือเครื่องมือตัดคาร์ไบด์ ส่งผลให้ต้นทุนการตัดเฉือนสูง
ความแม่นยำในการตัดเฉือนต่ำ: ความแข็งที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดการบิ่นและการสะท้านได้ง่ายในระหว่างการตัดชิ้นส่วน ทำให้ยากต่อการรักษาความหยาบของพื้นผิว (เช่น การได้ค่า Ra ต่ำกว่า 3.2μm)
การอบคืนตัวเหล็กชุบแข็งที่อุณหภูมิปานกลาง-สามารถลดความแข็งลงได้ถึง HRC 25-40 (ในช่วง "ตัดง่าย-")
ณ จุดนี้ โครงสร้างจุลภาคของเหล็กเป็นแบบเทมเปอร์โทรสไทต์หรือเทมเปอร์โทรสไทต์ ส่งผลให้มีความแข็งปานกลาง แรงของเครื่องมือจะกระจายอย่างสม่ำเสมอในระหว่างการตัด ส่งผลให้การสึกหรอช้า
ความเป็นพลาสติกที่เพิ่มขึ้นช่วยให้เศษหักได้ง่ายขึ้น (ป้องกันการพันของเครื่องมือ) ปรับปรุงคุณภาพผิวสำเร็จได้อย่างมาก (ค่า Ra สามารถลดลงต่ำกว่า 1.6μm) ปูทางไปสู่การตัดเฉือนที่มีความแม่นยำในภายหลัง (เช่น การเก็บผิวละเอียดเฟืองและเพลา)