¿Cuántas etapas hay en la historia del desarrollo de las aleaciones?
El tratamiento térmico de metales es uno de los procesos importantes en la fabricación de maquinaria. En comparación con otras tecnologías de procesamiento, el tratamiento térmico generalmente no cambia la forma ni la composición química general de la pieza de trabajo, pero proporciona o mejora el rendimiento de trabajo de la pieza de trabajo cambiando la microestructura dentro de la pieza de trabajo o cambiando la composición química de la superficie de la pieza de trabajo. Su característica es mejorar la calidad intrínseca de la pieza, que generalmente es invisible a simple vista.
Para que las piezas de metal tengan las propiedades mecánicas, físicas y químicas requeridas, además de una selección razonable de materiales y diversos procesos de conformado, a menudo se requiere un tratamiento térmico. El acero es el material más utilizado en la industria mecánica. Su microestructura es compleja y puede controlarse mediante tratamiento térmico. Por lo tanto, el tratamiento térmico del acero es el contenido principal del tratamiento térmico del metal. Además, el aluminio, el cobre, el magnesio, el titanio y sus aleaciones también se pueden obtener mediante tratamiento térmico para cambiar sus propiedades mecánicas, físicas y químicas.
En el proceso desde la Edad de Piedra hasta la Edad del Bronce y la Edad del Hierro, el papel del tratamiento térmico se fue reconociendo gradualmente. Ya entre el 770 a. C. y el 222 a. C., nuestro país descubrió que las propiedades del cobre y el hierro cambiarían debido a la influencia de la temperatura y la deformación por presión. El tratamiento de ablandamiento del hierro fundido blanco es un proceso importante en la fabricación de herramientas agrícolas.
En el siglo VI a.C. se fueron adoptando paulatinamente las armas de acero. Para mejorar la dureza del acero, se ha desarrollado rápidamente el proceso de templado. Dos espadas y una alabarda desenterradas en Yanxiadu, condado de Yi, provincia de Hebei, China, tienen martensita en su microestructura, lo que indica que fueron apagadas.
Con el desarrollo de la tecnología de enfriamiento, la gente ha descubierto gradualmente el impacto del refrigerante en la calidad del enfriamiento. Durante el período de los Tres Reinos, Schumann Puyuan fabricó tres mil cuchillos para Zhuge Liang en Xiegu, Shaanxi. Se dice que envió gente a Chengdu a buscar agua para apagar el fuego. Esto muestra que China en la antigüedad notó la capacidad de enfriamiento de diferentes calidades de agua, así como la capacidad de enfriamiento del aceite y la orina. La espada desenterrada en mi país de la tumba de Wang Jing en Zhongshan durante la dinastía Han Occidental (206 a. C. - 24 d. C.) tiene un contenido de carbono de 0,15 a 0,4% en el centro de la espada y un contenido de carbono de más de 0,6. % en la superficie, lo que indica que se ha aplicado tecnología de cementación. Pero como el secreto del "artesanía" personal en ese momento se negó a difundirse, se desarrolló muy lentamente.
En 1863, metalógrafos y geólogos británicos demostraron seis estructuras metalográficas diferentes del acero bajo un microscopio, demostrando que la estructura interna del acero cambiará cuando se caliente y enfríe. La fase de alta temperatura del material cambiará. se transforma en una fase dura al enfriarse rápidamente. La teoría isomórfica del hierro establecida por el francés Osmond y el diagrama de fases hierro-carbono formulado por primera vez por el británico Austin sentaron las bases teóricas de la tecnología moderna de tratamiento térmico.
Durante el periodo comprendido entre 1850 y 1880, se produjeron una serie de patentes sobre la aplicación de diversos gases (como hidrógeno, gas de hulla, monóxido de carbono, etc.). ) para calefacción protectora. De 1889 a 1890, British Lake obtuvo patentes para el tratamiento térmico brillante de diversos metales.
Desde el siglo XX, con el desarrollo de la física de los metales y el trasplante de otras nuevas tecnologías, el proceso de tratamiento térmico de metales se ha desarrollado enormemente. Un avance significativo fue el uso de hornos de solera rotativa para la cementación de gas en la producción industrial entre 1901 y 1925. El potenciómetro de punto de rocío apareció en los años 30 y permitía controlar el potencial de carbono de la atmósfera del horno. Posteriormente, se desarrollaron métodos para controlar aún más el potencial de carbono en la atmósfera del horno mediante el uso de instrumentos infrarrojos de dióxido de carbono y sondas de oxígeno. En la década de 1960, los campos de plasma se utilizaron en la tecnología de tratamiento térmico y se desarrollaron procesos de nitruración y carburación de iones. Con la aplicación de la tecnología láser y de haz de electrones, los metales han adquirido nuevos métodos de tratamiento térmico superficial y de tratamiento térmico químico.
Proceso de tratamiento térmico bimetálico
El proceso de tratamiento térmico generalmente incluye tres procesos: calentamiento, aislamiento y enfriamiento. En ocasiones solo existen dos procesos: calentamiento y enfriamiento.
El calentamiento es uno de los pasos importantes en el tratamiento térmico. Existen muchos métodos de calentamiento para el tratamiento térmico de metales. El carbón vegetal y el carbón se utilizaron por primera vez como fuentes de calor, y luego se utilizaron combustibles líquidos y gaseosos. La aplicación de electricidad hace que la calefacción sea fácil de controlar y no contamine el medio ambiente. Estas fuentes de calor se pueden utilizar para calentamiento directo o calentamiento indirecto a través de sales o metales fundidos o incluso partículas flotantes.
Cuando se calienta el metal y se expone la pieza al aire, a menudo se produce una descarburación oxidativa (es decir, se reduce el contenido de carbono en la superficie de la pieza de acero), lo que tiene un impacto muy negativo en la Propiedades superficiales de las piezas después del tratamiento térmico. Por lo tanto, los metales normalmente deben calentarse en atmósfera controlada o protectora, sal fundida y vacío, pudiendo también protegerse mediante recubrimiento o embalaje.
La temperatura de calentamiento es uno de los parámetros importantes del proceso de tratamiento térmico. La selección y el control de la temperatura de calentamiento son los principales aspectos para garantizar la calidad del tratamiento térmico. La temperatura de calentamiento varía según el material metálico a tratar y el propósito del tratamiento térmico, pero generalmente se calienta por encima de la temperatura de transición de fase para obtener la estructura deseada. Además, la transformación lleva una cierta cantidad de tiempo, por lo que cuando la superficie de la pieza de metal alcanza la temperatura de calentamiento requerida, debe mantenerse a esta temperatura durante un cierto período de tiempo para que las temperaturas interna y externa sean consistentes. Cuando se utiliza calentamiento de alta densidad de energía y tratamiento térmico de superficies, la velocidad de calentamiento es extremadamente rápida y, en general, no se conserva el calor o el tiempo de conservación del calor es muy corto, mientras que el tratamiento térmico químico suele llevar mucho tiempo.
El enfriamiento también es un paso indispensable en el proceso de tratamiento térmico. El método de enfriamiento varía según el proceso y controla principalmente la velocidad de enfriamiento. Generalmente, la velocidad de enfriamiento del recocido es la más lenta, la velocidad de enfriamiento de la normalización es más rápida y la velocidad de enfriamiento del enfriamiento es más rápida. Pero los diferentes tipos de acero tienen requisitos diferentes.
Por ejemplo, el acero endurecido al aire se puede endurecer a la misma velocidad de enfriamiento normalizada.
Los procesos de tratamiento térmico de metales se pueden dividir a grandes rasgos en tratamiento térmico general, tratamiento térmico superficial, tratamiento térmico local y tratamiento térmico químico. Dependiendo del medio de calentamiento, la temperatura de calentamiento y el método de enfriamiento, cada categoría se puede dividir en varios procesos de tratamiento térmico diferentes. Mediante el uso de diferentes procesos de tratamiento térmico, un mismo metal puede obtener estructuras diferentes y, por tanto, propiedades diferentes. El acero es el metal más utilizado en la industria y su microestructura también es la más compleja. Por ello, existen muchos procesos de tratamiento térmico del acero.
El tratamiento térmico integral es un proceso de tratamiento térmico de metales en el que toda la pieza de trabajo se calienta y luego se enfría a una velocidad adecuada para cambiar sus propiedades mecánicas generales. Hay cuatro procesos básicos para el tratamiento térmico general del acero: recocido, normalizado, templado y revenido.
El recocido consiste en calentar la pieza de trabajo a una temperatura adecuada, adoptar diferentes tiempos de retención según el material y el tamaño de la pieza de trabajo, y luego enfriarla lentamente para lograr que la estructura interna del metal alcance. o estar cerca de un estado de equilibrio y obtener un buen rendimiento y capacidad de servicio del proceso, o preparar el tejido para un enfriamiento adicional. Normalizar consiste en calentar la pieza de trabajo a la temperatura adecuada y luego enfriarla al aire. El efecto de la normalización es similar al del recocido, excepto que la estructura resultante es más pequeña. A menudo se usa para mejorar el rendimiento de corte de los materiales y, a veces, se usa como tratamiento térmico final para algunas piezas menos exigentes.
El enfriamiento consiste en calentar y mantener la pieza de trabajo, y luego enfriarla rápidamente en un medio de enfriamiento como agua, aceite u otras sales inorgánicas, soluciones acuosas orgánicas. Después del templado, el acero se vuelve duro pero al mismo tiempo se vuelve quebradizo. Para reducir la fragilidad de las piezas de acero, las piezas de acero templado se mantienen durante mucho tiempo a una temperatura adecuada por encima de la temperatura ambiente pero por debajo de 710 °C, y luego se enfrían. Este proceso en su conjunto se denomina templado, recocido, normalizado, templado y revenido.
Los "cuatro fuegos" evolucionaron hacia procesos de tratamiento térmico con diferentes temperaturas de calentamiento y métodos de enfriamiento. Para obtener una cierta resistencia y tenacidad, el proceso de combinar temple y revenido a alta temperatura se denomina temple y revenido. Después de que algunas aleaciones se enfrían para formar una solución sólida sobresaturada, se mantienen a temperatura ambiente o a una temperatura ligeramente más alta durante mucho tiempo para mejorar la dureza, resistencia o propiedades electromagnéticas de la aleación. Este proceso de tratamiento térmico se llama tratamiento de envejecimiento. La deformación por procesamiento a presión y el tratamiento térmico se combinan de manera efectiva y estrecha para hacerlos uno. El tratamiento térmico realizado en una atmósfera de presión negativa o al vacío se llama tratamiento térmico al vacío. No solo puede evitar que la pieza de trabajo se oxide y decarbure, sino que también puede mantener la calidad. superficie de la pieza procesada, limpieza, mejora del rendimiento de la pieza e introducción de penetrante para tratamiento térmico químico.
El tratamiento térmico superficial es un proceso de tratamiento térmico del metal que solo calienta la capa superficial de la pieza de trabajo para cambiar sus propiedades mecánicas. Para calentar la capa superficial de la pieza de trabajo sin introducir demasiado calor en la pieza de trabajo, la fuente de calor utilizada debe tener una alta densidad de energía, es decir, se proporciona una gran cantidad de energía térmica a la pieza de trabajo por unidad de área, de modo que la capa superficial o parte de la pieza de trabajo alcanza una cierta temperatura en poco tiempo o en un instante. Los principales métodos de tratamiento térmico de superficies incluyen el tratamiento térmico con láser, el enfriamiento de llama y el tratamiento térmico por inducción. Las fuentes de calor comúnmente utilizadas incluyen oxígeno acetileno u oxígeno propano, corriente inducida, láser y oxígeno propano.
El tratamiento térmico químico es un proceso de tratamiento térmico de metales que cambia la composición química, la microestructura y las propiedades de la capa superficial de la pieza de trabajo. La diferencia entre el tratamiento térmico químico y el tratamiento térmico superficial es que este último cambia la composición química de la capa superficial de la pieza de trabajo. El tratamiento térmico químico consiste en calentar la pieza de trabajo en un medio (gas, líquido, sólido) que contiene carbono, nitrógeno u otros elementos de aleación y mantener la temperatura durante un tiempo prolongado, de modo que la superficie de la pieza de trabajo se infiltre con carbono, nitrógeno, boro, cromo y otros elementos. Una vez infiltrados los elementos, a veces se realizan otros procesos de tratamiento térmico, como templado y revenido.
El tratamiento térmico es uno de los procesos importantes en el proceso de fabricación de piezas mecánicas y moldes. En términos generales, puede garantizar y mejorar diversas propiedades de la pieza de trabajo, como la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión, etc., y también puede mejorar la microestructura y el estado de tensión de la pieza en bruto para facilitar diversos procesos de procesamiento en frío y en caliente.
Por ejemplo, el hierro fundido blanco se puede recocer durante mucho tiempo para obtener hierro fundido maleable y mejorar su plasticidad, con el proceso de tratamiento térmico correcto, la vida útil de los engranajes se puede duplicar o incluso decenas de veces; más largo que los engranajes sin tratamiento térmico; además, el acero al carbono barato tiene algunas propiedades del costoso acero de aleación al infiltrarse en algunos elementos de aleación y puede reemplazar algunos aceros resistentes al calor y acero inoxidable, casi todas las herramientas y moldes requieren tratamiento térmico antes de su uso.
Clasificación de los tres tipos de acero
El acero es una aleación que tiene como componentes principales el hierro y el carbono, siendo el contenido de carbono generalmente inferior al 2,11%. El acero es un material metálico extremadamente importante en la construcción económica. El acero se puede dividir en acero al carbono y acero aleado según su composición química. El acero al carbono es una aleación fundida a partir de arrabio. Además de hierro y carbono, también contiene pequeñas cantidades de manganeso, silicio, azufre y acero aleado. Y el precio es bajo. Por lo tanto, el acero al carbono se ha utilizado ampliamente. Sin embargo, con el rápido desarrollo de la industria, la ciencia y la tecnología modernas, el rendimiento del acero al carbono ya no puede satisfacer plenamente las necesidades, por lo que la gente ha desarrollado varios aceros aleados. El acero aleado es una aleación de múltiples componentes que se obtiene agregando intencionalmente ciertos elementos (llamados elementos de aleación) al acero al carbono. En comparación con el acero al carbono, el rendimiento del acero aleado ha mejorado significativamente, por lo que se ha utilizado ampliamente.
Debido a la gran variedad de productos siderúrgicos, los productos siderúrgicos deben clasificarse para facilitar la producción, el almacenamiento, la selección y la investigación. Según los diferentes usos, composición química y calidad del acero, el acero se puede dividir en muchos tipos:
(1). Clasificación por finalidad
Según la finalidad del acero, se puede dividir en acero estructural, acero para herramientas y acero de prestaciones especiales.
1. Acero estructural:
(1). Acero utilizado como piezas diversas de máquinas.
Incluye acero cementado, acero templado y revenido, acero para resortes y acero para rodamientos.
(2) Acero utilizado en estructuras de ingeniería. Incluye acero grado A, grado B, acero especial y acero ordinario de baja aleación en acero al carbono.
2. Acero para herramientas: Acero utilizado para fabricar diversas herramientas. Según los diferentes usos de las herramientas, se pueden dividir en acero para herramientas de corte, acero para moldes y acero para herramientas de medición.
3. Acero de prestaciones especiales: acero con propiedades físicas y químicas especiales. Se puede dividir en acero inoxidable, acero resistente al calor, acero resistente al desgaste y acero magnético.
(2) Clasificación por composición química
Según la composición química del acero, se puede dividir en acero al carbono y acero aleado.
Acero al carbono: Según el contenido de carbono, se puede dividir en acero bajo en carbono (contenido de carbono ≤ 0,25% acero al carbono medio (0,25% 10%). Además, según los tipos de elementos de aleación principales contenidos en el acero, también se puede dividir en acero al manganeso, acero al cromo, acero al cromo-níquel, acero al cromo-manganeso-titanio, etc.
(3) Clasificación por calidad
Según el contenido de impurezas nocivas fósforo y azufre en el acero, se puede dividir en acero ordinario (contenido de fósforo ≤ 0,045%, contenido de azufre ≤ 0,055%; o el contenido de fósforo y azufre es ≤0,050%; el contenido de fósforo y azufre es ≤0,030%;
Además, según el tipo de horno de fundición, el acero se puede dividir en acero de solera abierta (hogar abierto ácido y solera abierta alcalina), acero convertidor de aire (convertidor ácido, convertidor alcalino y convertidor de oxígeno por soplado superior). acero) y acero para hornos eléctricos. Según el grado de desoxidación durante la fundición, el acero se puede dividir en acero en ebullición (desoxidación incompleta), acero calmado (desoxidación completa) y acero semiacabado.
Cuando las acerías nombran productos de acero, a menudo combinan tres métodos de clasificación: uso, composición y calidad. Por ejemplo, el acero se llama acero estructural al carbono ordinario, acero estructural al carbono de alta calidad, acero para herramientas al carbono, acero para herramientas al carbono avanzado de alta calidad, acero estructural aleado, acero para herramientas aleado, etc. , ambos ≤0,040%); acero de alta calidad (contenido de fósforo ≤0,035%,
Propiedades mecánicas de cuatro materiales metálicos
Las propiedades de los materiales metálicos generalmente se dividen en dos categorías: Rendimiento del proceso y rendimiento de uso El llamado rendimiento del proceso se refiere al rendimiento de los materiales metálicos en determinadas condiciones de procesamiento en frío y en caliente durante el procesamiento y la fabricación de piezas mecánicas. El rendimiento del proceso de los materiales metálicos determina su adaptabilidad durante el proceso de fabricación. , las propiedades del proceso requeridas también son diferentes, como el rendimiento de la fundición, la soldabilidad, la ductilidad, el rendimiento del tratamiento térmico, la procesabilidad, etc. El llamado rendimiento del servicio se refiere al rendimiento de los materiales metálicos en las condiciones de uso de piezas mecánicas, incluidas las mecánicas. propiedades, propiedades físicas, propiedades químicas, etc. El rendimiento de los materiales metálicos determina su rango de aplicación y vida útil.
En la industria de fabricación de maquinaria, las piezas mecánicas generales no son altamente corrosivas a temperaturas normales. medios, todas las piezas mecánicas soportarán diferentes cargas durante el uso. La capacidad de los materiales metálicos para resistir daños bajo carga se denomina propiedades mecánicas (o propiedades mecánicas de los materiales metálicos son el factor principal en el diseño de piezas y la selección de materiales). La naturaleza de la carga externa es diferente (como tensión, compresión, torsión, impacto, carga cíclica, etc.). Las propiedades mecánicas requeridas de los materiales metálicos también serán diferentes. Las propiedades mecánicas comúnmente utilizadas incluyen: resistencia, plasticidad y dureza. , tenacidad y resistencia. Límite de fatiga e impacto repetido, etc. A continuación se analizarán por separado varias propiedades mecánicas.
1. Resistencia
La resistencia se refiere a la resistencia de un material metálico a. capacidad de falla (deformación plástica excesiva o fractura) bajo carga estática). Dado que las cargas actúan en forma de tensión, compresión, flexión y corte, la resistencia también se puede dividir en resistencia a la tracción, resistencia a la compresión, resistencia a la flexión, resistencia al corte, etc. A menudo existe una cierta relación entre varias resistencias, la resistencia a la tracción se usa generalmente como el indicador de resistencia más básico.
2 Plasticidad
La plasticidad se refiere a la deformación plástica (deformación permanente) de. Materiales metálicos sin destrucción bajo carga.
3. Dificultad
La dureza es un indicador de la dureza de los materiales metálicos. El método más utilizado para medir la dureza en la producción es la sangría. Método de dureza, que tiene una cierta carga. El penetrador de forma geométrica se presiona en la superficie del material metálico que se va a probar bajo una determinada carga y su dureza se determina en función del grado de indentación.
Métodos comúnmente utilizados. incluyen dureza Brinell (HB), dureza Rockwell (HRA, HRC) y dureza Vickers (HV)
Cansado
La resistencia, plasticidad y dureza discutidas anteriormente son las propiedades mecánicas. de metales bajo carga estática De hecho, muchas máquinas funcionan bajo cargas cíclicas, en cuyo caso las piezas se fatigarán
5. a alta velocidad se llama carga, la capacidad del metal para resistir daños bajo carga de impacto se llama tenacidad al impacto.
El quinto paso, recocido-templado-templado
(1) Tipo de recocido
1. Recocido completo y recocido isotérmico
El recocido completo también se denomina recocido por recristalización, generalmente denominado recocido. Este tipo de recocido se utiliza principalmente para fundición, forja y perfiles laminados en caliente de diversos aceros al carbono y aleados con composición sub** y, a veces, se utiliza para estructuras soldadas. Generalmente se utiliza como tratamiento térmico final de algunas piezas de trabajo sin importancia, o como tratamiento de precalentamiento de algunas piezas de trabajo.
2. Recocido por esferoidización
El recocido por esferoidización se utiliza principalmente para acero al carbono y acero aleado para herramientas (como el acero utilizado para fabricar cuchillos, herramientas de medición y moldes). Su objetivo principal es reducir la dureza, mejorar la trabajabilidad y preparar para el posterior enfriamiento.
3. Recocido con alivio de tensiones
El recocido con alivio de tensiones también se denomina recocido a baja temperatura (o revenido a alta temperatura). Este tipo de recocido se utiliza principalmente para eliminar tensiones residuales en piezas fundidas, forjadas, piezas soldadas, piezas laminadas en caliente, piezas estiradas en frío, etc. Si estas tensiones no se alivian, el acero puede deformarse o agrietarse con el tiempo o durante el corte posterior.
(2). Inhibición
Para mejorar la dureza, los principales métodos son el calentamiento, el aislamiento y el enfriamiento rápido. Los medios refrigerantes más utilizados son salmuera, agua y aceite. La pieza de trabajo templada en agua salada puede obtener fácilmente una alta dureza y una superficie lisa, y es menos probable que produzca puntos blandos no endurecidos, pero puede causar fácilmente una deformación severa o incluso agrietamiento de la pieza de trabajo. El uso de aceite como medio de enfriamiento solo es adecuado para templar algunas piezas de acero aleado o de acero al carbono de pequeño tamaño con alta estabilidad de austenita sobreenfriada.
(3). Templado
1. Reducir la fragilidad y eliminar o reducir las tensiones internas. Después del templado, las piezas de acero sufren una gran tensión interna y se vuelven quebradizas. Si no se templan a tiempo, las piezas de acero a menudo se deformarán o incluso se agrietarán.
2. Obtener las propiedades mecánicas requeridas de la pieza. Después del templado, la pieza de trabajo tiene alta dureza y gran fragilidad. Para cumplir con los diferentes requisitos de rendimiento de diversas piezas de trabajo, la dureza se puede ajustar mediante un templado adecuado para reducir la fragilidad y obtener la tenacidad y plasticidad requeridas.
3. Estabilizar el tamaño de la pieza de trabajo
4. Para algunos aceros aleados que son difíciles de ablandar después del recocido, a menudo se utiliza el templado a alta temperatura después del templado (o normalizado) para Retire los carburos del acero. Recoja adecuadamente para reducir la dureza del corte.
6. Selección de tipos de hornos comunes
El tipo de horno debe determinarse de acuerdo con los diferentes requisitos del proceso y tipos de piezas de trabajo.
1. Para aquellos que no se pueden producir en masa y tienen piezas de trabajo de diferentes tamaños y tipos, se requiere tecnología universal.
Para múltiples propósitos, puede elegir un horno de caja.
2. Al calentar ejes largos, tornillos largos, tuberías y otras piezas de trabajo, puede elegir un horno eléctrico de pozo profundo.
3. Para lotes pequeños de piezas carburadas, se puede utilizar un horno de cementación de gas tipo pozo.
4. Para la producción en masa de piezas como engranajes de automóviles y tractores, se pueden utilizar líneas de producción de cementación continua u hornos multipropósito tipo caja.
5. Al calentar piezas estampadas para producción en masa, es mejor utilizar hornos de laminación y hornos de solera de rodillos.
6. Para piezas moldeadas por lotes, puede elegir un horno de resistencia con varilla de empuje o con cinta transportadora (horno de varilla de empuje u horno de fundición con cinta) para la producción.
7. Para piezas mecánicas pequeñas, como tornillos, tuercas, etc., se puede optar por un horno de solera vibratoria o un horno de cinta de malla.
8. El horno de tubo giratorio en espiral interno se puede utilizar para el tratamiento térmico de bolas y rodillos de acero.
9. Los hornos de varilla de empuje se pueden utilizar para la producción en masa de lingotes de metales no ferrosos, y los hornos de calentamiento por circulación de aire se pueden utilizar para piezas y materiales pequeños de metales no ferrosos.