Die Wärmebehandlung von Metallen ist ein Prozessverfahren, bei dem ein Metallwerkstück in ein bestimmtes Medium gegeben und auf eine geeignete Temperatur erhitzt wird, dann für einen bestimmten Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten und anschließend mit unterschiedlicher Geschwindigkeit abgekühlt wird.
Die Wärmebehandlung von Metallen ist einer der wichtigsten Prozesse in der mechanischen Fertigung. Im Vergleich zu anderen Verarbeitungstechnologien verändert die Wärmebehandlung im Allgemeinen nicht die Form und die chemische Gesamtzusammensetzung des Werkstücks, sondern verändert vielmehr die Mikrostruktur im Inneren des Werkstücks oder die chemische Zusammensetzung auf der Oberfläche des Werkstücks, um die Leistung des Werkstücks zu verbessern. Seine Eigenschaft besteht darin, die intrinsische Qualität des Werkstücks zu verbessern, die im Allgemeinen mit bloßem Auge nicht sichtbar ist.
Damit das Metallwerkstück die erforderlichen mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften aufweist, sind neben einer angemessenen Auswahl von Materialien und verschiedenen Umformungsprozessen häufig Wärmebehandlungsprozesse unverzichtbar. Stahl ist das am häufigsten verwendete Material in der Maschinenbauindustrie. Die Mikrostruktur von Stahl ist komplex und kann durch Wärmebehandlung gesteuert werden. Daher ist die Wärmebehandlung von Stahl der Hauptbestandteil der Metallwärmebehandlung. Darüber hinaus können Aluminium, Kupfer, Magnesium, Titan usw. und deren Legierungen ihre mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften durch Wärmebehandlung ändern, um unterschiedliche Leistungen zu erzielen.
Im Laufe der Zeit von der Steinzeit über die Bronzezeit bis hin zur Eisenzeit wurde die Rolle der Wärmebehandlung allmählich von den Menschen erkannt. Bereits 770-222 v. Chr. hatten die Chinesen in der Produktionspraxis festgestellt, dass sich die Eigenschaften von Kupfer und Eisen aufgrund des Einflusses von Temperatur- und Druckverformung ändern würden. Die Erweichungsbehandlung von weißem Gusseisen ist ein wichtiger Prozess zur Herstellung landwirtschaftlicher Geräte.
Im sechsten Jahrhundert v. Chr. wurden Stahlwaffen allmählich eingeführt. Um die Härte des Stahls zu verbessern, entwickelte man rasch das Abschreckverfahren. Zwei Schwerter und eine Hellebarde, die in Yanxiadu, Kreis Yi, Provinz Hebei, China, ausgegraben wurden, weisen Martensit in ihren Mikrostrukturen auf, was darauf hindeutet, dass sie abgeschreckt wurden.
Mit der Entwicklung der Abschrecktechnologie entdeckten die Menschen allmählich den Einfluss von Kühlmitteln auf die Abschreckqualität. Pu Yuan, ein Shu-Mann in der Zeit der Drei Königreiche, fertigte einst 3.000 Messer für Zhuge Liang in Xiagu, Provinz Shaanxi. Es wird gesagt, dass er Leute nach Chengdu schickte, um Wasser zum Abschrecken zu holen. Dies zeigt, dass China im Altertum die Kühlleistung verschiedener Wasserqualitäten erkannte und auch auf die Kühlleistung von Öl und Urin achtete. Das Schwert, das im Grab von König Jing von Zhongshan während der Westlichen Han-Dynastie (2.6 v. Chr.) in China ausgegraben wurde, hat im Kern einen Kohlenstoffgehalt von 7,4 %, während der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche mehr als 0,6 % beträgt, was darauf hindeutet, dass Aufkohlungstechnologie angewendet wurde. Da es sich damals jedoch um ein Geheimnis persönlicher „Handwerkskunst“ handelte, wollte man es nicht weitergeben, sodass es sich sehr langsam entwickelte.
Im Jahr 1863 zeigten britische Metallologen und Geologen sechs verschiedene metallografische Strukturen von Stahl unter einem Mikroskop und bewiesen damit, dass sich die innere Struktur von Stahl ändert, wenn er erhitzt und abgekühlt wird, und dass sich die Phase bei hohen Temperaturen im Stahl in eine härtere Phase verwandelt, wenn er schnell abgekühlt wird. Die vom Franzosen Osmond aufgestellte Theorie der Eisenallotropie und das erstmals vom Briten Austin formulierte Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm legten den theoretischen Grundstein für die moderne Wärmebehandlungstechnologie. Gleichzeitig untersuchten die Menschen auch die Schutzmethoden von Metallen während des Erhitzungsprozesses der Metallwärmebehandlung, um Oxidation und Entkohlung von Metallen während des Erhitzens zu vermeiden.
Von 1850 bis 1880 gab es eine Reihe von Patenten für die Anwendung verschiedener Gase (wie Wasserstoff, Kohlegas, Kohlenmonoxid usw.) zur Schutzheizung. Von 1889 bis 1890 erhielt der British Lake Patente für die Glanzwärmebehandlung verschiedener Metalle.
Seit dem 20. Jahrhundert haben die Entwicklung der Metallphysik und die Übertragung und Anwendung anderer neuer Technologien den Wärmebehandlungsprozess von Metallen weiterentwickelt. Ein bedeutender Fortschritt war die Anwendung von Drehrohröfen zur Gasaufkohlung in der industriellen Produktion von 1901 bis 1925; die Einführung von Taupunktpotentiometern in den 1930er Jahren machte das Kohlenstoffpotenzial der Ofenatmosphäre steuerbar, und später wurde die Verwendung von Kohlendioxid-Infrarotinstrumenten, Sauerstoffsonden usw. zur weiteren Kontrolle des Kohlenstoffpotenzials der Ofenatmosphäre untersucht; in den 1960er Jahren nutzte die Wärmebehandlungstechnologie die Rolle von Plasmafeldern, um Ionennitrierungs- und Aufkohlungsprozesse zu entwickeln; die Anwendung von Laser- und Elektronenstrahltechnologie hat es ermöglicht, bei Metallen neue Methoden der Oberflächenwärmebehandlung und chemischen Wärmebehandlung zu erhalten.
2. Wärmebehandlungsprozess von Metallen
Der Wärmebehandlungsprozess umfasst im Allgemeinen drei Prozesse: Erhitzen, Isolieren und Kühlen, manchmal aber auch nur zwei Prozesse: Erhitzen und Kühlen. Diese Prozesse sind miteinander verbunden und können nicht unterbrochen werden.
Das Erhitzen ist einer der wichtigsten Schritte bei der Wärmebehandlung. Es gibt viele Heizmethoden für die Wärmebehandlung von Metallen. Die ersten verwendeten Holzkohle und Kohle als Wärmequellen, später kamen flüssige und gasförmige Brennstoffe zum Einsatz. Durch den Einsatz von Elektrizität ist das Heizen leicht steuerbar und umweltfreundlich. Diese Wärmequellen können zum direkten Heizen oder indirekt durch geschmolzene Salze oder Metalle oder sogar schwebende Partikel verwendet werden.
Beim Erhitzen von Metall wird das Werkstück der Luft ausgesetzt, und es kommt häufig zu Oxidation und Entkohlung (d. h. der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche von Stahlteilen nimmt ab), was sich nach der Wärmebehandlung sehr nachteilig auf die Oberflächeneigenschaften der Teile auswirkt. Daher sollten Metalle üblicherweise in einer kontrollierten Atmosphäre oder Schutzatmosphäre, in geschmolzenen Salzen und im Vakuum erhitzt werden und können auch durch Beschichtungs- oder Verpackungsmethoden geschützt und erhitzt werden.
Die Heiztemperatur ist einer der wichtigen Prozessparameter des Wärmebehandlungsprozesses. Die Auswahl und Kontrolle der Heiztemperatur ist das Hauptproblem, um die Qualität der Wärmebehandlung sicherzustellen. Die Heiztemperatur variiert je nach behandeltem Metallmaterial und dem Zweck der Wärmebehandlung, wird jedoch im Allgemeinen über die Phasenänderungstemperatur erhitzt, um die erforderliche Struktur zu erhalten. Darüber hinaus erfordert die Umwandlung eine gewisse Zeit. Wenn die Oberfläche des Metallwerkstücks die erforderliche Heiztemperatur erreicht, muss sie daher für einen bestimmten Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten werden, um die Innen- und Außentemperaturen konstant zu halten und die Mikrostrukturumwandlung abzuschließen. Dieser Zeitraum wird als Haltezeit bezeichnet. Wenn eine Heizung mit hoher Energiedichte und eine Oberflächenwärmebehandlung verwendet werden, ist die Heizgeschwindigkeit extrem hoch und es gibt im Allgemeinen keine Haltezeit oder die Haltezeit ist sehr kurz, während die Haltezeit bei der chemischen Wärmebehandlung oft länger ist.
Auch das Abkühlen ist ein unverzichtbarer Schritt im Wärmebehandlungsprozess. Die Abkühlmethode variiert je nach Verfahren, hauptsächlich um die Abkühlgeschwindigkeit zu steuern. Im Allgemeinen hat das Glühen die langsamste Abkühlgeschwindigkeit, das Normalisieren eine schnellere Abkühlgeschwindigkeit und das Abschrecken eine noch schnellere Abkühlgeschwindigkeit. Allerdings gelten für verschiedene Stahlsorten unterschiedliche Anforderungen. Beispielsweise kann luftgehärteter Stahl mit der gleichen Abkühlgeschwindigkeit gehärtet werden wie das Normalisieren.
Wärmebehandlungsprozesse für Metalle können grob in Gesamtwärmebehandlung, Oberflächenwärmebehandlung, lokale Wärmebehandlung und chemische Wärmebehandlung unterteilt werden. Je nach Heizmedium, Heiztemperatur und Kühlmethode kann jede Hauptkategorie in mehrere verschiedene Wärmebehandlungsprozesse unterteilt werden. Dasselbe Metall kann durch die Anwendung unterschiedlicher Wärmebehandlungsverfahren unterschiedliche Strukturen und damit unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Stahl ist das in der Industrie am häufigsten verwendete Metall und seine Mikrostruktur ist auch die komplexeste, daher gibt es viele Arten von Wärmebehandlungsprozessen für Stahl.
Die Gesamtwärmebehandlung ist ein Wärmebehandlungsprozess von Metall, bei dem das Werkstück als Ganzes erhitzt und dann mit einer angemessenen Geschwindigkeit abgekühlt wird, um seine mechanischen Gesamteigenschaften zu verändern. Es gibt vier grundlegende Prozesse für die Gesamtwärmebehandlung von Stahl: Glühen, Normalisieren, Abschrecken und Anlassen.
Beim Glühen wird das Werkstück auf eine geeignete Temperatur erhitzt, je nach Material und Werkstückgröße werden unterschiedliche Haltezeiten verwendet und dann langsam abgekühlt. Ziel ist es, die innere Struktur des Metalls in einen Gleichgewichtszustand zu bringen oder sich diesem anzunähern, eine gute Prozess- und Nutzungsleistung zu erzielen oder die Struktur für weiteres Abschrecken vorzubereiten. Beim Normalisieren wird das Werkstück auf eine geeignete Temperatur erhitzt und dann an der Luft abgekühlt. Die Wirkung des Normalisierens ist ähnlich wie beim Glühen, aber die erhaltene Struktur ist feiner. Es wird häufig verwendet, um die Schneidleistung des Materials zu verbessern, und wird manchmal als letzte Wärmebehandlung für einige Teile mit geringen Anforderungen verwendet.
Beim Abschrecken wird das Werkstück erhitzt und warmgehalten und anschließend in einem Abschreckmedium wie Wasser, Öl oder anderen anorganischen Salzen, organischen wässrigen Lösungen usw. schnell abgekühlt. Nach dem Abschrecken wird der Stahl hart, aber auch spröde. Um die Sprödigkeit von Stahlteilen zu verringern, werden die abgeschreckten Stahlteile lange Zeit bei einer geeigneten Temperatur über Raumtemperatur und unter 710 Grad warmgehalten und dann abgekühlt. Dieser Vorgang wird als Anlassen bezeichnet. Glühen, Normalisieren, Abschrecken und Anlassen sind die „vier Feuer“ der gesamten Wärmebehandlung. Unter ihnen sind Abschrecken und Anlassen eng miteinander verbunden und werden oft in Kombination verwendet. Sie sind unverzichtbar.
Die „vier Feuer“ haben sich zu verschiedenen Wärmebehandlungsverfahren mit unterschiedlichen Heiztemperaturen und Kühlmethoden entwickelt. Um eine bestimmte Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen, wird der Prozess der Kombination von Abschrecken und Hochtemperaturtempern als Abschrecken und Tempern bezeichnet. Nachdem einige Legierungen abgeschreckt wurden, um eine übersättigte feste Lösung zu bilden, werden sie lange Zeit bei Raumtemperatur oder einer etwas höheren geeigneten Temperatur aufbewahrt, um die Härte, Festigkeit oder elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Legierung zu verbessern. Ein solcher Wärmebehandlungsprozess wird als Alterungsbehandlung bezeichnet. Das Verfahren, bei dem Druckverarbeitungsverformung effektiv und eng mit Wärmebehandlung kombiniert wird, um dem Werkstück eine gute Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit zu verleihen, wird als Verformungswärmebehandlung bezeichnet. Wärmebehandlung in einer Unterdruckatmosphäre oder einem Vakuum wird als Vakuumwärmebehandlung bezeichnet. Dies kann nicht nur das Werkstück vor Oxidation und Entkohlung schützen, die Oberfläche des Werkstücks nach der Behandlung glatt halten und die Leistung des Werkstücks verbessern, sondern auch das Infiltrat einer chemischen Wärmebehandlung unterziehen.
Oberflächenwärmebehandlung ist ein Wärmebehandlungsprozess von Metallen, bei dem nur die Oberfläche des Werkstücks erhitzt wird, um dessen mechanische Oberflächeneigenschaften zu verändern. Um nur die Oberfläche des Werkstücks zu erhitzen, ohne dass zu viel Wärme in das Innere des Werkstücks übertragen wird, muss die verwendete Wärmequelle eine hohe Energiedichte aufweisen, d. h. eine große Menge an Wärmeenergie pro Flächeneinheit des Werkstücks abgeben, damit die Oberfläche oder ein lokaler Teil des Werkstücks in kurzer Zeit oder augenblicklich eine hohe Temperatur erreichen kann. Die wichtigsten Methoden der Oberflächenwärmebehandlung sind Laserwärmebehandlung, Flammenlöschung und Induktionserwärmung. Häufig verwendete Wärmequellen sind Flammen wie Acetylen- oder Propanoxyl, induzierter Strom, Laser und Elektronenstrahlen.
Chemische Wärmebehandlung ist ein Wärmebehandlungsprozess von Metallen, der die chemische Zusammensetzung, Organisation und Eigenschaften der Oberfläche des Werkstücks verändert. Der Unterschied zwischen chemischer Wärmebehandlung und Oberflächenwärmebehandlung besteht darin, dass letztere die chemische Zusammensetzung der Oberfläche des Werkstücks verändert. Bei der chemischen Wärmebehandlung wird das Werkstück in einem Medium (Gas, Flüssigkeit, Feststoff) erhitzt, das Kohlenstoff, Stickstoff oder andere Legierungselemente enthält, und lange warm gehalten, sodass die Oberfläche des Werkstücks mit Elementen wie Kohlenstoff, Stickstoff, Bor und Chrom infiltriert werden kann. Nach der Infiltration der Elemente sind manchmal andere Wärmebehandlungsprozesse wie Abschrecken und Anlassen erforderlich. Die wichtigsten Methoden der chemischen Wärmebehandlung sind Aufkohlen, Nitrieren, Metallisieren und Verbundinfiltration.
Die Wärmebehandlung ist einer der wichtigsten Prozesse im Herstellungsprozess mechanischer Teile sowie von Werkzeugen und Formen. Im Allgemeinen kann sie die verschiedenen Eigenschaften des Werkstücks, wie Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, gewährleisten und verbessern. Sie kann auch die Organisation und den Spannungszustand des Rohlings verbessern, um verschiedene Kalt- und Warmverarbeitungen zu erleichtern.
Beispielsweise kann weißes Gusseisen durch Langzeitglühen erhalten werden, um formbares Gusseisen zu erhalten und die Plastizität zu verbessern; Zahnräder können mit dem richtigen Wärmebehandlungsverfahren verwendet werden. Die Lebensdauer kann verdoppelt oder um das Zehnfache länger sein als bei Zahnrädern, die nicht wärmebehandelt wurden; außerdem weist billiger Kohlenstoffstahl durch das Eindringen bestimmter Legierungselemente einige teure Eigenschaften von legiertem Stahl auf, die einige hitzebeständige Stähle und rostfreien Stahl ersetzen können; fast alle Werkzeuge und Formen müssen wärmebehandelt werden, bevor sie verwendet werden können.
3. Klassifizierung von Stahl
Stahl ist eine Legierung mit Eisen und Kohlenstoff als Hauptbestandteilen und sein Kohlenstoffgehalt beträgt im Allgemeinen weniger als 2,11 %. Stahl ist ein äußerst wichtiges Metallmaterial im wirtschaftlichen Bauwesen. Stahl wird entsprechend seiner chemischen Zusammensetzung in zwei Kategorien unterteilt: Kohlenstoffstahl (abgekürzt als Kohlenstoffstahl) und legierter Stahl. Kohlenstoffstahl ist eine Legierung, die durch Schmelzen von Roheisen gewonnen wird. Neben Eisen und Kohlenstoff als Hauptbestandteilen enthält er auch eine geringe Menge an Verunreinigungen wie Mangan, Silizium, Schwefel und Phosphor. Kohlenstoffstahl hat bestimmte mechanische Eigenschaften, eine gute Prozessleistung und einen niedrigen Preis. Daher wird Kohlenstoffstahl häufig verwendet. Mit der rasanten Entwicklung der modernen Industrie sowie der Wissenschaft und Technologie kann die Leistung von Kohlenstoffstahl jedoch die Anforderungen nicht mehr vollständig erfüllen, sodass die Menschen verschiedene legierte Stähle entwickelt haben. Legierter Stahl ist eine Mehrelementlegierung, die durch gezieltes Hinzufügen bestimmter Elemente (Legierungselemente genannt) zu Kohlenstoffstahl gewonnen wird. Im Vergleich zu Kohlenstoffstahl wurde die Leistung von legiertem Stahl erheblich verbessert, sodass seine Anwendung immer umfangreicher wird.