Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Основные виды термической обработки стали

2 .4.1. Отжиг стали - термическая обработка, при которой сталь нагревается выше температуры фазовых превращений- с последующим медленным охлаждением (обычно с печатью). Скорость охлаждения при отжиге должна обеспечить превращение аустенита в области температур, близких к Aс₁.

После отжига структуре стали соответствует диаграмма состояния железо-цементит.

Виды отжига различают в зависимости от температуры нагрева (рисунок 2.5).

Гомогенизация или диффузионный отжиг - нагрев стали до температур, намного превышающих А₃ и А_ст (1100-1200°С) длительная выдержка при этой температуре. Целью такого отжига является выравнивание химической неоднородности отливок, слитков или заготовок за счет диффузии. Структура стали после диффузионного отжига крупнозернистая и требует исправления структуры (измельчение зерна) последующей термической обработкой.

Рисунок 2.5 Стальная часть диаграммы железо – цементит с указанием температур нагрева при различных видах ТО.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры выше Ас₃ на 30-50°С, выдержка при этой температуре и медленном охлаждении. Для заэвтектоидных сталей полный отжиг не применяется.

Полному отжигу подвергают сортовой прокат, поковки, фасонные отливки для улучшения обрабатываемости резанием и деформацией, снижения твердости, снятия внутренних напряжений. Мелкозернистая структура после полного отжига обеспечивает высокую вязкость и пластичность.

Неполный отжиг заключается, в нагреве стали выше критической точки Ac₁ на 30-50°, выдержка при этой температуре и медленном охлаждении.

При неполном отжиге происходит, частичная перекристаллизация стали. Аустенит переходит в перлит полностью, сохраняется в структуре феррит у доэвтектоидных сталей и вторичный цементит у заэвтектоидных, количество которых зависит от температуры нагрева.

Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют редко.

Неполному отжигу подвергаются, главным образом заэвтектоидные стали для получения структуры зернистого перлита, которая имеет повышенную вязкость, дает меньше дефектов при закалке, чем сталь с пластинчатым перлитом. После отжига на зернистый перлит эвтектоидные и заэвтектоидные стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием.

Нормализационный отжиг (нормализация) заключается в нагреве до температуры выше критической точки Ас₃ (Аст) на 50-70°С, непродолжительной выдержке при этой температуре и охлаждении на спокойном воздухе.

Нормализованные углеродистые стали имеют ту же структуру, что и после отжига. Но из-за более высокой скорости охлаждения при нормализации повышается дисперсность перлитной структуре, твердость и прочность стали будут выше чем при отжиге. Разница в свойствах нормализованной и отожженной стали тем заметнее, чем больше содержится в стали углерода.

Для малоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. Для среднеуглеродистых сталей нормализацией заменяют закалку и высокий отпуск. Для заэвтектоидных сталей нормализацию применяют для устранения цементитной сетки, которая образуется при медленном охлаждении.

Нормализация дешевле и проще отжига. Часто нормализацию используют как окончательную термическую операцию.

Низкий отжиг (нагрев для снятия остаточных напряжений) применяется, если исходная структура хорошая и требуется только снять внутренние напряжения. При низком отжиге сталь нагревают несколько ниже точки Aс₁ (до 650-700°С), поэтому он происходят без фазовых превращений. Углеродистые стали подвергают низкому отжигу для:

- облегчения обработки резанием,

- перед холодной обработкой давлением,

- для снятия остаточных напряжений отливок,

- сварных соединений,

- после обработки резанием,

- для снятия наклепа.

2.4.2. Закалка стали - термическая операция, при которой изделие нагревают до температуры выше Ас₃ или Ac₁, выдерживает при этой температуре и охлаждают со скоростью больше критической, что обеспечивает превращение переохлажденного аустенита в мартенсит.

В зависимости от температуры нагрева стали, под закалку различают полную и неполную закалку. Температура нагрева под закалку должна быть на 30-50° выше Ас₃ для доэвтектоидной стали (полная закалка) и на 30-50° выше Ac₁ для заэвтектоидной стали (неполная закалка) (рисунок 2.6).

При полной закалке нагрев стали производится до температуры, обеспечивающей получение структуры однородного аустенита. Применяется полная закалка для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей. Структура этих сталей после полной закалки состоит из мелкоигольчатого мартенсита и остаточного аустенита.

Рисунок 2.6 Схема температур нагрева под закалку.

Превышение оптимальной температуры нагрева под закалку вызывает рост зерен аустенита, в закаленном состоянии получается структура крупноигольчатого мартенсита, хрупкость которого по сравнения с мелкоигольчатым значительно выше.

После неполной закалки структура заэвтектоидной стали состоит из мартенсита, вторичного цементита и остаточного аустенита. Перед закалкой сталь должна иметь структуру мелкозернистого перлита и равномерно распределенных карбидов. Вторичный цементит в виде сетки сохраняется после закалки, сталь со структурой мартенсита и сетки вторичного цементита обладает повышенной хрупкостью.

Закалка заэвтектоидных сталей с температурой, намного превышающих Ас₁ приводит к образованию крупноигольчатого мартенсита с большим количеством остаточного аустенита, что снижает ударную вязкость закаленной стали.

Рис. 6.6

Неполную закалку доэвтектоидных сталей обычно не используют, так как в структуре закаленной стали, наряду с мартенситом, присутствует феррит, что снижает твердость стали.

Время нагрева под закалку зависит от нагревающей способности среды, размеров и формы деталей. Нагрев производится в газовой среде, в расплавленных солях или металлах. Нагрев мелких деталей в соли занимает несколько минут, для нагрева крупных деталей в печи необходимо несколько часов.

Закалочные среды должны обеспечивать скорость охлаждения, необходимую для получения мартенсита, и не должны вызывать, закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и т.д.

В интервале температур от Aс₁ до Мн охлаждение должно идти со скоростью выше критической скорости закалки, чтобы избежать распада, переохлажденного аустенита в этой области. В интервале мартенситного превращения от Мн до Мк желательно замедленное охлаждение, чтобы не создавать условия для появления трещин.

Как охлаждающие среды используют воду, водные растворы солей и щелочей, минеральные масла. Охлаждение в этих средах идет в три этапа. В первый период происходит пленочное охлаждение со сравнительно небольшой скоростью, когда на поверхности изделия образуется "паровая рубашка". На втором этапе паровая пленка разрывается, наступает пузырьковое кипение, происходит быстрый отвод тепла. При температуре ниже температуры кипения жидкости происходит конвективный теплообмен охлаждение идет с наименьшей скоростью.

Вода обладает хорошей охлаждающей способностью, но имеет высокую скорость охлаждения в области мартенситного прекращения (нижняя, а пузырькового кипения 100°С), что приводят к образованию закалочных дефектов.

Равномерной и высокой охлаждающей способностью отличаются водные растворы NaCl и NaOH. При закалке в них граница между зонами пузырькового кипения и конвективного теплообмена смещается в область более высоких температур, охлаждение происходит равномернее.

Вероятность образования трещин при закалке в соляных и щелочных растворах меньше, чем в воде.

Масло охлаждает медленнее, чем вода. Масло имеет более высокую температуру кипения, чем вода и, следовательно, более высокую температуру перехода к конвективному теплообмену, что резко уменьшает опасность образования трещин при закалке. Но из-за низкой охлаждающей способности масло можно применять при закалке сталей, имеющих небольшую критическую скорость закалки, например, легированные сталей.

Рис. 6.7

Способы закалки.

Закалка в одном охладителе (рисунок 2.7, кривая 1) наиболее простой способ. Деталь, нагретую до определенной температуры, погружают в закалочную жидкость и выдерживают до полного охлаждения. Применяется для несложных деталей из углеродистых и легированных сталей. Для деталей диаметром до 2-5 мм из углеродистых сталей и для многих легированных сталей закалочной средой служит масло, для крупных деталей из углеродистых сталей используется вода. Закалка в двух средах (рисунок 2.7, кривая 2). Деталь охлаждают сначала в быстро охлаждающей среде (вода), а затем в медленно охлаждающей (масло или воздух). Превращение аустенита в мартенсит в условиях замедленного охлаждения уменьшает закалочные деформации. Такую закалку применяют для инструмента из высокоуглеродистых сталей.

Ступенчатая закалка (рисунок 2.7, кривая 3). Деталь охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки Мн для данной стали. При охлаждении и выдержке в изотермической ванне закаливаемая деталь приобретает одинаковую температуру по всему сечению, но распада аустенита при этой температуре не происходит. Затем следует окончательное более медленное

охлаждение, во время которого и происходит закалка. Этот метод, закалки дает минимальные внутренние напряжения и деформации, применяется для деталей сложной конфигурации из легированных сталей и деталей небольших сечений из углеродистых сталей. Горячие медленно охлаждающие среды позволяют получить скорости охлаждения больше критической для деталей крупных селений из углеродистых малолегированных сталей.

Рисунок 2.7 Кривые охлаждения при закалке: 1- закалка в одной среде; 2 – закалка в двух средах; 3 - ступенчатая закалка; 4 - изотермическая закалка.

Изотермическая закалка (рисунок 2.7. кривая 4) производится так же, как и ступенчатая, но время выдержки в изотермической ванне должно обеспечить распад аустенита. После распада аустенита деталь можно охлаждать с любой скоростью, обычно охлаждают на воздухе.

В ряде случаев возникает необходимость обеспечить закалённое состояние структуры только в поверхностном слое, а в нижних слоях сохранить исходную твердость и вязкость. Такое требование обеспечивается быстрым, нагревом наружного слоя, детали до аустенитного состояния и последующим резким охлаждением. При этом внутренние слои изделия не успевают нагреться выше точки Ac , а следовательно в них и не происходят и структурного изменения. Такая закалка называется поверхностной. Существует несколько методов скоростного нагрева: в высокочастотном электромагнитном поле (ТВЧ); в расплавленных солях (ВаСl ); в расплавленных металлах (РЬ и др.) В нагреве поверхностных слоев ацетилено-кислородным пламенем, электронным лучом, световым лучом оптического квантового генератора, плазменной струей, и др.

В промышленности в настоящее время широко используется нагрев под закалку токам высокой частоты (ТВЧ).

В этом процессе нагрев поверхностного слоя осуществляется токами, индуцированными в нем высокочастотным электромагнитным полем. Скорость нагрева при этом более 200°С в секунду. Это обеспечивает возможность в условиях сверхбыстрого нагрева (до температур значительно превышающих критические точки Ас₃) по получение однородного мелкого начального зерна аустенита.

При индукционном нагреве и последующем резком охлаждении качество закаленного поверхностного слоя обычно более высокое, чем при нагреве в печах.

2.4.3. Отпуск стали - термическая операция, заключающаяся в нагреве стали, подвергнутой закалке, до температуры ниже Ac₁, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Целью отпуска является превращение неравновесной структуры в более равновесную. Отпуск конструкционной стали проводят для уменьшения остаточных напряжений, твердости и повышения пластичности (вязкости). Отпуск инструментальной стали проводят для уменьшения остаточных напряжений, повышения вязкости.

Изменения механических свойств определяются температурой отпуска и длительность воздействия повышенной температуры.

Скорость охлаждения при отпуске не влияет на свойства углеродистых сталей. Но медленное охлаждение после отпуска дает меньше остаточных тепловых напряжений. Изделия из легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости, посте отпуска при 500-650°С следует охлаждать быстро.

В зависимости от температуры отпуска различают три вида отпуска.

Низкотемпературный отпуск проводят с нагревом до 150-200°С. Структура после отпуска - отпущенный мартенсит. Низкий отпуск частично снижает внутренние напряжения, повышает вязкость и пластичность без заметного снижения твердости. Применится для мерительного и режущего инструмента, а так же после цементации.

Среднетемпературный отпуск выполняют при температуре 350-500 С. Отпущенная сталь имеет структуру троостита. После среднего отпуска повышаются: упругие свойства стали, несколько снижается твердость, прочность и ударная вязкость. Применяют для штампов, рессор, пружин.

Высокотемпературный отпуск проводят при температуре 500-600°С. Структура стали после отпуска - сорбит отпуска. Высокий отпуск обеспечивает более полное снятие напряжений и дает наилучшее сочетание прочности пластичности и ударной вязкости.

Термическую обработку, состоящую из закалки ивысокого отпуска, называют термическим улучшением стали. Улучшению подвергают углеродистые конструкционные стали с содержанием углерода от 0,3% до 0,5%, к которым предъявляются высокие требования по пределу текучести, ударной вязкости, выносливости. Однако износостойкость улучшенной стали невысокая из-за ее пониженной твердости.

ОБОРУДОВАНИЕ.

Лабораторные муфельные печи с терморегулятором.

Ванны с охлаждающими жидкостями: вода, масло.

Коврик из негорючего материала для охлаждения образца.

Щипцы для изъятия образцов из печи.

Прибор для определения твердости по Рокквелу со вставкой с алмазнымконусом с углом 120° при вершине.

Станок шлифовальный.

Штангенциркуль или микрометр.

Образцы из прутка из стали 45.

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒