Отжиг первого и второго рода. Нормализация

После литья, проката, ковки и других видов обработ­ки происходит неравномерное охлаждение заготовок. Результатом является неоднородность структуры и свойств в различных местах заготовок, а также появление внутренних напряжений. Кроме того, отливки при затверде­вании получаются неоднородными по химическому со­ставу. Для устранения таких дефек­тов производят термообработку, к которой относятся отжиг и нормализация.

Отжиг заключается в нагреве заготовок или изделий до определенной температуры, выдержке их при данной температуре с последующим медленным охлаждением (со скоростью около 100-200⁰С в час для углеродистых сталей и 30-100⁰С в час для легированных сталей). При этом заготовки или изделия получают устойчивую струк­туру без остаточных напряжений. Цели отжига – снятие внутренних напряжений, устранение структурной и хими­ческой неоднородности, снижение твердости и улучшение обрабатываемости, подготовка к последующей операции термообработки. Отжиг бывает полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, изотер­мический и нормализационный. По приведенной выше классификациидиффузионный, рекристаллизационный и низкий виды отжига относятся к отжигу первого рода, а остальные виды – к отжигу второго рода. Температуры нагрева стали отжига второго рода связаны с положением линий диаграммы Fe-Fe₃C (критических точек). Низкая скорость охлаждения обычно достигается при остывании стали вместе с печью.

Полный отжиг применяется для доэвтектоидных ста­лей. Осуществляется нагревом стали на 30-50°С выше точки А_с3 (рисунок 22). При этом происходит полная перекристаллизация стали и уменьшение величи­ны зерна. Исходная структура из крупных зерен ферри­та и перлита при нагреве превращается в аустенитную, а затем при медленном охлаждении в структуру из мелких зерен феррита и перлита. Повышение температуры нагре­ва привело бы к росту зерна. При полном отжиге снижа­ется твердость и прочность стали, а пластичность повы­шается.

При неполном отжиге нагрев производится выше точ­ки А_с1, но ниже А_с3 (рисунок 22). Он производится, если ис­ходная структура не очень крупнозерниста или не надо изменить расположение ферритной (в доэвтектоидных сталях) или цементитной (в заэвтектоидных сталях) со­ставляющей. При этом происходит лишь частичная пе­рекристаллизация – только перлитной составляющей стали. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг при­меняют ограниченно, лишь для улучшения обрабатывае­мости резанием.

Для заэвтектоидных сталей неполный отжиг применя­ется для получения зернистой формы перлита вместо пластинчатой. В этом случае его часто называют отжигом на зернистый перлит или сфероидизацией. Такой отжиг осуществляют маятниковым способом (температуру не­сколько раз изменяют вблизи точки А_с1, то перегревая выше нее на 30-50 °С, то охлаждая ниже на 30-50 °С) или путем длительной выдержки (5-6 часов) при температу­ре на 10-30 °С выше точки А_с1 и последующего медленно­го охлаждения. После такого отжига цементит, обычно присутствующий в структуре в виде пластин, приобрета­ет зернистую форму. Сталь со структурой зернистого перлита обладает большей пластичностью, меньшей твердостью и прочностью по сравнению с пластинча­тым перлитом. Отжиг на зернистый перлит применя­ется для подготовки сталей к закалке или для улучше­ния их обрабатываемости резанием.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) заключает­ся в нагреве стали до 1000-1100 °С, выдержке (10-15 часов) при этой температуре и последующем медлен­ном охлаждении (рисунок 22). В результате диффузионно­го отжига происходит выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Столь высокая темпе­ратура необходима для ускорения диффузионных про­цессов. Благодаря высокой температуре нагрева и про­должительной выдержке получается крупнозернистая структура, которая может быть устранена последую­щим полным отжигом.

Содержание углерода, %

Рисунок 22.Область температур нагрева для различных видов отжига:

I – диффузионный отжиг; II – неполный отжиг; III – полный отжиг; IV – низкий отжиг; V – нормализационный отжиг

 

Рекристаллизационный отжиг предназначен для сня­тия наклепа и внутренних напряжений после холодной деформации и подготовки структуры к дальнейшему де­формированию. Нагрев необходимо осуществлять выше температуры рекристаллизации, которая для железа со­ставляет 450 °С. Обычно для повышения скорости рекристаллизационных процессов применяют значительно более высокие температуры, которые, одна­ко, должны быть ниже критической точки а_с1. Поэтому температура нагрева для рекристаллизационного отжи­га стали составляет 650-700 °С. В результате рекристаллизационного отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значитель­ной вязкостью.

Низкий отжиг применяется в тех случаях, когда струк­тура стали удовлетворительна и необходимо только снять внутренние напряжения, возникающие при кри­сталлизации или после механической обработки. В этом случае сталь нагревают значительно ниже точки A_С1 (200 - 600 °С).

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали на 30-50 °С выше точки А_с3 (как при полном отжиге, рисунок 22), относительно быстром охлаждении до температуры не­сколько ниже точке А_С1, (приблизительно 660- 680 °С), изо­термической выдержке при этой температуре для получе­ния равновесной перлитной структуры и последующем охлаждении на воздухе. Изотермический отжиг сокраща­ет продолжительность перекристаллизации, что особенно важно для легированных сталей, которые требуют очень медленного охлаждения при полном отжиге. Помимо этого при изотермическом отжиге получается более однородная структура стали. Изотермическая выдержка производит­ся в расплаве соли.

Нормализационный отжиг состоит из нагрева стали на 30-50 °С выше точки А_С3 для доэвтектоидных и А_С1 для заэвтектоидных сталей (рисунок 22), выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе. Более быстрое охлаждение по сравнению с обычным отжигом приводит к более мелкозернистой структуре.

Нормализация – бо­лее дешевая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки. Для низкоуглеродистых сталей (до 0,3% С) разница в свой­ствах между нормализованным и отожженным состоя­нием практически отсутствует и эти стали лучше под­вергать нормализации. При большем содержании углеро­да нормализованная сталь обладает большей твердостью и меньшей вязкостью, чем отожженная. Иногда нормали­зацию считают самостоятельной разновидностью терми­ческой обработки, а не видом отжига.

Закалка стали

Закалка заключается в нагреве стали до температур, превышающих температуру фазовых превращений, вы­держке при этой температуре и последующем быстром охлаждении. Цель закалки – повышение твердости и проч­ности стали. При этом снижается вязкость и пластичность.

Обычно в результате закалки образуется мартенситная структура. Поэтому охлаждать сталь следует с определенной скоростью, чтобы кривая охлаждения не пересекала С-образные кривые диаграммы изотермического превраще­ния аустенита. Наименьшая скорость закалки, при которой образуется мартенсит, называется критичес­кой скоростью закалки. Для достижения высокой скоро­сти охлаждения закаливаемые детали из углеродистой стали погружают в воду. Легированные стали охлажда­ют в минеральном масле, так как у них критическая ско­рость закалки значительно ниже.

Выбор температуры закалки. Температура нагрева при закалке стали зависит от ее химического состава. В доэвтектоидных сталях, нагрев производится на 30-50 °С выше точек А_с3 (рисунок 23). При этом образуется аустенит, который при последующем охлаждении со скоростью выше крити­ческой, превращается в мартенсит. Такую закалку называ­ют полной. При нагреве доэвтектоидной стали до темпера­туры в интервале А_С3 - A_С1 в структуре мартенсита сохраня­ется часть оставшегося при закалке феррита, снижающего твердость закаленной стали. Такую закалку называют неполной. Для закалки заэвтектоидной стали наилучшей температурой является нагрев на 30-50 °С выше А_С1, т.е. неполная закалка (рисунок 23). В этом случае в стали сохра­няется цементит и при нагреве, и при охлаждении, а это способствует повышению твердости, так как твердость це­ментита больше, чем твердость мартенсита. Нагрев заэв­тектоидной стали до температуры выше точек А_С3 (полная закалка) является излишним, так как твердость при этом меньше, чем при закалке выше А_С1. Кроме того, при охлаж­дении после нагрева до более высоких температур могут воз­никнуть большие внутренние напряжения.

Массовое содержание углерода, %

Рисунок 23. Температурный интервал закалки и отпуска стали:

I – полная закалка; II – неполная закалка; III – высокий отпуск.

 

Закаливаемость и прокаливаемость стали. Способ­ность стали закаливаться на мартенсит называется зака­ливаемостью. Она характеризуется значением твердости, приобретаемой сталью после закалки, и зависит от содержания углерода. Стали с низким содержанием углерода (до 0,3 %) практически не закаливаются и закалка для них не применяется.

Прокаливаемостью называется глубина проникновения закаленной зоны. При сквозной прокаливаемости все сече­ние закаливаемой детали приобретает однородную мартенситную струк­туру. При малой прокаливаемости закаливается только поверхностный слой определенной толщины, а сердцевина остается мягкой и непрочной. Отсутствие сквозной прока­ливаемости объясняется тем, что при охлаждении сердце­вина остывает медленнее, чем поверхность. Прокалива­емость характеризует критический диаметр d_k, т.е. мак­симальный диаметр детали цилиндрического сечения, которая прокаливается насквозь в данном охладителе. Про­каливаемость зависит от химического состава стали. С по­вышением содержания углерода прокаливаемость увеличи­вается. Легированные стали характеризуются значительно более высокой прокаливаемостью, чем углеродистые. На прокаливаемость также влияет скорость охлаждения. По­вышение скорости охлаждения приводит к увеличению прокаливаемости. Поэтому при закалке в воде прокаливаемость значительно выше, чем при закалке в масле. Повы­шение размеров закаливаемой детали приводит к значи­тельному уменьшению прокаливаемости.

Способы охлаждения. Идеальное охлаждение при закалке должно характеризоваться следующими особен­ностями. Для получения структуры мартенсита следует переохладить аустенит путем быстрого охлаждения стали в интервале температур наименьшей его устойчиво­сти, т. е. при температуре 500-650 ⁰С. В зоне температур мартенситного превращения (ниже 240 °С) выгоднее при­менять замедленное охлаждение, так как образующиеся структурные напряжения, связанные с получением новой кристаллической решетки, могут успеть выровняться, а твердость мартенсита не снизится.

По способу охлаждения различают виды закалки: в одной среде, в двух средах (прерывистая), ступенчатая и изотермическая.

Закалка в одной средепроще и применя­ется чаще для изделий несложной формы. Недостаток закалки в одной среде – возникновение значительных внутренних напряжений.

При прерывистойзакалке изде­лие охлаждают, сначала в одной среде (например, в воде до 300-400°С), а затем в масле или на воздухе. При этом внутренние напряжения меньше, но возникают затрудне­ния при определении времени выдержки в первом охла­дителе. Ступенчатуюзакалку производят путем быстро­го охлаждения в соляной ванне, температура которой немного выше 240-250°С (соответствующей началу мар­тенситного превращения), затем дают выдержку при дан­ной температуре и окончательно охлаждают на воздухе. Короткая остановка при охлаждении способствует вы­равниванию температуры по всему сечению детали, что уменьшает напряжения, возникающие в процессе закал­ки. Ступенчатую закалку применяют для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (8-10 мм). Для сталей, имеющих небольшую критическую скорость за­калки, ступенчатая закалка применяется в основном для изделий большого сечения.

При изотермическойзакалке, как и при ступенчатой, детали переохлаждают в среде, нагретой выше темпера­туры начала мартенситного превращения, однако вы­держка при этой температуре продолжительная – до пол­ного распада аустенита. Получается структура не мар­тенсита, а близкого по твердости, но более пластичного бейнита. Дальнейшее охлаждение производят на возду­хе. Преимущества изотермической закалки заключают­ся в большей вязкости, отсутствии трещин, минимальном короблении. Изотермическую закалку применяют для изделий сложной формы.

Важно не только правильно подобрать способ охлаж­дения, но применять правильные способы погружения деталей в охлаждающую среду. Например длинные изде­лия вытянутой формы (сверла, метчики) нужно погру­жать в строго вертикальном положении, чтобы избежать коробления.

Отпуск стали

Отпуск стали - это вид термической обработки, следу­ющий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определенной температуры (ниже точки А_С1,), выдержке и охлаждении. Цель отпуска – получение более равновес­ной по сравнению с мартенситом структуры, снятие внут­ренних напряжений, повышение вязкости и пластичности. Основной процесс происходящий при отпуске – распад мартенсита, т.е. выделение углерода из пересыщенного твердого раствора в виде карбида железа. Кроме этого при отпуске происходит распад остаточного аустенита. Разли­чают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск проводится при температуре 150-200 °С. В результате снимаются внутренние напряжения, происходит некоторое увеличение пластичности и вязко­сти без заметного снижения твердости и износостой­кости. Образуется структура мартенсит отпуска. Мартен­сит отпуска отличается от мартенсита закалки наличием мелкодисперсных частиц карбидов и меньшей степенью тетрагональности кристаллической решетки. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, которые долж­ны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

При среднем отпуске производится нагрев до 350-450 °С. При этом происходит некоторое снижение твердо­сти при значительном увеличении предела упругости и улучшении сопротивляемости действию ударных нагрузок. Структура стали представляет собой тростит отпус­ка, который имеет зернистое, а не пластинчатое строение. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск проводится при 550-650 ⁰С. В резуль­тате твердость и прочность снижаются значительно, но сильно возрастают вязкость и пластичность и получает­ся оптимальное для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Структура стали - сорбит отпус­ка с зернистым строением цементита. Применяется для деталей, подвергающихся действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая из закалки и высоко­го отпуска, называется улучшением.Она является основ­ным видом обработки конструкционных сталей.

Продолжительность выдержки при отпуске зависит, прежде всего, от размеров деталей: чем они больше, тем длительнее выдержка. Низкий отпуск инструментов обычно происходит в течение 0,5-2,5 ч. Для измеритель­ных инструментов назначают более длительный отпуск (до 10-15ч). Длительность высокого отпуска составля­ет от 1-2 ч для деталей небольшого сечения до 6-8 ч для крупных деталей (например, дисков и роторов турбин).

Обработка холодом

Сущность этого метода заключа­ется в дополнительном, более полном превращении ос­таточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Ос­таточный аустенит снижает твердость, приводит к изме­нению размеров деталей в процессе эксплуатации.

Обработка холодом состоит в том, что закаливаемые де­тали на некоторое время погружают в среду, имеющую тем­пературу ниже 0°С. Наиболее часто применяемая темпе­ратура -80⁰С, охлаждением при такой температуре до­биваются полного или почти полного мартенситного превращения. Производить обработку холодом нужно сразу же после закалки. Такой обработке подвергают измерительный инструмент, части точных механизмов, детали шарикопод­шипников и т. п. Обработка холодом не уменьшает внутрен­них напряжений, поэтому после нее необходим отпуск.

При обработке деталей холодом следует учитывать свойства стали и способность остаточного аустенита при комнатных температурах стабилизироваться. Поэтому, например, для среднеуглеродистых конструкционных сталей, разрыв между закалкой и обработкой холодом регламентируется во времени. Для некоторых сталей, не особенно склонных к стабилизации остаточного аустени­та, выдержку во времени между закалкой и обработкой холодом можно увеличить до 3 ч.

Выводы по лекции

Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры.

Цель термообработки - придание сплавам таких свойств, которые требуются в процессе эксплуатации изделий. В результате термообработки получают лучшее сочетание механических свойств и хорошие физико-химические показатели. Иногда термообработка является промежуточной операцией, снижающей твердость стали и улучшающей ее обрабатываемость резанием. Упрочнению термообработкой подвергаются до 8-10 % общей выплавки стали в стране, а в машиностроении - 40 %.

Вопросы для самопроверки

1. Какая термическая обработка называется отжигом? Цель отжига.

2. Какие вы знаете виды отжига?

3. Что такое закалка стали? Цель закалки.

4. Назовите способы охлаждения при закалке.

5. Что такое отпуск стали? Цель отпуска.

6. Какие вы знаете виды отпуска.

 

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: