29. Закалка стали, необходимые условия, последовательность операций, изменение структуры и свойств. Чем параметры процесса закалки отличаются от параметров процесса отпуска стали

Закалка и отпуск стали — Мегаобучалка

Превращения в стали при охлаждении. При медленном охлаждении стали образуются структуры, соответствующие диаграмме Fе-Fе3C. Вначале происходит выделение феррита (в доэвтектоидных сталях) или вторичного цементита (в заэвтектоидных сталях), а затем происходит превращение аустенита в перлит. Это превращение заключается в распаде аустенита на феррит, почти не содержащий углерода и цементит, содержащий 6,67 % С. Поэтому превращение сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Диффузионные процессы происходят в течение некоторого времени, причем скорость диффузии резко падает с понижением температуры. Обычно изучают изотермическое превращение аустенита (происходящее при выдержке при постоянной температуре) для эвтектоидной стали. Влияние температуры на скорость и характер превращения представляют в виде диаграммы изотермического превращения аустенита (рис. 16).

Диаграмма строится в координатах температура — логарифм времени. Выше температуры 72 °С на диаграмме находится область устойчивою аустенита. Ниже этой температуры аустенит является неустойчивым и превращается в другие структуры. Первая С - образная кривая на диаграмме соответствует началу превращения аустенита, а вторая — его завершению. При небольшом переохлаждении — приблизительно до 550 °С происходит упомянутое выше диффузионное перлитное превращение.

В зависимости от степени переохлаждения образуются структуры, называемые перлит, сорбит и тростит. Это структуры одного типа — механические смеси феррита и цементита, имеющие пластинчатое строение. Отличаются они лишь степенью дисперсности, т. е. толщиной пластинок феррита и цементита. Наиболее крупнодисперсная структура — перлит, наиболее мелкодисперсная — тростит. При переохлаждении аустенита приблизительно ниже 240 °С скорость диффузии падает почти до нуля и происходит бездиффузионное мартенситное превращение. Образуется мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в α - железе. Мартенсит имеет ту же концентрацию углерода, что и исходный аустенит. Из-за высокой пересыщенности углеродом решетка мартенсита сильно искажается, благодаря чему мартенсит имеет высокую твердость (до НRС 65). Горизонтальная линия Мн диаграммы соответствует началу .превращения аустенита в мартенсит, а линия Мк — завершению этого процесса.

В диапазоне температур от мартенситного до перлитного превращения происходит промежуточное превращение и образуется структура, называемая бейнит.

Закалка — это вид термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем быстром охлаждении. В результате закалки повышается твердость и прочность, но снижается вязкость и пластичность. Нагрев стали производится на 30…50 °С выше линии GSK диаграммы Fе-Fе3С. В доэвтектоидных сталях нагрев выше линии GS необходим для того, чтобы после закалки в структуре не было мягких ферритных включений. Для заэвтектоидных сталей применяется нагрев выше линии SК, так как присутствие цементита не снижает твердость стали.

Обычно в результате закалки образуется мартенситная структура. Поэтому охлаждать сталь следует с такой скоростью, чтобы кривая охлаждения не пересекала С- образные кривые диаграммы изотермического превращения аустенита (рис. 16). Для достижения высокой скорости охлаждения закаливаемые детали погружают в воду (для углеродистых сталей) или минеральные масла (для легированных сталей).

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. Отсутствие сквозной прокаливаемости объясняется тем, что при охлаждении сердцевина остывает медленнее, чем поверхность. Прокаливаемость характеризует критический диаметр Dкр, т. е. максимальный диаметр детали цилиндрического сечения, которая прокаливается насквозь в данном охладителе.

Отпуск стали — это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определенной температуры (ниже линии РSК), выдержке и охлаждении. Цель отпуска — получение более равновесной по сравнению с мартенситом структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности. 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. Образуется структура мартенсит отпуска. 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 °С. 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.

megaobuchalka.ru

Термическая обработка металлов

вернуться на главную страницу оборудования для термической обработки металлов

Термическая обработка (термообработка) стали, сплавов бывает следующих видов: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Отжиг - термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термобработка (т.е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).
Закалка - термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки - отпуск.
Отпуск - термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация - термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термобработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге - в печи).

ОТЖИГ СТАЛИ

Отжиг - процесс термообработки металла, при котором производится нагревание, затем медленное охлаждение металла. Переход структуры из неравновесного состояния до более равновесного. Отжиг первого рода, его виды: возврат (он же отдых металла), рекристаллизационный отжиг (он же называется рекристаллизация), отжиг для снятия внутренних напряжений, диффузионный отжиг (еще называется гомогенизация). Отжиг второго рода – изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур. Отжиг второго рода, его виды: полный, неполный, изотермический отжиги. Ниже рассмотрен отжиг, его виды, применительно к стали.

Возврат (отдых) стали – нагрев до 200 – 400C°, отжиг для уменьшения или снятия наклепа. По результатам отжига наблюдается уменьшение искажений кристаллических решеток у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств стали.

Рекристаллизационный отжиг стали (рекристаллизация) - нагрев до температур 500 – 550C°; отжиг для снятия внутренних напряжений – нагрев до температур 600 – 700C°. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения металла отливок от неравномерного охлаждения их частей, также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) с использованием температур ниже критических. Вследствиии рекристаллизационного отжига из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, поэтому твердость стали снижается, а пластичность, ударная вязкость увеличиваются. Чтобы полностью снять внутренние напряжения стали нужна температура не менее 600C°. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: вследствии ускоренного охлаждения металла вновь возникают внутренние напряжения.
Диффузионный отжиг стали (гомогенизация) применяется тогда, когда сталь имеет внутрикристаллическую ликвацию. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. По результатам отжига, сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией. Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, однако нельзя допускать пережога, оплавления зерен. Если допустить пережог, то кислород воздуха окисляет железо, проникая в толщу его, образуются кристаллиты, разобщенные окисными оболочками. Пережог устранить нельзя, поэтому пережженные заготовки являются окончательным браком. Диффузионный отжиг стали обычно приводит к слишком сильному укрупнению зерна, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).

Полный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией, измельчением зерна при температурах точек АС1 и АС2. Назначение его – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30-50C°выше температуры линии GSK и медленно охлаждают. После отжига избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоидный цементит имеют форму пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатым

При отжиге стали на пластинчатый перлит заготовки оставляют в печи до охлаждения, чаще всего при частичном подогреве печи топливом, чтобы скорость охлаждения была не больше 10-20C° в час. Отжигом также достигается измельчение зерна. Крупнозернистая структура, например, доэвтектоидной стали, получается при затвердевании вследствие свободного роста зерен (если охлаждение отливок медленное), а также в результате перегрева стали. Эта структура называется видманштетовой (по имени австрийского астронома А. Видманштеттена, открывшего в 1808 г. такую структуру на метеорном железе). Такая структура придает низкую прочность заготовке. Структура характерна тем, что включения феррита (светлые участки) и перлита (темные участки) располагаются в виде вытянутых пластин под различными углами друг к другу. В заэвтектоидный сталях видманштетова структура характеризуется штрихообразным расположением избыточного цементита. Размельчение зерна связано с перекристаллизацией альфа-железа в гамма-железо; вследствии охлаждения и обратного переходе гамма-железа в aльфа-железо мелкозернистая структура сохраняется. Таким образом, одним из результатов отжига на пластинчатый перлит является мелкозернистая структура.

Неполный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки А С1; неполный отжиг применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура.
Отжиг стали на зернистый перлит применяют обычно для эвтектоидных, заэвтектоидных сталей, для повышения пластичности, вязкости стали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита сталь нагревают выше точки АС1, затем выдерживают недолго, чтобы цементит растворился в аустените не полностью. Затем сталь охлаждают до температуры несколько ниже Ar1, выдерживают при такой температуре несколько часов. При этом частицы оставшегося цементита служат зародышами кристаллизации для всего выделяющегося цементита, который нарастает округлыми (глобулярными) кристаллитами, рассеянными в феррите. Свойство зернистого перлита существенно отличаются от свойств пластинчатого в сторону меньшей твердости, но большей пластинчатости и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоидной стали, где весь цементит (как эвтектоидный, так избыточный) получается в виде глобулей.

Изотермический отжиг - после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки А 1, затем выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время, а также повышает производительность. Например, обыкновенный отжиг легированной стали длится 13-15 ч, а изотермический – всего 4-7 ч.

ЗАКАЛКА СТАЛИ

Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов. Материал, подвергшийся закалке приобретает большую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала.

В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают на 30 - 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK, в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяетсядля инструментальных сталей. Закалка снимается отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.

Закалочные среды

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650-400 °C, то есть в том интервале температур в котором аустенит менее всего устойчив, быстрее всего превращается в феритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда (Термат), а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения - стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

Способы закалки

Закалка в одном охладителе — нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.
Прерывистая закалка в двух средах — этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).
Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.
Ступенчатая закалка — закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.
Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

ОТПУСК СТАЛИ

Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите.

Преимуществом точечной структуры является более благоприятное сочетание прочности и пластичности. При одинаковом химическом составе и одинаковой твердости сталь с точечной структурой имеет значительно более высокое относительное сужение y и ударную вязкость а н, повышенное удлинение d и предел текучести s т по сравнению со сталью с пластинчатой структурой.

Мартенсит закалки имеет неустойчивую тетрагональную решетку, а мартенсит отпуска – устойчивую центрированную кубическую решетку альфа-железа.

Отпуск разделяют на низкий, средний и высокий в зависимости от температуры нагрева.

Для определения температуры при отпуске изделия пользуются таблицей цветов побежалости. Тонкая пленка окисдов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета - от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220C°; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300C°) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях. Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали. Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330C° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500C°) и высоком (500-700C°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние троостита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение таких показателей как прочность, пластичность и вязкость, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит применяют для термической обработки кузнечным штампов, пружин, рессор, а высокий – для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом. Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970C°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

Нормализацией называют такой вид термической обработки, когда сталь нагревают на 30 - 50C° выше верхних критических температур Асз или Аст и после выдержки при этих температурах охлаждают на спокойном воздухе. Таким образом, от отжига нормализация отличается более быстрым охлаждением изделия (примерно в 2 раза).

Нормализация является более дешевой операцией, чем отжиг, так как печи используются только для нагрева и выдержки изделия при температуре нагрева, а охлаждение производится вне печи. Кроме того, нормализация ускоряет процесс термической обработки. Таким образом, отжиг выгодно заменять нормализацией. Однако это не всегда возможно, так как у некоторых сталей твердость после нормализации возрастает более значительно, чем при отжиге. Малоуглеродистые стали рекомендуется подвергать нормализации, так как у них практически отсутствует разница в свойствах после отжига и нормализации.

Стали, содержащие свыше 0,4% углерода, после нормализации получают повышенную твердость. Такие стали лучше отжигать. На практике и такие стали часто подвергают нормализации вместо отжига, а затем высокому отпуску при температурах 650 - 700C° для уменьшения твердости. Нормализацию применяют для получения мелкозернистой структуры в отливках и поковках, для устранения внутренних напряжений и наклепа, для подготовки структуры стали к закалке.

Для некоторых изделий нормализация является не предварительной, а окончательной операцией термической обработки. В этом случае после нормализации изделия подвергают высокому отпуску для снятия внутренних напряжений, образовавшихся при охлаждении изделия на воздухе.

www.metiz.com.tw

Термообработка закалкой и отпуском стали: важность, отличия, этапы термической обработки

Металлы и сплавы обладают характерными показателями твердости и прочности. Эти характеристики можно найти в специальных таблицах. Современные технологии позволяют изменить базовые параметры, применяя технологию термообработки. Сам процесс термической обработки достаточно прост: металл доводят до необходимой температуры и затем охлаждают. В этом процессе важны два показателя:

Температура, до которой нагревается металл;
Время нагрева и последующего охлаждения.

Эти два показателя формируют режим термообработки, который состоит из нескольких этапов.

Этапы термообработки: отжиг и нормализация

В процессе термической обработки металлы проходят четыре основных этапа: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск.

Отжиг. Этот процесс происходит при температуре 750 градусов Цельсия и выше. Широко применяется при термообработке стали. В результате отжига увеличивается вязкость стали, стабилизируются ее основные свойства. Охлаждается сталь вместе с печью не более чем на 60 градусов Цельсия в час. Главным показателем скорости охлаждения является легированность, чем она выше, тем скорость ниже.
Нормализация. Для этого процесса подъем температуры для обработки сталь идентичен предыдущему процессу, но вот процесс охлаждения резко отличается. В данном процессе охлаждения производится не в печи, а вне ее. При этом существуют два варианта с обдувом и без него. Процесс нормализации используется для низкоуглеродистых сталей, при этом их структура уплотняется за счет уменьшения диаметра зерен. Такую сталь легче обрабатывать и подвергать последующей шлифовке.

Закалка и отпуск

Эти два процесса наиболее важны, так как металлы, прошедшие закалку и отпуск, обладают особой прочностью и износоустойчивостью.

Закалка осуществляется в печах при температурах 770 или 960 градусов Цельсия в зависимости от вида металла. Охлаждение осуществляют в воде для углеродистых сталей, и в маслах для легированной. Подъем температуры и резкое охлаждение стали изменяет ее физическое состояние, сталь становится хрупкой. Для удаления этого эффекта, а также для снятия внутреннего структурного напряжения применяют следующий процесс.
Отпуск. Этот процесс заключается в повторном нагревании уже закаленной стали до температур 600 градусов Цельсия с последующим медленным охлаждением. При этом чем ниже скорость охлаждения, тем лучше снимается внутреннее напряжение металла.

Важность термообработки

barion-ua.com

6 Термическая обработка стали

Термическая обработка стали

Классификация видов термообработки стали. Виды термической обработки стали (отжиг, отпуск, закалка).

Термическая обработка (термообработка) стали— процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью. Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.

Отпуск

Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

Среди основных видов термической обработки следует отметить:

Отжиг (гомогенизация и нормализация). Целью является получение однородной зёренной микроструктуры и растворение включений. Последующее охлаждение является медленным, препятствующим образованию неравновесных структур типа мартенсита.
Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур типа мартенсита. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки зависит от материала.
Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, внесённых при закалке. Материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.
Дисперсионное твердение (старение). После проведения отжига проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.

Термическая обработка металлов разделяется на обработку черных металлов и цветных. Ниже пойдет речь конкретно об видах термической обработке стали. Также можете ознакомится с термической обработкой цветных металлов.

Обжигание — нагревание стального изделия до температуры 840—900 °С, выдержка при этой температуре не меньше 2 ч и охлаждение вместе с печью. Этот метод применяют при изготовлении из закаленного изделия другого или же когда предыдущий закал был неудачный и инструмент нужно снова закалить. Если закаливать необожженные детали, то в них могут возникнуть трещины, структура металла станет неоднородной, что резко ухудшает качество изделия. Мелкие детали отжигают, нагревая на массивных накаленных стальных штабах, с которыми их охлаждают. Иногда изделие нагревают ацетиленовой горелкой, которую постепенно отдаляют от изделия, чтобы изделие постепенно остыло.

Нормализация – это нагревание стальных изделий к соответствующей температуре и охлаждению на воздухе.

Закаливание – нагревание углеродных или некоторых легированных сталей к определенной температуре и быстрое ее охлаждение. В результате этого изменяется кристаллическая структура металла – он становится твердее и более антикоррозийным. Мало-углеродные стали с содержимым углерода до 0,3 % не закаливаются. В зависимости от марки сталь нагревают до определенной температуре. Так, стали У7, У7А нагревают до 770—790 °С; У8-У13А — до 760—780; Р9-Р18 К5-Ф2 – до 1235—1280 °С. При нагревании выше этой температуры сталь теряет свои свойства «Пережиг» — непоправимый брак. Это также касается отжига и отпускания. В небольших мастерских или в домашних условиях температуру определяют за цветом разжаривания (в затененном месте), которое приобретает изделие во время нагревания:

Цвет. Температура, °С Темно-коричневый………. 530-580 Коричнево-красный ……..580-650 Темно-красный ……………650-730 Темно-вишневый …………730-770 Вишнево-красный ………..770-800 Светло-вишневый………. 800-830 Светло-красный …………830-900 Оранжевый ………………..900-1050 Темно-желтый …………..1050-1150 Светло-желтый ………….1150-1250 Светло-белый …………….1250-1350

Мелкие изделия, для того чтоб не пережечь, лучше нагревать на предварительно нагретой металлической подставке (например, штабе). Температура нагревания равно температуре нагревания изделия. Быстрое охлаждение приводит к твердому закалу, вследствие чего могут возникнуть большие внутренние напряжения и даже трещины. Медленное охлаждение может не дать нужного по твердости закала Охлаждающими средами могут быть вода (обычной температуры или нагретая до температуре 50-50 °С), водные растворы, масло и воздух. Кухонная соль, едкий натр или селитра, которые добавляют к охладителям, ускоряют охлаждение. Для уменьшения скорости охлаждения к воде добавляют раствор мыла, масляную эмульсию, жидкое стекло, известковое молоко и т.п.. Чрезмерно быстрое охлаждение водой часто приводит к дефектам изделия (внутренние напряжения, трещины, деформация), а повышение температуры воды уменьшает ее закальные свойства. Поэтому при последовательном закале нескольких деталей, чтобы они имели одинаковую закалку, воду часто заменяют или используют большой сосуд. Равномерно и довольно быстро сталь охлаждается в 8-12 %-ном водном растворе кухонной соли или едкого натра при температуре 20 °С. Некоторые стали для лучшего закала охлаждают в 30 %-ном растворе едкого натра. Как охлаждающую среду можно применять расплавленные соли калиевой или натриевой селитры. Нагревание масла к 60-90 °С не уменьшает скорости охлаждения, т.е. не влияет на его закаливальные свойства. Охлаждающей средой для сталей может быть воздух (для тонких деталей) или воздух под давлением (от вентилятора, компрессора). Некоторые плоские детали (ножи) из нержавеющий стали охлаждают между двумя металлическими штабами.

Отпускание — нагревание деталей к определенной температуре, выдерживанию при этой температуре и быстрое охлаждение. Его применяют после охлаждения детали в процессе закаливания, чтобы уменьшить хрупкость и частично твердость. Есть три вида отпускания: низкое, среднее и высокое соответственно в интервале температур до 350 °С, 350—500 и 500—680 °С. Наиболее распространенное низкое отпускание. Нагревание до 170 °С только снимает внутренние напряжения, но не изменяет твердости стали. Температуру нагревания при отпускании определяют специальным термометром, а если его нет, то за цветами побежалости, т.е. цветами окислительной пленки, которая возникает на зачищенной поверхности изделия во время нагревания:

Цвет. Температура, °С Светло-соломенный ……..200 Светло-желтый ……………225 Соломенно-желтый ……..240 Коричнево-желтый ………255 Красно-коричневый ……..265 Пурпурно-красный ………275 Фиолетовый ………………..285 Синий …………………………295 Светло-синий ……………..315 Серый (морская вода) ….330

После появления желательного цвета в процессе нагревания, деталь охлаждают. У легированных сталей цвета побежалости появляются при температурах на 12-17 °С ниже от приведенных. Не имея достаточного опыта, нагревать закаленные изделия для отпускания лучше всего на расплавленном свинце, олове, цинка (для пружин) или в расплавленной смеси (поровну) калиевой и натриевой селитры. Это гарантирует быстрое и равномерное нагревания и его постоянную температуру. Можно отпускание соединить с охлаждением. Для этого нагретый рабочий конец инструмента погружают во время закаливания на 20-25 мм в воду и держат, пока металл не потемнеет. Потом инструмент вынимают из воды, быстро очищают от охлажденной части окалину напильником или куском шлифовального круга. Как только появится, нужен цвет побежалости, инструмент погружают в воду сначала наполовину, а потом полностью и держат до охлаждения.

studfiles.net

5.1. Основные параметры термообработки

Термическая обработка – это технологический процесс, состоящий из нагрева и охлаждения материала изделия с целью изменения его структуры и свойств.

На стадии изготовления деталей необходимо, чтобы металл был пластичным, нетвердым, имел хорошую обрабатываемость резанием.

В готовых изделиях всегда желательно иметь материал максимально прочным, вязким, с необходимой твердостью.

Такие изменения в свойствах материала позволяет сделать термообработка. Любой процесс термообработки может быть описан графиком в координатах температура-время и включает нагрев, выдержку и охлаждение. При термообработке протекают фазовые превращения, которые определяют вид термической обработки.

Температура нагрева стали зависит от положения ее критических точек и выбирается по диаграмме состояния Fe – Fe3С в зависимости от вида термической обработки. Критические точки (температуры фазовых превращений) определяют: линия PSK – точку А1, GS – точку А3 и SE – точку Аm. Нижняя критическая точка А1 соответствует превращению А  П при 727ОС. Верхняя критическая точка соответствует началу выделения феррита из аустенита (при охлаждении) или концу растворения феррита в аустените (при нагреве). Температура линии SE, соответствующая началу выделения вторичного цементита из аустенита, обозначается Аm.

Время нагрева до заданной температуры зависит, главным образом, от химического состава стали и толщины наиболее массивного сечения детали (в среднем 60 с на каждый миллиметр сечения).

Выдержка при температуре термообработки необходима для завершения фазовых превращений, происходящих в металле, выравнивания температуры по всему объему детали. Продолжительность выдержки зависит от химического состава стали и для нелегированных сплавов определяется из расчета 60 с. на один миллиметр сечения.

Скорость охлаждения зависит, главным образом, от химического состава стали, а также от твердости, которую необходимо получить.

Самыми распространенными видами термообработки сталей являются закалка и отпуск. Производятся с целью упрочнения изделий.

5.2. Закалка сталей

ЗАКАЛКОЙ называется фиксация при комнатной температуре высокотемпературного состояния сплава. Основная цель закалки – получение высокой твердости, прочности и износостойкости. Для достижения этой цели стали нагревают до температур на 30 – 50ОС выше линии GSK (рис. 5.1), выдерживают определенное время при этой температуре и затем быстро охлаждают.

Процессы, происходящие в сплаве на различных стадиях закалки, можно рассмотреть на примере эвтектоидной стали У8. В исходном отожженном состоянии эта сталь имеет структуру перлита (эвтектоидная смесь феррита и цементита). При достижении температуры А1 (727 0С) произойдет полиморфное превращение, т.е. перестройка кристаллической решетки феррита (ОЦК) в решетку аустенита (ГЦК), вследствие чего растворимость углерода резко возрастает. В процессе выдержки весь цементит растворится в аустените и концентрация углерода в нем достигнет содержания углерода в стали, т.е. 0,8 %.

Следующий этап – охлаждение стали из аустенитной области до комнатной температуры – является определяющим при закалке. При охлаждении стали ниже температуры А1 происходит обратное полиморфное превращение, т.е. решетка аустенита (ГЦК) перестраивается в решетку феррита (ОЦК) и при этом растворимость углерода уменьшается в 40 раз (с 0,8 до 0,02). Если охлаждение происходит медленно, то “лишний” углерод успевает выйти из решетки феррита и образовать цементит. В результате формируется структура феррито-цементитной смеси. Если же охлаждение производится быстро, то после полиморфного превращения углерод остается вследствие подавления диффузионных процессов в решетке ОЦК. Образуется пересыщенный твердый раствор углерода в  - железе, который называется МАРТЕНСИ-

ТОМ. Перенасыщенность мартенсита углеродом создает в его решетке большие внутренние напряжения, которые приводят к искажению ее формы и превращению из кубической в тетрагональную. Уровень внутренних напряжений оценивается степенью тетрагональности, т.е. отношением длины ребра с параллелепипеда к ребру а.

Чем выше степень тетрагональности решетки мартенсита, тем выше его твердость. Степень тетрагональности, в свою очередь, будет зависеть от содержания углерода в стали.

Получить структуру мартенсита (или закалить сталь) можно только в том случае, если обеспечить скорость охлаждения больше или равную критической (Vкр) (рис 5.3),чтобы не успели пройти поцессы распада аустенита в верхнем районе температур.

КРИТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ закалки или минимальная скорость охлаждения (Vкр) – это скорость, при которой аустенит переходит в мартенсит. Если же скорости охлаждения будут меньше Vкр , при распаде аустенита получим феррито-цементитные смеси различной дисперсности ТРООСТИТ, СОРБИТ И ПЕРЛИТ.

Рис 5.3 Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали со схемами микроструктур и их примерной твердостью: I – кривая начала диффузионного распада аустенита; II – кривая конца диффузионного распада аустенита; Мн – линия начала мартенситного превращения; Vкр – критическая скорость охлаждения.

Перлит (грубодисперсионная смесь феррита и цементита) может быть получен при очень медленных скоростях охлаждения (на рис. 5.3 это скорость V1). Такие скорости охлаждения характерны для отжига (охлаждение вместе с печью).

При охлаждении углеродистых сталей на воздухе (вид термообработки – нормализация) со скоростями V2 и V3 получаем структуры сорбита и троостита. Сорбит – механическая смесь феррита и цементита средней дисперсности. Троостит – мелкодисперсная феррито-цементитная смесь. Свойства сорбита и троостита занимают промежуточное положение между свойствами перлита (П) и мартенсита (М).

Практической целью закалки является получение максимальной прочности и твердости стали. Достигается эта цель при следующих режимах: нагрев стали на 30 – 50ОС выше линии GSK, выдержка при этой температуре и охлаждение со скоростью  Vкр.

По температуре нагрева различают полную и неполную закалку. Полная закалка осуществляется из аустенитной области. После охлаждения с критической скоростью закалки у всех углеродистых сталей образуется структура мартенсита. Полной закалке подвергают изделия из доэвтектоидных сталей, при этом исключается образование мягких ферритных включений.

Неполная закалка – закалка из промежуточных, двухфазных областей (А + Ф), (А+ЦII). В результате охлаждения с критической скоростью в доэвтек

тоидных сталях образуется структура Ф + М, а в заэвтектоидных – М + ЦII. Неполной закалке подвергают инструмент из заэвтектоидной стали, поскольку наличие включений вторичного цементита увеличивает твердость закаленного инструмента, т.к. цементит по твердости превосходит мартенсит.

studfiles.net

27.Закалка стали, её назначение, технология для до- и заэвтектоидных сталей, выбор закалочных жидкостей. Структура закаленной стали. Виды брака при закалке.

Закалкой стали называется операция термической обработки, заключающаяся в нагреве её по крайней мере выше критической точки Ac1(T.e. до аустенито-ферритного, аустенитного или аустенито-цементитного), выдержке и последующем охлаждении в различных средах с целью получения при комнатной температуре неустойчивых продуктов распада аустенита, а следовательно, повышения твёрдости и прочности.

Технология закалки стали требует быстрого охлаждения в пределах от 650 до 400° С. Длительность нагрева при закалке зависит от вида нагревательного устройства. Опытные данные показывают, что на закалку 1 мм сечения в электрической печи затрачивается от 90 секунд до 2 минут, тогда как в пламенной печи – 1 минута, а в соляной ванне – 30 секунд. Меньше всего времени уходит на закалку в свинцовой ванне ( от 6 секунд).

По температуре нагрева различают два вида закалки – полная и неполная закалка металлов. Неполная закалка используется, как правило, для инструментальных сталей. В процессе полной закалки структура стали становится аустенитной (кристаллическая решетка гранецентрированная, в отличие от объемно-центрированной ферритной решетки).

Охлаждающими средами могут служить различные жидкости (вода, растворы солей, щелочей), технические масла и даже расплавленный свинец. Вода слишком быстро охлаждает, поэтому высока вероятность возникновения внутренних напряжений. Минеральные масла дороги и легко воспламеняются. Одним из лучших охладителей является 8-12% раствор обычной пищевой соли (NaCl – хлорид натрия), или каустической соды (она же гидроксид натрия или едкий натр - NaOH).

Структура закаленной стали состоит не только из мартенсита, но и остаточного аустенита. Заметное количество остаточного аустенита после закалки получается не только в легированной, но и в простой углеродистой стали, содержащей всего 0,2% углерода. Остаточный аустенит оказывает в основном отрицательное влияние на свойства стали.

При закалке появляются следующие наиболее характерные виды брака. Пониженная твердость инструмента и мягкие пятна на его поверхности — результат низкой температуры, недостаточной выдержки, замедленного охлаждения, загрязнения охлаждающих ванн и обезуглероживания. К основным видам брака из-за неправильного охлаждения относятся закалочные трещины, коробление, малая твердость, мягковины, низкие механические свойства. Иногда при закалке на поверхности деталей образуются трещины (фиг. 111). Они образуются в результате возникновения в детали больших внутренних напряжений.

28.Отпуск закаленной стали, его разновидности, назначение, получаемые структуры.

Низкий (низкотемпературный отпуск) проводят при температурах не выше 250...300°С. При таких температурах происходит частичное обезуглероживание мартенсита и выделение из него некоторого количества избыточного углерода в виде частиц е - карбида железа. Образующаяся структура, состоящая из частичного обезуглероженного мартенсита и е-карбидов, называется отпущенным мартенситом. Выход некоторого количества углерода из решетки мартенсита способствует уменьшению её искажения и снижению внутренних напряжений. При таком отпуске несколько повышается прочность и вязкость без заметного снижения твёрдости. В целом изменение свойств при низком отпуске незначительно. Так закалённая сталь с содержанием углерода 0,5... 1,3 % после низкого отпуска сохраняет твёрдость в пределах 58...63 HRC, а следовательно, обладает высокой износостойкостью. Однако такая сталь не выдерживает значительных динамических нагрузок. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, работающий без значительного разогрева рабочей части, а такие детали, прошедшие поверхностную закалку или цементацию. Цель такого отпуска - некоторое снижение внутренних напряжений.

Средний (средне-температурный) отпуск выполняют при температурах 350...500°С и применяют преимущественно для рессор, пружин, некоторых видов штампов. При таких температурах происходит дальнейшее обезуглероживание мартенсита, приводящее к его превращению в обычный а-раствор,т.е. в феррит. Одновременно происходит карбидное превращение по схеме; Fe2C  Fе3С, В результате образуется феррито-цементитная смесь, называемая троститом отпуска. Наблюдается снижение твёрдости до величины 40...50 HRC, а также снижение внутренних напряжений. Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости и предел выносливости, что позволяет применять его для различных упругих элементов. Высокий(высокотемпературный) отпуск проводят при 500...600°С. Структурные изменения при таких температурах заключаются в укрупнении (коагуляции) частиц цементита. В результате этого образуется феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом отпуска. Также, как и тростит отпуска, эта структура характеризуется зернистым строением в отличии от пластинчатых структур тростита и сорбита закалки. Твёрдость стали после высокого отпуска снижается до 25,,,35 HRC, Однако уровень прочности при этом ещё достаточно высок , В то же время обеспечивается повышенная пластичность и особенно ударная вязкость, практически полностью снимаются внутренние напряжения,, возникшие при закалке. Таким образом, высокий отпуск на сорбит обеспечивает наилучший комплекс механических свойств, позволяющий применять его для деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. Такой же отпуск рекомендуется для деталей машин из легированных сталей, работающих при повышенных температурах.

studfiles.net

29. Закалка стали, необходимые условия, последовательность операций, изменение структуры и свойств.

Зака́лка — вид термической обработки изделий из металлов и сплавов, заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т. е. полиморфного превращения), с последующим быстрым охлаждением, как правило, в жидкости (воде или масле).

Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов.

Материал, подвергшийся закалке приобретает бо́льшую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала.

В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей

30. Отпуск стали. Виды отпуска. Изменение механических свойств, происходящие при различных видах отпуска.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Он частично или полностью устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 250°С. Цель - снижение внутренних напряжений. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Высокая твердость и износостойкость сохраняются. Сохраняется также низкая ударная вязкость. Данному отпуску подвергается металлорежущий инструмент.

Среднетемпературный (средний) отпуск проводится при температурах 350-500°С, структура мартенсита переходит в троостит отпуска. Такой отпуск обеспечивает наиболее высокий предел упругости и несколько повышает вязкость. Такой отпуск применяется для рессор, пружин, а также инструмента, испытывающего ударные нагрузки.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при температуре 500-680°С, структура стали после высоко отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшие соотношения прочности и вязкости.

31.Виды Термомеханической обработки и их влияние на свойства стали.

Термомеханическая обработка металлов, совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения (в различной последовательности), в результате которой формирование окончательной структуры металла, и его свойств происходит в условиях повышенной плотности и оптимального распределения несовершенств строения, созданных пластической деформацией. Особенностью этого способа изменения свойств металлических сплавов является сочетание операций обработки металлов давлением и термической обработки.

Высокотемпературная термомеханическая обработка. Она заключается в том, что непосредственно после горячей обработки давлением (прокатки, штамповки), когда сталь имеет температуру выше Ас3 и аустенитную структуру, проводится резкое охлаждение— закалка. За короткое время между окончанием прокатки и закалкой рекристаллизация не успевает произойти. В связи с этим наклеп и упрочнение, которые возникли при пластической деформации во время прокатки или штамповки, не устраняются и остаются в стали после ее остывания. После закалки к этому добавляется еще упрочнение вследствие образования твердой мартенситной структуры. Чем короче промежуток времени между окончанием прокатки и закалкой, тем больше будет эффект упрочнения.

Низкотемпературная термомеханическая обработка. Сталь нагревают до аустенитного состояния, а затем охлаждают ниже температуры рекристаллизации, т. е. в температурном интервале примерно 400—600°С. Технологически этот способ сложнее, так как трудно осуществлять обработку давлением в таком узком интервале температур.

studfiles.net