Термической обработки
1. Отжиг на мелкое зерно – является разупрочняющей (смягчающей) ТО. Он заключается в нагреве сталей до оптимального интервала температур (рис. 1), выдержке и медленном охлаждении (обычно с печью; скорость охлаждения V 1(рис. 2). После отжига получается равновесная мелко-зернистая структура феррита и перлита в доэвтектоидных сталях, перлита в эвтектоидной стали и перлита с разрозненными включениями вторичного цементита в заэвтектоидных сталях. Отжиг на мелкое зерно, как правило, является предварительной ТО. Его цель – устранение структурной неоднородности и крупнозернистости, отрицательно влияющих на технологические свойства. Максимальное снижение твердости и повышение пластичности для улучшения обрабатываемости (резанием, давлением). При отжиге полностью снимаются внутренние напряжения. Отжиг бывает полный, неполный, низкий и диффузионный. При полном отжиге происходит полная перекристаллизация феррита в аустенит с растворением в нем цементита. При неполном отжиге сплав нагревается выше линии PSK (Ас 1), но ниже GSE (Ас 3) и полной перекристаллизации не происходит. Металл также охлаждается вместе с печью. При низком отжиге сплав нагревается ниже PSK (Ас 1) на 30–40 °С и охлаждается с печью. Перекристаллизация не происходит. Снимаются напряжения, уменьшается количество дислокаций. Низкий отжиг часто называется – рекристаллизационным отжигом. Диффузионный отжиг (гомогенизация) применяется для устранения ликвации, то есть разности химического состава стали по сечению слитка, литой заготовки. Металл длительно (20–24 часа) нагревают до 950–1100 °С, выдерживают. Для уменьшения зерна затем делают улучшение или закалку.
2. Нормализация доэвтектоидных сталей проводится так же, как отжиг на мелкое зерно, но сталь охлаждается ускоренно на спокойном воздухе (скорость V 2 на рис. 2). После данной ТОдоэвтектоидные стали состоят из мелкозернистого феррита и сорбитообразного перлита, придающего стали повышенную твердость и прочность. Поэтому нормализация может использоваться либо вместо отжига на мелкое зерно (как более производительная обработка), если возрастание твердости и прочности находится в допустимых пределах, либо как слабая упрочняющая ТО для неответственных изделий.
Заэвтектоидные стали подвергают нормализации с целью устранения сплошной цементитной сетки по границам зерен перлита. Но в отличие от отжига процесс ведут от температуры Аcт + 30–50 °С. При этой ТО зерна аустенита и соответственно зерна перлита оказываются крупными, поэтому после нее необходимо выполнить отжиг на мелкое зерно.
3. Одинарная термическая обработка применяется сравнительно редко, как более сильная, чем нормализация, упрочняющая ТО доэвтектоидных сталей. Она осуществляется так же, как отжиг на мелкое зерно, но сталь охлаждают быстро, например, в горячей воде или струей сжатого воздуха (скорость V 3 на рис. 2). Образующиеся пластинчатые структуры сорбита или троостита с небольшим количеством избыточного феррита или без него придают стали более высокую прочность, твердость и износостойкость по сравнению с этими свойствами в нормализованном состоянии.
4. Закалка. Процесс закалки необходим очень многим деталям, изделиям. Эта термообработка основана на перекристаллизации стали, нагретой до температуры выше критической; после достаточной выдержки – следует быстрое охлаждение. Таким путем предотвращают превращение аустенита до перлита. После закалки структура доэвтектоидныхи эвтектоидной сталей состоит из мартенсита, а заэвтектоидных – из мартенсита и включений вторичного цементита. Мартенсит – основная структура закаленной стали, которая обусловливает максимальное повышение ее твердости. Однако закаленная сталь практически неработоспособна из-за высокой хрупкости, присущей мартенситу, и высокого уровня закалочных напряжений, которые возникают из-за очень быстрого охлаждения и могут вызвать коробление детали или даже появление в ней трещин. Поэтому после закалки проводится заключительная операция термической обработки – отпуск.
Неполная закалка — закалка доэвтектоидной стали с нагревом до температур межкритического интервала A 1 –A 3, не обеспечивающим полного превращения исходной структуры в аустенит, приводящая к формированию ферритно-мартенситной (дуальной) структуры, т.е. в структуре закаленной стали, кроме мартенсита, будет присутствовать феррит, что существенно ухудшает свойства.
Стали, подвергающиеся закалке, характеризуются закаливаемостью и прокаливаемостью.
Закаливаемость – способность стали принимать закалку, т.е. приобретать при закалке детали высокую твердость.
Прокаливаемость – способность стали образовывать закаленный слой со структурой мартенсита и высокой твердостью. Прокаливаемость образца характеризуется максимально получаемой твердостью по сечению изделия. При неполной прокаливаемостиее конкретная величина определяет возможность получения при закалке материала с установленным значением твердости на определенной глубине. Полная прокаливаемость, то есть наличие мартенситной структуры по всему сечению изделия, называется сквозной. Стали с малым содержанием углерода закалить на мартенсит очень трудно, так как начало и конец процесса образования мартенсита происходит в области высоких температур, соответствующих образованию других, более устойчивых структур (троостит, сорбит). Прокаливаемость обыкновенной углеродистой стали распространяется на 5–7 мм.
Микроструктура закаленной стали зависит от ее химического состава и условий закалки (температуры нагрева и режима охлаждения). Закалка стали с содержанием углерода до 0,025...0,03% задерживает выделение третичного цементита по границам зерен и не меняет структуру феррита. Такая закалка повышает пластичность и почти не изменяет прочностных характеристик.
Микроструктура стали с 0,08...0,15%С (с нагревом выше верхних критических точек и охлаждением в воде) представляет собой низкоуглеродистый мартенсит с выделениями феррита. Дальнейшее увеличение содержания углерода (0,15–0,25%) при тех же условиях закалки приводит к повышению твердости с 110–130 НВ до 140–180 НВ, а предел текучести возрастает на 30–50%. Наиболее значительное изменение свойств происходит при содержании углерода более 0,30–0,35%.
Микроструктура доэвтектоидных сталей представляет собой мартенсит, кристаллы которого имеют характерную форму пластин (игл). При содержании углерода более 0,5–0,6% в микроструктуре сталей наблюдается незначительное (2–3%) количество аустенита.
Микроструктура заэвтектоидных сталей состоит из мартенсита, зерен вторичного цементита (не растворившегося при нагреве) и остаточного аустенита. Кристаллы (иглы) мартенсита очень небольших размеров.
Повышение температуры закалки вызывает растворение вторичного цементита и способствует росту зерна.
В тех случаях, когда требуются высокая твердость и повышенная износостойкость поверхности при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины изделия, применяется поверхностная закалка, то есть закалка не на полную глубину. Поверхностной закалке подвергаются стали при содержании углерода более 0,3%. Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали и составляет от 1,5 до 15 мм (и выше). Площадь сечения закаленного слоя не должна превышать 20% площади всего сечения. В практике наиболее часто используют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ).
Изотермическая закалка (закалка в горячих средах) основана на изотермическом распаде аустенита; охлаждение ведется не до комнатной температуры, а до температуры несколько выше начала мартенситного превращения (200–300 °С, зависит от марки стали). Как охладитель используют соляные расплавы или нагретое до 200–250 °С масло. При температуре горячей ванны деталь выдерживается продолжительное время, пока пойдут инкубационный период и распадение аустенита. В результате получается структура игольчатого троостита, по твердости близкого к мартенситу, но более вязкого, прочного. Последующее охлаждение производится на воздухе, чтобы провести процесс изотермической закалки, вначале требуется быстрое охлаждение со скоростью не менее критической, чтобы избежать распадения аустенита в условиях, отвечающих перегибу С-образной кривой. Следовательно, по этому методу можно закаливать только небольшие (примерно, диаметром до 8 мм) детали из углеродистой стали, так как запас энергии в более тяжелых деталях не позволит достаточно быстро их охладить. Это не относится, однако, к легированным сталям, большинство марок которых имеет значительно меньшие критические скорости закалки. После изотермической закалки детали свободны от внутренних напряжений и не имеют трещин.
5. Отпуск. Цель отпуска – снизить уровень остаточных закалочных напряжений и получить работоспособные структуры и соответствующие им свойства – твердость, износостойкость, прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость.
Отпуск заключается в нагреве закаленной стали ниже температуры А 1, довольно продолжительной выдержке (в среднем от 0,5 до 2–3 часов) для завершения диффузионных процессов формирования той или иной окончательной структуры отпуска и последующем охлаждении (обычно на воздухе), скорость которого, в отличие от других операций ТО, не влияет на сформировавшуюся в процессе выдержки структуру.
Различают низкий (150–250 °С), средний (350–400 °С) и высокий (500–650 °С) отпуск.
При низком отпуске вследствие частичного выделения из кристаллической решетки мартенсита избыточного углерода в виде высоко-дисперсных карбидов и уменьшения внутренних напряжений, хрупкость стали несколько снижается, а ее твердость изменяется незначительно. Мартенсит, обедненный углеродом при отпуске, называется мартенситом отпуска и представляет собой уже достаточно работоспособную структуру. Низкому отпуску подвергаются изделия, которые должны быть твердыми и износостойкими: режущие инструменты, цементованные, цианированные, поверхностно-закаленные детали.
При среднем отпуске мартенсит распадается уже полностью на троостит отпуска зернистого строения (кристаллы цементита в нем имеют округлую форму), а внутренние напряжения значительно снижаются. Сталь с такой структурой характеризуется меньшей твердостью, высокой упругостью при повышенной пластичности и ударной вязкости. Поэтому средний отпуск применяют для получения упруго-вязких изделий – пружин, рессор, торсионов, мембран и др.
При высоком отпуске получается структура сорбита отпуска зернистого строения, а оставшиеся после закалки внутренние напряжения почти полностью снимаются. Твердость и прочность сорбита отпуска ниже, чем у троостита отпуска, но выше, чем у структур, получаемых после нормализации и тем более после отжига. В то же время сорбит отпуска имеет высокую пластичность и максимально возможную ударную вязкость. Поэтому высокий отпуск применяют для получения изделий с максимально высокой вязкостью и повышенной прочностью – ответственных тяжело нагруженных деталей, работающих в условиях высоких статических, динамических и знакопеременных нагрузок.
Рекристаллизация – процесс образования и роста (или только роста) одних кристаллических зёрен (кристаллитов) поликристалла за счёт других той же фазы. Скорость рекристаллизации резко (экспоненциально) возрастает с повышением температуры. Рекристаллизация протекает особенно интенсивно в пластически деформированных материалах. При этом различают три стадии рекристаллизации: первичную, когда в деформированном материале образуются новые неискажённые кристаллиты, которые растут, поглощая зёрна, искажённые деформацией; собирательную – неискажённые зёрна растут за счёт друг друга, вследствие чего средняя величина зерна увеличивается; вторичную рекристаллизацию, которая отличается от собирательной тем, что способностью к росту обладают только немногие из неискажённых зёрен. В ходе вторичной рекристаллизации структура характеризуется различными размерами зёрен (разнозернистость).
Термину собирательная рекристаллизации соответствует также термин нормальный (т.е. обычный) рост зерна.
Рекристаллизация устраняет структурные дефекты (в первую очередь уменьшает на несколько порядков плотность дислокаций) изменяет, размеры зёрен и может изменить их кристаллографическую ориентацию (текстуру). Рекристаллизация переводит вещество в состояние с большей термодинамической устойчивостью: при первичной рекристаллизации – за счёт уменьшения искажений, внесённых деформацией, при собирательной и вторичной рекристаллизацией – за счёт уменьшения суммарной поверхности границ зёрен. Рекристаллизация изменяет все структурно-чувствительные свойства деформированного материала и часто восстанавливает исходные структуру, текстуру и свойства (до деформации). Иногда структура и текстура после рекристаллизации отличаются от исходных, соответственно отличаются и свойства.
Рекристаллизация широко используется для управления формой зёрен, их размерами, текстурой и свойствами.
В сталях рекристаллизация сочетается со сфероидизацией цементита. Получаются круглые частицы цементита размером 0,5–2 мкм. Такая структура называется структурой сорбита отпуска. Термообработка, приводящая к ней – улучшение.
Описание установок
1. Электропечь лабораторная (рис. 3) состоит из металлического корпуса (1), в верхней части которого смонтирована рабочая камера, а в нижней пусковая и контрольно-регулирующая аппаратура. Пространство между ними и корпусом заполнено теплоизоляционной крошкой (2). В боковых пазах верхней и нижней фасонин расположены четыре спиральных нагревателя (3), соединенных между собой последовательно. Загрузка печи производится через проем, закрываемый дверцей (4).
Рис. 3. Электрическая печь сопротивления (лабораторная)
2. Твердомер ТК-2 (рис. 4) – прибор для измерения твердости металлов по методу Роквелла, позволяет определить твердость металла вдавливанием в испытуемый материал алмазного (или твердосплавного) конуса с углом при вершине 120° или стального шарика диаметром 1,588 мм.
После установки на стол измеряемого образца 8 плавным вращением по часовой стрелке маховика приводят во вращение винт, поджимая стол вверх. После соприкосновения поверхности образца с индентором начинается вращение стрелки индикатора. Маховик плавно вращают до момента, когда конец малой стрелки окажется против красной точки, а большая займет верхнее вертикальное положение.
Затем барашком устанавливают шкалы индикатора до совпадения 0 (нулевого деления) черной шкалы С с концом большой стрелки. В этом (исходном) положении поджатая пружина создает предварительную нагрузку индентору, равную 10 кгс. Основная нагрузка при этом выключена. Она за счет подвески 22 с грузом 4 составляет 50 кгс, а с добавлением грузов 5 и 6 будет соответственно 90 и 140 кгс.
На нижнем конце шпинделя с помощью винта закреплениндентор с алмазным конусом или стальным шариком.
Рис. 4. Прибор (твердомер) ТК-2 для измерения твердости по методу Роквелла
Приведение в действие прибора с установленной основной нагрузкой осуществляется нажатием на клавишу, которая приводит в действие кулачковый блок механизма. Начавшийся поворот кулачка опустит шток
на 4 секунды, обеспечив подвеске возможность с помощью рычага передать усилие на индентор. Общая нагрузка индентора на материал исследуемого образца в результате сложения предварительной и основной нагрузок может быть соответственно 60, 100 и 150 кгс. Через 4 секунды кулачковый блок, подняв шток, выключит основную нагрузку и отключится от привода сам. Тогда сила поджатия пружины будет прижимать индентор к поверхности сделанного им в материале образца отпечатка. Глубина этого отпечатка, указанная концом стрелки в делениях соответствующей шкалы индикатора, и представит собой величину искомой твердости.
3. Твердомер ТКМ-359 (рис. 5). Предназначен для измерения твердости металлов в лабораторных условиях динамическим методом. В отличие от стационарных твердомеров прибор позволяет проводить оперативный контроль изделий, в том числе деталей сложной конфигурации.
Контроль твердости проводится по следующим шкалам Роквелла, Бринелля и Виккерса.
Работа твердомера основана на измерении отношения скорости отскока индентора (ударного элемента) к скорости его падения.
Основными составляющими твердомера являются датчик и электронный блок приема и преобразования сигнала с датчика.
Электронный блок включает в себя блок датчика, устройство ввода-вывода, контроллер и блок питания.
Использование в твердомере контроллера позволяет:
– получать результат измерения непосредственно в единицах твердости на экране графического дисплея (ГД) без использования графиков;
– отстраиваться в процессе работы твердомера от влияния механических свойств контролируемых изделий, не связанных с твердостью;
– проводить статическую обработку результатов;
– проводить накопление информации для последующего вывода на компьютер или считывания с экрана ГД.
Все это повышает точность и стабильность контроля.
Рис. 5 Общий вид твердомера ТКМ-359
Режимы работы твердомера
Твердомер работает в следующих режимах:
– режим измерения по основным шкалам;
– режим измерения по табличным шкалам;
– режим измерения по дополнительным шкалам;
– режим измерения по шкалам Пользователя;
– режим «МЕНЮ» для настройки твердомера;
– передачи результатов измерений в компьютер.
Для приведения датчика в рабочее состояние необходимо взвести его, переместив подвижную втулку по направлению к катушке до упора и вернув ее в исходное состояние. При нажатии спусковой кнопки происходит сбрасывание индентора и измерение параметров его падения и отскока. Далее в твердомере производится статистическая обработка результатов измерений, которая заключается в расчете среднего арифметического значения по числу замеров (размер выборки), выбранному оператором. Результаты измерений высвечиваются на экране ГД.