ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ




Виды термической обработки стали российский ученый А. А. Бочвар подразделил на четыре группы: отжиг первого рода, отжиг второго рода, закалка и отпуск. При этом свойства стали изменяются только от термического воздействия на металл. Кроме этих групп основных видов термической обработки стали широко применяются два сложных метода ее упрочнения: химико-термическая и термомеханическая обработка стали. Химико-термическая обработка стали сочетает химическое и термическое воздействие на металл, а термомеханическая – термическое и пластическое.

Рис. 19. Интервалы температур нагрева углеродистых сталей в зависимости от содержания углерода С для различных видов отжига

 

Отжиг – вид термической обработки, при котором изделия нагревают до определенной температуры, выдерживают длительное время в зависимости от их размера, а затем медленно охлаждают вместе с печью.

Отжиг первого рода подразделяется на диффузионный и низкий.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) заключается в нагреве стали до высоких температур 1000–1100 °С (рис. 19), длительной выдержке к последующем медленном охлаждении, вместе с печью с целью фазовой перекристаллизации. Применяют для слитков и крупных стальных отливок, выравнивания химической неоднородности их состава в зернах и зонах, т.е. для уменьшения дендритной и зональной ликвации. Ввиду сильного роста зерен при диффузионном отжиге заготовки после него подвергают дополнительной термической обработке, например обычному отжигу.

Низкий отжиг заключается в нагреве стали ниже нижней критической точки Ac1, выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью. Применяют для снятия внутренних напряжений (например, после сварки). Такой отжиг протекает без фазовой перекристаллизации. Рекристаллизационный (низкий) отжиг используют после холодной пластической деформации (наклепа) для улучшения пластических свойств стали.

Таким образом, отжиг первого рода применяют, когда предшествующая обработка приводит металл в неустойчивое состояние. Нагрев при отжиге увеличивает тепловую подвижность атомов, поэтому процессы, приводящие металл в устойчивое состояние (снятие напряжений, уменьшение искажений кристаллической решетки, диффузия и тл.), достигают заметных скоростей.

Отжиг второго рода подразделяется на полный, неполный и изотермический. Разновидностью отжига является нормализация. Цель отжига второго рода – фазовая перекристаллизация и снятие внутренних напряжений. В процессе отжига изменяются форма и размер фаз, в результате чего получается структура, состоящая из феррита и цементита (карбидов) с наименьшей твердостью и большой пластичностью.

Полный отжиг заключается в нагреве стали выше верхней критической точки Ас3 (см. рис. 19) на 30-50 °С, выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью. Применяют его для доэвтектоидной стали. Исходная структура, состоящая из феррита и перлита, при нагреве превращается в мелкозернистый аустенит. При медленном охлаждении аустенит распадается с образованием мелкозернистой ферритно-перлитной структуры. Заэвтектоидную сталь полному отжигу не подвергают.

Неполный отжиг заключается в нагреве стали выше нижней критической точки Ас1 на 30–80 °С, но ниже верхней критической точки Ас3, выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью. Применяют его для эвтектоидной и заэвтектоиднои стали. Исходная структура заэвтектоиднои стали, состоящая из перлита и вторичного цементита, после нагрева состоит из аустенита и цементита + Ц). При медленном охлаждении цементит получается зернистым, поэтому после отжига сталь состоит из зернистого перлита и цементита. Эвтектоидная сталь после отжига второго рода имеет также структуру зернистого перлита. Неполный отжиг заэвтектоиднои стали называют сфероидизацией.

Неполному отжигу доэвтектоидную сталь подвергают редко, так как перекристаллизацию претерпевает один перлит, а феррит остается неизмененным. Иногда его применяют для поковок и сортового проката из до эв тек то и дно и стали, чтобы снять внутренние напряжения и улучшить обрабатываемость резанием.

Изотермический отжиг – вид обработки, при которой сталь нагревают до соответствующей температуры в зависимости от содержания углерода, а затем быстро охлаждают до температуры, лежащей ниже точки Аr1 на 100–150 °С, выдерживают при ней до полного распада аустенита и охлаждают на воздухе. При этом сокращается время полной обработки и получается более равномерная микроструктура стал и, чем при обычном отжиге.

Нормализация - вид термической обработки, при которой сталь с любым содержанием углерода нагревают выше точек Ас3 и Aст, выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают на спокойном воздухе (в цехе).

После нормализации в микроструктуре стали наблюдается по сравнению с перлитом отжига более тонкопластинчатая смесь феррита и цементита, называемая сорбитом. Сорбит имеет несколько большую прочность и пластичность, чем перлит, поэтому нормализация часто является окончательной термической обработкой, когда у изделий не требуется высокой прочности. При нормализации устраняют структурную неоднородность и внутренние напряжения в стали.

Рис. 20. Интервалы температур закалки углеродистых сталей в зависимости от содержания углерода С


Рис. 21. Кривые охлаждения стали для различных видов закалки

Цель нормализации - устранение некоторых дефектов структуры стали после предыдущих операций горячей обработки (литья, прокатки, ковки и т.п.) или предварительная подготовка структуры стали к последующим технологическим операциям (закалке, обработке резанием).

Закалка - вид термической обработки, при которой изделие нагревают до соответствующей температуры в зависимости от химического состава (рис. 20), выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают с большой скоростью, превышающей критическую для данной стали, с целью получения наивысшей твердости и прочности. Среднеуглеродистые стали, как правило, охлаждают при закалке в воде, высокоуглеродистые и конструкционные легированные стали – в масле, а некоторые высоколегированные стали - на воздухе и в солях с учетом их критической скорости охлаждения. Вода охлаждает намного сильнее масла. Добавление к воде солей, щелочей увеличивает ее закаливающую способность.

Закалка подразделяется на полную, неполную, изотермическую, а также другие разновидности, позволяющие снижать остаточные напряжения в стали.

Полная закалка - термическая обработка, при которой сталь нагревают до температуры, превышающей верхнюю критическую точку Ас3 на 30-50 °С, и охлаждают со скоростью, превышающей критическую νк (рис. 21, прямая 1). Применяют ее для среднеуглеродистой доэвтектоидной стали, структура которой после закалки представляет собой мартенсит, обладающий высокой твердостью и прочностью.

Неполная закалка - термическая обработка, при которой сталь нагревают до температуры, превышающей нижнюю критическую точку Ас1,

на 30-50 °С (ниже верхней критической точки Ас3), и охлаждают со скоростью, превышающей критическую νк. Неполную закалку применяют для эвтектоидной и заэвтектоиднои углеродистых сталей. Исходная структура заэвтектоиднои стали состоит из перлита и вторичного цементита. При нагреве выше Ас1 происходит превращение перлита в аустенит (П → А), а цементит остается нерастворенным. При быстром охлаждении происходит превращение А →М, и в результате.структура заэвтектоиднои стали состоит из мартенсита, цементита и остаточного аустенита. Наличие в структуре цементита повышает твердость и износоустойчивость стали. Структура закаленной эвтектоидной стали состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

Неполной закалкой считают и термическую обработку, при которой сталь нагревают до соответствующей температуры в зависимости от ее химического состава", но охлаждают со скоростью, меньше критической. В этом случае структура стали включает не чистый мартенсит, а тростомартенсит (прямая 5) и имеет пониженную твердость.

Изотермическая закалка – термическая обработка, при Которой сталь нагревают до соответствующей температуры в зависимости от ее химического состава, затем быстро охлаждают до температуры 250– 350 °С, выдерживают при этой температуре, после чего охлаждают на воздухе (кривая 4). При изотермической выдержке происходит превращение аустенита в бейнит, обладающий по сравнению с мартенситом несколько меньшей прочностью и твердостью, но обычно повышенной вязкостью.

Прерывистую закалку проводят с охлаждением изделий в двух средах: сначала в быстроохлаждающей среде (воде), а затем в медленноохлаждающей (масло или воздух) (кривая 2). Это приводит к тому, что в мартенситном интервале температур сталь охлаждается медленно, что приводит к уменьшению внутренних напряжений. Применяют ее, например, для закалки инструмента из высокоуглеродистой стали. Процесс требует высокой квалификации термиста.

Ступенчатая закалка (кривая 3) заключается в нагреве стали до соответствующей температуры, а затем в охлаждении ее в расплавленных солях при температуре, несколько превышающей начало мартенситного превращения МH. После изотермической выдержки, необходимой для выравнивания температуры по всему сечению изделия (без распада аустенита), осуществляют охлаждение на воздухе. Это приводит к уменьшению остаточных закалочных напряжений. Применяют для углеродистых сталей размером только до 10 мм.

Прокаливаемость стали – способность стали закаливаться на определенную, ей свойственную глубину. Закаливаемость – способность стали получать структуру мартенсита с максимальной твердостью, зависящую от содержания в ней углерода.


Рис. 22. Прокаливаемость стали в зависимости от скорости охлаждения νохл по ее сечению

Рис. 23. Испытание стали на прокаливаемость методом торцовой закалки: а – схема закалки образца; б – изменение твердости и скорости охлаждения для неглубоко (1) и глубокопрокаливаемых (2) сталей

При закалке деталей сквозная их прокаливаемость не достигается, так как поверхность охлаждается быстрее, чем сердцевина. Скорость закалки на поверхности выше критической скорости νк, поэтому начиная от поверхности к сердцевине детали будут получаться различные структуры с разными свойствами: на поверхности детали мартенсит Μ (закаленная зона I при ν > νк), затем тростит (ν < νк) ив центре сорбит или перлит (незакаленная зона II при ν < νк (рис. 22). Если условия охлаждения те же, но у стали другая критическая скорость ν’к, то и сердцевина детали будет охлаждаться со скоростью ν > v’к · Тогда деталь по всему сечению будет иметь мартенситную структуру, так как прокалится насквозь. Следовательно, чем меньше у стали νк, тем глубже будет ее прокаливаемость.

За глубину прокаливаемости стали принимают расстояние от поверхности детали до слоя с полумартенситной структурой (50% мартенсита и 50 % тростита), которой соответствует твердость HRC 50 (по Роквеллу). Для оценки прокаливаемости принимают диаметр максимального сечения Dк, которое в данном охладителе (в воде Dк.в, в масле Dк.м, в идеальной среде D) прокалится насквозь. Вода более интенсивный охладитель, чем масло, и Dк.в больше, чем Dк.м, т.е. при охлаждении в воде прокаливаемость больше, чем в масле.

Прокаливаемость стали определяют экспериментально с использованием специальных методов. Наиболее известен метод торцовой закалки, при которой образец охлаждают с торца (рис. 23, а). По мере удаления от торца скорость охлаждения и твердость уменьшаются (рис. 23, б). Твердость измеряют на поверхности образца после его охлаждения.

Полученные кривые для разных сталей 1 и 2 показывают, что у торца образца образуется мартенситная структура (максимальная твердость), затем полумартенситная структура (мартенсит + тростит) и происходит уменьшение твердости, а далее – незакаленная (исходная) структура. За границу между закаленной и незакаленной зонами принимают слой с полумартенситной структурой твердостью HRC 50. На практике для данной марки стали строят не одну кривую, а две линии – полосы прокаливаемости, полученные экспериментально на большом числе образцов разных плавок данной марки. Эти полосы охватывают разброс значений твердости стали после закалки в зависимости от колебания химического состава, размера зерна и других факторов для данной марки стали, что позволяет более точно определить ее прокаливаемость.

Отпуск – термическая обработка, при которой закаленную сталь, находящуюся в неравновесном мартенситном состоянии, нагревают не выше точки Ac1 – 727 °С, выдерживают при заданной температуре в течение длительного времени и охлаждают. При отпуске происходит распад мартенсита и сталь приобретает новую структуру и свойства.

По условиям нагрева отпуск подразделяют на низкий, средний, высокий и многократный.

При низком отпуске закаленную сталь нагревают до температуры 150–250 °С, выдерживают, а затем охлаждают с любой скоростью. Такой отпуск применяют для снятия внутренних напряжений при сохранении высокой твердости изделия. Низкому отпуску обычно подвергают закаленные цементированные, цианированные и азотированные детали машин, а также детали из инструментальных углеродистых и легированных сталей. Структура стали после низкого отпуска – отпущенный мартенсит.

Средний отпуск закаленной стали проводят при температуре 350– 450 °С. Структура отпущенной стали – тонкозернистый тростит. Применяют средний отпуск для получения высокого предела упругости у стальных пружин, рессор и тл.

При высоком отпуске закаленную сталь нагревают до температуры 450–650 °С и охлаждают после необходимой выдержки с любой скоростью для стали, не склонной к отпускной хрупкости. У сталей, склонных к отпускной хрупкости, в процессе отпуска (при малой скорости охлаждения после нагрева) происходит резкое снижение ударной вязкости. Сталь, склонную к отпускной хрупкости, необходимо после нагрева быстро охладить в масле или воде. Высокий отпуск применяют для получения стали с наиболее благоприятным сочетанием механических свойств. При увеличении температуры отпуска пластические свойства углеродистой стали повышаются, а прочностные понижаются. Закалка с последующим высоким отпуском, обеспечивающим наилучшее сочетание пластических и прочностных свойств, называется термическим улучшением, или термическим упрочнением. Структура высокоотпущенной стали – зернистый сорбит (смесь зерен феррита и цементита). Высокий отпуск используют для деталей машин и строительных конструкций, а также для инструментальной быстрорежущей стали.

Отпуск многократный представляет собой разновидность отпуска, при котором проводят многократное (2–4 раза) повторение цикла заданный нагрев – выдержка – полное охлаждение. Многократный отпуск применяют для изделий из быстрорежущей инструментальной стали с целью получения более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит и соответственно повышения твердости и износостойкости.

Обработка стали холодом предложена А.П. Гуляевым в 1937 г. Она заключается в охлаждении закаленной стали, в структуре которой имеется остаточный аустенит, до температуры ниже 20 ° С в соответствии с интервалом ее мартенситного превращения МНМк. У сталей с содержанием углерода свыше 0,5 % температура конца мартенситного превращения Мк лежит ниже 0 °С. Обработка стали холодом ниже О °С вызовет дополнительное образование мартенсита из остаточного аустенита. В результате обработки холодом и дополнительного образования мартенсита из остаточного аустенита повышаются твердость стали и ее магнитные характеристики, а также стабилизируются размеры деталей, так как завершается превращение Aост → М, связанное с увеличением объема. В качестве охладителя применяют, например, смесь твердой углекислоты и ацетона, дающую температуру –78 °С.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-04-04 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: