Режим термической обработки стали

Лабораторная работа

Термическая обработка стали.

Термической обработкой называется совокупность операций на­грева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутрен­него строения и структуры. Термическая обработка используется либо в ка­честве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств детали.

Режим термической обработки стали

· Режим термической обработки включает в себя следующие составляющие: скорость нагрева, температуру нагрева, продолжительность выдержки, скорость охлаждения.

· Скорость нагрева выбирается в зависимости от теплопроводности стали (химического состава) и формы детали. Если теплопроводность стали высокая, то и скорость нагрева может быть больше. При этом следует иметь в виду, что у большинства легированных сталей теплопроводность ниже, чем у углеродистых, и быстрый нагрев может привести в них к возникновению напряжений и трещин. Заготовки или детали простой формы по той же причине можно греть быстрее, чем сложной.

· Температура нагрева зависит от состава стали и вида термообработки. Для углеродистых сталей она может быть определенна по диаграмме Fe₃C, для легированных приводится в справочниках. Отметим, что для каждой стали при определенном виде термообработки эта температура величина постоянная.

· Продолжительность выдержки зависит главным образом от размеров деталей и условий нагрева. При нагреве деталей в газовых или электрических печах выдержка обычно назначается из расчета 1,5-2 мин. на 1мм максимальной толщины детали (при условии что детали в печи не соприкасаются друг с другом). При нагреве в жидких средах (например, в соляных ваннах), где условия теплообмена очень высоки, продолжительность выдержки берется

· 10-15 сек. на 1мм толщины.

· Скорость охлаждения обычно задают охлаждающей средой (охлаждение в печи, на воздухе, в масле, в воде, в специальных средах).

· Режим термической обработки удобно задавать графиком в координатах температура-время (см.рис.9).

·

· 2.2. Отжиг стали

· Отжигом называют вид термической обработки состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и медленном охлаждении.

· В процессе отливки, прокатки или ковки стальные заготовки охлаждаются неравномерно, что приводит к неоднородности структуры и свойств, возникновению внутренних напряжений. При затвердевании отливок кроме того возможно появление внутри кристаллитной ликвации (химической неоднородности по сечению зерна). В сварных соединениях также наблюдаются неоднородности структуры, свойств и внутренние напряжения.

·

· Для устранения различного рода структурных неоднородностей проводят отжиг.

· Различают несколько видов отжига различающихся по технологии выполнения и цели. Для измельчения зерна перегретой стали, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием применяют полный, неполный, изотермический отжиги и отжиг на зернистый перлит. Для уменьшения внутреннего напряжения, снижения твердости, повышения пластичности и изменения формы зерен холоднодеформированного металла применяют рекристаллизационный отжиг. Для устранения внутрикристаллитной ликвации в легированных сталях - высокотемпературный диффузионный отжиг.

· Температурные интервалы основных видов отжига для углеродистых сталей представлены на рис.10.

· Полный отжиг проводится для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей. Температура нагрева на 30-50⁰ выше А₃, т.е. структуру полностью переводят в аустенитное состояние. После выдержки сталь медленно охлаждают в печи. Скорость охлаждения углеродистых сталей 100-150 ⁰/час, легированных - 30-40 ⁰/час. Структура стали после полного отжига получается феррито-перлитная, т.е. такая, как по диаграмме Fe-C.

· Неполный отжиг проводят практически для инструментальных заэвтектоидных сталей, только в том случае, если в структуре нет цементита по границам зерен (сетка цементита). Если есть сетка цементита, то для ее устранения применяют нормализацию, что будет рассмотрено ниже. Температура нагрева на 30-50⁰ выше А₁ (750-780⁰). При нагреве структура будет состоять из аустенита и цементита, после медленного охлаждения из перлита и цементита.

· Изотермический отжиг проводят с той же целью, что и полный, но время на его проведение требуется меньше (см.рис.11). После нагрева до температуры на 30-50⁰ выше А₁, выдержке для выравнивания температуры по сечению, сталь подстуживают немного ниже А₁ (650-700⁰) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита на феррит и перлит, дальнейшее охлаждение с любой скоростью.

· В отличие от других видов отжига здесь распад аустенита проходит не при непрерывном охлаждении, а в изотермических условиях (при постоянной температуре). Проводить такой отжиг проще, т.к. контролировать температуру легче, чем скорость охлаждения.

· Изотермический отжиг обычно применяют для легированных сталей обладающих высокой устойчивостью аустенита (кривая изотермического распада сильно сдвинута вправо). Такой отжиг можно применять только для мелких заготовок, у которых температура по сечению выравнивается сравнительно быстро.

· Отжиг на зернистый перлит проводят с целью улучшить обрабатываемость резанием за счет снижения твердости при переводе пластинчатого перлита в зернистый. Такой отжиг применяют для эвтектоидной и заэвтектоидных сталей (при отсутствии сетки цементита).

·

·

· Отжиг проводят по одному из следующих режимов:

· 1. Нагрев на 20-30⁰ выше А₁, выдержка 3-5 часов, медленное охлаждение

· 2. Нагрев до тех же температур с небольшой выдержкой, охлаждение до 600⁰, снова нагрев до 740-750⁰ и снова охлаждение до 600⁰. Такие циклы нагрева и подстуживания повторяют 2-4 раза, т.е. проводят как бы покачивание температуры стали около А₁. Поэтому такой отжиг называют еще маятником отжигом. Графически режим маятникового отжига представлен на рис.12. Общая продолжительность по второму режиму меньше, чем по первому

· Почему при таком отжиге цементит изменяет форму от пластинки до сферы? Представим себе пластинку цементита в аустените. По краям этой пластинки радиус кривизны мал (0,5 толщины пластины), а по плоскости бесконечно большой. Там, где радиус кривизны мал, углерод легче переходит из цементита в аустенит, т.е. концентрация углерода у краев пластины будет повышаться. За счет диффузии концентрация углерода в аустените выравнивается атомы углерода будут переходить от края пластины к плоской части и там выделяться в виде цементита. Процесс идет пока вся пластина не превратится в сферу.

· Отжиг рекристаллизационный применяют для снижения прочности, твердости, повышения пластичности и устранения вытянутости зерен после холодной пластической деформации (например, промежуточные отжиги при волочении проволоки). Такому отжигу подвергают малоуглеродистые стали, так как высокоуглеродистые стали в холодном состоянии деформируются плохо и их такой обработке практически не подвергают.

· Нагрев при этом отжиге проводят ниже температуры А₁ до 600-700⁰ с последующим охлаждением в печи или на воздухе. При этом временное сопротивление разрыву (высокое после деформации) снижается, а пластичность растет. Схема изменения формы зерен в процессе холодной пластической деформации и последующего рекристаллизационного отжига приведена на рис.13.

·

· 2.3. Нормализация стали

· Нормализация заключается в нагреве стали на 30-50⁰ выше критических температур А3 и А_см(см.рис.3) с последующим охлаждением на воздухе.

· Цель нормализации доэвтектоидных конструкционных сталей несколько повысить прочность (по сравнению с прочностью после отжига) за счет измельчения структурных составляющих (феррита и перлита).

· Цель нормализации заэвтектоидных инструментальных сталей - устранить цементитную сетку по границам перлитных зерен и тем самым предотвратить повышенную хрупкость стали при последующей закалке. Структура таких сталей после охлаждения на воздухе из аустенитной области (выше А_C3) получается сорбит (см. рис. 14).

·

· 2.4. Закалка стали

· Закалка - вид термической обработки состоящий в нагреве стали до определенных температур (доэвтектоидных на 30-40⁰ выше А₃, заэвтектоидных на 30-40⁰выше А₁), выдержке и быстром охлаждении, со скоростью более верхней критической.

· Цель закалки - повысить твердость, прочность, износоустойчивость.

· Скорость охлаждения при закалке обычно задают охлаждающей средой (вода, масло, специальные среды). Верхняя критическая скорость закалки сильно зависит от содержания углерода (см.рис.1.5.) и легирующих элементов. Малоуглеродистые стали (<0,25%С) обычно закалке не подвергаются, так как V_вкз у них настолько велика, что не достигается даже при охлаждении в воде. Изменение структуры углеродистых сталей при закалке представлено в табл.1.

· Таблица 1

· Изменение структуры стали при закалке

·

·

· Используются несколько способов закалки, которые классифицируются по методу охлаждения.

· Закалка в одном охладителе (воде или масле)

· Наиболее простой и распространенный способ. Однако, некоторые стали при охлаждении в воде склонны к возникновению трещин. При охлаждении в масле скорость охлаждения меньше, но многие стали при таком охлаждении не закаливаются (скорость охлаждения меньше V_вкз и мартенсит не образуется).

· Закалка в двух охладителях (через воду в масло)

· При этом методе в верхнем интервале температур скорость охлаждения велика, но сталь достаточно пластична и значительных напряжений не возникает. В области же мартенситного превращения (ниже 300⁰) скорость охлаждения при переносе детали в масло значительно меньше, что практически исключает образование трещин. Твердость при таком методе закалки такая же, как при закалке в воде.

· Ступенчатая закалка заключается в том, что после нагрева детали переносят в печь-ванну с расплавом щелочей (обычно КОН+NaOH). Нагретую до температуры немного выше начала образования мартенсита (350-400⁰), выдерживают небольшое время для выравнивания температуры по сечению, а затем охлаждают в масле или на воздухе.

· Твердость после такой закалки такая же, как и в предыдущих способах, но напряжения и вероятность образования трещин еще меньше.

· Ступенчатая закалка применяется только для мелких изделий (до 10мм) из углеродистых сталей. Для более крупных деталей ее не применяют, так как в расплаве щелочей скорость охлаждения внутри детали мала.

· Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, такую закалку применять нецелесообразно, так как они обычно хорошо закаливаются в масле, которое достаточно медленно охлаждает при температурах образования мартенсита.

· Изотермическая закалка проводится так же как и ступенчатая, но в расплаве щелочей детали выдерживают более длительное время (до полного распада аустенита на бейнит). При этом существенных напряжений не возникает, но твердость получается ниже, чем при других способах закалки. Преимуществом этого способа является то, что после него не требуется отпуска. Изотермическая закалка обычно применяется для деталей сложной формы, склонных к деформациям и образованию трещин.

· Все рассмотренные способы закалки показаны на диаграмме распада переохлажденного аустенита на рис.16.

· Закалка является наиболее ответственной операцией термической обработки, так как проводится в конце технологического цикла изготовления детали или инструмента. Возможные дефекты при закалке, пути их предупреждения или исправления указаны в табл.2.

·

· 2.5. Прокаливаемость и закаливаемость стали

· Прокаливаемость характеризует способность стали закаливаться на определенную глубину. При охлаждении в процессе закалки по сечению детали скорость охлаждения будет различна - чем дальше от поверхности тем она меньше. Поэтому и структура по сечению детали может быть различной (М, М+Т, Т, С, Ф+П).

· Прокаливаемость - расстояние от поверхности до того места, где в структуре 50% мартенсита и 50% тростита (полумартенситная зона). Прокаливаемость выражается в мм и зависит от состава стали, а точнее от величины верхней критической скорости закалки. С увеличением содержания углерода и легирующих элементов, верхняя критическая скорость закалки уменьшается и глубина прокаливаемости увеличивается. Прокаливаемость характеризуют также критическим диаметром закалки. Это такой диаметр прутка стали в центре которого при охлаждении в воде получается полумартенситная зона. Естественно, что критический диаметр закалки в 2 раза больше прокаливаемости.

· Прокаливаемость важнейшая характеристика стали, определяющая выбор марки стали в зависимости от размеров закаливаемой заготовки. Чем больше размер заготовки, тем более легированная сталь должна быть применена.

· Закаливаемость стали характеризует твердость правильно закаленной стали и измеряется в единицах твердости. Чем больше содержание в стали углерода, тем больше искажения решетки мартенсита и выше твердость. Легирующие элементы на закаливаемость влияют слабо.