ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение влияния различных видов термической обработки (отжига, нормализации, закалки, отпуска) на структуру и свойства углеродистой стали.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
Термическая обработка является важной операцией на различных этапах технологического цикла изготовления многих деталей. Сочетанием химического состава (марки) стали и выбором необходимого способа термической обработки можно достичь наиболее высоких механических свойств деталей и машин.
Термическая обработка состоит из трех циклов: нагрев материала до расчетной температуры, выдержка при этой температуре и охлаждение с заданной скоростью. Диаграмма состояния Fe – Fe3C, по которой определяют температуру нагрева, представлена в приложении Г. Различают следующие виды термической обработки:
- Отжиг
- Нормализацию
- Закалку
- Отпуск.
Отжиг и иногда нормализация относятся к предварительной термообработке, которая используется для заготовок. Закалка и последующий отпуск относятся к окончательнойтермообработке, которая используется для готовых изделий.
Отжиг заключается в нагреве стали до расчетных температур, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении вместе с печью. Нагрев при отжиге может производиться ниже или выше температур фазовых превращений с целью приведения сплава в структурно равновесное состояние или близкое к нему.
Различают отжиг I и II рода.
Отжиг I рода проводят, как правило, ниже температур фазовых превращений. К отжигу первого рода относят:
- отжиг для снятия остаточных напряжений (для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием, где из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластическойдеформации возникли остаточные напряжения);
- рекристаллизационный отжиг (для снятия наклепа холоднодеформированной стали);
- диффузионный отжиг (для слитков и отливок из легированной стали с целью получения однородного химического состава).
Отжиг II рода:
Различают следующие виды отжига II рода: полный, неполный, изотермический.
После отжига углеродистой стали образуются структуры, указанные на диаграмме состояния железо – цементит. Отожженная сталь обладает низкой твердостью и прочностью при высокой пластичности. Фазовая перекристаллизация, происходящая при отжиге, измельчает зерно стали и устраняет различные структурные дефекты.
Отжиг в промышленности в большинстве случаев является предварительной термической обработкой. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат для улучшения обрабатываемости резанием.
Полный отжиг заключается в нагреведоэвтектоидной стали на (30 – 50) 0С выше точки АС3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. При этом происходит полная фазовая перекристаллизация стали.
При нагреве до температуры выше точки АС3 на (30 – 50) 0С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, и поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность.
Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат, поковки и фасонные отливки из доэвтектоидных сталей.
Для заэвтектоидных сталей полный отжиг не производят, т.к. после него цементит (Fe3C) выпадает по границам зерен пластинчатого перлита в виде сетки, что охрупчивает сталь.
Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки АС1).
Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг иногда применяют для повышения обрабатываемости резанием. Однако при неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали только вследствие превращения перлита в аустенит. Феррит не подвергается перекристаллизации, образуется разнозернистая структура: зерна перлита мелкие, а феррита – крупные. В связи с этим неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют в случае, если исходная заготовка не имеет очень крупного зерна.
Для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг. В этих сталях нагрев несколько выше точки АС1 (обычно на (10 –30) 0С) вызывает практически полную фазовую перекристаллизацию стали и позволяет получить зернистую структуру перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией или отжигом на зернистый перлит.
Охлаждение при сфероидизации медленное. Оно должно обеспечить распад аустенита на феррито-карбидную структуру, сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов, при охлаждении с печью до 620 – 680 0С, дальнейшее охлаждение до комнатной температуры происходит на воздухе.
Сталь со структурой зернистого перлита имеет более низкую твердость, чем со структурой пластинчатого перлита, поэтому обрабатывается резанием лучше.
Отжигу на зернистый перлит подвергают заготовки из инструментальных и подшипниковых сталей.
Изотермический отжиг. В этом случае сталь нагревают, как и для полного отжига, и сравнительно быстро охлаждают (переносом в другую печь) до температуры ниже точки АС1 (обычно ≈ 650 0С) и назначают изотермическую выдержку для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.
Преимущество изотермического отжига заключается в уменьшении длительности процесса и получении более однородной структуры. Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием, чистоту поверхности и уменьшает деформацию при последующей термической и химико-термической обработке.
Этот вид отжига используют для поковок и других заготовок небольших размеров из легированных сталей.
Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку АС3 на 50 0С, а заэвтектоидной стали выше АСm также на 50 0С (до полной аустенизации), непродолжительной выдержке для прогрева стали и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, прокатке, ковке или штамповке.
Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига для ускорения процесса.
Для заготовок из среднеуглеродистых сталей нормализацией заменяют более дорогую термообработку – улучшение (закалка + высокий отпуск). По сравнению с отожженной сталью нормализованная сталь имеет более высокую твердость, а по сравнению с улучшенной меньшую пластичность и ударную вязкость.
Для заэвтектоидных сталей нормализацию проводят для устранения цементитной сетки, образовавшейся при медленном охлаждении.
Закалка – это вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали выше критической точки (АС3 для доэвтектоидных и АС1 для заэвтектоидных сталей) на (30 – 50) 0С, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью равной или больше критической. Критическую скорость закалки обеспечивает охлаждающая среда вода (для углеродистых сталей) или масло (для легированных сталей). Целью закалки является достижение максимальной твердости. Основной структурой закаленной стали является мартенсит закалки, который образуется из аустенита при охлаждении с критической скоростью закалки. Мартенсит закалки – это пересыщенный твердый раствор углерода в Fe-α.
Закалка, при которой в результате нагрева образуется только аустенит, называется полной закалкой. Закалка, при которой при нагреве стали образуется наряду с аустенитом феррит (в доэвтектоидных сталях) или цементит (в заэвтектоидных сталях) называется неполной закалкой.
Доэвтектоидные стали с исходной структурой феррит+ перлит проходят полную закалку. При нагреве эти стали приобретают аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью, равной или выше критической превращается в мартенсит закалки.
Заэвтектоидные стали с исходной структурой перлит + цементит проходят неполную закалку. Их нагревают несколько выше АС1 на (30 - 50 0С). При таком нагреве образуется структура аустенит + цементит. После охлаждения структура закаленной стали состоит из мартенсита закалки и нерастворившихся карбидов (цементита).
Таким образом, для доэвтектоидных сталей производится полная закалка, а для заэвтектоидных – неполная закалка.
В углеродистых сталях, которые содержат углерода более 0,6% весь аустенит, который образовался при нагреве, при последующем охлаждении со скоростью, равной или больше критической, не превратится в мартенсит закалки, так как температура конца мартенситного превращения в этих сталях ниже комнатной температуры. Часть аустенита остается не превращенной в мартенсит. Такой аустенит называется остаточным аустенитом. Поэтому структура заэвтектоидной стали после закалки будет состоять из мартенсита закалки, цементита и остаточного аустенита.
Отпуск – это вид термической обработки, который заключается в нагреве закаленной стали ниже критической точки АС1, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью (углеродистые стали охлаждают на воздухе). Отпуск является окончательной операцией термической обработки, проводится после закалки для обеспечения требуемого уровня эксплуатационнных свойств и снятия закалочных напряжений и получения равновесного состояния.
В зависимости от температуры отпуска различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск проводится при температуре 150 – 200 0С. При этом виде отпуска снижаются внутренние напряжения, повышается прочность и немного улучшается вязкость стали. Структура стали после низкого отпуска называется мартенситом отпуска, обладающим высокой износостойкостью. Твердость после этого вида отпуска HRC 58 – 63 (для сталей с содержанием углерода 0,5 – 1,3%). При этом виде отпуска твердость наибольшая из всех видов отпуска. Низкому отпуску подвергается режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей.
Средний отпуск проводится при температуре 350 – 500 0С. Такой вид отпуска обеспечивает стали высокий предел упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость. Структура носит название троостит отпуска, обладающий хорошими упругими свойствами. Твердость после среднего отпуска HRC 40 – 50 (для сталей с содержанием углерода 0,45 – 0,8%). Такому отпуску подвергают пружины, рессоры, штампы.
Высокий отпуск проводится при температуре 500 – 650 0С. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Структура носит название сорбит отпуска, который обладает хорошей пластичностью и ударной вязкостью, что повышает работоспособность изделия в условиях ударных и знакопеременных нагрузок. Твердость после высокого отпуска HRC 35 – 25 (для сталей с содержанием углерода 0,3 – 0,5%).
Закалка в сочетании с высоким отпуском называется термическим улучшением. Улучшение в значительной степени повышает конструкционную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости стали. Такому отпуску подвергаются различные конструкционные детали – валы, шестерни и т. д. из среднеуглеродистых сталей.
ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИБОРЫ, МАТЕРИАЛЫ
3.1. Термические печи для нагрева стали.
3.2. Часы.
3.3. Вспомогательные инструменты.
3.4. Закалочные ванны с водой.
3.5. Твердомер ТК-2.
3.6. Набор образцов из углеродистой стали марки У8 в отожженном состоянии.
3.8. Наждачная бумага или круг для удаления окалины и обезуглероженного слоя с термически обработанных образцов.