Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Термическая обработка стали

31.01.2019


Для улучшения свойств стали применяют различные виды термической (закалки, отпуска, отжига) и химико-термической обработки, изменяющие структуру стали. Все виды термической обработки имеют обязательные операции: нагрев до определенной температуры, выдержку при назначенной температуре и охлаждение.

В большинстве случаев нагрев для закалки и отжига стали производится выше температур фазового превращения (tпр) на 30—50° С. Для доэвтектоидных сталей это выше линии GS диаграммы Fe—Fe3C с целью превращения феррита и перлита в аустенит, а для заэвтектоидных сталей выше линии PSK с целью превращения перлита в аустенит. Более высокие температуры нагрева без особой необходимости нежелательны во избежание чрезмерного роста аустенитного зерна.

Характер превращения аустенита зависит от скорости его последующего охлаждения. При замедленном охлаждении в печи происходит отжиг стали; если охлаждение осуществляется на воздухе, отжиг называется нормализацией.

При ускоренном охлаждении в воде или масле происходит закалка. Отжиг и закалка называются полными, если при нагреве вся структура стала аустенитной, и неполными, если нагрев производился только до аустенито-перлитной или аустенито-цементитной области.

После закалки обязательно проводится отпуск, задачей которого является несколько уменьшить неравномерность структуры и тем самым снять внутренние напряжения в детали. Отпуск производится при температуре ниже фазового превращения (рис. 51).

Чтобы понять процессы превращения аустенита при различных видах термической обработки, необходимо ознакомиться с S-образной диаграммой, которая характеризует изотермическое превращение переохлажденного аустенита, т. е. аустенита, который удается кратковременно зафиксировать при температурах ниже критических.

На рис. 52 представлена типовая S-образная диаграмма для эвтектоидной стали. На оси абсцисс отложена продолжительность превращения (время), а на оси ординат температуры, при которых происходит превращение. Первая S-образная линия характеризует начало превращения переохлажденного аустенита, а вторая — конец превращения.
Термическая обработка стали

При температурах выше перегиба (выше ~500° С) происходит превращение аустенита в пластинчатый перлит; в интервале перегиба происходит превращение аустенита в пластинчатый сорбит; при температурах ниже перегиба происходит, превращение аустенита в тростит (при температурах немного выше перегиба тростит получается пластинчатым, а при более низких температурах — игольчатым, такую структуру иногда называют бейнитом). Все эти структуры представляют собой смесь феррита с цементитом и чем ниже температуры, тем они дисперснее.

Пластинчатыми структуры называются потому, что перлит, сорбит и тростит представляют собой смеси пластинок цементита и феррита. Однако при очень низких температурах превращения феррит приобретает игольчатую направленность, а поэтому и тростит называется игольчатым. Соответственно меняется твердость (и прочность), HB:

Все превращения, при которых получаются перечисленные структуры, называются диффузионными; происходит перестройка у*Fe —> a-Fe и выделение (диффузия) углерода из твердого раствора.

При более низких температурах выделение углерода из твердого раствора не может произойти, приостановить же превращение 7*Fe —> a-Fe невозможно, а поэтому получается пересыщенный, неравновесный твердый раствор углерода в a-Fe, получивший название мартенсит. Мартенситная структура является неустойчивой и напряженной, имеет игольчатое строение (рис. 53), ей свойственна большая твердость и очень малая вязкость.

Горизонтальные линии на S-образной диаграмме характеризуют начало превращения аустенита в мартенсит (Mн) и конец превращения (Mк). Это означает, что ниже Mн диффузионный процесс затормаживается и становится невозможным получение диффузионного распада (перлит, сорбит, тростит). Здесь происходит только бездиффузионное мартенситное превращение T-Fe —> a-Fe в отличие от диффузионного превращения; фактор времени почти не оказывает влияния и решающим является температурный интервал между Mн и Мк, где структура является аустенитно-мартенситной. Ниже Mк структура полностью мартенситная.

Местоположение линий начала и конца диффузионного превращения, а также начала и конца мартенситного превращения для различных составов стали различны. В частности, линия Mк может оказаться ниже комнатной температуры. В этом случае при закалке до комнатной температуры получается аустенито-мартенситная структура; получение же чистого мартенсита требует закалки до температур ниже нуля градусов.

Закалка и отпуск


Закалка и отпуск широко применяются для улучшения прочностных свойств конструкционных сталей и придания твердости и режущих свойств инструментальным сталям.

Под закалкой понимается фиксация при комнатных температурах структур, соответствующих высоким температурам. Поэтому закаленные структуры всегда переохлаждены и неравновесны. Если растворяющаяся среда не имеет полиморфных превращений, получается истинный твердый раствор, обычно способный к пластической деформации. Поскольку при закалке стали имеет место полиморфное превращение, аустенит зафиксировать не удается, а образуется мартенсит, который не способен к пластической деформации и очень тверд.

Твердость мартенсита тем больше, чем больше в нем растворено углерода и для инструментальной заэвтектоидной стали равна 62HPC и выше. Твердость мартенсита объясняется напряженностью решетки a-Fe, поскольку оно не способно растворять в себе углерода.

Согласно данным Г.В. Курдюмова, когда при закалке весь углерод оказывается растворенным в a-Fe, последняя имеет решетку не объемноцентрированного куба, а тетрагональную (с/а больше 1). Это обеспечивается тогда, когда скорость охлаждения является критической (vкр). Критической скоростью называется минимальная скорость охлаждения, при которой не получаются структуры диффузионного превращения, а получается мартенсит.

Сталь способна принимать закалку, если она содержит не менее 0,2% С. Кроме закаливаемости, большое значение имеет и прокаливаемость, т. е. способность стали прокаливаться на определенную глубину. Чем более устойчив переохлажденный аустенит, т. е. чем больше расстояние от оси ординат до перегиба (кривой начала превращения), тем на большую глубину прокаливается сталь. Углеродистая сталь прокаливается на небольшую глубину. Для закалки на большие глубины применяются легированные стали.

Нагрев под закалку может производиться в газовой и жидкой среде.

Печи газового нагрева могут иметь нефтяной (мазутный), газовый или электрический обогрев.

Печи могут быть сделаны герметическими и наполняться газами, предохраняющими металл от окисления. Такие контролируемые, неокисляющиеся атмосферы состоят из аргона, гелия, азота, смесей Na2 + H2 + CO и др., образуемых в специальных генераторах из нефтепродуктов или светильного газа.

Помимо газового нагрева, широкое применение нашел жидкостный нагрев под закалку в расплавленных металлах (свинец, сплавы свинца, силумин) и солях (хлориды, карбонаты, нитраты).

Нагрев в жидких средах имеет ряд преимуществ перед газовым нагревом: значительно более быстрый прогрев изделий, однородность температуры среды, меньшее окисление, чем на воздухе, возможность местного нагрева и др.

К недостаткам жидкостного нагрева относится малая стойкость тиглей, необходимость специальной очистки изделий после термообработки, большая опасность работы для персонала.

Нагрев в жидких средах производится в специальных печах-ваннах, тигли которых подогреваются мазутом, газом, электричеством.

Для высокотемпературного нагрева (до 1300° С) обычно применяют электродные печи-ванны, в которых электросопротивлением служит сама расплавленная соль — хлористый барий.

Закалку производят в различные закалочные среды — воду, масло, расплавленные соли, воздух.

Если принять охлаждающую способность спокойной воды при 20° С за единицу, то относительная охлаждающая способность 10%-ного водного раствора NaCl составит 1,23, масла — 0,20, спокойного воздуха — 0,03.

Для уменьшения коробления и поводки производят изотермическую закалку в расплавленные соли, находящиеся при температуре устойчивости аустенита, и последующего охлаждения.

После закалки производят отпуск для. уменьшения неравновесности структуры.

В зависимости от требований, предъявляемых к окончательной структуре, выбирается температура отпуска. Она должна быть ниже температуры фазового превращения.

В частности, при нагреве до температуры не выше Mн мартенсит будет отпущенным, из него выделится часть углерода и снимается часть остаточных напряжений, которые могут вызвать разрушение изделия. Такой отпуск называют низкотемпературным (180—220° С) и применяют при закалке инструмента, поскольку здесь требуется сохранить мартенсит. При нагреве до 300—400° С мартенсит превращается в тростит. Такой отпуск называют среднетемпературным и применяют при закалке штампов, пружин и т. п. При нагреве до 500—550° С тростит превращается в сорбит. Такой отпуск называют высокотемпературным и применяют чаще всего для конструкционной стали. Свойства тростита и сорбита, полученные при отпуске мартенсита, превосходят по вязкости аналогичные структуры, получаемые при охлаждении непосредственно из аустенита. Объясняется это тем, что цементитная фаза в этих структурах при распаде мартенсита получается не пластинчатой, а сфероидальной.

Отпуск можно производить в газовой среде (воздух или защитные атмосферы), в жидкой среде (кипячение в воде для снятия напряжений), низкотемпературный отпуск в масле (до 200—250°С), высокотемпературный отпуск (до 500—550° С) в расплавленной селитре и щелочи.

Термическая обработка доэвтектоидной стали заключается в закалке на мартенсит и высокотемпературном отпуске на сорбит и называется улучшением. Повышение прочностных свойств здесь объясняется преобразованием феррито-перлитной структуры в сорбитную.

Преобразование феррито-перлитной структуры в сорбитную может быть получено и путем нормализации, но в этом случае эффект повышения прочности свойств менее значителен, чем при закалке с отпуском.

Отжиг


Отжиг имеет различные назначения и бывает двух родов: отжиг первого рода — нагрев ниже температур фазового превращения и второго рода — нагрев выше температур фазового превращения.

Отжиг первого рода (низкотемпературный) применяют для снятия остаточных напряжений, для снятия наклепа, сфероидизации цементита в заэвтектоидных сталях для их смягчения, т. е. для облегчения обрабатываемости.

Обычно, чем выше температура, тем короче может быть выдержка, но все же для сфероидизации требуется длительная выдержка.

Отжиг для снятия наклепа производят после холодной пластической деформации; при этом происходит не только снятие напряжений, но и рекристаллизация структуры, а поэтому он называется рекристаллизационным.

Отжиг второго рода имеет различные цели, а именно: а) измельчение зерна; б) получение равновесной, более мягкой структуры; в) уничтожение литой структуры; г) устранение дендритной ликвации.

Отжиг доэвтектоидных сталей производят нагревом на 20— 50° С выше температуры фазового превращения, т. е. выше линии GS (см. диаграмму железо — углерод).

При указанных температурах происходит превращение a-Fe —> y-Fe и образование большого числа мелких зерен аустенита независимо от исходных размеров ферритного и перлитного зерна. Последующее охлаждение изделий с малым аустенитным зерном приводит к образованию мелкого ферритного и перлитного зерна. Значительный перегрев выше линии GS дает не измельчение, а укрупнение зерна.

Литые структуры очень часто бывают крупнозернистыми, а избыточная фаза, например феррит в доэвтектоидной стали и вторичный цементит в заэвтектоидной стали, располагается в зернах под углом 60 и 90°, образуя своего рода скелет (рис. 54). Такая структура называется видманштеттовой и обладает пониженной вязкостью по сравнению с нормальной структурой. При отжигах происходит не только измельчение зерна, но и устранение видманштетта.

Иногда повышение прочности доэвтектоидной стали желательно получить отжигом. Это достигается охлаждением на воздухе после нагрева.

Отжиг для устранения дендритной ликвации, которая возникает в процессе затвердевания слитков, называется гомогенизирующим или диффузионным. Его обычно совмещают с нагревом слитков для обработки давлением. Гомогенизация требует весьма высокой температуры нагрева (порядка 1100—1000°С) и длительной выдержки (порядка 15 и более часов). При гомогенизирующем отжиге неизбежен чрезмерный рост зерна; измельчение зерна достигается потом либо в процессе деформации, либо путем перекристаллизационного отжига.

На рис. 55 в левой части диаграммы железо — углерод показаны заштрихованными участками различные виды термической обработки стали.

Поверхностная закалка


В ряде случаев требуется, чтобы наряду с объемной прочностью и вязкостью изделие имело закаленную износостойкую поверхность только в отдельных частях (например, шейки коленчатых валов, зубья шестерен и т. п.). В таких случаях, кроме улучшения, производят и поверхностную (местную) закалку на мартенсит.

При индивидуальном и серийном производстве быстрый местный нагрев может быть осуществлен применением кислородноацетиленовых горелок. При массовом производстве применяется высокочастотный нагрев, обеспечивающий более качественную поверхность.

Глубина прогретого слоя пропорциональна соотношению Vp/uf, где р — удельное электросопротивление, u — магнитная проницаемость, f — частота тока.

Нагрев изделий токами высокой частоты (т. в. ч.) производится в индукторах, питаемых от специальных установок—генераторов т. в. ч.

Для прогрева массивных изделий на большую глубину применяют машинные генераторы (спаренный блок-электродвигатель с высокочастотным генератором). Получаемая частота равна — 10 кгц.

При закалке изделий небольших размеров и в случае, когда не требуется большая глубина закалки применяют ламповые генераторы т. в. ч. с частотой в десятки и сотни килогерц.

Закалку изделий токами высокой частоты в условиях массового Производства осуществляют на специальных станках-автоматах высокой производительности.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий: