Дефекты термической обработки

Отпуск

Отпуском называется термическая операция, включающая нагрев до температуры ниже А_С1, выдержку при заданной температуре и последующее охлаждение с заданной скоростью и обеспечивающая более равновесное состояние металла.

При отпуске происходит уменьшение внутренних напряжений и тем более значительное, чем выше температура отпуска. Повышение скорости охлаждения с температуры отпуска приводит к увеличению остаточных напряжений. Например, при охлаждении в воде после отпуска (применяется для устранения отпускной хрупкости) уровень возникающих напряжений может быть на порядок выше по сравнению с охлаждением той же детали на воздухе.

С повышением температуры отпуска твердость и прочность понижаются, а пластичность и ударная вязкость повышаются.

Зависимость твердости от температуры отпуска качественно имеет такой вид. С повышением температуры отпуска она снижается в результате увеличения карбидных частиц и обеднения углеродом a-твердого раствора. В высокоуглеродистых сталях при отпуске до 100°С имеет место повышение твердости на 1-2HRC в результате превращения тетрагонального мартенсита в отпущенный, а при отпуске при 200-250°С возможно некоторое повышение твердости в результате превращения остаточного аустенита в более твердый отпущенный мартенсит.

Нагрев до 300^оС приводит к повышению пределов прочности и упругости, а при дальнейшем повышении температуры отпуска происходит их снижение.

Пластические свойства увеличиваются с повышением температуры отпуска и наибольшая пластичность соответствуют отпуску при 600...650^оС. Отпуск при более высоких температурах уже не повышает пластичность.

Ударная вязкость у закаленной углеродистой стали сохраняется низкой вплоть до температуры отпуска» 400^оС, после чего начинается её интенсивное повышение до достижения максимума при 600^оС.

Различают три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный.

Низкотемпературный отпуск осуществляется в интервале температур 80…200^оС. В результате его проведения мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска, имеющий повышенную ударную вязкость и пластичность по сравнению с мартенситом закалки при практически той же твердости. Поэтому низкотемпературному отпуску подвергают режущий и измерительный инструменты из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали после поверхностной закалки и цементации.

Среднетемпературный отпуск проводят при температурах 350…500^оС, в результате чего образуется дисперсная феррито-цементитная смесь с зернистой формой цементитных частиц, называемая трооститом отпуска. Троостит обладает повышенными значениями предела текучести и твердостью до 450…500 НВ. Среднетемпературному отпуску подвергаются рессоры и пружины.

Высокотемпературный отпуск производится при температурах 500…650^оС. Образующаяся структура, представляющая собой ферритную основу с коагулированными и сфероидизированными частицами цементита, называется сорбитом отпуска. Сорбит отпуска обладает высоким комплексом прочностных и пластических свойств, ударной вязкости и низкой переходной температурой хладноломкости.

Термическая обработка, состоящая из закалки и высокотемпературного отпуска, называется улучшением.

При проведении отпуска возможно проявление отпускной хрупкости, проявляющееся в снижении ударной вязкости. Различают два рода отпускной хрупкости (рис. 16).

1 – быстрое охлаждение; 2 – медленное охлаждение

Рисунок 16 – Изменение ударной вязкости стали в зависимости от температуры отпуска и последующей скорости

охлаждения

Отпускная хрупкость первого рода проявляется при отпуске около 300^оС у всех сталей, независимо от их состава и скорости охлаждения после отпуска.

Отпускная хрупкость второго рода обнаруживается после отпуска выше 500^оС и проявляется только при медленном охлаждении с температуры отпуска. Склонность к отпускной хрупкости второго рода проявляется у сталей, легированных марганцем, хромом, никелем при наличии в ней более 0,001% фосфора.

Для сталей, склонных к отпускной хрупкости второго рода, следует предусматривать быстрое охлаждение после отпуска или применять стали, легированные молибденом, замедляющим её развитие. Но более эффективным является применение чистых сталей по фосфору, а также по примесям внедрения (кислороду, азоту, водороду) и цветным металлам.

Дефекты при отжиге могут возникать вследствие несоблюдения режимов нагрева и охлаждения, применения слишком высоких или слишком низких температур, чрезмерной продолжительности нагрева.

При слишком быстром нагреве, особенно изделий крупных размеров, в результате теплового расширения наружных слоев в середине изделия могут возникнуть большие растягивающие напряжения, вызывающие образование трещин. На опасность возникновения трещин необходимо обращать особое внимание при нагреве сталей с плохой теплопроводностью и высоким коэффициентом теплового расширения, например аустенитных.

До достижения температуры отжига необходимо обеспечить выравнивание температуры, особенно для крупных изделий. Неравномерный нагрев приводит к неравномерной структуре и тем самым к получению различных механических свойств в разных сечениях изделия.

При слишком высоких температурах отжига и чрезмерно длительных выдержках происходит образование крупнозернистой структуры, называемой структурой перегрева. Перегрев стали возможен при нагреве слитков и заготовок для горячей деформации.

Перегрев характеризуется крупнокристаллическим блестящим изломом. Он может быть устранен последующим отжигом с фазовой перекристаллизацией, нормализацией или закалкой с высокотемпературным отпуском.

Очень большой перегрев, кроме сильного роста зерна, может вызвать окисление и оплавление границ зерен. Такой дефект называется пережогом и является неисправимым браком.

Неправильно проведенная закалка может привести к недостаточной и неравномерной твердости, короблению и образованию трещин.

Недостаточная твердость закаленной стали объясняется низкой температурой нагрева под закалку, недостаточной длительностью выдержки при правильной температуре или недостаточно интенсивным охлаждением. В первом случае мартенсит не обладает достаточной твердостью из-за исходного негомогенного аустенита. При недостаточно интенсивном охлаждении в структуре стали могут присутствовать продукты диффузионного распада аустенита.

Образование мягких пятен также является следствием недостаточного прогрева или недостаточно интенсивного охлаждения.

Повышенная хрупкость стали появляется в результате закалки от слишком высоких температур, при которых произошел значительный рост зерен аустенита. Устраняют этот дефект повторной закалкой от нормальных температур для этой стали.

При проведении термической обработки наличие газов в атмосфере печи (кислорода, водяного пара, углекислого газа, окиси углерода и др.) вызывает обезуглероживание и окалинообразование.

Обезуглероживание стали связано с выгоранием углерода в поверхностных слоях. Толщина обезуглероженного слоя может достигать 1,5 – 2 мм

Обезуглероживание поверхности металла обусловливает неравномерную и неполную восприимчивость к закалке, например, инструментальных сталей. Кроме того, обезуглероживание способствует снижению усталостной прочности, ухудшению химических свойств поверхности.

Окисление стали в процессе нагревания ведет к образованию на поверхности окалины, состоящей из соединений железа с кислородом FеО, Fе₂О₃, Fе₃О₄. Масса этого слоя может составлять 1-2% от массы заготовки.

Для защиты от окисления и обезуглероживания выполняется светлый нагрев, который осуществляется в печах с защитной атмосферой или вакуумных печах.

Используются также инертные газы – атмосферы, не вступающие во взаимодействие ни с одним из металлов или сплавов и с углеродом. Наиболее широкое применение в промышленности находят аргон и гелий. Необходимо отметить, что применение инертных атмосфер требует их тщательной очистки от кислорода, двуокиси углерода и других газов, а также глубокой осушки.

В последнее время получает распространение нагрев в «кипящем» слое. Если продувать горячий воздух сквозь слой, состоящий из мелких частиц (обычно, корундовых диаметром 200…500 мкм), то такой слой «кипит», превращаясь как бы в жидкость. В него можно погружать изделие и осуществлять нагрев при продувании горячего воздуха. Вместо воздуха можно использовать другие среды, в том числе и нейтральные. «Кипящий» слой может служить и закалочной средой при продувании через него холодного воздуха.

С целью защиты изделия от обезуглероживания и окалинообразования при отсутствии печей с защитной атмосферой нагрев можно осуществлять в ящиках или трубах, замазанных глиной, а также в ящиках с засыпкой древесным углем или чугунной стружкой.