Тема. Основные виды термообработки готовых изделий: закалка, отпуск. Обработка холодом

РАЗДЕЛ. Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов

 

Тема. Основные положения теории термообработки: сущность, этапы, режимы. Превращения в структуре при нагреве и охлаждении.

Термическая обработка – это процесс обработки изделий из металла и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении.

На результат термообработки влияет время (скорость) и температура нагрева, время (продолжительность) выдержки и время (скорость) охлаждения.

Основными факторам ТО являются температура и время

Если ТО состоит из одной операции, то она называется простой.

Если ТО – из нескольких операций – сложная.

 

Термообработка состоит из 3-х этапов:

 - нагрев

 - выдержка

 - охлаждение

Наследственная зернистость  - это склонность аустенитного зерна к увеличению размеров при повышении температуры.

Размер наследственного зерна оказывает влияние на технологические свойства стали.

Перлит получается в результате распада аустенита при малых степенях переохлаждения в области температур от 727ºС до 650ºС.

При распаде аустенита в интервале температур 650-600ºС образуется более мелкая, ферритно-цементитная смесь, называемая сорбитом.

Распад аустенита в интервале температур 600-500ºС дает очень тонкую ферритно-цементиную смесь, называемую трооститом.

Таким образом, перлит, сорбит, троостит представляет тонкую ферритно-цементитную смесь. Они различаются между собой размерами частиц цементита: в сорбите эти частицы мельче, чем в перлите, а в троостите мельче, чем в сорбите.

Мартенсит – основная структура закаленной стали (НRС 50-65). При сильном переохлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частичек цементита, как это имеет место при образовании перлита, сорбита и троостита. Происходит перестройка решетки γ в α-железо. Атомы углерода остаются в α-железе и ее искажают. Такую решетку называют тетрагональной.

 Мартенсит – это твердый раствор углерода в α-железе. Это перенасыщенный α-твердый раствор. Мартенситный кристалл имеет форму тонкой пластины. Под микроскопом имеет вид игл различной толщины. Чем мельче зерна А1, тем мельче получаются пластины (иглы) мартенсита.

В интервале температур от 500 до 350ºС образуется структура бейнит. Это промежуточное (между перлитным и мартенситным) превращением.

 

Тема. Основные виды термообработки заготовок: отжиг и нормализация.

Отжигом называют процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем медленном охлаждении (в печи) с целью получения более равновесной структуры.

Цель отжига: измельчение зерна (перерекристаллизация), снятие внутренних напряжений, снижение твердости и улучшение обрабатываемости.

Отжиг – подготовительная термообработка. Подвергают отливки, поковки, прокат. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность.

Отжиг 1-го рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния возникшего при предыдущей обработке.

Различают следующие разновидности отжига 1-го рода:

1) диффузный (гомогенизационный) – применяются для выравнивания химического состава для целого слитка или отдельного кристалла. Подвергают отливки из легированных сталей, большие, сложные, для уменьшения дендритной ликвации.

 - нагрев металла до 1100 - 1200ºС

 - выдержка от состава стали, 8-15 час

- медленное охлаждение до 200-250ºС в печи или на воздухе.

Продолжительность цикла 80-110 часов.

После гомогенизации сталь имеет крупное зерно, которое измельчается при последующей обработке давлением или обычном полном отжигом.

2) низкий отжиг – для снятия внутренних напряжений.

Напряжения, которые образуются в изделиях без воздействия на них внешних сил называют внутренними.

 - нагрев до 650-680ºС

 - выдержка – 30мин-1 час

 - охлаждение на воздухе

Углеродистые и легированные стали подвергают низкому отжигу перед обработкой резанием, волочением.

3) рекристализационный отжиг – для возвращения стали пластичности и возможности в дальнейшей деформации изделий.

 - нагрев до 600-700º

 - выдержка

 - охлаждение на воздухе

 

Отжиг 2-го рода

1) полный отжиг – для измельчения перегретого зерна в отливках, сварных швах, после термообработки.

 - нагрев выше А3 на 30-50ºС.

 - выдержка

 - медленное охлаждение

2) неполный отжиг – поддвергают доэвтектоидные стали с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием

 - нагрев до 740-780ºС

 - выдержка

 - охлаждение

3) изотермический отжиг – проводят на практике с целью экономии времени. Сталь нагревают до А3 на 20-30ºС и после выдержки быстро охлаждают (печь) до температуры ниже А1 на 50-100ºс.

Преимущества изотермического отжига: сокращение времени отжига и получение более однородной структуры.

 

Нормализация – это нагрев выше А3 для доэвтектоидных и выше А_м для заэвктектоидных сталей с последующим охлаждением на воздухе.

При нормализации происходит перекристаллизация стали, устраняющая крупнозернистую структуру, полученную при литье или ковке. Низкоуглеродистые стали подвергают нормализации вместо отжига. Твердость выше, чем при отжиге. Улучшается качество поверхности при отжиге. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска (улучшения).

В заэвтектоидных сталях применяется для устранения цементитной сетки, то есть выше А_м образуется структура цементита. При медленном охлаждении после нагрева цементит выделяется в виде сетки.

Для сталей, содержащих углерода до 0,4% можно достичь тех же целей нормализацией, что и отжигом, но быстрее (нормализационный отжиг). Если в сталях углерода более чем 0,4%, заменить нормализацией отжиг нельзя, так как твердость повышается значительно.

Следовательно, отжиг и нормализация являются предварительными операциями чаще всего. Но нормализация может быть и окончательной операцией.

 

Тема. Основные виды термообработки готовых изделий: закалка, отпуск. Обработка холодом.

Закалка – упрочняющая термическая обработка. Повышение твердости и прочности обеспечивается за счет получения структуры мартенсита. Закалка не является окончательной операцией. После нее выполняют отпуск.

Закалка – процесс термообработки, состоящий в нагреве стали до оптимальной температуры, выдержке и последующем быстром охлаждении, с целью получения неравновесной структуры.

Основные параметры: температура нагрева и скорость охлаждения. Для охлаждения используются различные среды. Самой распространенной является вода при температуре 20-30ºС. Закаливующую способность воды можно уменьшить, добавив глицерин, мел или увеличить, добавив поваренную соль или едкий натрий. В качестве охлаждающей среды применяются минеральные масла, охлаждающая способность их возрастает с подогревом на 50-60ºС.

Виды закалки:

1. Полная – для доэвтектоидных (среднеуглеродистых) сталей

 - нагрев выше А3 на 30-50º

 - выдержка

 - охлаждение (вода)

2. Неполная - для заэвтектоидных (высокоуглеродистых) сталей

 - нагрев выше А1 на 30-50º

 - выдержка

 - охлаждение в масле

Закаливаемость – это способность к повышению твердости. Зависит от содержания в стали углерода. Стали, содержащие углерода до 0,3% закалке не подлежат.

При закалке массивных деталей важно знать прокаливаемость – глубину проникновения закалки. У углеродистых сталей прокаливаемость ниже, чем у легированных, поэтому массивные ответственные детали из углеродистых сталей не изготаливают.

Способы закалки

1. Закалка в одной среде (непрерывная).

Нагретую до определенной температуры деталь погружают в закалочную среду, где она останется до полного охлаждения. Способ применяется для деталей простой формы из углеродистой и легированной стали Детали диаметром более 5 мм охлаждают в воде, менее 5 мм в масле. Легированные стали охлаждают в масле. С целью уменьшения внутренних напряжений детали иногда перед погружением в закалочную жидкость некоторое время охлаждают на воздухе – подстуживают. Такой способ называется закалкой с подстуживанием.

2.Закалка в 2х средах (прерывистая).

Нагретую деталь сначала охлаждают до 300-400ºС, затем быстро переносят в другую среду (масло, селитру, воздух), где она охлаждается до 20ºС медленнее, чем в воде. Способ применяется при закалке высокоуглеродистых сталей.

2. Ступенчатая

Нагретая деталь охлаждается в расплавленных солях при температуре 230-250ºС и выдерживают до выравнивания температуры 3-5 минут. Затем окончательно охлаждают на воздухе. Ступенчатую закалку применяют для мелких деталей диаметром до 20мм, так как для крупных деталей скорость охлаждения в соляной ванне недостаточна.

3. Изотермическая - выполняется так же как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде продолжительная. Происходит распад аустенита с образованием бейнита. Изотермической закалке подвергают легированные стали.

4. Закалка с самоотпуском. Нагретую деталь рабочей частью погружают в воду т вынимают после кратковременной выдержки. За счет тепла той части, которая не погружалась в воду рабочая часть изделия нагревается. Температуру нагрева определяют по цветам побежалости, появляющиеся на поверхности детали (например, коричневый цвет равен 255ºС.

Отпуск

Отпуск – это окончательная операция термообработки, формирующа свойства металла.

Отпуск – это нагрев стали до температуры нижеА1, выдержка при заданной температуре и последующее охлаждение с заданной скоростью (обычно на воздухе).

При отпуске достигается уменьшение внутренних напряжений и получении более равновесной структуры.

Цель отпуска – уменьшить вредные напряжения в мартенсите, то есть отпуск идет после закалки. При отпуске важна не скорость охлаждения, как при отжиге, нормализации и закалке, а температура нагрева, так как это вязано со свойством мартенсита, который изменяется в зависимости от температуры нагрева.

Различают:

1. Низкий отпуск – применяется после закалки высокоуглеродистых сталей, для термообработки режущего и измерительного инструмента, деталей подшипников.

 - нагрев 150-300ºС

 - выдержка

 - охлаждение

2. Средний отпуск – применяется для среднелегированных и легированных сталей, для улучшения упругих свойств (рессорно – пружинные стали)

 - нагрев 300-450º

Выдержка

 - охлаждение

При среднем отпуске образуется ферритно-цементитная смесь, имеющая зернистое строение цементита. Эта структура называется трооститом отпуска. Твердость НВ 450-500.

2. Высокий отпуск – происходит полное снятие внутренних напряжений.

 - нагрев 500-600º

 - выдержка

 - охлаждение

Увеличивается пластичность и ударная вязкость. Образуется структура из ферритной основы, пропитанная частичками цементита. Она называется сорбит отпуска. НВ300

Применяется для деталей, испытывающих высокие напряжения и ударные нагрузки.

 

Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска называется улучшением. При температуре 250-300º аустенит превращается в мартенсит.

Старение – это процесс изменения свойств сплавов без заметного изменения микроструктуры.

Различают:

1) термическое

 - естественное – изменение твердости, прочности и пластичности, осуществляется при комнатной температуре

 - искусственное – изменение твердости, прочности и пластичности, осуществляется при повышенной температуре.

2) деформационное – после холодной пластической деформации при комнатной температуре 15-16 суток.

 

Обработка холодом

С целью уменьшения количества остаточного аустенита сталь после закалки охлаждают до отрицательных температур, то есть проводят обработку холодом. В результате происходит возобновление мартенситных превращений. Увеличение количества мартениста вызывает повышение твердости, увеличение объема, стабилизацию размеров, повышение ферромагнитных характеристик. Подвергают углеродистые стали, где углерода более 0,6% и легированные стали. Обработку холодом проводят после закалки. Применяется для стабилизации размеров калибров, колец шарикоподшипников и других особо точных изделий; для повышения магнитных характеристик стальных магнитов.