Термическая обработка стали
Термообработка (ТО) это изменение структуры металлов и сплавов путем нагревания их и последующего охлаждения с той или иной скоростью. - Приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов Химический состав металла не изменяется.
Классификация видов ТО ТО Собственно ТО Отжиг I рода Химикотермическая обработка Цементация Отжиг II рода Термомеханическая обработка ВТМО Азотирование НТМО Закалка без полиморфного превращения Нитроцементация Закалка с полиморфным превращением Старение Отпуск Борирование Диффузионная металлизация
Режим ТО - последовательность операций ТО с указанием температуры и времени. Характеризуется: максимальная температура нагрева (tmax) сплава время выдержки ( τk) сплава при температуре нагрева скорость нагрева (Vн) и охлаждения (Vo)
Основа ТО - диаграмма Fe-C Обозначения диаграммы критические точки, лежащие на линии PSK, - А 1 критические точки, лежащие на линии GSE, - А 3 критическая температура на линии солидус – А 4 при нагреве – индекс «с» при охлаждении – индекс «r»
Отжиг и Нормализация Отжиг – термическая операция, при которой путем нагрева (до температуры выше линии GSE), выдержки и последующего медленного охлаждения (вместе с печью) в стали образуется устойчивая (равновесная) структура, свободная от остаточных напряжений. Если охлаждение с температуры нагрева производится на воздухе – нормализация Назначение отжига: улучшение обрабатываемости стали режущим инструментом повышение пластичности снижение твердости снятие внутренних напряжений измельчение зерна подготовка структуры к последующим процессам окончательной термической обработка
Виды отжига: I рода фазовые превращения, если они имеют место, не оказывают решающего влияния на конечное структурное состояние возврат или отдых Ø диффузионный Ø рекристаллизационный Ø отжиг для снятия внутренних напряжений (высокий отпуск) Ø II рода изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур Ø Ø полный изотермический неполный отжиг на зернистый перлит
Отжиг I рода - фазовые превращения, если они имеют место, не оказывают решающего влияния на конечное структурное состояние. Возврат (отдых) – уменьшение или снятие наклепа o o уменьшение искажений в кристаллических решетках частичное восстановление физико-химических свойств • Диффузионный отжиг (гомогенизация)- устранения химической неоднородности (зональной и дендридной ликвации) • tнагрева= 200 – 400°С • tнагрева=1100 -1200°С зерна слишком укрупняются последующий полный отжиг Рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация) o из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, в результате твердость стали снижается, а пластичность и ударная вязкость увеличиваются Отжиг для снятия внутренних напряжений ◦ tнагрева= 500– 550°С ◦ tнагрева= 600– 700°С
Отжиг II рода Полный отжиг: ◦ Нагрев доэвтектоидной стали на 30 -50°С выше Ас3, выдержка, медленное охлаждение ◦ Образуется мелкозернистый аустенит ◦ Высокая вязкость, пластичность → достижение высоких свойств после ТО Неполный отжиг: ◦ Нагрев стали до Ас1+(30 -50°С), быстрое охлаждение до t=600°С, затем медленное (на воздухе) ◦ Улучшение обрабатываемости резанием доэвтектоидных сталей Отжиг на зернистый перлит: эвтектоидные и заэвтектоидные стали Повышение пластичности, вязкости, уменьшение твердости ◦ Нагрев выше точки АС 1, выдержка (не полное растворение Ц в А), охлаждение до t несколько ниже Ar 1, выдержка несколько часов. ◦ Изотермический отжиг: ◦ Нагрев до t на 30 -50°С выше Ас3, выдержка (3 -6 ч), быстрое охлаждение до t чуть ниже Аr 1 (660 -680°С) на воздухе ◦ Аустенит полностью распадается однородная смесь Ф+Ц
Микроструктура доэвтектоидной стали ДО полного отжига ПОСЛЕ полного отжига Видманштеттова структура литой стали Х 100
Стадии: Нормализация ◦ нагрев стали до t=Ас3+(30 -50°С) – полная перекристализация ◦ непродолжительная выдержка ◦ охлаждение на воздухе Мелкозернистая и однородная структура. Твердость и прочность стали после нормализации выше, чем после отжига. Структура стали после нормализации: Низкоуглеродистая сталь - феррито-перлитная (как и после отжига) Средне- и высокоуглеродистая сталь– сорбитная; нормализация может заменить для первой – отжиг, а для второй – закалку с высоким отпуском. Часто нормализацией подготавливают сталь для закалки. Термическую обработку некоторых марок углеродистой и легированных сталей заканчивают нормализацией.
Стадии: Закалка ◦ Нагрев стали на 30 -50°С выше Ас3 (полная) или Ас1 (неполная) ◦ Выдержка ◦ Быстрое охлаждение Не является окончательной операцией, сталь хрупкая Охлаждающая среда: вода, водные растворы солей и щелочей, минеральные и растительные масла
Виды закалки: v Простая закалка: + Производится в одной охлажденной среде, простота, низкая стоимость - Вероятность высоких внутренних напряжений, возникновения трещин v Закалка в двух закалочных средах (прерывистая): + Снижение внутренних напряжений - Усложнение технологии закалки, высокая стоимость v Закалка на бейнит (изотермическая): + Оптимальное сочетание механических свойств: прочность, твердость, вязкость - Сложная технология, высокая вероятность брака Бейнит – структура стали, образующаяся в результате промежуточного превращения, расположенного ниже перлитного, но выше мартенситного превращения. • Нижний бейнит имеет повышенную конструкционную прочность и удельную ударную вязкость
Дефекты закалки Трещины Коробление - искажение формы стали вследствие действия внутренних напряжений, вызванное неравномерным нагревом или охлаждением, деформацией или фазовыми превращениями металла. Обезуглероживание -выгорание углерода с поверхности изделия. Обезуглероженный слой обладает пониженной твердостью и прочностью.
Отпуск - заключительная операция термической обработки (после закалки), придающая стальному изделию окончательные свойства. Вит отпуска Низкий Средний Высокий Режимы нагрев до 150 -200°С, выдержка, охлаждение нагрев до 300400°С, выдержка, охлаждение нагрев до 500 -600°С, выдержка, охлаждение Получаемая структура отпущенный мартенсит тростит сорбит Приводит к снижению внутренних напряжений, уменьшению хрупкости. Твердость не снижается снижению твердости и прочности, повышению ударной вязкости и упругости почти полному снятию внутренних напряжений. Лучшее сочетание прочности и ударной вязкости Подвергают детали мерительный и режущий инструмент и др. детали с требуемой высокой твердостью рессоры, пружины детали, работающие в условиях динамического нагружения
Поверхностная закалка - на заданную глубину закаливается тонкий поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной, вязкой и хорошо воспринимает ударные нагрузки. Назначение: ◦ Повышение твердости ◦ Повышение износостойкости ◦ Повышение предела выносливости деталей Стадии: ◦ Нагрев до закалочной температуры только поверхностного слоя – быстрый нагрев ◦ Медленное охлаждение
Закалка нагревом ТВЧ Основан на том, что при помещении детали в переменное магнитное поле высокой частоты в ней находятся вихревые токи, которые и вызывают нагрев детали Параметры нагрева: Способы закалки ТВЧ: ◦ Нагрев до tн=Ас3+ (150 -200) °С ◦ Время нагрева н=2 -50 с ◦ Одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности для изделий , имеющих не большую упрочняющую поверхность (пальцы, валики) ◦ Последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков шеек коленчатых валов, зубчатых колес с модулем более 6 мм, кулачков распределительных валов ◦ Непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение нагрев длинных валов, осей
Лазерная закалка основана на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. Основная цель - повышение износостойкости деталей, работающих в условиях трения. Частота 200 Гц 2 мм 1 - 10 мм
Термомеханическая обработка Виды: ◦ Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) ◦ Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО)
Высокотемпературная термомеханическая обработка Совмещение горячей деформации, осуществляемой в аустенитном состоянии, с последующей закалкой на мартенсит и окончательном отпуске. Рекристаллизация горячедеформированного аустенита должна быть исключена Деформация прокаткой, ковкой, штамповкой ◦ при t=850 -950°С с обжатиями 20 -40% Повышает ◦ пределы текучести на 150 -250 МПа ◦ циклическую прочность на 10 -25% Одновременно растут пластичность, ударная вязкость, сопротивление хрупкому разрушению
Низкотемпературная термомеханическая обработка Совмещение интенсивной пластической деформации переохлажденного аустенита в температурном интервале его высокой устойчивости, с последующей закалкой на мартенсит и отпуском. Деформацию прокаткой, экструзией или волочением ◦ При t=600 -400°С с обжатиями 70 -95% Для легированных сталей позволяет получить высокий уровень прочностных свойств
Химико-термическая обработка (ХТО) - некоторыми элементами насыщается поверхностный слой стальных деталей с целью изменения его химического состава, а следовательно, структуры и свойств. Стадии ХТО: ◦ Диссоциация – процесс , протекающий во внешней среде и приводящий к выделению диффузирующего элемента в атомарном состоянии ◦ Адсорбция диффузирующего элемента поверхностью металла и растворение его в металле ◦ Диффузия элемента вглубь насыщенного металла Толщина слоя L зависит от: § продолжительности насыщения . § температуры. Толщина слоя тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности
Виды ХТО: Ø Цементация – насыщение поверхности углеродом Ø Азотирование – насыщение поверхности азотом Ø Цианирование (нитроцементация) – одновременное насыщение углеродом и азотом Ø Диффузионная металлизация – насыщение поверхности различными железом металлическими твердые алитирование, силицирование) растворы элементами, замещения вольфрамирование, образующими с (хромирование, борирование,
Цементация стали - диффузионное насыщение поверхностного слоя детали углеродом Подвергают стали с 0, 10 -0, 20%С Содержание углерода в поверхностном слое – 0, 8 -1, 0%С Толщина науглероженного слоя – 0, 5 -2, 0 мм После деталь подвергаю закалке и низкому отпуску Подвергают детали, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину: зубчатые колоса, валы, пальцы, распределительные валы, кулачки, червяки Структура цементованного слоя
Цементация стали Цементация в твердом карбюризаторе: ◦ Производят в смеси древесного угля и активизатора (углекислый барий Ва. СО 3 или сода Na 2 CO 3) ◦ t= 900 -950°С Цементация в кипящем слое Цементация в слое мелких частиц (0, 05 -0, 20 мм) корунда, через который проходит восходящий поток эндогаза с добавкой метана. При прохождении газа частицы становятся подвижными и слой приобретает некоторые свойства жидкости (псевдоожиженный слой). Цементация в пастах нанесение С-содержащих материалов в виде суспензии, обмазки или шликера, сушка и нагревом изделия ТВЧ. Толщина слоя пасты в 6 -8 раз > толщины цементованного слоя. • t=910 -1050°С Цементация в газовом карбюризаторе: ◦ Производят с использованием природного газа или жидких углеводородов (бензол, керосин) ◦ t= 910 -930°С
Термическая обработка цементованных изделий Заключается в закале и низком отпуске твердость сердцевины в два и более раз меньше поверхностного слоя Закалка с цементационного нагрева Однократная закалка Двойная закалка
Азотирование стали - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей азотом Основная цель – получение высокой твердости поверхности, повышение коррозийной стойкости Чем выше температура процесса, тем выше производительность, но меньше твердость слоя Режимы: длительная выдержкав атмосфере аммиака NН 3 при t=б 00 -650°С - низкотемпературное при 600 – 12000 С (высокотемпературное азотирование ферритных и аустенитных сталей и тугоплавких металлов Ti, Mo, Nb, V) Азотированная нержавеющая сталь
Цианирование (нитроцементация) стали - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при повышенных температурах с последующими закалкой и отпуском. Повышение износо- и коррозионной устойчивости, усталостной прочности v Проводят в: v жидких средах - при t=820. . . 950°С в расплавленных солях, содержащих группу Na. CN v газообразных средах (нитроцементация) - t = 840 -860°С На состав и свойства слоя особое влияние оказывает tц : • Высокотемпературное цианирование ü tц= 820 -860°С ü толщина диффузионного слоя – 0, 15 -2, 0 мм ü после проводят закалку и низкий отпуск • Низкотемпературное цианирование ü tц = 530 -570°С ü толщина диффузионного слоя – 0, 2 -0, 6 мм ü Перед ним проводят улучшение – ТО, сочетающая закалку и высокий отпуск
Диффузионная металлизация - насыщение поверхности детали различными металлами Виды: ◦ Алитирование – насыщение алюминием ◦ Хромирование – насыщение хромом Алитирование: ◦ Жидкое - в ванне расплавленного Al t= 800 -900°C =1, 5 ч глубина слоя 0, 2 -0, 3 мм ◦ Твердое в смеси 49%Al(порошок)+49%Al 2 O 3(глина)+2%активатор t= 1000 -1200°C Хорошее сопротивление окислительному действию среды при высоких температурах (до 850 -900°С)
Диффузионная металлизация Хромирование – деталей хромом. процесс насыщения поверхности Режимы: ◦ В смеси: ≈40%Cr, ≈ 60%Al 2 O 3, ≈2 -5%NH 4 Cl ◦ t = 900 -1000°С ◦ τ = 20 часов ◦ глубина слоя 0, 2 -0, 3 мм Высокая ◦ коррозийная стойкость ◦ жаростойкость ◦ износостойкость Плохая смачиваемость смазкой – анодная обработка (поры)
Борирование – это насыщение поверхностного слоя стальной детали бором Режимы: В ванне с расплавленной буры с добавками восстановителей – карбидов бора и кремния ◦ t = 850 -900°С ◦ = 2 -10 ч Очень высокая ◦ твердость поверхности ◦ износостойкость ◦ устойчивость против коррозии в различных средах.
Скачать презентацию Термическая обработка стали Термообработка ТО это изменение
Термоообработка_СТАЛИ.ppt