Термическая обработка углеродистой стали
Цель термической обработки состоит в нагреве изделия до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении в определенной среде для изменения (улучшения) механических свойств изделия. Изменение свойств сплава, которые создаются в режиме термообработки, должны быть остаточными, иначе в ней не будет никакого смысла. а б в г Рис. Графики различных видов термической обработки: а – общая схема; б – отжиг ІІ рода; в – закалка; г – отпуск
Термическая обработка может быть промежуточной и окончательной. Задачей промежуточной термообработки является снижение твердости стали для ее лучшей обрабатываемости режущим инструментом или обработкой металлов давлением. Окончательная термообработка деталей преследует цель придать стали такие свойства, которые требуются в условиях эксплуатации деталей. Это могут быть не только механические свойства, но и физикохимические, например, хорошая коррозионная стойкость, высокая теплостойкость.
Критические точки диаграммы железо-углерод при нагреве и охлаждении Процессы термической обработки разделены на две группы: 1. Процессы изменения структуры и свойств за счет нагрева и охлаждения с заданной скоростью. 2. Процессы изменения структуры и свойств стали за счет изменения химического состава поверхностного слоя
Диаграмма распада аустенита 1. Область перлитного превращения (диффузионные превращения) 2. Область бейнитного превращения (диффузионные и бездиффузионные превращения) 3. Область мартенситного превращения (бездиффузионные превращения)
Распад аустенита в перлитной области 1)Перлит - крупная ферритно-цементитная смесь. Область образования 650 -700°С. Твердость НВ=250 кгс/мм 2. Среда охлаждения – печь. Скорость охлаждения – 1 - 50 С/мин. Межластинчатое расстояние l 0= 1 мкм. 2)Сорбит - мелкая ферритно-цементитная смесь. Область образования 600 -650°С. Среда охлаждения – спокойный воздух. Скорость охлаждения – 30 -50 0 С/мин. l 0=0, 3 мкм. Твердость НВ=300 -350 кгс/мм 2. 3)Троостит - еще более мелкая ферритно цементитная смесь. Область образования 550 -600°С. Среда охлаждения – минеральное масло. Скорость охлаждения – 100 -150 0 С/мин. l 0= 0, 15 мкм. Твердость НВ=400 -450 кгс/мм 2.
Структура перлита, сорбита и троостита (сталь 45 - 0, 45%С)
Мартенситное превращение Мартенсит является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в -железе. Мартенсит имеет тетрагональную решетку, игольчатую микроструктуру с высокими внутренними напряжениями. Область образования 200 -0°С. Среда охлаждения – вода(спокойная, движущаяся, душ), водные растворы солей или щелочей, жидкий азот, минеральное масло (легированные стали) т. д. . Скорость охлаждения 600 -1200 0 С/мин. Твердость НВ=600 -1000 кгс/мм 2.
Бейнитное (промежуточное) превращение Область Промежуточного превращения между перлитным и Мартенситным называют бейнитным (от 550 °С до ~300 °С). Бейнит -это игольчатый троостит. Бейнит содержит ферритную фазу , частицы цементита и остаточный аустенит. Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависит от температуры превращения: • до 500 0 С l 0 = 0, 12 мкм – верхний бейнит; • до 300 0 С l 0 = 0, 08 мкм – нижний бейнит. У верхнего бейнита наблюдается плохое сочетание механических свойств – недостаточная прочность при низкой пластичности. У нижнего – высокая прочность при хорошем сочетании с пластичностью и вязкостью. Твердость нижнего бейнита – около 500 к. Г/мм 2.
Важным элементом технологии термической обработки является способ передачи нагреваемому изделию и характер распределения температуры по его сечению. В нагревательных устройствах теплоносителями являются газы и жидкость, которые осуществляют тепловой контакт с поверхностью изделий. Основными формами теплообмена являются конвективный обмен и лучеиспускание. Интенсивность теплообмена характеризуется коэффициентом телоотдачи α. По закону Ньютона тепловой поток на поверхности тела: q=α (t 2 -t 1), t 2 -температура среды; t 1 - температура поверхности нагреваемого тела. Температура нагрева определяется химическим составом стали и ее назначением.
Задачей технологии термической обработки является выбор условий охлаждения для осуществления всех фазовых превращений в металле с целью получения требуемых свойств на поверхности и по сечению изделия. Для разных видов термической обработки используют охлаждение в печи, на спокойном воздухе, масле, в жидкости и т. д. Изменение температурного поля изделий в процессе охлаждения зависит от: 1. Условий внешнего охлаждения, определяемых охлаждающей способностью среды со своим коэффициентом теплоотдачи. 2. Тепловых свойств металла с коэффициентом теплопроводности. 3. Тепловых эффектов фазовых превращений в металле при охлаждении. 4. Формы и размеров охлаждаемых тел. На условия теплопередачи влияют также шероховатость поверхности и ее окисленность, но в расчетах это не учитывается.
В поверхностных слоях стальных изделий при высоких температурах возможно образование обезуглероженного слоя на поверхности образца (C+O 2=CO 2) , который устраняется цементацией. Для получения в печи нейтральной атмосферы необходимо иметь определенные соотношения газов для данной температуры и данной стали: СО 2/СО; Н 2 О/Н 2; СН 4/Н 2. Кроме этого, нагрев без обезуглероживания и окисления производится в расплавленных солях: • – нагрев быстрорежущих, нержавеющих сталей производят в Ва. Cl 2; • – под закалку углеродистых и низколегированных сталей, например, в растворе (1: 1) Na. Cl+KCl; • – под отпуск и ступенчатую закалку, например, в растворе Na. NO 3. • Горячекатаные стали имеют строчечную структуру с анизотропией свойств, которая частично устраняется отжигом или нормализацией.
Виды термической обработки Отжиг-это нагрев стали выше или ниже температуры А 1 и А 3 на 30 -50 0 С, выдержка до полного растворения и охлаждение в печи. Применяется для повышения пластичности. Структура-перлит. Нормализация-это нагрев стали выше температуры А 3 на 30 -50 0 С, выдержка и охлаждение на воздухе, в минеральном масле и т. д. Применяется для измельчения зерна. Структуры –сорбит, троостит. Закалка-это нагрев стали выше или ниже температуры А 3 на 30 -50 0 С, выдержка и охлаждение в воде, соляных растворах и т. д. Структура-мартенсит. Отпуск-нагрев стали ниже температуры А 1 , выдержка и охлаждение в печи (низкий отпуск), на воздухе (средний отпуск), в масле (высокий отпуск). Структура –мартенсит отпуска, троостит отпуска, сорбит отпуска, перлит отпуска.
Виды отжига Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг – это нагрев стали до 1100 -12000 С, выдержка до 10 -100 ч в зависимости от массы изделия и его химического состава и охлаждение в печи с минимальной скоростью. Применяется для устранения ликвации химической неоднородности. Подвергают, в основном, легированные стали. Основной недостаток – укрупнение зерна, поэтому после этого отжига применяется нормализация.
Рекристаллизационный отжиг – это нагрев стали до 680 -700 0 С (легированных прутков – до 700 -730 0 С), выдержка и охлаждение в печи. Он применяется для устранения наклепа холоднокатаных листов из углеродистой стали с 0, 1 -0, 2%С. Процесс протекает за счет образования новых зерен. Время выдержки зависит от толщины сечения. Применяют после холодной деформации, волочения, штамповки.
Отжиг для снятия напряжений проводят для деталей из углеродистой стали с выдержкой 2, 5 мин на 1 мм сечения. Основное его назначение – возможно более полное изменение фазового состава. • Полный отжиг – это нагрев доэвтектоидной стали до температур выше Ас3 на 30 -500 С, выдержка и охлаждение в печи, что обеспечивает полную перекристаллизацию. • Неполный отжиг – это нагрев заэвтектоидной стали до температур выше Ас1 на 30 -500 С, выдержка и охлаждение в печи В структуре сохраняется вторичный цементит, который в результате отжига получается в виде зерен (глобулей). Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, при которой цементитная сетка дробится. Зернистый цементит улучшает обработку резанием.
Изотермический отжиг – это нагрев высоколегированной стали выше Ас3 и быстром охлаждении до температур на 1000 С ниже Ас1 и выдержке в печи при этой температуре до полного превращения аустенита в перлит. Этот отжиг приводит к экономии времени отжига, но лишь для деталей с небольшим сечением из легированных сталей с целью получения более однородной структуры.
Нормализация – это нагрев стали на 50 -600 С выше температуры Ас3 и охлаждение на спокойном воздухе, в кипящей воде и т. п. Получаемая структура – сорбит или троостит (в зависимости от скорости охлаждения). Применяется для измельчения зерна. Ее применяют как промежуточную операцию и как окончательную, например, при изготовлении сортового проката (рельсы, швеллеры и т. д. ). Нормализацию с последующим высоким отпуском часто применяют для исправления структуры легированных сталей вместо отжига.
Закалка Цель закалки – получить максимальную твердость за счет достижения максимально неравновесного состояния с высокими внутренними напряжениями. Пересыщение приводит к искажению кристаллической решетки и большим внутренним напряжениям. Большая скорость охлаждения приводит к образованию мартенсита бездиффузицонным способом. - Вода при температуре, 180 С мартенсит+остаточный аустенит. Скорость охлаждения 600 0 С/мин. - 10%-ный раствор Na. OH в воде 180 С - мартенсит. Скорость охлаждения 1200 0 С/мин. - 10%-ный раствор Na. Cl в воде 180 С – мартенсит. Скорость охлаждения 1100 0 С/мин.
Мн – температура начала мартенситного превращения.
• Закаливаемость – способность стали принимать закалку, т. е. приобретать высокую твердость при закалке. • Прокаливаемость – глубина проникновения закаленной зоны. Это расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будут примерно одинаковые объемы мартенсита и троостита. Величиной, по которой оценивается прокаливаемость, называется критическим диаметром Dкр. Критический диаметр – это диаметр цилиндра из данной стали, который в данном охладителе прокаливается насквозь.
Прокаливаемость различных марок стали
Закалку в одном охладителе применяют для деталей простой формы. Нагретую до температуры закалки деталь быстро переносят в охладитель (вода, масло и т. д. ). Для углеродистых сталей закалочной средой служит вода, а для легированных– масло. Недостаток – вследствие неравномерного охлаждения возникают большие термические напряжения. Прерывистую закалку или закалку в двух средах используют для деталей более сложной формы и инструментов из высокоуглеродистой стали. Сначала деталь охлаждают в воде до 300 0 С, затем переносят в масло. Уменьшение скорости охлаждения в области мартенситного превращения уменьшает структурные напряжения.
Закалка с самоотпуском. Охлаждение проводят в одном охладителе и прерывают, когда сердцевина изделия имеет еще значительное количество тепла (не совсем охладилась). За счет этого тепла поверхностные слои изделия вновь нагреваются и таким образом происходит отпуск. Применяется в мелкосерийном производстве для изготовления ударных инструментов (кернов, зубил и т. д. ). • Обработка холодом. Метод обработки стали, имеющей в своей структуре остаточный аустенит. Для того, чтобы избавиться от остаточного аустенита, нужно охладить деталь до нижней мартенситной точки, т. е. ниже 0 0 С. Остаточный аустенит вреден тем, что со временем он может распасться на феррито-цементитную смесь, что нежелательно для калиброванных деталей. Применяется этот метод также для повышения износостойкости, твердости, стабилизации размеров (инструменты, шарикоподшипники и т. д. , а также для сталей с аустенитной структурой Р 18, 12 Х 2 Н 4 А, ХГ, 18 ХНВА и т. д. ).
• Поверхностная закалка. Она является одним из способов увеличения твердости поверхностных слоев изделия. Одновременно повышаются сопротивление истиранию, предел выносливости и т. д. Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Быстрым нагревом поверхности создается резкий градиент температур и повышенная скорость охлаждения. Различие в методе нагрева изделий. Толщина закаленного слоя определяется глубиной нагрева. 1 способ – закалка с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). 2 способ – закалка с нагревом пламенем газовой горелки. Применяется главным образом для закалки изделий с большой поверхностью, при индивидуальном производстве и ремонте, иногда для закалки чугунных и стальных валков. Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струей воды. Применяется тогда, когда нужно закалить часть детали после индукционного нагрева. Например, коренные и шатунные шейки коленвала. Закаленный слой получается до 4 мм.
• При низком отпуске деталь нагревают до ≈150 -200 0 С, выдерживают в течение 1 -3 часов и охлаждают в печи. Структура –мартенсит отпуска. Твердость такая же, как после закалки, но повышается пластичность за счет снятия напряжений. Применяют низкий отпуск для инструментальных сталей, после цементации, поверхностной закалки и т. д. • При среднем отпуске сталь нагревают до ≈400 -450 0 С, выдерживают и охлаждают обычно на воздухе. Получается структура троостита отпуска (игольчатый феррит и зернистый цементит). Сталь имеет хорошее сочетание: высокую твердость, прочность с хорошей упругостью и вязкостью. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры. • При высоком отпуске сталь нагревают до ≈600 -650 0 С, выдерживают и охлаждают в масле. Структура – сорбит или перлит с зернистым цементитом. Такой отпуск применяют для деталей машин, испытывающих при эксплуатации ударные нагрузки.
РЕЗЮМЕ Отжиг – охлаждение в печи. Структура – перлит. Нормализация – охлаждение на спокойном воздухе, в минеральном масле, кипящей воде, расплав свинца и т. д. Структура – сорбит и троостит. Закалка – охлаждение в холодной воде, среда сухого льда, растворы солей, щелочей, минеральном масле. Структура – мартенсит. Отпуск - охлаждение в печи, минеральном масле, на воздухе. Структура – мартенсит отпуска, сорбит отпуска, троостит отпуска, перлит отпуска в зависимости от температуры нагрева.
Скачать презентацию Термическая обработка углеродистой стали Цель термической обработки
Термическая обработка углеродистой стали.ppt