11354

Операции термической обработки стали. Отжиг стали. Виды отжига. Нормализация. Виды и способы закалки стали. Виды отпуска

Лекция

Производство и промышленные технологии

Лекция 8 Операции термической обработки стали. Отжиг стали. Виды отжига. Нормализация. Виды и способы закалки стали. Виды отпуска. Операции термической обработки стали. Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойст

Русский

2013-04-07

78.93 KB

107 чел.

Лекция 8

Операции термической обработки стали. Отжиг стали. Виды отжига. Нормализация. Виды и способы закалки стали. Виды отпуска.

Операции термической обработки стали.

Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и д.п.) и как окончательную операцию для придания металлу или сплаву такого комплекса свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Термическая обработка включает в себя следующие основные виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку с полиморфным превращением, закалку без полиморфного превращения, отпуск, старение.

Эти виды термической обработки относятся и к сталям, и к различным металлам и сплавам. Рассмотрим термическую обработку сталей.

Отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Отжиг.

Отжиг І рода – термическая операция, состоящая в нагреве металла в неустойчивом состоянии, полученном предшествующими обработками, для приведения металла в более устойчивое состояние. Отжиг 1 рода  не связан с фазовыми превращениями. Различают гомогенизационный (диффузионный), рекристаллизационный отжиг и  отжиг, уменьшающий напряжения.

Гомогенизационный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации. Это достигается за счет диффузионных процессов. Поэтому, чтобы обеспечить высокую скорость диффузии, сталь нагревают до высоких температур в аустенитной области - 1000-12000С. При этих температурах делается длительная выдержка (10-20 час.) и медленное охлаждение. При гомогенизационном отжиге вырастает крупное аустенитное зерно. Избавиться от этого нежелательного явления можно путем последующей обработки давлением или отжигом ΙΙ рода. Выравнивание состава стали при гомогенизационном отжиге положительно сказывается на механических свойствах, особенно пластичности.

Рекристаллизационный отжиг применяют для сталей после холодной обработки давлением – это термическая обработка деформированного металла или сплава, при котором главным процессом являются возврат и рекристаллизация соответственно. Возвратом называют все изменения в тонкой структуре, которые не сопровождаются изменениями микроструктуры деформированного металла (размер и форма зерен не изменяется). Возврат происходит при относительно низких температурах (300-400 0С).

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. В результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы. Между температурным порогом рекристаллизации и температурой плавления имеется простое соотношение:

ТР ≈ (0,3 – 0,4)∙ТПЛ.,  что составляет для углеродистых сталей 670-700 0С.

Отжиг, уменьшающий напряжение – это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений. Такие напряжения возникают при обработке давлением, литья, сварки, шлифовании, обработки резанием и др. технологических процессах. Внутренние напряжения сохраняются в деталях после окончания технологического процесса и называются остаточными. Избавиться от нежелательных напряжений можно путем нагрева сталей от 150 до 650 0С в зависимости от марки стали и способа обработки.

Отжиг ΙΙ рода основан на использовании фазовых превращений сплавов. Этот вид отжига состоит в нагреве выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого структурного состояния сплавов.

Полный отжиг производится для доэвтектоидных сталей. Для этого сталь нагревают выше критической точки Ас3 на 30-50 0С и после прогрева детали проводят медленное охлаждение. Как правило, детали охлаждают вместе с печью со скоростью 30-100 0С/час. Температурный интервал нагрева для полного отжига показан на стальной части диаграммы железо-цементит (выше линии GS, рис. 1).  

Структура доэвтектоидной стали после отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

Основные цели полного отжига:

- устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячей деформации, сварке, термообработке) – крупнозернистость и видманштеттов феррит;

- смягчение стали перед обработкой резанием – получение крупнозернистости для улучшения качества поверхности и большей ломкости стружки низкоуглеродистых сталей;

- уменьшение напряжений.

Рис. 1. Стальная область диаграммы с зонами нагрева при отжиге: 1 – диффузионный;
2 – рекристаллизационный; 3 – для снятия напряжений; 4 – полный; 5 – неполный;

6 - нормализационный

Неполный отжиг отличается от полного тем, что в этом случае нагрев производится на 30-50 0С выше критической точки Ас1 (линия РSК на диаграмме железо-цементит). Эта операция производится как для доэвтектоидных сталей, так и для заэвтектоидных сталей. Охлаждение проводят так же, как и при полном отжиге (вместе с печью).

При неполном отжиге не происходит изменение ферритной составляющей структуры в доэвтектоидной стали и цементитной составляющей в заэвтектоидной стали. Поэтому полного исправления структуры не происходит. Неполный отжиг доэвтектоидной стали используют для смягчения ее перед обработкой резанием, снятия внутренних напряжений.

В заэвтектоидных сталях в результате неполного отжига образуется структура зернистого перлита, обладающая наименьшей твердостью, позволяющая облегчить обработку резанием углеродистых и легированных инструментальных и подшипниковых сталей. Кроме того зернистый перлит является оптимальной структурой перед закалкой, т.к. обладает меньшей склонностью к росту аустенитных зерен, широким интервалом закалочных температур, меньшей склонностью к растрескиванию при закалке и повышенной прочностью и вязкостью закаленной стали.

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали до температуры Ас3 + (30-50 0С), затем ускоренное охлаждение до температуры изотермической выдержки ниже точки Ас1 и дальнейшее охлаждение на спокойном воздухе. Изотермический отжиг по сравнению с обычным отжигом имеет два преимущества:

-  больший выигрыш во времени, т.к. суммарное время ускоренного охлаждения, выдержки и последующего охлаждения может быть меньше медленного охлаждения изделия вместе с печью;

- получение более однородной структуры по сечению изделий, т.к. при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения.

Нормализация.

Нормализационный отжиг (нормализация) применяют как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием и для общего улучшения структуры стали перед закалкой. При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают до температур Ас3 + 30-50 0С и заэвтектоидную Аст + 30-50 0С и после выдержки охлаждают на спокойном воздухе.

Ускоренное по сравнению с отжигом охлаждение обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит) и более мелкое эвтектоидное зерно.

Прочность стали после нормализации несколько выше, чем после отжига. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. При нагреве выше точки Аст вторичный цементит растворяется, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе он не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали.

Закалка углеродистых сталей. 

Закалка – это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве до температуры выше критической и последующем быстром охлаждении, при котором образуется неравновесная структура. Существует закалка без полиморфного превращения и закалка с полиморфным превращением.

Закалка с полиморфным превращением – это термическая обработка металлов и сплавов, при которой происходит мартенситное превращение высокотемпературной фазы. Эта закалка применима к металлам и сплавам, в которых при охлаждении перестраивается кристаллическая решетка.

Если взять эвтектоидную сталь (0,8 % углерода) с перлитной мягкой структурой и нагреть ее выше точки Ас1, то перлит превратиться в аустенит. При этом в аустените будет растворено все то количество углерода, которое имеется в стали, т.е. 0,8 %. Быстрое охлаждение в воде (600 0С/сек) препятствует диффузии углерода из аустенита и остается в нем после охлаждения. Кристаллическая решетка аустенита изменится при охлаждении, т.е. гранецентрированная кубическая решетка аустенита перестраивается в объемноцентрированную, но весь имеющийся в стали углерод останется в новой решетке, и это придаст стали высокую твердость и износостойкость.

Температура закалки для большинства для сталей определяется положением критических точек А1 и А3. Для углеродистых сталей  температуру закалки можно определить по диаграмме «железо-цементит». При закалке с температур, лежащих в пределах между Ас1 и Ас3 (неполная закалка), в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом сохраняется часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Поэтому данные стали обычно нагревают до температур на 30-50 0С выше Ас3 (полная закалка). Для заэвтектоидных  же сталей закалка с температур выше Ас1, но ниже Аст дает в структуре наличие избыточного цементита, что повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев выше температуры Ас3, наоборот, ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита, росту зерна аустенита, увеличению возможности возникновения больших закалочных напряжений и обезуглероживанию поверхностного слоя.

Таким образом, оптимальной закалкой для доэвтектоидных сталей является закалка от температуры на 30-50 0С выше Ас3, а для заэвтектоидных - на 30-50 0С выше Ас1.

Скорость охлаждения также влияет на результат закалки. Оптимальной охлаждающей средой является та среда, которая быстро охлаждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита и замедленно в интервале температур мартенситного превращения, для обеспечения равномерности этого  превращения во всех зонах детали и снижения опасности образования трещин. Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, водные растворы солей, щелочей, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают три периода:

  1.  пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка», которая равномерно и сплошь окружает изделие, пар отнимает тепло не интенсивно, и скорость охлаждения в этот период сравнительно невелика;
  2.  пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки. В этот период происходит быстрый отвод тепла, так как на образование пузырьков пара расходуется большое количество тепла, и температура металла быстро снижается;
  3.  конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости. Теплоотвод в этот период  происходит с наименьшей  скоростью, которая определяется физическими свойствами жидкости (теплоемкость, вязкость и теплопроводность), разностью температур и скоростью циркуляции.

Закалочная жидкость охлаждает тем интенсивнее, чем шире интервал стадии пузырчатого кипения, т. е. чем выше температура перехода от первой стадии охлаждения ко второй и чем ниже температура перехода от второй стадии к третьей.

В практике термической обработки сталей нашли широкое применение различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава, требуемой структуры (рис. 2). 

Непрерывная закалка (1)  - наиболее простой способ закалки. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Способ применяют при закалке несложных изделий из углеродистых и легированных сталей. Закалочной средой для углеродистых сталей диаметром более 5 мм служит вода, для сталей углеродистых диаметром менее 5 мм  и легированных – масло.

Рис. 2. Способы охлаждения при закалке сталей: 1 – непрерывная закалка; 2 – закалка в двух средах; 3 – ступенчатая закалка; 4 – изотермическая закалка; 5 – обработка холодом

Закалка в двух средах (2) осуществляется в разных температурных интервалах с разной скоростью охлаждения. Вначале деталь охлаждают в интервале температур 750-400 0С в воде, затем переносят в другую охлаждающую среду – масло. Замедленное охлаждение в масле, когда происходит мартенситное превращение, приводит к уменьшению возникающих при закалке внутренних напряжений и опасности появления трещин. Применяется этот способ при закалке инструмента из высокоуглеродистой стали.

При ступенчатой закалке (3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру, более высокую, чем мартенситная точка  данной стали. Охлаждение и выдержка в этой среде обеспечивает равномерное распределение температуры закалочной ванны по всему сечению детали. Затем следует окончательное, обычно медленное охлаждение, во время которого и происходит превращение аустенита в мартенсит. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями, однако его применение целесообразно для изделий небольшого размера, изготовляемых  из углеродистых и низколегированных сталей, закаливающихся в воде.

Изотермическая закалка (4) позволяет получать наиболее хорошее сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке нагретую деталь переносят в ванну с расплавленными солями, имеющую температуру на 50-100 0С выше мартенситной точки Мн, выдерживают при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит и затем охлаждают на воздухе. Во всех предыдущих случаях при закалке происходит образование мартенситной структуры.

При изотермической закалке в детали возникают минимальные напряжения, исключается образование трещин и уменьшается деформация.

Обработка холодом (5) применяется для легированных сталей, у которых температура окончания мартенситного превращения Мк значительно ниже 0 0С. Если закаливать эти стали обычным способом, то наряду с мартенситом, в структуре оказывается значительное количество остаточного аустенита. Остаточный аустенит понижает твердость закаленной стали и может вызвать нестабильность размеров готовых деталей, т.к. в процессе их работы может происходить превращение остаточного аустенита в мартенсит.

Для стабилизации размеров закаленных изделий и повышения их твердости проводится охлаждение до температуры МК, в процессе которого аустенит превращается в мартенсит. Температура МК легированных сталей находится в широких пределах от -40 до
-196
0С.

Обработке холодом подвергают быстрорежущие стали, цементованные детали, измерительные инструменты, подшипники и др. особо точные изделия. 

Закалка без полиморфного превращения – это термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре.

Такая термическая обработка применима к сплавам, у которых одна фаза полностью или частично растворяется в другой.

Рис. 3. Диаграмма состояния сплава с переменной растворимостью компонента В в А

Например, в сплаве 1 (рис. 3.) при нагреве до температуры t2 β-фаза растворяется в α-фазе. При обратном медленном охлаждении β-фаза выделяется из α-фазы, в которой концентрация компонента В уменьшается в соответствии с линией предельной растворимости аb. Т.к. составы  α- и  β-фаз различны, то выделение β-фазы связано с диффузионным перераспределением компонентов. При достаточном быстром охлаждении диффузионное перераспределение, необходимое для зарождения и роста кристаллов β-фазы, не успевает пройти и эта фаза не выделяется. После такой обработки (закалки) сплав состоит из одного пересыщенного α-твердого раствора.

Закалка без полиморфного превращения широко применяется к алюминиевым, магниевым, никелевым, медным и другим сплавам.

Закаливаемость – способность стали повышать твердость в результате закалки.

Необходимым условием закаливаемости стали является переохлаждение ее до температуры ниже точки МН. Минимальная скорость охлаждения аустенита, при которой отсутствует диффузия углерода и он превращается в мартенсит, называется критической скоростью охлаждения. Эту скорость можно определить на С-образной диаграмме (рис. 4).

При закалке скорость охлаждения должна быть больше критической (V1). Для обычных углеродистых сталей значение критической скорости охлаждения составляет около 150 0С/сек, поэтому на практике необходимо охлаждать сталь при закалке очень быстро, чтобы предупредить распад аустенита на феррито-цементитную смесь.

Скорость охлаждения на поверхности изделия может быть больше критической, а в центре меньше. В этом случае аустенит в поверхностных слоях превратится в мартенсит, а в центре изделия испытывает перлитное превращение, т.е. деталь не прокалится насквозь. Прокаливаемость – одна из важнейших характеристик стали.

Рис.4. Определение скорости охлаждения при закалке

Прокаливаемостью называют способность стали получать закаленный слой на ту или иную глубину с мартенситной или троосто-мартенситной структурой.

Для характеристики прокаливаемости стали, часто используют в качестве параметра критический диаметр. Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического образца, который прокаливается насквозь в данной охлаждающей среде.

Критический диаметр увеличивается и, соответственно, повышается прокаливаемость стали при увеличении охлаждающей способности закалочной среды и при введении в сталь легирующих элементов.  Например, углеродистая сталь имеет критический диаметр 8-10 мм. Это значит, что при закалке более крупных изделий из данной стали сердцевина будет не закаленной (рис. 5).

Рис. 5. Распределение структуры по глубине цилиндрического образца


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2940. Исследование колебаний механической системы с одной степенью свободы 45.5 KB
  Дана механическая система с одной степенью свободы, представляющая собой совокупность абсолютно твердых тел, связанных друг с другом посредством невесомых нерастяжимых нитей, параллельных соответствующим плоскостям. Система снабжена внешней упругой ...
2941. Дружба. Виховна година. 51 KB
  Виховна година на тему Дружба Мета, розкрити зміст понять дружба, дійсний друг показати його відмінність від понять приятель і знайомий прищепити учням повагу до цінностей дружби, сприяти розвиткові критичного ставлення до себе і с...
2942. Праздник 8 Марта — день чудесный 50.5 KB
  Тема, 8 Марта — день чудесный. Форма, концертная программа. Цели, - развивать творческие возможности детей, фантазию, наблюдательность, - память, - доставить детям радость от участия в мероприятии. Задачи, - способствовать развитию речевых ум...
2943. Travelling: Who Knows More 47.5 KB
  Travelling: Who Knows More? Цели: 1. Расширение лингвострановедческой компетенции учащихся. 2. Воспитание интереса к культуре стран изучаемого языка. Задачи: 1. Образовательные: Обобщение страноведческих знаний учащихся, полученных в р...
2944. Введение в управление предприятием и содержание дисциплины «Менеджмент предприятия» 100.5 KB
  Введение в управление предприятием и содержание дисциплины Менеджмент предприятия  Вопросы для изучения: Краткая историческая справка и отличительные особенности развития управленческой мысли в нашей стране. Основные проблемы пере...
2945. Сущность эффективного управления предприятием 113 KB
  Сущность эффективного управления предприятием Вопросы: Сущность и характерные черты менеджмента. Содержание менеджмента. Современные подходы и концепции менеджмента. Виды и уровни менеджмента предприятия. Успешное (эффективное) у...
2946. Организация управления промышленной фирмой 89 KB
  Организация управления промышленной фирмой Тема включает три раздела: Основные принципы внутрифирменного управления. Организация управления международной деятельностью фирмы. Опыт (тенденции) управления промышленными фирмами в разв...
2947. Организация управления международной деятельностью фирмы 67.5 KB
  Организация управления международной деятельностью фирмы  Международная среда и международный бизнес фирмы. Содержание и формы (методы) международной деятельности фирмы. Организация зарубежной производственной деятельности фирм...
2948. Опыт управления ведущих фирм США, Японии и Западной Европы 103 KB
  Опыт управления ведущих фирм США, Японии и Западной Европы Вопросы: Основные этапы развития организационных структур промышленных фирм  Ключевые элементы управления предприятием (корпорацией) Особенности внутрифирменного планировани...