14745

Упрочнение термической объемной обработкой

Доклад

Производство и промышленные технологии

Упрочнение термической объемной обработкой Термическая обработка включает следующие основные типы: отжиг I рода отжиг II рода закалка без полиморфного превращения закалка с полиморфным превращением отпуск и старение. Каждый из этих типов термической обработки качес...

Русский

2013-06-09

98.35 KB

9 чел.

Упрочнение термической объемной обработкой

Термическая обработка включает следующие основные типы: отжиг I рода, отжиг II рода, закалка без полиморфного превращения, закалка с полиморфным превращением, отпуск и старение. Каждый из этих типов термической обработки качественно отличается один от другого характером фазовых и структурных превращений.

Отжиг I рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния, возникшее при предыдущей обработке (литье, штамповке, сварке и пр.), причем его проведение не связано с фазовыми превращениями. Различают следующие разновидности отжига I рода: гомогенизация, рекристаллизация, уменьшение остаточных напряжений.

Отжиг II рода, полностью основанный на фазовых превращениях, бывает: полный, неполный, изотермический, сфероидизирующий. Разновидностью отжига II рода является также нормализация.

Закалка без полиморфного превращения образует пересыщенный твердый раствор.

Старение обеспечивает распад пересыщенного твердого раствора с вьщелением дисперсных фаз, приводящих к упрочнению. Старение подразделяется на естественное (20°С) и искусственное с нагревом до определенной температуры.

Закалка на пересыщенный твердый раствор со старением — это основной способ упрочняющей обработки сплавов цветных металлов. Он применяется также для сталей, в частности — мартенситно- стареющих.

Закалка с полиморфным превращением (закалка на мартенсит) связана с мартенситным превращением высокотемпературной фазы. С целью упрочнения закалке на мартенсит подвергают титановые сплавы, но особенно широко ее применяют в производстве стальных деталей.

В зависимости от нагреваемого объема закалку разделяют на объемную и поверхностную, а в зависимости от метода охлаждения, принятого при закалке, различают закалку непрерывную, прерывистую, ступенчатую, изотермическую и закалку с самоотгпуском.

Отпуску подвергают закаленную на мартенсит сталь для перевода неравновесной структуры в более равновесную, обеспечивающую заданный комплекс свойств. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Закалка с высоким отпуском называется улучшением.

Термическая обработка — совокупность технологических операций, связанных с нагревом, вьдержкой и охлаждением. Основная задача нагрева стали — перевод структуры в аустенитное состояние и получение возможно более мелкого зерна.

Температура нагрева под закалку большинства конструкционных и инструментальных легированных сталей находится в пределах 800-880°С (для каждой марки стали свой узкий интервал закалочных температур). Для сталей с большим содержанием карбидообра- зующих элементов температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки Ас1 и Ас3.

Например, штамповые стали типа ЗХ2В8Ф закаливают с температур 1050...1100°С, а быстрорежущие типа Р9 и Р18 — с температур 1250...1300°С. Продолжительность нагрева (табл.1) должна обеспечить нагрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать рост зерна и обезуглероживание поверхности стали.

Табл. 1 Ориентировочная продолжительность нагрева изделий для закалки до 800-850°С в различных печах.

Продолжительность изотермической выдержки, обеспечивающей завершение фазовых превращений и гомогенизацию аустенита, принимают равной 15—25% от продолжительности сквозного нагрева. Для предотвращения окисления и обезуглероживания поверхности деталей нагрев под термическую обработку проводят в защитных, контролируемых по углеродному потенциалу средах, в вакууме (10х2... 10х3 кПа), в расплавленных солях CaCl2, NaCl, BaCl2 и др.

Режим охлаждения при закалке должен обеспечить необходимую глубину прокали- ваемости, но не вызвать при этом значительных закалочных напряжений, приводящих к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Он устанавливается по диаграммам изотермического и термокинетического распада аустенита. В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают перлитное превращение, бейнитное (промежуточное) превращение и мартенситное превращение. Последнее происходит в диапазоне температур начала (M) и конца (Л) превращения мартенсита. Положение мартенситных точек М и Л определяется составом аустенита и не зависит от скорости охлаждения. При закалке сталей возникают тепловые и структурные фазовые напряжения. Наиболее опасны фазовые напряжения, возникающие в результате мартенситного превращения аустенита, так как образуется хрупкая фаза-мартенсит.

Выше точки Л возникают только термические напряжения, причем сталь находится в аустенитном состоянии, а аустенит пластичен. В качестве закалочных сред для углеродистых сталей наиболее широко используют воду, 10%-ный раствор NaOH или NaCl, а для легированных — минеральные масла (табл. 2)

Табл. 2. Скорость охлаждения стали в различных средах.

Находят применение водные растворы полимеров, которые по охлаждающей способности занимают промежуточное положение между водой и маслом. Сразу после закалки стали применяется отпуск, в результате которого сталь получает требуемые свойства.

Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке.

Низкий отпуск (150...250 °С) применяют для режущего, измерительного инструмента, деталей подшипников качения, а также деталей после поверхностной закалки, цементации, нитроцементации и цианирования.

Средний отпуск (350...500°С) применяют главным образом для пружин, рессор и штампов. Структура стали (0,45...0,8% С) после среднего отпуска — троостит отпуска или троостомартенсит с твердостью 40...50 HRC.

Температуру отпуска следует выбирать таким образом, чтобы не вызывать необратимой отпускной хрупкости (отпускной хрупкости I рода).

Высокий отпуск (500...680 °С) применяют для среднеуглеродистых (0,3...0,5% С) улучшаемых сталей. Улучшение создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Легирующие элементы Мо, W, Сг, V замедляют процессы диффузии и коагуляцию карбидов, поэтому процессы, происходящие при отпуске, в легированных сталях смещаются к большим температурам. Это позволяет полнее снять остаточные закалочные напряжения.

Продолжительность среднего и высокого отпуска обычно составляет 1...2 ч для деталей небольшого сечения и 2...8 ч для массивных деталей. Для нагрева под закалку, нормализацию и отжиг мелких и средних деталей в термических цехах единичного и мелкосерийного производства применяют камерные печи с защитной атмосферой (СНЗ) и без защитной атмосферы (СНО).

Для нагрева деталей большой длины применяют шахтные печи типа СШО и СШЗ. В массовом производстве применяются высокомеханизированные закалочно-отпускные афегаты, имеющие как универсальное, так и специальное назначение (типа СНЗА, СКЗА).

Все шире применяются вакуумные печи и установки на их основе, в которых проводится термическая обработка с последующей закалкой в азотоводородной атмосфере при давлениях до 2 МПа со скоростями охлаждения, близкими к охлаждению в масле. В таких устано"вках удается получить чистую поверхность деталей при минимальных деформациях.

Обеспечение конструкционной прочности сталей и сплавов при термической обработке. 

Для обеспечения работоспособности детали материал должен иметь комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу в условиях эксплуатации.

Для оценки конструкционной прочности кроме стандартных механических свойств (НВ, GB, S, М', KCU) необходимо учитывать работу распространения трещины, предел выносливости, контактное сопротивление усталости, сопротивление износу и т.д.

В промышленности применяются два способа объемной упрочняющей термической обработки: закалка на мартенсит с последующим отпуском и закалка на пересыщенный твердый раствор с последующим старением. 

Первый вариант применяют для углеродосодержащих сталей, в которых закалка приводит к получению мартенсита высокой твердости и хрупкости. Отпуск проводят с целью снижения хрупкости. Сплавы, упрочняемые, термической обработкой по второму варианту, в закаленном состоянии пластичны.

Старение, приводящее к упрочнению, обеспечивает необходимый уровень прочности и вязкости. Механические свойства стали в первую очередь определяются содержанием в ней углерода, от которого зависит закаливаемость стали. После закалки стали на мартенсит твердость (рис. 1) и предел прочности (рис. 2) интенсивно растут по мере увеличения концентрации углерода, а ударная вязкость резко снижается.

При содержании углерода, большем чем 0,4%, аустенит становится нестабильным из-за увеличения доли хрупкого разрушения. Повышение конструкционной прочности состоит не столько в повышении прочностных свойств, сколько в том, чтобы при высокой прочности предотвратить хрупкое разрушение и обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению, т.е. обеспечить надежность материала.

Рис. 1. Зависимость твердости закаленной стали от содержания углерода: 1 — объемная закалка; 2 — закалка ТВЧ; 3 — микротвердость мартенсита

Рис. 2. Влияние углерода на механические свойства закаленных низколегированных сталей.

Для оценки надежности материала используют параметры ударной вязкости (KCU, KCV, КСТ), температурный порог хладноломкости (Т50), характеризующие сопротивление хрупкому разрушению. Стандартный комплекс механических свойств и вышеперечисленные параметры оценки надежности достаточны для расчетов на прочность и оценки надежности сталей с ств < 1200 МПа, титановых сплавов с ав < 800 МПа, алюминиевых сплавов с Ств < 450 МПа.

Для высокопрочных сталей и сплавов (при значениях прочности больших, чем указано выше) надежность работы материала должна оцениваться с учетом критерия трещиностойкости Kic- Этот критерий дает возможность определить уровень допустимых напряжений при известной длине трещины и, наоборот, размер безопасной трещины при заданном среднем напряжении.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69568. IP-туннели 2.31 MB
  Технология NT предназначена для организации взаимодействия с узлов с автономными адресами с узлами расположенными в Интернет. Но технология NT не позволяет обеспечить прозрачный обмен произвольным IP трафиком между узлами в Интернет и узлами с автономными адресами в обоих...
69569. IPv6 2.05 MB
  ак известно, возникновение и первоначальное развитие протокола IP (Internet Protocol) осуществлялось в рамках первых исследовательских сетей начала 70-х годов, однако со временем IP превратился в основной протокол сетевого уровня. На сегодняшний день размер глобальной IP-сети...