86193

Технология термической обработки стали

Лекция

Производство и промышленные технологии

Таким образом основным назначением полного отжига является измельчение зерна доэвтектоидной стали повышение пластических свойств улучшение обрабатываемости резанием. Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется редко так как в этом случае полной перекристаллизации не происходит и часть зерен...

Русский

2015-04-03

35.08 KB

8 чел.

7.4. Технология термической обработки стали

7.4.1. Отжиг

7.4.2. Нормализация

7.4.3. Закалка

7.4.4. Отпуск закаленной стали

 

7.4.1. Отжиг

Отжигу или нормализации подлежат, как правило, стальные отливки, горячекатаные и штамповые заготовки, поковки. В том случае, когда изделия после изготовления резанием подвергаются последующему термическому упрочнению, отжиг и нормализация являются промежуточными видами термической обработки. Если последующего термического упрочнения изделий не требуется, то отжиг и нормализация относятся к окончательным видам термообработки.

На рис. 84 приведены виды отжига, имеющие наиболее широкое использование в промышленности.

Рис. 84. Основные виды отжига

Диффузионный (гомогенезирующий) отжиг предназначен для устранения химической неоднородности (ликвации), возникающей при кристаллизации. Такому отжигу подвергаются в основном слитки или отливки из легированных сталей. Это объясняется тем, что скорость диффузии углерода, растворенного в аустените, на несколько порядков больше скорости диффузии легирующих элементов. Поэтому гомогенизация углеродистых сталей происходит практически в процессе их нагрева. Режим гомогенезирующего отжига: нагрев до температуры 1050…1200 °С, выдержка при отмеченной температуре 8…10 часов и последующее медленное охлаждение. Крупное зерно, возникающее в процессе отжига, устраняется другими видами термообработки.

Рекристаллизационный отжиг применяется для устранения наклепа после холодной пластической деформации. Этот вид отжига чаще используется как промежуточная операция для снятия наклепа между операциями холодного деформирования. Для углеродистых сталей с содержанием углерода 0,08…0,2 % (наиболее часто подвергаемых обработке давлением) температура нагрева при отжиге составляет 680…700 °С. Отжиг калиброванных прутков из высокоуглеродистых легированных сталей проводится при 680…740 °С в течение 0,5…1,5 часов.

Отжиг для снятия остаточных напряжений. Такому отжигу подвергаются отливки, сварные изделия, изделия после обработки резанием, правки и др., в которых возникают внутренние (остаточные напряжения). Остаточные напряжения часто вызывают коробление изделий, а складываясь с внешними (даже незначительными) напряжениями, могут привести к разрушению. Для снятия напряжений чаще всего используется отжиг при температуре 550…650 °С. Время выдержки составляет несколько часов. Скорость нагрева и особенно охлаждения должна быть небольшой, чтобы исключить возможность образования новых остаточных напряжений.

Полный отжиг наиболее часто применяется для доэвтектоидных сталей. Изделия нагреваются до температуры на 30…50 °С выше критической точки Ас3 для полной перекристаллизации исходной структуры. После такого нагрева аустенит становится мелкозернистым, что при последующем замедленном охлаждении дает возможность получения мелкозернистой ферритно-перлитной структуры. Если при отжиге нагрев произвести значительно выше Ас3, то зерна аустенита могут вырасти до крупных размеров, и при дальнейшем охлаждении образуется грубая структура, состоящая из крупных зерен феррита и перлита. Такая сталь обладает пониженной пластичностью.

Таким образом, основным назначением полного отжига является измельчение зерна доэвтектоидной стали, повышение пластических свойств, улучшение обрабатываемости резанием.

Неполный отжиг применяется для заэвтектоидных сталей. При таком отжиге сталь нагревается до температуры на 30…50 °С выше Ас1 (740…770 °С), при которой сохраняется вторичный цементит. После охлаждения цементит получается в виде зерен. Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, в результате которой цементитная сетка дробится. Сталь с зернистым цементитом лучше обрабатывается режущим инструментом и приобретает хорошую структуру после закалки.

Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется редко, так как в этом случае полной перекристаллизации не происходит и часть зерен феррита остается в том же виде, что и до отжига. Такой вид термообработки проводится только в том случае, когда исправление структуры не требуется, а необходимо только понижение твердости.

Если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым, проводится так называемый циклический отжиг, при котором сталь нагревается до температуры немного выше Ас1 с последующим охлаждением до температуры чуть ниже Аr1 (~680 °С) c повторением этого цикла несколько раз.

Изотермический отжиг используется для улучшения обрабатываемости легированных сталей. Порядок отжига следующий. Нагрев стали на 30…50 °С выше Ас3 , охлаждение до температуры немного ниже Аr1, изотермическая выдержка при этой температуре для получения равновесной перлитной структуры и последующее охлаждение на воздухе.

При отжиге легированных сталей увеличиваются не только продолжительность нагрева и выдержки, но и продолжительность охлаждения. И все-таки их твердость после отжига остается достаточно высокой, что ухудшает обрабатываемость резанием.

7.4.2. Нормализация

Нормализация чаще всего применяется как промежуточная операция, улучшающая структуру. В некоторых случаях она используется как окончательная термическая обработка (например, при изготовлении сортового проката – швеллеров, тавров, рельсопроката и др.).

При нормализации сталь нагревается до температуры на 30…50 °С выше Ас3 или Аст, выдерживается для прогрева и охлаждается на спокойном воздухе. В результате получается тонкая структура перлита или сорбита, уменьшаются внутренние напряжения.

Нормализация является более экономичной операцией, чем отжиг. Ее широко используют вместо закалки и отпуска для улучшения свойств крупногабаритных стальных отливок, устранения дефектов предыдущих технологических операций, в подготовке структуры с целью улучшения обрабатываемости режущим инструментом, штампования в холодном состоянии, а также в подготовке структуры к последующим видам окончательной термической обработки.

7.4.3. Закалка

При закалке, как правило, стремятся к тому, чтобы получить структуру мартенсита, имеющего высокую твердость. При последующем отпуске можно повысить пластичность стали за счет снижения твердости. Структуры, полученные при отпуске мартенсита, имеют лучшие механические свойства, чем структуры, полученные при изотермическом распаде аустенита. При этом их твердость остается практически одинаковой.

В зависимости от температуры нагрева закалка подразделяется на полную и неполную.

При полной закалке доэвтектоидной стали она нагревается до температуры аустенитного состояния (на 30…50 °С выше Ас3) и после выдержки охлаждается со скоростью не менее критической. В результате мелкозернистый аустенит превращается в мелкоигольчатый мартенсит.

При неполной закалке доэвтектоидной стали нагрев производится до температуры между Ас1 и Ас3, при которой в структуре сохраняется доэвтектоидный феррит. При дальнейшем охлаждении со скоростью VКР аустенит превращается в мартенсит, а феррит остается. Такая структура, при некотором снижении твердости и прочности, обеспечивает повышенную пластичность закаленной стали.

Заэвтектоидные стали обычно используются для изготовления инструмента, имеющего наиболее высокую твердость. Поэтому если такие стали подвергать полной закалке (нагрев выше Аст), то формируется дефектная структура грубоигольчатого мартенсита со значительным количеством остаточного аустенита, что резко уменьшает твердость. Поэтому для заэвтектоидных сталей применяется неполная закалка с нагревом до температуры на 30…50 °С выше Ас1. После резкого охлаждения образуется структура, состоящая из мартенсита и цементита. Твердость цементита выше твердости мартенсита, поэтому заэвтектоидные стали при неполной закалке имеют твердость более высокую, чем при полной.

 

Благодаря тому, что нагрев осуществляется ниже Аст, уменьшается рост зерна, снижаются термические напряжения при закалке. Наиболее благоприятная структура закаленной заэвтектоидной стали достигается тогда, когда вторичный цементит имеет зернистую форму. Цементитная сетка по границам зерен недопустима, так как увеличивает хрупкость. Поэтому перед закалкой сталь необходимо подвергать соответствующему отжигу.

Время нагрева детали при закалке зависит от габаритов детали и теплопроводности стали. Чаще всего оно определяется экспериментально.

Способ охлаждения зависит от формы закаливаемого изделия, его размеров и химического состава стали. Чем сложнее форма и больше сечение детали, чем выше содержание углерода в стали, тем больше опасность деформации, выше возникающие напряжения и вероятнее возможность появления трещин.

Наиболее простой способ закалки – использование одного охладителя, когда нагретое изделие остается в охлаждающей жидкости до полного охлаждения (кривая 1, рис. 85). Однако недостатком этого способа является возникновение значительных внутренних напряжений. Поэтому для деталей из углеродистых сталей сечением более 5 мм в качестве закалочной среды рекомендуется вода, а при меньших размерах и для легированных сталей – масло.

     Для уменьшения внутренних напряжений применяется охлаждение в двух средах (кривая 2), при котором деталь сначала охлаждается в воде до 350…400 °С, а затем переносится для полного охлаждения в масло. Недостатком этого способа является трудность регулирования времени выдержки в первой охлаждающей жидкости.

Наиболее благоприятные условия для регулирования времени выдержки в первой охлаждающей жидкости достигаются при ступенчатой закалке (кривая 3). В этом случае деталь быстро охлаждается в соляной ванне с температурой, превышающей температуру начала мартенситного превращения Мн на 30…50 °С. После выдержки для достижения одинаковой температуры по всему сечению дальнейшее охлаждение осуществляется на воздухе. Такая технология закалки способствует резкому снижению внутренних напряжений и возможности коробления детали. В то же время из-за низкой скорости охлаждения в нагретой среде в центральных областях крупногабаритных изделий скорость охлаждения может оказаться ниже критической. Поэтому максимальный размер деталей из углеродистых сталей, закаливаемых этим способом, не должен превышать 10 мм, а легированных – 20…30 мм.

В тех случаях, когда после закалки на мартенсит и последующего отпуска не удается достичь достаточной прочности и вязкости, осуществляется изотермическая закалка на нижний бейнит. Для этого нагретая деталь помещается в соляную ванну с температурой на 50…100 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживается до завершения превращения аустенита в бейнит и охлаждается на воздухе (кривая 4). Такая закалка может применяться только для сталей, обладающих достаточной устойчивостью переохлажденного аустенита.

7.4.4. Отпуск закаленной стали

Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, уменьшение твердости, снижение внутренних напряжений закаленной стали. Отпуск является окончательной операцией термической обработки и заключается в нагреве до температуры ниже критической точки Ас1, выдержке при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе). Отпуск может быть низким, средним и высоким.

При низком отпуске (температура нагрева 150…250 С) из мартенсита закалки выделяется углерод и образует очень мелкие пластинки метастабильного карбида железа, называемого -карбидом, имеющим гексагональную решетку и химический состав, близкий к Fe2C. Решетки мартенсита и пластинки -карбида имеют общие слои атомов по границам фаз, т. е. имеет место когерентность (соответствие) решеток. Образовавшийся в результате такого превращения мартенсит называется мартенситом отпуска и представляет собой смесь пересыщенного твердого раствора углерода в -железе и карбида, еще не отделившегося от решетки мартенсита.

Низкому отпуску подвергается в основном режущий и мерительный инструменты, а также машиностроительные изделия, которые должны иметь высокие твердость и износостойкость, но не подвергаемые существенным ударным и знакопеременным нагрузкам.

Средний отпуск проводится при температуре 350…450 °С. Основное назначение – некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости. Такие свойства достигаются за счет полного распада мартенсита на ферритоцементитную смесь и одновременным превращением -карбидов в цементит Fe3C. В результате образуется структура троостит отпуска – высокодисперсная феррито-цементитная смесь, в которой цементит имеет зернистое строение.

При высоком отпуске закаленная сталь нагревается до температуры 500…650 °С. При этой температуре никаких новых превращений не происходит, но интенсивно протекают процессы сфероидации (скругления) и коагуляции (укрупнения) частиц цементита. В результате ферритоцементитная смесь становится более укрупненной, менее дисперсной, с зернистой формой частиц цементита. Структура, образованная в результате высокого отпуска, называется сорбитом отпуска и применяется для конструкционных сталей, детали из которых подвергаются воздействиям высоких напряжений и ударных нагрузок. Закалка с последующим высоким отпуском является основным видом термической обработки конструкционных сталей и называется улучшением.

При дальнейшем повышении температуры нагрева (650…700 °С) образуется зернистый перлит, который является наиболее равновесной структурой. При одинаковых значениях временного сопротивления сталь, имеющая зернистую структуру, обладает большей пластичностью по сравнению со сталью, имеющей пластинчатую структуру.

 

7.5. Особенности закалки легированных сталей

В п. 3.2.3 показано влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей. Не менее существенное влияние они оказывают и на фазовые превращения при нагреве и охлаждении.

Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа и оказывают влияние на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны взаимодействовать с углеродом, азотом, а также между собой, образуя интерметаллиды.

При введении в сталь небольшого количества карбидообразующих элементов (десятые доли процента или 1…2 % для слабых карбидообразователей) образования карбидов этих элементов, как правило, не происходит. В этом случае атомы легирующих элементов частично замещают атомы железа в решетке цементита. Образуется легированный цементит, который по свойствам не отличается от обычного цементита. Марганец не образует карбидов при любом его содержании.

Сильные карбидообразователи (Мо, W, V, Nb, Ti) образуют с углеродом фазы внедрения. При этом чаще всего карбиды имеют формулу МеС или Ме2С. Такие фазы отличаются очень высокой тугоплавкостью, практически не растворяются в аустените. К примеру, для растворения таких карбидов, как TiC, NbC, WC сталь необходимо нагревать до температуры ~1300 °С.

Промежуточное положение по карбидообразующей способности занимает хром. В низко- и среднелегированных сталях он образует карбид Cr7C3, а в высоколегированных – Cr23C6. Карбиды хрома могут растворять железо и легирующие элементы стали в большом количестве. Поэтому часто в общем виде формулы этих карбидов записываются как Ме7C3 и Ме23C6.

При введении хрома с молибденом и вольфрамом фазы внедрения (МоС, WC) не образуются, а вместо них возникают сложные карбиды, содержащие хром, молибден, вольфрам и железо с формулой Ме6С, которые растворимы в аустените. Однако для их растворения требуются еще более высокие температуры и более длительные выдержки, чем для растворения карбидов хрома.

Итак, в зависимости от наличия в легированных сталях тех или иных легирующих элементов и их количества могут быть следующие типы карбидов: хорошо растворимые в аустените – Ме3С; труднорастворимые – Ме7С3, Ме23C6, Ме6С и почти нерастворимые – МеС.

В связи с отмеченным, закалка и отпуск легированных сталей имеют ряд особенностей. Температура нагрева под закалку обычно выше, чем у углеродистых сталей. Диффузионные процессы протекают медленнее, что требует более длительной выдержки как нагретой до аустенитного состояния стали, так и при температуре отпуска, которая также выше температуры отпуска углеродистой стали.

Из-за пониженной теплопроводности легированных сталей они нагреваются и охлаждаются более медленно. Закалка обычно производится в масле.

Все легирующие элементы затрудняют процесс распада мартенсита при нагреве. Поэтому структура отпущенного легированного мартенсита может сохраняться при температурах 400…600 °С. При одинаковой температуре отпуска прочность и пластичность легированных сталей выше, чем углеродистых.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84091. Смешанные формы правления в современном мире 24.83 KB
  Так было во время и после буржуазных революций в Европе и Америке: молодая прогрессивная буржуазия возглавлявшая широкие слои населения добилась ограничения власти монарха ликвидации абсолютизма установления дуалистической или парламентарной монархии а иногда и республики например в США. В ходе этого исторического развития были и своеобразные зигзаги: республика при фашизме во главе с фюрером дуче каудильо мало чем по существу отличалась от монархии хотя юридически форма была иной а республики в социалистических странах странах...
84092. Форма правления: понятие и виды 16.75 KB
  Форма правления представляет собой структуру высших органов государственной власти порядок их образование и распределение компетенции между ними. Форма государственного правления дает возможность уяснить: как создаются высшие органы государства и какого их строение; как строятся взаимоотношения между высшими и другими государственными органами; как строятся взаимоотношения между верховной государственной властью и населением страны; в какой мере организация высших органов государства позволяет обеспечивать права и свободы...
84093. Унитарное государство признаки и виды 20.55 KB
  Унитарное государство характеризуется следующими признаками: унитарное устройство предполагает единые общие для всей страны высшие исполнительные представительные и судебные органы которые осуществляют верховное руководство соответствующими органами; на территории унитарного государства действует одна конституция единая система законодательства одно гражданство; составные части унитарного государства области департаменты округа провинции графства государственным суверенитетом не обладают; унитарное государство на территории...
84094. Федерация: понятие и признаки, виды 23.76 KB
  Существуют следующие формы государственного устройства: 1 Унитарное государство 2 Федеративное государство 3 Конфедеративное на данный момент не существует в природе 4 Региональное государство Федеративное государство представляет собой добровольное объединение ранее самостоятельных государственных образований в одно союзное государство государство состоящее из государств членов или государственных образований субъектов федерации. На данный момент в мире насчитывается 24ре федерации. Федерации бывают: а Договорные и...
84095. Форма государственного устройства: понятие и виды 21.73 KB
  Территория федерации состоит из территорий ее отдельных субъектов: штатов кантов земель республик и т. Субъекты федерации имеют право принятия собственной конституции имеют свои высшие исполнительные законодательные и судебные органы 4. В большинстве федерации существует союзное гражданство и гражданство федеральных единиц. При федеральном государственном устройстве в парламенте имеется палата представляющая интересы членов федерации.
84096. Демократический режим и его признакии 22.3 KB
  В демократическом государстве существует взаимная ответственность государства и личности.Предоставление широкой свободы личности предприятиям и организациям в сфере экономической деятельности которая при демократическом политическом режиме составляет основу материального благосостояния граждан.Реальная гарантированность прав и свобод личности и реальная возможность реализовать данные права и свободы.Наличие эффективной и квалифицированной судебной защиты прав и свобод личности от произвола и беззакония со стороны кого бы то ни было.
84097. Антидемократические государственно-правовые режимы 25.92 KB
  Основными чертами тоталитарного политического режима являются следующие: государство стремится к глобальному господству над всеми сферами общественной жизни к всеохватывающей власти; общество полностью отчуждено от политической власти но оно не осознает этого ибо в политическом сознании формируется представление о единстве слиянии власти и народа; господствует монопольный контроль над экономикой средствами массовой информации культурой религией и т. фактически устраняется плюрализм; происходит централизация государственной...
84098. Функции государства: понятие, признаки, содержание 20.68 KB
  Функции государства это основные направления внутренней и внешней деятельности государства в которых выражаются и конкретизируются его классовая и общечеловеческая сущность и социальное назначение. В этом определении выделены наиболее существенные признаки функций государства. Функции государства непосредственно выражают и предметно конкретизируют его классовую и общечеловеческую сущность.
84099. Внутренние функции государства современного государства и их содержание 22.02 KB
  Охранительная функция: Это функция государственной деятельности проявляется в обеспечении государством общественного и правового порядка защите и охране прав и интересов граждан и организаций защите конституционного строя и государства от противоправных посягательств. Обеспечение внутреннего мира и согласия в обществе урегулирования общественных отношений снятие социальных противоречий неизбежных в обществе состоящем из различных классов групп слоев это насущная необходимость одна из тех причин которые вызывали возникновение...