Режим термообработки: Режимы термической обработки

Содержание

Режим термической обработки.

Московский
Государственный Технический Университет
им. Н.Э. Баумана

Домашнее задание по
курсу материаловедения

Вариант Д-2

Выполнил:
студент Радышевский М.И.

Группа:
Э4-43

Проверил:
преподаватель Крапошин В.С.

Москва

2005

Валы,
траверсы, зубчатые колёса, крепёжные
детали трубопроводов высокого давления
изготавливают из стали 40ХФА.

Укажите
и обоснуйте оптимальный режим упрочняющей
термической обработки вала из этой
стали, обеспечивающий твёрдость в
сердцевине НВ 330-340 с учетом сквозной
прокаливаемости. Построить график
термообработки для этой стали в
координатах температура – время, с
указанием температуры нагрева, времени
выдержки, среды охлаждения.
Опишите
структурные превращения, происходящие
в стали на всех стадиях термической
обработки. Перечислите возможные
способы дополнительного повышения
конструкционной прочности вала,
изготавливаемого из этой стали.
Приведите
основные свойства этой стали: химический
состав по ГОСТу, область применения,
требования, предъявляемые к этому виду
изделий, механические свойства после
выбранного режима термической обработки,
технологические свойства, влияние
легирующих элементов, достоинства,
недостатки и др.

Для изготовления
валов, траверс, зубчатых колёс применяют
легированные стали. Особенности работы
деталей типа вал состоят в том, что в
них используют, в основном, твердость
стали и не допускают возникновение
пластической деформации при нагрузке
(статической, динамической, ударной). В
связи с этим стали должны иметь большое
сопротивление малым пластическим
деформациям, т. е. высокие пределы
упругости (текучести) и выносливости
при достаточных пластичности и
сопротивлении хрупкому разрушению.
Кроме того, важной характеристикой
сталей данного типа является релаксационная
стойкость.

Для
обеспечения этих требований сталь
должна иметь однородную структуру,
которая обеспечивается хорошей
закаливаемостью и сквозной прокаливаемостью.
К группе таких сталей относятся стали
перлитного класса с содержанием углерода
0,5..0,7
%, которые
для улучшения свойств (прокаливаемость,
предел выносливости, релаксационная
стойкость, мелкозернистая структура)
дополнительно легируют кремнием
(1,5..2,8 %),
марганцем
(0,6..1,2 %),
хромом (0,2..1,2
%), ванадием
(0,1..0,2
%),
вольфрамом
(0.8..1.2 %),
никелем
(1,4..1,7%).

Эксплуатационные
свойства стальные детали приобретают
после термической обработки, состоящей
в закалке и среднем отпуске (350…520
°С) на троостит отпуска. Применение
находит также изотермическая закалка
на нижний бейнит.

Сталь
40ХФА обладает стойкостью к росту зерна,
имеет высокие механические показатели.
Для устранения склонности к обезуглероживанию
нагрев под закалку следует проводить
в контролируемой атмосфере. Примем
первый вариант термической обработки:
закалку и высокий отпуск. По данным ГОСТ
4543-71
температура закалки
для стали
составляет
880 °С
(А_с3
— 800 °С). В
качестве охлаждающей среды выбираем
масло. Последующий отпуск назначаем
при температуре
550..570 °С.
Получаемая структура сорбита отпуска
(мелкодисперсная ферритоцементитная
смесь) обеспечивает высокое сопротивление
малой пластической деформации при HRC=
35..45.
Указанный
режим термический обработки обеспечивает
получение следующих свойств:

_0.2
> 880-1100
МПа,
_в
> 960-1160
МПа;
₅>
15-19%,
>61%.

НВ330-340
после отпуска при
560 °С (HRC
=34).

Сталь
40ХФА
— сталь
перлитного класса. Критические точки
стали: Ас₁
= 760 ±
10°С, А_с3
=
800 ±
10°С.
Сталь подвергают полной закалке (см.
рис.
3), при этом
ее нагревают до образования однородной
мелкозернистой аустенитной структуры
(рис.
4).

Последующее
охлаждение в масле со скоростью большей,
чем _кр
(наименьшая скорость охлаждения, при
которой аустенит превращается в
мартенсит), обеспечивает получение
мелкозернистого мартенсита.

Рассмотрим
превращения, происходящие в стали 40ХФА,
при нагреве исходной равновесной
структуры Ф
+ Ц. На
практике при обычных скоростях нагрева
(электропечи) под закалку перлит сохраняет
свое пластинчатое или зернистое строение
до температуры Aс₁
(760°С
для стали 40ХФА). При температуре Ас₁
, в стали происходит превращение перлита
в аустенит. Кристаллы (зерна) аустенита
зарождаются в основном на границах фаз
феррита и цементита. При этом параллельно
развиваются два процесса: полиморфный
переход Fe_->Fe_и растворение
цементита в аустените.

Представим общую
схему превращения:

Образование
зерен аустенита происходит с большей
скоростью, чем растворение цементита,
поэтому необходима выдержка стали при
температуре закалки для полного
растворения цементита и получения
гомогенного аустенита.

Из
рис.
5 видно,
что фазовая перекристаллизация приводит
к измельчению зерна в стали.

При
этом, чем выше дисперсность структуры
перлита (Ф
+ П) и
скорость нагрева стали, тем больше
возникает центров зарождения аустенита,
а следовательно, возрастает дисперсность
продуктов его распада. Увеличение же
дисперсности продуктов распада аустенита
приводит к увеличению пластичности,
вязкости, уменьшению чувствительности
к концентраторам напряжений. Изменения
структуры стали при закалке в масло.
При непрерывном охлаждении в стали с
υ₀
> υ_кр
аустенит превращается в мартенсит.
Мартенситное превращение развивается
в сталях с высокой скоростью(~1000. .7000
м/с) в интервале температур Мн
.. Мк.
При этом
необходимо учитывать, что с увеличением
содержания углерода в стали температуры
Мн
и Мк понижаются (точки Мн
и Мк
изменяют свое положение на графике (см.
рис.
6)). Введение
легирующих элементов также изменяет
положение точек Мн и Мк
. Например,
введение кремния их повышает. В результате
закалки стали 40ХФА ее структура может
иметь кроме мартенсита и некоторое
количество остаточного аустенита.

Полученный
мартенсит представляет собой пересыщенный
твердый раствор углерода в α- железе и
имеет тетрагональную кристаллическую
решетку. Атомы углерода занимают в
основном октаэдрические
поры.

Образование в
результате закалки мартенсита приводит
к большим остаточным напряжениям,
повышению твердости, прочности, однако
при этом возрастает склонность к хрупкому
разрушению, что требует проведения
дополнительно последующего отпуска.

Превращения
в закаленной стали при высоком отпуске
(560 °С).
Нагрев закаленной стали до температуры
A_с1 принято
называть отпуском. Отпуск должен
обеспечить получение необходимых
эксплуатационных свойств стали. Структура
стали 40ХФА после закалки состоит из
мартенсита и остаточного аустенита.

Рассмотрим
последовательность процессов при
отпуске с повышением температуры. До
80°С
диффузионная подвижность мала и распад
мартенсита идет медленно. Первое
превращение при отпуске развивается в
диапазоне
80..200 °С и
приводит к формированию структуры
отпущенного мартенсита
— смеси
пересыщенного углеродом α- раствора и
когерентных с ним частиц
ε-кaрбида.
В результате этого существенно уменьшаются
степень тетрагональности мартенсита,
(часть углерода выделяется в виде
метастабильного
ε-карбида)
уменьшается его удельный объем, снижаются
остаточные напряжения.

Второе
превращение при отпуске развивается в
интервале температур 200..260
°С
(300°С) и
состоит из следующих этапов:

1)
превращение остаточного аустенита в
отпущенный мартенсит;

2)
распад отпущенного мартенсита: степень
его пересыщенности уменьшается до
0,15. .0,2%,
начинается преобразование ε-карбида
в Fе₃C
— цементит
и его обособление, разрыв когерентности;

3)
снижение остаточных напряжений;

4)
некоторое увеличение объема, связанное
с переходом А_ост->М_отл

Третье
превращение при отпуске развивается в
интервале
300..400°С.
При этом заканчивается распад отпущенного
мартенсита и процесс карбидообразования.
Формируется ферритокарбидная смесь,
существенно снижаются остаточные
напряжения; повышение температуры
отпуска выше
400°С
активизирует процесс коалесценции
карбидов, что приводит к уменьшению
дисперсности феррито-цементитной смеси.

Структуру
стали после низкого отпуска (до
250°С)
называют отпущенным мартенситом,
структуру стали после среднего отпуска
350..500°C
— трооститом
отпуска; после высокого отпуска
500..600°C
— сорбитом отпуска.

Обозначение и маркировка термообработки алюминиевых сплавов

Классификация по способам упрочнения

Алюминиевые сплавы разделяют на две основные группы по применимым режимам термообработки.

Сплавы, не способные к упрочнению при термообработке. Увеличение прочности таких сплавов достигают путем холодной деформации (прокатка, экструдирование и т.д.) и назывыется нагартовкой или деформационное упрочнением, а упрочненный сплав называют нагартованным. В англоязычной терминологии может применятся название — work hardening alloys. Механически нагартованные полуфабрикаты обозначают буквой Н.

Сплавы, упрочняемые термообработкой. Ряд сплавов увеличивают прочность / механические свойства после закалки с последующим охлаждением и естественным или искусственным старением. Такая термообработка обозначается буквой Т.

Термоупрочняющиеся сплавы

Термическая обработка твердого раствора (сплава) — процесс нагрева алюминия до заданной температуры в течение заданного времени, а затем быстрое охлаждение, обычно путем закалки в воду. Вода для закалки может подогреваться для уменьшения поводок и деформации полуфабрикатов.

Естественное старение (T1, T2, T3, T4) — процесс, который происходит самопроизвольно при нормальной (25С) температуре, пока металл не достигнет стабильного состояния. Это упрочняет алюминиевый сплав после термической обработки.

Искусственное старение (T5, T6, T9) — процесс нагрева в течение заданного периода (2-30 часов) при определенной температуре (100-200ºC) до тех пор, пока металл не достигнет стабильного состояния. Это увеличивает прочность после термической обработки сплава быстрее, чем естественное старение и в большей степени.

Сплавы, не упрочняющиеся термообработкой

Деформационное упрочнение (нагартовка) h24 — Общий термин для процессов, которые увеличивают прочность алюминия и снижают пластичность (например, прокатка, волочение, прессование, штамповка).

Частичный отжиг (h34) — процесс нагрева, который снижает прочность и увеличивает пластичность алюминия после деформационного упрочнения. Иногда называется отпуском.

Стабилизация (h44) — низкотемпературная термическая обработка или нагрев при производстве, которое стабилизирует механические свойства. Этот процесс обычно улучшает пластичность и применяется только к тем сплавам, которые без стабилизации постепенно стареют при комнатной температуре (то есть, не подвергаются термической обработке). Целью стабилизации является снятие остаточного внутреннего напряжения в металле. В основном используется для сплавов серии 5000 или АМг.

О – полный отжиг. Применяется для обозначения деформированных полуфабрикатов, подвергаемых отжигу для получения наиболее низких значений прочности, и литых деталей для повышения пластичности и размерной стабильности. После символа О может следовать другая цифра.
F – как произведено, без термической обработки. без какой-либо дополнительной обработки после изготовления. Применяется для обозначения полуфабрикатов, при операциях формообразования которых отсутствует специальный контроль режимов термообработки или нагартовки. Для деформированных полуфабрикатов не указываются пределы механических свойств.
W – закаленное состояние, нестабильное. Применимо только для сплавов, самопроизвольно стареющих при комнатной температуре после закалки (естественно стареющие сплавы), при этом специально указывается длительность естественного старения

Деформационно упрочненные

H – обозначает механическое (деформационное) упрочнение; первая цифра обозначает вид термообработки, вторая – степень твердости и прочности:

Н1 – деформационное упрочнение без термообработки
Н2 – деформационное упрочнение и частичный отжиг
Н3 – деформационное упрочнение с стабилизационный отжиг при низкой температуру
Н4 – деформационное упрочнение с последущим покрытием или покраской, при которых возможен частичный отжиг
- вторая цифра( х – первая):
- Нх2 – ¼ твердости
- Нх4 – ½ твердости
- Нх6 – ¾ твердости
- Нх8 – полная твердость
- Нх9 – повышенная твердость

Обозначение нагартованного плоского проката

Н111 – деформационное упрочнение при прокатке, но меньшее, чем при h21
Н112 – частичный отжиг после деформационного упрочнения, степень деформационного упрочнения и термообработки не контролируется; гарантируется предел прочности
Н321 – деформационное упрочнение меньшее, чем при h421
Н323 – вариант h42, деформационное упрочнение с последущим отжигом для увеличения стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением
h44 –cтабилизированный, полутвердый — низкотемпературная термическая обработка или тепло, вводимое в процессе производства, которое стабилизирует механические свойства и снимает остаточное внутреннее напряжение, обычно улучшает пластичность. Применяется только для сплавов, которые, если не стабилизированы, постепенно размягчаются при комнатной температуре.
h443 – вариант h44, для увеличения стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением
Н115 – броневые плиты
Н116 – специальный отжиг для повышения стойкости к коррозии

Термически упрочненные

Т — термическая обработка для получения более стабильных состояний, чем F, O или W. Применяется для полуфабрикатов, подвергаемых термической обработке с дополнительной нагартовкой или без нее. Вслед за символом Т всегда следуют одна или несколько цифр. Естественное старение при комнатной температуре может происходить между или после операций, указанных для состояния Т. Контроль длительности естественного старения производят в случаях, когда это важно с металлургической точки зрения. Цифрами от 1 до 10 обозначают последовательность операций.

Закалка или обработка на твердый раствор состоит в нагреве литых или деформированных полуфабрикатов до соответствующей температуры, выдержке при этой температуре, продолжительность которой достаточна для перехода составляющих в твердый раствор, и быстром охлаждении для фиксации твердого раствора. У некоторых сплавов серии 6000 необходимые механические свойства достигаются либо при охлаждении с печью от температуры нагрева под закалку, либо при охлаждении от температур горячей деформации со скоростью, достаточной для того, чтобы избежать распада твердого раствора, что аналогично операции закалки. В таких случаях для дифференциации соответствующих состояний используют обозначения Т3, Т4, Т6, Т7, Т8 и Т9.

Для обозначения деформированных полуфабрикатов, в которых остаточные термические напряжения уменьшают посредством холодной деформации, используют цифры, начиная со второй :Т3511, Т42

Т1 – охлаждение от температур горячей деформации (или формообразования) с последующим естественным старением для получения более стабильного состояния. Применимо для полуфабрикатов, не подвергаемых холодной деформации после охлаждения от температур деформации или в которых влияние холодной деформации при прогладке или растяжке не учитывают при установлении гарантируемых механических свойств.
Т2 – охлаждение от температур горячей деформации (или формооб¬разования), нагартовка и последующее естественное старение для получения более стабильного состояния. Применимо для полуфабрикатов, подвергаемых холодной деформации для повышения прочности после охлаждения от температур горячей деформации или в которых влияние холодной деформации при прогладке или растяжке оговаривается при установлении гарантируемых механических свойств.
Т3 – закалка, холодная деформация и последующее естественное старение. После закалки полуфабрикаты подвергают холодной деформации для повышения прочности, при этом влияние холодной деформации при прогладке или растяжке оговаривается в технической документации.
- Т351 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, уменьшение остаточных напряжений после закалки путем деформации растяжением в среднем на 2%, но не менее чем 1,5% и не более чем 3%, и естественное старение. Не производится дополнительное выравнивание после растяжки. Применяется для листов, катаных и холодно деформированных полос и прутков из алюминиевых сплавов, не подвергаемых дополнительной правке после растяжки
- Т3511 – уменьшение остаточных напряжений после закалки или охлаждения от температур горячей деформации посредством растяжки со степенью деформации 1-1,5%, но не менее чем 1,5% и не более чем 3% и естественное старение. Отличие от Т351 — незначительная правка после растяжки для обеспечения стандартных требований по допускам. Режим Т3511 применяют для плит из алюминиевых сплавов, т. к. поводки после закалки характерны для массивных полуфабрикатов.
- Т352 – уменьшение остаточных напряжений сжатием. Применяется для полуфабрикатов, в которых уменьшение остаточных напряжений после закалки или охлаждения от температур горячей деформации производится посредством правки сжатием с остаточной деформацией в пределах 1 — 5%. Естественное старение.
- Т36 – закалка на твердый раствор или охлаждение от температур горячей деформации, холодная деформация около 6%, стественное старение.
- Т361 – закалка на твердый раствор или охлаждение от температур горячей деформации, холодная деформация по толщине листа или плиты около 6%, стественное старение.

Т4 – закаленное и естественно состаренное состояние. Холодная деформация после закалки отсутствует или влияние ее при прогладке или растяжке не оговаривается в технической документации.
- Т42 – закалка из состояний О или F и последующее естественное старение до получения устойчивого состояния.
- Т451 – уменьшение остаточных напряжений после закалки или охлаждения от температур горячей деформации посредством прокатки или холодной деформации со степенью деформации 1,5%, но не менее чем 1% и не более чем 3% и естественное старение. Дополнительная правка после деформации не обязательна.
- Т4510 – закалка на твердый раствор или охлаждение от температур горячей деформации, деформация растяжением со степенью деформации 1,5%, но не менее чем 1% и не более чем 3%, стественное старение. Правка после растяжения на проводится.
  От Т451 отличается способом деформации — растяжением
- Т4511 – уменьшение остаточных напряжений после закалки или охлаждения от температур горячей деформации посредством прокатки или холодной деформации со степенью деформации 1,5%, но не менее чем 1% и не более чем 3% и естественное старение. От Т451 отличается тем, что обязательно проводится незначительная правка после растяжки, чтобы обеспечть стандартные требования по допускам
Т5 – охлаждение от температур горячей деформации (или формообразования) и последующее искусственное старение. Используется для полуфабрикатов, не подвергаемых холодной деформации после охлаждения от температур горячей деформации или для которых влияние холодной деформации при прогладке или растяжке не оговаривается в технической документации. Практически, режим Т5 проходит как завершающая часть формирования полуфабриката штамповкой или вытягивания профиля, а , например, режим Т6 — отдельная технологическая операция.
Т6 – дисперсионное упрочнение путем закалки без полиморфного превращения и искусственного старения. Полуфабрикаты не подвергают холодной деформации после закалки или влияние холодной деформации при прогладке или правке не оговаривается в технической документации.
- Т61 – дисперсионное упрочнение путем закалки без полиморфного превращения и искусственного старения. Заготовки закаливаются в воду с температурой 80-85°С
- Т611 – закалка без полиморфного превращения на дисперсионное твердение, искусственное старение, низкие остаточные напряжения. Допустима незначительная правка после растяжки для обеспечения стандартных требований по допускам
- Т62 – закалка без полиморфного превращения, искусственное старение
- Т651 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, уменьшение остаточных напряжений после закалки путем деформации растяжением в среднем на 2%, но не менее чем 1,5% и не более чем 3%, и искусственное старение. Не производится дополнительное выравнивание после растяжки.
- Т6510 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, уменьшение остаточных напряжений после закалки путем деформации растяжением в среднем на 1,5%, но не менее чем 1% и не более чем 3%, и искусственное старение. Не производится дополнительное выравнивание после растяжки.
- Т6510 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, уменьшение остаточных напряжений после закалки путем деформации растяжением в среднем на 2%, но не менее чем 1,5% и не более чем 3%, и искусственное старение. Заготовки могут незначительно выравниваться до требований стандарта.
- Т652 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, деформационное сжатие 1,5-5% и искусственное старение на десперсионное упрачнение. Сжатиее направлено аксиально.
- Т66 – закалка и искусственное старение
Т7 – закаленное и перестаренное состояние. Перестаривание обеспечивает получение свойств за максимумом прочности на кривой старения при некоторых специально контролируемых характеристиках.
- Т71 – закалка и искусственное старение на дисперсионое твердение
- Т73 – аналог Т74
- Т7351 (Т74351) – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, уменьшение остаточных напряжений после закалки путем деформации растяжением в среднем на 2%, но не менее чем 1,5% и не более чем 3%, и искусственное старение на дисперсионное твердение. Плоский прокат не выравниванивается после растяжки.
- Т73510 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, уменьшение остаточных напряжений после закалки путем деформации растяжением в среднем на 1,5%, но не менее чем 1% и не более чем 3%, и искусственное старение на дисперсионное твердение. Заготовка не выравниванивается после растяжки.
- Т7311 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, уменьшение остаточных напряжений после закалки путем деформации растяжением в среднем на 2%, но не менее чем 1,5% и не более чем 3%, и искусственное старение на дисперсионное твердение. Заготовки могут минимально выравниваться до достижение значений, определяемых стандартом на допуски в размерах
- Т7352 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, деформационное сжатие 1-5% и искусственное старение на десперсионное упрочнение. Метод и направление сжатия согласовывается с заказчиком или потребителем
- Т736 – аналог Т74
- Т73651 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, уменьшение остаточных напряжений после закалки путем деформации растяжением в среднем на 2%, но не менее чем 1,5% и не более чем 3%, и искусственное старение на дисперсионное твердение
- Т736511 (Т73652) – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, растяжение 1-5% и искусственное старение на десперсионное упрачнение. Заготовка из сплава алюминия выравнивается до стандартных допусков на кривизну
- Т74 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения и искусственное старение для устойчивости с коррозии под напряжением
- Т7452 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, деформационное сжатие 1-5% и искусственное старение на десперсионное упрочнение.
- Т76 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения и искусственное старение на увеличение сопротивления расслаивающей коррозии алюминиевых сплавов
- Т761 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения и искусственное старение. Режим обработки Т7 требует тщательного контроля за параметрами старения: время, температура, скорость нагрева и т. д.
- Т761 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, уменьшение остаточных напряжений после закалки путем деформации растяжением в среднем на 2%, но не менее чем 1,5% и не более чем 3%, и искусственное старение на дисперсионное твердение
- Т7651 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, растяжение на 2%, но не менее чем 1,5% и не более чем 3% и искусственное старение на увеличение сопротивления расслаивающей коррозии и коррозии под напряжением алюминиевых сплавов. Плоский прокат не выравниванивается после растяжки.
- Т76511 – закалка на твердый раствор без полиморфного превращения, уменьшение остаточных напряжений после закалки путем деформации растяжением в среднем на 1,5%, но не менее чем 1% и не более чем 3%, и искусственное старение на дисперсионное твердение. Заготовка выравниванивается после растяжки.
Т8 – закалка, холодная деформация и последующее искусственное старение. Применимо для полуфабрикатов, подвергаемых холодной деформации для повышения прочности или для которых влияние холодной деформации при прогладке или растяжке оговаривается в технической документации.
Т9 – закалка, искусственное старение и последующая холодная деформация. Применимо для полуфабрикатов, подвергаемых в качестве конечной операции холодной деформации для повышения прочности.
Т10 – охлаждение от температур горячей деформации, холодная деформация и последующее искусственное старение. Применимо для полуфабрикатов, подвергаемых холодной деформации для повышения прочности или для которых влияние холодной деформации при прогладке или растяжке оговаривается в технической документации.

4 типа термической обработки

Термическая обработка — это процесс, в котором используется контролируемый нагрев и охлаждение для изменения кристаллической структуры металлов и металлических сплавов. В зависимости от материала и процесса обработки термообработка может обеспечить многочисленные преимущества, включая повышенную твердость, повышенную термостойкость, большую пластичность и повышенную прочность материала. Термическая обработка является критическим аспектом процессов изготовления металлов, поскольку она позволяет материалам приобретать желаемые физические и механические свойства без изменения формы изделия.

С.М. Компания Engineering & Heat Treating рада предложить различные печи для использования в широком спектре термообработки, включая отжиг, закалку, закалку и снятие напряжений. Наши печи для отжига и термообработки мирового класса имеют конфигурации с сохранением атмосферы, передовые цифровые микропроцессоры и различные конструкции с низкой точкой росы, идеально подходящие для многочисленных процессов термообработки металлов.

Какие существуют 4 типа процессов термообработки?

Общие типы методов термической обработки включают отжиг, закалку, закалку и снятие напряжения, каждый из которых имеет свой собственный уникальный процесс для получения различных результатов.

Отжиг

Отжиг — это процесс термической обработки, используемый для изменения микроструктуры металла с целью улучшения его пластичности при одновременном снижении внутреннего напряжения и общей твердости. Это позволяет материалу легче формоваться без растрескивания. Этот процесс особенно полезен для сталей, которые могут быть слишком твердыми или хрупкими для процессов формовки.

Процесс отжига включает нагрев металла до температуры, при которой кристаллическая структура становится жидкой, но металл остается в твердом состоянии. Металл выдерживается при этой температуре, что позволяет любым дефектам материала восстанавливаться. Затем металлу дают медленно остыть до комнатной температуры, чтобы получить более пластичную кристаллическую структуру.

Закалка

Закалка Термическая обработка используется для повышения твердости поверхности металла путем нагревания и быстрого охлаждения. Материал нагревается в закалочной печи до температуры, которая трансформирует его внутреннюю структуру, не расплавляя его. Затем металл выдерживают при этой температуре в течение одного часа на каждый дюйм толщины с последующим быстрым охлаждением. Процесс быстрого охлаждения создает более твердую и стабильную кристаллическую структуру.

Закалка

Закалка конкретно относится к термической обработке, основанной на быстром охлаждении металла для достижения желаемых физических или механических свойств. Нагретые материалы часто охлаждают в масле, но их также можно охлаждать воздухом, водой и рассолом, в зависимости от материала и желаемых качеств.

Как и в других процессах термообработки, металл нагревают до точки ниже точки плавления, при которой кристаллическая структура является жидкой. Его выдерживают в течение определенного периода времени, в зависимости от желаемых свойств, а затем закаливают в одной из вышеперечисленных сред для снижения температуры материала и установления необходимой внутренней структуры.

Снятие напряжения

Процессы снятия напряжения включают нагрев материала выше точки, где трансформируется внутренняя структура, а затем его охлаждение на воздухе с определенной скоростью. Этот процесс позволяет конструкции стать более стабильной, снижая внутреннее напряжение и повышая прочность и твердость металла. Это особенно полезно для металлов, которые подвергались процессам формования, вызывающим напряжения, таким как механическая обработка, правка и прокатка.

С.М. Инжиниринг и термообработка готовы удовлетворить ваши потребности

В С.М. Engineering & Heat Treatment, мы предоставляем нашим клиентам печи высшего качества, подходящие для широкого спектра процессов термообработки и материалов. Нужна ли вам простая печь для отжига или печь для закалки для специальных сплавов, у нас есть оборудование и знания, необходимые для того, чтобы у вас было идеальное решение для термообработки, соответствующее вашим потребностям. Чтобы узнать больше о нашем ассортименте промышленных технологических печей, свяжитесь со специалистами компании S.M. Инжиниринг и термообработка сегодня или запросите расценки.

Термическая обработка 101: Грунтовка

Производство прецизионных зубчатых передач в значительной степени зависит от термообработки как основной компетенции.

Шестерни играют важную роль в работе многих продуктов, на которые мы полагаемся в повседневной жизни. Когда мы думаем о шестернях, мы обычно разделяем их на две категории: передающие движение и передающие энергию. Шестерни, несущие движение, обычно изготавливаются из цветных металлов или пластмасс, а шестерни силовой передачи обычно изготавливаются из ферросплавов. Основное внимание здесь уделяется термообработке зубчатых колес, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации.

Чтобы понять важность термообработки, рассмотрим модель материаловедения (рис. 1), представленную в виде ряда взаимосвязанных колец, подчеркивающих взаимозависимость каждого элемента модели. Мы видим, что конечное использование работоспособности изделия определяется его механическими, физическими и металлургическими свойствами, которые определяются микроструктурой детали, полученной в результате конкретного процесса термической обработки.

Рисунок 1: Модель материаловедения

Из этой модели становится ясно, что производство прецизионных зубчатых передач в значительной степени зависит от термообработки как основной компетенции. Его вклад жизненно важен для контроля затрат, долговечности и надежности. Термическая обработка составляет значительную часть — около 30% — стоимости изготовления типичных зубчатых колес (рис. 2). Если его не понять и не контролировать должным образом, это может оказать существенное влияние на все аспекты процесса производства зубчатых колес (рис. 3).

Рисунок 2: Типичные затраты на производство зубчатых колес. Они необходимы для изготовления качественного снаряжения.

Отжиг

Отжиг состоит из нагрева и выдержки при подходящей температуре с последующим охлаждением с соответствующей скоростью, в первую очередь предназначенным для размягчения детали и улучшения ее обрабатываемости. Сверхкритический или полный отжиг включает в себя нагрев детали выше верхней критической температуры (AC3) — это температура, при которой аустенит начинает превращаться в феррит во время охлаждения, а затем медленное охлаждение в печи примерно до 600ºF. Межкритический отжиг включает нагрев детали до температуры выше конечной температуры превращения (AC1), температуры, при которой при нагреве начинает образовываться аустенит. При докритическом отжиге деталь нагревается чуть ниже точки AC1 с последующим медленным охлаждением в печи. Скорость разупрочнения быстро возрастает по мере приближения температуры отжига к части AC1.

Нормализация

Нормализация включает нагрев детали выше верхней критической температуры и последующее охлаждение на воздухе вне печи для снятия остаточных напряжений в заготовке зубчатого колеса и стабильности размеров. Нормализация часто рассматривается как с термической, так и с микроструктурной точек зрения. В термическом смысле нормализация представляет собой аустенизацию с последующим охлаждением в неподвижном или слегка перемешиваемом воздухе или азоте. В микроструктурном смысле нормализация дает более однородную структуру. Нормализованная деталь хорошо поддается механической обработке, но тверже, чем отожженная. Нормализация также играет важную роль в контроле изменения размеров во время науглероживания.

Снятие напряжения

Снятие напряжения включает нагрев до температуры ниже нижней температуры превращения, как при отпуске, выдержку в течение достаточно долгого времени для снижения остаточного напряжения и достаточно медленное охлаждение, обычно на воздухе, для минимизации развития новых остаточных напряжений. Термическая обработка для снятия напряжения используется для снятия внутренних напряжений, заблокированных в шестерне в результате производственного этапа.

Процессы закалки

Различные процессы термообработки предназначены для повышения твердости зубчатых колес. Они обычно включают нагрев и охлаждение и обычно классифицируются как закалка путем цементации, поверхностная закалка (науглероживание, карбонитрация, азотирование, нитроцементация) и закалка с применением энергии (пламя, лазер, индукция).

Сквозная или прямая закалка

Сквозная или прямая закалка относится к методам термической обработки, при которых не образуется корпус. Примерами зубчатых сталей со сквозной закалкой являются AISI 1045, 4130, 4140, 4145, 4340 и 8640. Важно отметить, что не следует предполагать однородность твердости по всему зубу шестерни. Поскольку внешняя часть шестерни охлаждается быстрее, чем внутренняя, возникает градиент твердости. Окончательная твердость зависит от количества углерода в стали; глубина твердости зависит от прокаливаемости стали, а также жесткости закалки.

Сквозная закалка может выполняться до или после нарезки зубьев шестерни. Когда зубья шестерни нарезаются после закалки детали, важными факторами становятся поверхностная твердость и обрабатываемость, особенно в свете того факта, что механическая обработка удаляет часть или большую часть материала с более высокой твердостью до аустенитного диапазона, обычно от 815 до 875 °C. от 1500 до 1600°F), с последующей закалкой и отпуском.

Цементация

Цементация позволяет получить твердую износостойкую оболочку или поверхностный слой поверх пластичного ударопрочного внутреннего слоя или сердцевины. Идея поверхностного упрочнения состоит в том, чтобы поддерживать сердцевину зуба шестерни на уровне от 30 до 40 HRC, чтобы избежать поломки зуба, при этом упрочняя внешнюю поверхность для повышения устойчивости к точечной коррозии. Чем выше значение поверхностной твердости, тем выше сопротивление точечной коррозии. Прочность на изгиб увеличивается для твердости поверхности примерно до 50 HRC, после чего увеличение прочности на изгиб компенсируется увеличением чувствительности к надрезам.

Науглероживание

Науглероживание является наиболее распространенным методом поверхностного упрочнения. Надлежащим образом науглероженная шестерня способна выдерживать на 30-50% больше нагрузки, чем шестерня со сквозной закалкой. Науглероженные стали обычно представляют собой легированные стали с содержанием углерода примерно от 0,10% до 0,20%. Примеры обычно науглероженных сталей включают AISI 10148, 4320, 5120, 8620 и 9310, а также международные марки, такие как 20MnCr5, 16MnCr5, ZF-7B, 20MoCr4 и V2525.

Науглероживание можно проводить в диапазоне температур 1475–2000°F (800–1090°С). Общепринятая отраслевая практика сегодня показывает, что большинство операций науглероживания происходят при 1600-1850°F (от 870 до 1010°C). Глубина науглероживания может варьироваться в широком диапазоне от 0,005 до 0,25 дюйма (от 0,13 до 8,25 мм). Однако процесс нитроцементации обычно используют для гильз глубиной менее 0,015 дюйма (0,4 мм).

Карбонитрация

Карбонитрация является модификацией процесса науглероживания, а не формой азотирования. Эта модификация состоит во введении аммиака в атмосферу науглероживания для добавления азота в науглероженный корпус по мере его производства. Примеры зубчатых сталей, которые обычно азотируют, включают AISI 1018, 1117 и 12L14.

Как правило, карбонитрация проводится при более низкой температуре, чем науглероживание, или между 1330-1650°F (700-900°C) и в течение более короткого времени. Поскольку азот препятствует диффузии углерода, обычно получается более поверхностный слой, чем типичный для науглероженных деталей. Глубина карбонитрированного корпуса обычно составляет 0,003–0,030 дюйма (0,075–0,75 мм).

Азотирование

Азотирование — это еще один процесс обработки поверхности, повышающий твердость поверхности. Поскольку быстрая закалка не требуется, изменение размеров сведено к минимуму, что является большим преимуществом. Подходит не для всех материалов шестерен. Одним из его ограничений является чрезвычайно высокая твердость поверхности или образующийся «белый слой», который имеет более хрупкий характер, чем поверхность, полученная путем науглероживания. Несмотря на это, азотирование оказалось жизнеспособной альтернативой для многих применений. Обычно нитридные зубчатые стали включают AISI 4140, 4150, 4340, 7140, 8640 и AMS 6475 (Nitralloy N).

Азотирование обычно проводят в диапазоне температур 925–1050°F (495–565°C). Три фактора, которые чрезвычайно важны для производства высококачественных и стабильных нитридных корпусов и предсказуемого изменения размеров, — это состав стали, исходная структура и твердость сердцевины. Глубина слоя и свойства твердости слоя изменяются не только в зависимости от продолжительности и типа выполняемого азотирования, но также зависят от этих факторов. Как правило, глубина корпуса составляет от 0,008 до 0,025 дюйма (0,20–0,65 мм), а на изготовление уходит от 10 до 80 часов.

Нитроцементация

Нитроцементация является модификацией азотирования, а не формой цементации. Здесь в сталь одновременно вводят азот и углерод, пока она находится в ферритном состоянии, то есть при температуре ниже той, при которой при нагреве начинает образовываться аустенит. В процессе образуется очень тонкий «белый» или составной слой, а также нижележащая диффузионная зона. Как и при азотировании, быстрая закалка не требуется. Примеры зубчатых сталей, обычно подвергаемых азотированию, включают AISI 1018, 1141, 12L14, 4140, 4150, 5160, 8620 и некоторые инструментальные стали.

Нитроцементация обычно выполняется при 1025-1110°F (550-600°C) и может быть использована для получения эквивалентной минимальной твердости 58 HRC, причем это значение увеличивается в зависимости от основного материала. Глубина белого слоя находится в диапазоне от 0,00005 до 0,0022 дюйма (от 0,0013 до 0,056 мм) с типичными зонами диффузии от 0,0013 до 0,032 дюйма (0,03–0,80 мм).

Закалка с применением энергии

В производстве зубчатых колес используются различные методы закалки с использованием энергии, включая закалку пламенем, лазерную закалку поверхности и индукцию.

Закалка пламенем

Закалка пламенем может использоваться как для малых, так и для больших зубчатых колес либо путем вращения, либо методом постепенного нагрева. В методе прогрессивного нагрева пламя постепенно нагревает шестерню перед пламенной головкой. Иногда этот эффект необходимо компенсировать постепенным увеличением скорости движения или предварительным охлаждением. С помощью этого метода можно закалить широкий спектр материалов для зубчатых колес, включая простые углеродистые стали, науглероживающие марки, чугуны и некоторые марки нержавеющей стали.

Основные рабочие параметры: скорость перемещения пламенной головки или вилки; скорость пламени и соотношение кислорода и топлива; расстояние от внутреннего конуса пламени или газовой горелки до рабочей поверхности; тип, объем и угол закалки. Успех многих операций закалки пламенем для небольших производственных циклов зависит от навыков оператора.

Лазерная закалка поверхности

Лазерная закалка поверхности используется для улучшения механических свойств и поверхностной твердости деталей машин, подвергающихся высоким нагрузкам, таких как зубчатые колеса. Использование лазеров для обработки поверхности относительно ограничено из-за высокой стоимости крупных промышленных лазеров и полосы материала шириной 0,16–0,20 дюйма, который можно упрочнить без многократного перекрытия проходов. Лазеры не очень эффективны с энергетической точки зрения, что увеличивает расходы. Материалы шестерен, такие как AISI 1045, 4340 и чугуны (серые, ковкие и пластичные), являются хорошими кандидатами для этой технологии.

Индукционная закалка

Индукционная закалка обычно используется при термической обработке зубчатых колес. Этот процесс использует переменный ток для нагрева поверхности зуба шестерни. Затем область закаливают, что приводит к увеличению твердости в нагретой области. Как правило, это достигается за относительно короткий период времени. Тип стали, ее предыдущая микроструктура и желаемые рабочие характеристики зубчатого колеса определяют требуемый профиль твердости и результирующую прочность зубчатого колеса и распределение остаточного напряжения. Внешние прямозубые и косозубые, конические и червячные передачи, рейки и звездочки обычно подвергаются индукционной закалке. Типичные зубчатые стали включают AISI 1050, 1060, 4140, 4150, 4350 и 5150, снятие напряжения или отпуск как можно скорее после индукционной закалки снижает риск растрескивания.

Твердость, создаваемая индукционным нагревом, зависит от типа и формы используемого индуктора, а также от режима нагрева. Одним из методов индукционной закалки зубчатых колес является использование катушки, окружающей деталь. На практике этот кольцевой индуктор упрочняет зубья от кончиков вниз. В то время как этот шаблон приемлем для шлицев и некоторых зубчатых передач, более тяжело нагруженные шестерни, где проблемой является точечная коррозия, выкрашивание, усталость зуба и износостойкость, нуждаются в модели твердости, более похожей на ту, которая встречается в науглероженном корпусе. Этот тип индукционной закалки называется контурной закалкой и производится методом «зуб за зубом» или «зазор за зазором» с применением либо одиночного, либо сканирующего режима. Однородность рисунка очень чувствительна к расположению катушки.

Альтернатива, имеющая тот же эффект, что и упрочнение контура, использует двойную частоту. Предварительный нагрев с частотой 3 или 10 кГц доводит температуру сердцевины чуть ниже температуры аустенизации. Затем единица переключается на среднюю или высокую частоту в зависимости от требований передачи. Преимуществом этого метода является более короткое время цикла. В очень большом редукторе контурный нагрев будет более рентабельным, так как змеевики становятся очень дорогими по мере увеличения их размера.

Процессы пост-закалки

После закалки зубчатые колеса обычно проходят несколько этапов термической и механической обработки.

Отпуск

Любая температура ниже нижней критической температуры (AC1) может быть использована для отпуска, но конечная температура отпуска определяется балансом твердости, прочности и ударной вязкости, необходимых при эксплуатации. Отпуск в диапазоне 300–400 °F (150–200 °C) является обычным для зубчатых передач, что приводит к небольшому увеличению ударной вязкости, достаточному для большинства применений, требующих высокой прочности и сопротивления усталости, когда нагрузка в основном является сжимающей. Иногда зубчатые колеса подвергают двойному отпуску, чтобы обеспечить завершение реакции отпуска и повысить стабильность полученной микроструктуры.

Обработка при отрицательных температурах

В настоящее время используются два типа криогенной обработки: «поверхностное» охлаждение при -120°F (-85°C) и «глубокое» охлаждение при -300°F (-185°C). В некоторых случаях эта обработка сочетается с последующим отпуском.

Целью криогенной обработки является преобразование остаточного аустенита и повышение твердости после закалки. Кроме того, часто достигается лучшая размерная стабильность. Конечной целью обработки при отрицательных температурах является повышение износостойкости, увеличение усталостной долговечности при изгибе и минимальное остаточное напряжение. Использование криогенной обработки сегодня является обычным явлением для высокопроизводительных зубчатых передач.

Дробеструйная обработка

Дробеструйная обработка — это процесс холодной обработки, при котором поверхность зубчатого колеса бомбардируется мелкими сферическими частицами, называемыми дробью. Дробеструйная обработка — это контролируемый процесс, в котором размер, форма и скорость среды тщательно отслеживаются и контролируются. Обычным требованием для дробеструйной обработки зубчатых колес является упрочнение корней зубьев с допустимым избыточным распылением на боковых сторонах. Дробеструйную обработку не следует путать с дробеструйной очисткой.

Дробеструйная обработка вызывает остаточное сжимающее напряжение на поверхности зубчатого колеса, тем самым улучшая усталостные свойства зуба при изгибе. Остаточное сжимающее напряжение компенсирует приложенное растягивающее напряжение, которое может привести к разрушению материала при изгибе.

Выбор материала

В шестернях силовой передачи используются самые разные стали и чугуны. Для всех зубчатых колес выбор материала должен производиться только после тщательного рассмотрения характеристик, требуемых конечным применением, и общей стоимости изготовления, принимая во внимание такие вопросы, как экономичность обработки. Ключевые соображения конструкции требуют анализа типа приложенной нагрузки, постепенной или мгновенной, и желаемых механических свойств, таких как усталостная прочность на изгиб или износостойкость, которые определяют прочность сердцевины и требования к термообработке.

Различные области профиля зубьев шестерни требуют различных услуг. Необходимо учитывать силы, которые будут действовать на зубья шестерни, при этом первостепенное значение имеют изгиб зубьев и контактное напряжение, устойчивость к задирам и износу, а также вопросы усталости. Например, в области корня желательны хорошая поверхностная твердость и высокое остаточное сжимающее напряжение для повышения выносливости или усталостной долговечности при изгибе. При диаметре шага необходимо сочетание высокой твердости и адекватной внутренней прочности, чтобы выдерживать контактное напряжение и износ, а также предотвращать выкрашивание.

Многочисленные факторы, влияющие на усталостную прочность, в том числе:

Распределение твердости в зависимости от поверхностного упрочнения, глубины поверхностного слоя, твердости сердцевины
Микроструктура в зависимости от процентного содержания остаточного аустенита, размера зерна, карбидов (размер, тип, распределение), немартенситных фаз.
Контроль дефектов в зависимости от остаточного напряжения сжатия, чистоты поверхности, геометрии, межкристаллитной вязкости

В общей производственной схеме должна существовать синергетическая взаимосвязь между процессом выбора материала, инженерным проектированием и производством, как показано в модели зубчатой передачи (рис. 4). Баланс приоритетов в каждой дисциплине должен быть достигнут, чтобы оптимизировать конечные характеристики конструкции зубчатой передачи. Часто это непростая задача.

Рисунок 4: Модель зубчатой передачи

Хотя материал составляет лишь небольшой процент (около 10%) стоимости изготовления типичной шестерни, выбор материала должен представлять собой идеальное сочетание стоимости сырья и эксплуатационных характеристик. Понимание процесса выбора можно найти в Таблице 1 для обычных сталей. Знание функции каждого из легирующих элементов, присутствующих в материале, и их влияния на физические свойства сплава имеет решающее значение при выборе материала. Свойства, которые должны быть сбалансированы при выборе материала, включают прочность на растяжение, предел текучести и ударную вязкость, а также относительное удлинение.

Таблица 1: Руководство по материалам шестерен в зависимости от конечного использования

Для многих зубчатых передач желательна твердость сердцевины, то есть центра поперечного сечения зуба шестерни, в диапазоне от 30 до 40 HRC. Для достижения этой твердости при выборе материала необходимо учитывать размер сечения детали и размер шага зубчатого колеса. Если твердость сердечника слишком низкая, он не выдержит корпус при высокой нагрузке; если слишком высокое, может произойти «выкрашивание» зубьев шестерни на границе корпуса и сердечника.

Вспомогательные средства выбора материала (рис. 5 и рис. 6) помогают определить влияние размера сечения детали и шага зубчатого колеса. Они позволяют использовать данные о прокаливаемости материала по Джомини, основанные на испытании на закалку в воде, для получения надежных значений твердости сердцевины, когда материал подвергается закалке маслом или газом под высоким давлением. Тем не менее, при первом использовании этих таблиц необходимо провести проверку путем тестирования реальных образцов, чтобы убедиться, что твердость сердцевины верна.

Рисунок 5: Помощь при выборе материала (T-образная шестерня)Рисунок 6: Помощь при выборе материала (неразрезная передача) Таблица 2: Данные о прокаливаемости выбранного материала

Для иллюстрации этой процедуры выбора можно использовать зубчатое колесо или шестерню, типичную Т-образную форму с размером шага 4. Можно рассматривать любые материалы, но здесь сравниваются два материала с ограниченной прокаливаемостью, 8620RH и 8822RH. В таблице 2 представлены данные Джомини для этих сталей. На рисунке 5 выбрано значение горизонтальной оси для диаметрального шага, равное 4, и линия продлевается до пересечения с кривой для линии шага. Расстояние Джомини по вертикальной оси составляет приблизительно J4,5. Из Таблицы 2 выбирается материал, который лучше всего соответствует желаемому диапазону твердости сердцевины 30–40 HRC.