Термическая обработка металлов и сплавов (стр. 1 из 3). Термообработка металла

Термическая обработка стали и металлов

Основные свойства и качества металла определяются его структурой. Термическая обработка – наиболее распространенный способ воздействия на материал, который используется для изменения его структуры а, следовательно, и свойств. Как проводится термическая обработка стали и металлов – основные виды технологического процесса, и для каких целей используется этот вид обработки? Все эти знания можно получить, ознакомившись с основами технологии металлов – отрасли науки, изучающей приемы и способы создания и обработки металлических материалов.

Немного истории

Еще в древние времена мастера кузнецких дел использовали самые примитивные методы закалки. Для этого раскаленный кусок железа погружали в воду, масло или вино. Но время шло, и вместе с опытом развивались и способы закаливания металла.

В начале XIX века хрупкий чугун помещали в емкость со льдом и засыпали сахаром. После процесса нагревания продолжавшегося в течение 20 часов, чугун становился мягким и легко поддавался ковке.

Середина XIX века знаменательна тем, что русский изобретатель металлург Д. К. Чернов совершил выдающееся открытие. Он установил, что при смене температуры металл изменяет свои свойства.

Дмитрий Константинович Чернов стал основоположником науки изучающей свойства металлов –  материаловедения.

В чем заключаются преимущества термообработки?

При проведении термической обработки улучшаются свойства металла, что очень ценно в масштабах современного промышленного производства. К основным преимуществам термообработки можно отнести:

• повышение износостойкости, а значит продление срока годности изделий из обработанного металла;
• значительное уменьшение процента бракованных изделий;
• экономия средств и ресурсов на производстве в результате повышения прочности и улучшения качественных характеристик деталей промышленного оборудования.

Суть термической обработки состоит в соблюдении определенной последовательности технологических операций по нагреву, выдержки и охлаждения металла.

Благодаря чему материалы приобретают иные физико-математические свойства за счет воздействия температур и изменения структуры металла.

Принципы обработки

Основной принцип – суммарное время термообработки на заготовку равняется времени необходимому на ее нагрев до требуемой температуры, времени выдержки металла под нужной температурой и способа охлаждения.

Время и степень нагрева материала определяется индивидуально, они зависят от нескольких факторов:

• размера обрабатываемой детали;
• вида металла;
• типа печи, в которой обрабатывается заготовка;
• скорости преобразования свойств материала.

Ознакомиться с основными видами и способами термической обработки можно на примере такого металла, как сталь. В современной промышленности сталь является самым востребованным видом металла. Она используется при изготовлении как массивных конструкций, так и при создании сверхточных инструментов.

Изобретение этого материала стало возможным в результате получения сплава железа и углерода. Содержание углерода в стальном сплаве составляет не более 2,1%. Как производится термическая обработка стальных изделий?

Термическая обработка металлов

Классификация и виды термообработки

Существует несколько видов термической обработки стали:

• термическая – характеризуется исключительно температурным воздействием на свойства металлов;
• термомеханическая обработка – сочетание воздействия температуры и пластической деформации заготовки;
• химико-термическая обработка – представляет собой совокупность температурного воздействия с химическими веществами.

В зависимости от структуры стали, виды термической обработки подразделяются следующим образом:

• процесс отжига;
• нормализация;
• закалка;
• обработка холодом;
• отпуск.

Термическая обработка стали проводится для придания металлу свойств, необходимых при промышленной эксплуатации изделий, например, повышенной прочности. А также при технологических процессах, когда термическая обработка является промежуточной операцией, а не завершающей.

Это требуется когда необходимо осуществить понижение твердости стали для последующей обработки. Уменьшение твердости требуется при обработке начальных заготовок из стали. Для обработки же готовых деталей используются процессы, способствующие повышению их прочности, износостойкости и твердости.

Общее определение и виды отжига

В процессе литья, ковки и прочих операций, применяемых для изготовления заготовок, металл приобретает неоднородную структуру, появляются внутренние напряжения.

Неоднородность химического состава отливок вызывает дефекты и для его устранения применяется процесс отжига. Принцип этого способа состоит в том, что заготовку или деталь нагревают до определенной температуры, а затем производится процесс медленного охлаждения.

Отжиг также подразделяется на несколько режимов:

• отжиг 1-го рода – диффузионный, рекристаллизационный, уменьшающий напряжение металла;
• отжиг 2-го рода – полный, неполный, изотермический.

Описание отжига 1-го рода

Целью проведения термических операций, относящихся к 1 типу отжига, является устранение неоднородности и неравновесия структуры стали возникших в результате предшествующих технологических обработок. Исходя из состояния заготовки, к нему могут применяться следующие процессы:

• снятие внутренних напряжений;
• рекристаллизация;
• гомогенизация (диффузионный отжиг).

Отжиг 1-го рода применяется по отношению к любому виду металла или сплава, его проведение не влечет за собой какие-либо фазовые превращения. Решающими факторами этого способа термообработки стали являются: высокая температура нагрева и время выдержки металла при этой температуре.

Диффузионный отжиг или гомогенизация

Смысл диффузионного отжига заключается в нагреве заготовки до температуры не менее 1000˚C, выдержке при высоких температурах от 8 до 15 часов и постепенном охлаждении. В результате длительного воздействия нагрева ускоряются диффузионные процессы, благодаря чему структура металла становится более однородной.

При обработке этим методом легированной стали удается добиться ее пластичности, что значительно облегчает ее дальнейшую механическую обработку.

К недостаткам диффузионного метода относится – возможность возникновения следующих побочных эффектов:

• ухудшение механических свойств стали ввиду роста зерна;
• появление вторичной неоднородности и пористости;
• возникновение коагуляции избыточных фаз.

По этой причине гомогенизация считается предварительной обработкой.

После нее рекомендуется провести полный отжиг или нормализацию стали.

Отжиг методом рекристаллизации

В процессе проведения холодной пластической деформации в структуре стали может возникнуть неоднородность, а также изменения размеров и формы кристаллов и рост внутреннего напряжения металла.

Для устранения подобных явлений применяется рекристаллизационный способ отжига. Рекристаллизационный отжиг может быть двух видов: упрочняющий и смягчающий.

Смягчающий способ часто используется в качестве окончательной обработки – для улучшения пластичных свойств при сохранении достаточной прочности металла.

Упрочняющий вид отжига применяется для улучшения упругости таких деталей, как мембраны или пружины.

В промышленности рекристаллизационный тип отжига применяется в качестве предварительной обработки перед обработкой металла методом холодного давления, а также для окончательной обработки деталей для закрепления необходимых свойств.

Уменьшение напряжений металла (низкий отжиг)

Остаточное напряжение металла является побочным явлением литья, ковки или некоторых видов термической или механической обработки и способны вызвать разрушение металла. Низкий отжиг применяется для того, чтобы полностью или частично снять эти напряжения.

Метод состоит в том, что отжиг совершается при температурном режиме ниже 700˚C на протяжении примерно 20 часов. Этого времени достаточно для практически полной ликвидации остаточных напряжений.

Промышленная термообработка

Особенности отжига 2-го рода

При обработке стали методами отжига 2-го рода происходит полное или частичное изменение структуры материала. Происходит этот процесс из-за двойной перекристаллизации, благодаря которой размеры зерен уменьшаются, а также происходит устранение внутренних напряжений.

В промышленном производстве этот вид отжига используется при проведении предварительной или окончательной обработки заготовки.

Существуют следующие виды отжига 2-го рода:

• полный;
• неполный;
• сфероидизирующий отжиг;
• изотермический.

Значение полного отжига

Эта технология применяется для создания мелкозернистой структуры стальных заготовок, произведенных методом ковки, литья или горячей штамповки. В результате обработки материал становится пластичным, исчезает внутреннее напряжение. Сталь приобретает однородную мелкозернистую структуру.

Методом полного отжига обрабатывается сталь, предназначенная для последующей обработки резанием и закаливания изделия.

При проведении полного отжига температура нагрева превышает установленные критические показатели на 40–50˚C.

Процесс неполного отжига

При этом виде термической обработки стали фазовые превращения, как правило, отсутствуют или проявляются в количестве, не имеющем какого-либо влияния на результат. Изделия или заготовки из стали подвергаются нагреву при температурах выше нижнего критического уровня. После выдерживания в нагретом состоянии в течение определенного времени, металл медленно охлаждается.

Отжиг на зернистый перлит (сфероидизация)

Сфероидизирующий отжиг широко используется для термообработки углеродистой и легированной инструментальной стали. Металл нагревается примерно на 30˚C выше критической точки, и выдерживают установленное количество времени. До 600˚C процесс охлаждения проходит очень медленно в печи, затем сталь остывает на воздухе. Благодаря такому способу обработки удается получить зернистую (округлую) форму перлита, что значительно облегчает обработку резанием заготовки.

Изотермический отжиг

Суть изотермического отжига стали заключается в накаливании металла, его быстрого охлаждения до определенного температурного уровня и выдержки до распада аустенита.

Далее, охлаждение продолжают на открытом воздухе.

Структура стали при использовании этого метода становится более однородной, как при полном отжиге. Преимущество изотермического способа заключается в том, что по сравнению с полным отжигом весь технологический процесс занимает меньше времени. Изотермическая обработка применяется в основном для отжига небольших изделий – штамповок, заготовок для инструментов.

Нормализация стали

Процесс представляет собой нагрев стали, с небольшой выдержкой в определенном температурном режиме и с последующим охлаждением на воздухе, а не в печи.

Широко используется в качестве промежуточной обработки стали для улучшения структуры металла перед его закалкой, и для его смягчения перед резанием. По своей сути нормализация напоминает процесс отжига.

В основном процесс нормализации применяется для термической обработки углеродистых сталей. В результате отпадает необходимость в закалке стали со средним содержанием углерода.

В ходе обработки наступает полная перекристаллизация стали и устраняется крупнозернистость структуры. А также нормализацию часто применяют для термообработки низкоуглеродистой стали вместо полного отжига. Для стальных сплавов с высоким содержанием углерода полный отжиг необходим.

Закалка стали

Закалка – способ термической обработки стали, в процессе которого производится нагрев металла приблизительно до 900˚C, определенной выдержки и последующего очень быстрого охлаждения. Благодаря такой технологии повышается прочность и износостойкость сплава, и улучшение его других физико-механических характеристик.

Для проведения успешной термической обработки правильный выбор закалочной среды имеет большое значение.

Наиболее часто для проведения закалки используется:

• вода;
• солевые растворы;
• едкие щелочные материалы;
• технические масла.

Масло один из материалов используемый для закалки металла

Закаливаемость и прокаливаемость стали

Для закалки характерны следующие показатели – закаливаемость и прокаливаемость материала:

• Закаливаемость определяет твердость, которую приобретает сталь после проведения закалки. Твердость имеет прямую зависимость от содержания углерода в обрабатываемом металле. Например, к материалу с содержанием углерода ниже 0,3% закалка не применяется ввиду ее неэффективности.
• Прокаливаемость определяет глубину, на которую распространяется область закалки. Этот показатель зависит от химического состава стали, а также от скорости охлаждения. Чем быстрее происходит охлаждение металла, тем глубже прокаливается заготовка. Содержание углерода также имеет влияние на этот показатель – чем выше его содержание, тем больше степень прокаливания. Размер заготовки или детали являются еще одним фактором, определяющим глубину обработки – большим деталям требуется больше времени для остывания, следовательно, и прокаливание распространится на меньшую глубину.

Влияние способов охлаждения на закалку

В зависимости от способа охлаждения стали закалка классифицируется следующим образом:

• Закалка в одной среде – самый простой и наиболее часто применяемый в промышленности способ термообработки. Главным его недостатком является возможность возникновения внутренних напряжений металла.
• Закалка в двух средах – при использовании этого метода материал охлаждают попеременно в двух жидкостях. Для процесса могут быть использованы вода и масло.
• Изотермическая закалка – принцип этого метода аналогичен ступенчатой закалке. Для охлаждения материала используется расплавленная соль или масло. Этот вид закалки широко используется для заколки небольших деталей – шайбы, пружины, болты.
• Ступенчатая закалка – производится охлаждение изделия с помощью соляного раствора, имеющего температуру 200–300˚C. После определенного периода выдержки проводится окончательное остывание стали на открытом воздухе. Ступенчатая закалка способствует снятию внутренних напряжений и уменьшает возможность появления трещин.

В чем заключается процесс отпуска стали?

Отпуск – это вид завершающей стадии термической отделки стали, во время которого происходит окончательное формирование структуры материала. Процесс отпуска состоит из нагрева до температуры ниже критической точки, за которым следует охлаждение.

Сам процесс подразделяется на три вида:

• Низкий отпуск – происходит при температурном режиме 150–250˚C. При протекании процесса низкого отпуска происходит уменьшение внутренних напряжений и хрупкости металла, а вязкость стали немного повышается. Твердость при этом остается практически неизмененной.
• Средний отпуск – характеризуется тем, что процесс проходит при температуре от 350 до 450 ˚C. Отличие от других видов отпуска состоит в том, что твердость детали уменьшается, а вязкость значительно увеличивается. Используется для обработки деталей, которые при эксплуатации испытывают умеренные ударные нагрузки.
• Высокий отпуск – производится при соблюдении температурного интервала от 500 до 650˚C, с последующим постепенным охлаждением. Внутренние напряжения материала при этом практически устраняются. Прочность и пластичность при этом виде обработки имеют высокие характеристики в сочетании с достаточной твердостью металла. Высокий отпуск применяется для углеродистых и легированных видов заготовок, предназначенных для изготовления валов, шестерней.

Криогенная обработка

Отделка холодом также относится к способам термической обработки. Производится операция после проведения закалки методом охлаждения в специальных криогенных камерах при отрицательных температурах в течение установленного времени. После этого состояние детали возвращается к комнатной температуре. Криогенная отделка позволяет увеличить износостойкость и прочность изделий, а также повышает стойкость к коррозии.

Из всего вышеизложенного  следует один важный вывод – термообработка стали является неотъемлемой частью современной промышленности.

Видео: Теория термической обработки стали

promzn.ru

Термическая обработка металла

Термическая обработка металлов - это процесс температурного воздействия на сплав, с целью изменения его структуры и (или) свойств. Термообработка применяется для изменения структуры и свойств как железоуглеродистых сплавов, так и цветных сплавов.

Основные виды термической обработки металлов

Термическая обработка металла представляет собой не только упрочнение. Во многих случаях применяется разупрочняющая термическая обработка или термообработка на определенную структуру. Для смягчения стали перед холодной пластической деформацией (ХПД) в большинстве случаев делается отжиг с полной перекристаллизацией сплава. Для улучшения обрабатываемости резанием металла применяется нормализация, отжиг на зернистый перлит или улучшение. Отжиг на зернистый перлит применяется и для получения требуемого комплекса механических свойств перед высадкой или холодной штамповкой. Перед волочением проволоки из некоторых марок сталей делается патентирование на трооститную структуру.

Термическая обработка металлов подразделяется на следующие виды:

1. Объёмная термообработка металла - применяется для получения определенной структуры или свойств по всему сечению детали или заготовки.

Основные виды объёмной термической обработки сталей и сплавов:

а) Закалка стали (сплава)

б) Отжиг и нормализация стали (сплава)

в) Отпуск стали или старение сплава

2. Локальная термическая обработка - применяется для получения структуры или свойств в определённом объеме детали или заготовки, при этом термическому воздействию подвергается только определенный объем металла (закалка токами высокой частоты, лазерная закалка, закалка с электроконтактным нагревом)

3. Химико-термическая обработка - применяется для получения структуры или свойств в определённом объеме детали или заготовки, при этом термическому воздействию подвергается весь объем металла (цементация, нитроцементация, азотирование)

Для достижения требований, которые предъявляются к металлу используется множество разновидностей этих видов термообработки. Так например, один только отжиг насчитывает более 10 разновидностей.

Термическая обработка, как способ получения заданного комплекса механических свойств, подразумевает под собой не только высокотемпературное воздействие на металл. Есть определенные группы сталей, для обработки которых применяется так называемая обработка холодом. Это стали, у которых точка конца мартенситного превращения лежит ниже комнатных температур. Соответственно у этих сталей будет идти превращение А-М и при низких температурах. К таким сталям относятся: инструментальные стали, обработка холодом которых позволяет получить максимальную твердость и износостойкость; мерительный инструмент, для которого важна размерная стабильность; изделия из стали, которые работают в условиях низких температур.

heattreatment.ru

Термическая обработка металлов — WiKi

Металл в термопечи

Термической (или тепловой) обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Тепловая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств изделия.

Общая длительность нагрева металла при тепловой обработке складывается из времени собственного нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре. Время нагрева зависит от типа печи, размеров изделий, их укладки в печи; время выдержки зависит от скорости протекания фазовых превращений.

Нагрев может сопровождаться взаимодействием поверхности металла с газовой средой и приводить к обезуглероживанию поверхностного слоя и образованию окалины. Обезуглероживание приводит к тому, что поверхность изделий становится менее прочной и теряет твёрдость.

При нагреве и охлаждении стали происходят фазовые превращения, которые характеризуются температурными критическими точками. Принято обозначать критические точки стали буквой А. Критические точки А1 лежат на линии PSK (727 °С) диаграммы железо-углерод и соответствуют превращению перлита в аустенит. Критические точки А2 находятся на линии МО (768 °С), характеризующей магнитное превращение феррита. A3 соответствует линиям GS и SE, на которых соответственно завершается превращение феррита и цементита в аустенит при нагреве.

Для обозначения критических точек при нагреве и охлаждении вводят дополнительные индексы: букву «с» в случае нагрева и «r» в случае охлаждения, например Ас1,  Ac3, Ar1, Ar3.

Среди основных видов термической обработки следует отметить:

• Отжиг
  • Отжиг 1 рода (гомогенизация, рекристаллизация, снятие напряжений). Целью является получение равновесной структуры. Такой отжиг не связан с превращениями в твердом состоянии (если они и происходят, то это — побочное явление).
  • Отжиг 2 рода связан с превращениями в твердом состоянии. К отжигу 2 рода относятся: полный отжиг, неполный отжиг, нормализация, изотермический отжиг, патентирование, сфероидизирующий отжиг.
• Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки, зависит от химического состава сплава. Закалка может сопровождаться полиморфным превращением, при этом из исходной высокотемпературной фазы образуется новая неравновесная фаза (например, превращение аустенита в мартенсит при закалке стали). Существует также закалка без полиморфного превращения, в процессе которой фиксируется высокотемпературная метастабильная фаза (например, при закалке бериллиевой бронзы происходит фиксация альфа фазы, пересыщенной бериллием).
• Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, а также для придания материалу требуемого комплекса механических и эксплуатационных свойств. В большинстве случаев материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.
• Нормализация. Изделие нагревают до аустенитного состояния (на 30…50 градусов выше АС3) и охлаждают на спокойном воздухе
• Дисперсионное твердение (старение). После проведения закалки (без полиморфного превращения) проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.
• Криогенная обработка — это упрочняющая термическая обработка металлопродукции при криогенных, сверхнизких температурах (ниже минус 153°С).

Ранее для обозначения этого процесса использовалась иная терминология — «обработка холодом», «термическая обработка стали при температурах ниже нуля», но они не совсем точно отражали суть процесса криогенной обработки.Суть криогенной обработки заключается в следующем: детали и механизмы помещаются в криогенный процессор, где они медленно охлаждаются и после выдерживаются при температуре минус 196˚С в течение определенного времени. Затем обрабатываемые изделия постепенно возвращаются к комнатной температуре. Во время этого процесса в металле происходят структурные изменения. Они существенно повышают износостойкость, циклическую прочность, коррозионную и эрозионную стойкость.Эта технология позволяет повысить ресурс инструментов, деталей и механизмов до 300 % за счет улучшения механических характеристик материала в результате обработки сверхнизкими температурами.Наибольшего эффекта удается достичь при обработке таких металлических изделий, как специальный режущий, штамповый, прессовый, прокатный, мелющий инструмент, подшипники, ответственные пружины. Основные свойства металла, приобретенные в ходе глубокого охлаждения, сохраняются в течение всего срока их службы, поэтому повторной обработки не требуется.Криогенная технология не заменяет существующие методы термического упрочнения, а позволяет придать материалу, обработанному холодом, новые свойства, которые обеспечивают максимальное использование ресурса материала, заданного металлургами.Использование инструмента, обработанного сверхнизкими температурами, позволяет предприятиям значительно сократить расходы за счет:

• увеличения износостойкости инструмента, деталей и механизмов
• снижения количества брака
• сокращения затрат на ремонт и замену технологического оснащения и инструмента.

Теоретическая разработка и практическое освоение процесса криогенной обработки считается достижением советской науки. Работы таких учёных, как Г. В. Курдюмова, исследования А. П. Гуляева, В. Г. Воробьева и других связаны с обработкой холодом для улучшения качественных характеристик закаленной стали.

Спустя несколько лет после публикации исследований советских учёных появились первые аналогичные работы в иностранной печати, авторы которых ссылались на советские работы как первоисточник. Именно работы советских учёных позволили полно оценить эффективность влияния обработки холодом на свойства стали и положили начало современному развитию и использования этого способа обработки. В 1940—1950-е годы на советских промышленных предприятиях пытались внедрить криогенную обработку инструмента из быстрорежущих сталей в жидком азоте, но это не только не давало ожидаемого результата, но и приводило к снижению прочности инструмента, поскольку появлялись микротрещины из-за резкого и неравномерного охлаждения. От метода, позволяющего преобразовать остаточный аустенит в мартенсит, пришлось отказаться, в основном из-за экономической нецелесообразности — высокой стоимости азота, как основного хладагента.

В США, Японии, Германии, Южной Корее тему криогенной обработки как эффективного способа обработки конструкционных и инструментальных сталей развивали, и десятилетия исследований и опытов привели к результату — в настоящее время технология криогенной обработки успешно применяется во многих отраслях промышленности.

Металлообработка и машиностроение:

• увеличение ресурса инструмента и оборудования до 300 %
• увеличение износостойкости материалов
• увеличение циклической прочности
• увеличение коррозионной и эрозионной стойкости
• снятие остаточных напряжений

Транспорт и спецтехника:

• увеличение ресурса тормозных дисков до 250 %
• повышение эффективности работы тормозной системы
• увеличение циклической прочности пружин подвески и других упругих элементов на 125 %
• увеличение ресурса и мощности двигателя
• снижение расходов на эксплуатацию транспортных средств

Оборонная промышленность:

• увеличение эксплуатации оружия до 200 %
• уменьшение влияния нагрева оружия на результаты стрельбы
• увеличение ресурса узлов и механизмов

Добывающая и обрабатывающая промышленность:

• увеличение стойкости породоразрушающего инструмента до 200 %
• уменьшение абразивного износа машин и механизмов
• увеличение коррозийной и эрозийной стойкости оборудования
• увеличение ресурса промышленного и горнодобывающего оборудования

Аудиотехника и музыкальные инструменты:

• уменьшение искажения сигнала в проводниках
• уменьшение рассеиваемого проводниками тепла на 30-40 %
• улучшение музыкальной детальности, ясности и прозрачности звучания
• расширение диапазона звучания музыкальных инструментов

Применение криогенной обработки актуально практически для любой отрасли, где есть необходимость повышения ресурса, увеличения усталостной прочности и износостойкости, а также требуется рост производительности.

Гомогенизационный отжиг + старениеНапример, для суперсплавов на базе никеля (типа «Инконель 718») типичной является следующая термическая обработка:Гомогенизация структуры и растворение включений (англ. Solution Heat Treatment) при 768—782 °C с ускоренным охлаждением. Затем производится двухступенчатое старение (англ. Precipitation Heat Treatment) — 8 часов при температуре 718 °C, медленное охлаждение в течение 2 часов до 621—649 °C и выдержка в течение 8 часов. Затем следует ускоренное охлаждение.Закалка + высокий отпуск (улучшение)Многие стали проходят упрочнение путём закалки — ускоренного охлаждения (на воздухе, в масле или в воде). Быстрое охлаждение приводит, как правило, к образованию неравновесной мартенситной структуры. Сталь непосредственно после закалки отличается высокой твёрдостью, остаточными напряжениями, низкой пластичностью и вязкостью. Так, сталь 40ХНМА (SAE 4340) сразу после закалки имеет твёрдость выше 50 HRC, в таком состоянии материал непригоден для дальнейшего использования из-за высокой склонности к хрупкому разрушению. Последующий отпуск — нагрев до 450 °C — 500 °C и выдержка при этой температуре приводят к уменьшению внутренних напряжений за счёт распада мартенсита закалки, уменьшения степени тетрагональности его кристаллической решётки (переход к отпущенному мартенситу). При этом твёрдость стали несколько уменьшается (до 45 — 48 HRC). Подвергаются улучшению стали с содержанием углерода 0,3 — 0,6 % C.

ru-wiki.org

описание процесса термообработки, температуры и виды закалки, способы охлаждения и дефекты

Без термообработки в работе с металлами не обойтись. Оттого насколько правильно была проведена термическая обработка зависят качественные характеристики металлического изделия. Его прочность и долговечность в службе. В этой статье вы сможете узнать как правильно проводить термообработку (закалку) стальных изделий

Закалка стали

Закаливание является операцией по термической обработке металла. Она состоит из нагревания металла до критической температуры, при которой изменяется кристаллическая решетка материала, либо до температуры, при которой происходит растворение фазы в матрице, существующей при низкой температуре.

Важно понимать:

• После достижения критической температуры металл подвергается резкому охлаждению.
• После закаливания сталь приобретает структуру мартенсита (по имени Адольфа Мартенса) и поэтому обретает твердость.
• Благодаря закаливанию прочность стали повышается. Металл становится еще тверже и более износостойким.
• Следует различать обычную закалку материала и закалку для получения избытка вакансий.

Режимы закалки различаются по скорости протекания процесса и температуре нагревания. А также имеются различия по длительности выдержки при данном температурном режиме и скорости охлаждения.

Выбор температуры для закалки

Решение, при какой температуре производить закалку металла обусловлено химическим составом стали.

Закалка бывает двух видов:

• полная;
• неполная.

Руководствуясь диаграммой критических точек можно видеть, что доэвтектоидную сталь при процессе полного закаливания следует нагревать выше точки Ас3 на 30–50 градусов. В результате у стали будет структура однородного аустенита. Впоследствии под действием процесса охлаждения он превратится мартенсит.

Рисунок №1. Критические точки.

Неполное закаливание чаще применяется для инструментальной стали. Цель неполного закаливания — достигнуть температуры, при которой проходит процесс образования избыточных фаз. Нагревание стали происходит в температурном промежутке от Ас1 — Ас2. При этом в структуре мартенсита сохранится какое-то количество феррита, оставшегося после закаливания стали.

Для закаливания заэвтектоидной стали лучше придерживаться температуры на 20–30 градусов больше Ас1 — неполная закалка. Из-за этого при нагревании и охлаждении будет сохраняться цементит, что повышает твердость мартенсита. При закалке не следует нагревать заэвтектоидную сталь свыше положенной температуры. Это может сказаться на твердости.

Скорость охлаждения

Структура мартенсита получается при быстром охлаждении аустенита в тот момент, когда температура стали способствует наименьшей устойчивости аустенита (около 650-550 градусов).

При переходе в зону температур, в которой происходит мартенситное превращение (ниже 240 градусов) применяется замедленное охлаждение. В результате успевают выравнится образующиеся структурные напряжения в то время, как твердость образовавшегося мартенсита не снижается.

Для проведения успешной термической обработки очень важно правильно выбрать среду закаливания. Часто в качестве закалочной среды могут применяться:

• вода;
• раствор едкого натрия (5–10 %) или поваренной соли;
• минеральное масло.

Для закаливания углеродистой стали лучше использовать воду, температура которой 18 градусов. Для закалки легированной стали подойдет масло.

Характеристики стали: закаливаемость и прокаливаемость

Не следует смешивать важные характеристики стали — закаливаемость и прокаливавемость.

Закаливаемость

Эта характеристика говорит о способности стали к обретению твердости после закаливания. Существуют виды стали, которые плохо поддаются закалке и после процесса термообработки сталь становится недостаточно твердой. Про такой материал говорят — «не принял закалку».

Способность к твердости у мартенсита связана со степенью искаженности его кристаллической решетки. Меньшее содержание углерода в мартенсите способствует меньшим искажениям в кристаллической решетки, а, значит, твердость стали будет ниже. Если в стали содержится углерода менее 0.3%, то у такого сплава закаливаемость низкая, и обычно такие сплавы не подвергаются закалке.

Прокаливаемость

Эта характеристика может сказать о том, насколько глубоко сталь закалилась. При закаливании поверхность стальной детали остывает быстрее нежели сердцевина. Это происходит потому что поверхность находится в непосредственном контакте с жидкостью для охлаждения, которая отнимает тепло. А центральная часть стальной детали отдает свое тепло через толщу металла и поверхность, где ее и поглощает охлаждающая жидкость.

На прокаливаемость влияет критическая скорость закаливания — чем она (скорость) ниже, тем глубже прокаливается сталь. К примеру, крупнозернистая сталь, у которой небольшая критическая скорость закалки, прокаливается глубже, чем мелкозернистая сталь, у которой высокая критическая скорость закалки.

Глубина прокаливаемости зависит от исходной структуры закаливаемого сплава, температуры нагрева и закалочной среды. Прокаливаемость стали определяется по излому, микроструктуре и твердости.

Виды закалки стали

Способов закаливания металла существует множество. Их выбор обусловлен составом стали, характером изделия, необходимой твердостью и условиями охлаждения. Часто используется ступенчатая, изотермическая и светлая закалка.

Закаливание в одной среде

Обратившись к графику кривых охлаждения для различных способов закалки, можно видеть, что закалке в одной среде соответствует кривая 1. Выполнять такое закаливание просто. Однако, подойдет она не для каждой стальной детали. Из-за быстрого понижения температуры у стали переменного сечения в температурном интервале возникает температурная неравномерность и большое внутреннее напряжение. От этого стальная деталь может покоробиться и растрескаться.

Рисунок №2. Кривые охлаждения.

Большое содержание углерода в стальных деталях может вызвать объемные изменения структурных напряжений, а это, в свою очередь, грозит появлением трещин.

Заэвтектоидные стали, имеющие простую форму, лучше закаливать в одной среде. Для закалки более сложных форм применяется закалка в двух средах или ступенчатая закалка.

Закаливание в двух средах (на рисунке №2 это кривая 2) применяется для инструментов, изготовленных из высокоуглеродистой стали. Сам метод состоит в том, что сталь вначале охлаждается в воде до 300-400 градусов, после чего ее переносят в масляную среду, где она прибывает пока полностью не охладится.

Ступенчатая закалка

При ступенчатом закаливании (кривая 3) стальная деталь помещается вначале в соляную ванну. Температура самой ванны должна быть выше температуры, при которой происходит мартенситное превращение (240–250 градусов). После соляной ванны сталь перемешают в масло, либо на воздух. Используя ступенчатою закалку можно не бояться, что деталь покоробится или в ней образуются трещины.

Недостаток такой закалки заключает в том, что ее можно применять лишь для заготовок из углеродистой стали с небольшим сечением (8–10 мм). Ступенчатая закалка может применяться для деталей из легированной стали с большим сечением (до 30 мм).

Изотермическая закалка

Изотермическому закаливанию на графике соответствует кривая 4. Закаливание проводится аналогично ступенчатой закалке. Однако, в горячей ванне сталь выдерживается дольше. Это делается так, чтобы вызвать полный распад аустенита. На схеме выдержка показывается на S-образной линии точками a и b. Сталь, прошедшая изотермическую закалку, может охлаждаться с любой скоростью. Средой охлаждения могут служить расплавленные соли.

Преимущества изотермического закаливания:

• сталь почти не поддается короблению;
• не появляются трещины;
• вязкость.

Светлая закалка

Для проведения такого закаливания требуется специально оборудованная печь, снабженная защитной средой. На производстве, чтобы получить чистую и светлую поверхность у закаленной стали следует использовать ступенчатую закалку. После нее сплав охлаждается в расплавленной едкой щелочи. Перед процессом закалки стальная деталь нагревается в соляной ванне из хлористого натрия с температурой на 30–50 градусов выше точки Ас1 (см «Схему критических точек»). Охлаждение детали проходит в ванне при 180–200 градусов. Охлаждающей средой служит смесь состоящая из 75% смесь едкого калия, 25% едкого натрия, в которую добавляется 6–8% воды (от веса соли).

Закалка с самоотпуском

Применяется при производстве инструментальной стали. Основная идея закалки заключается в изъятии стальной детали из охлаждающей среды до момента ее полного охлаждения. Изъятие происходит в определенный момент. В сердцевине стальной детали сохраняется определенное количество тепла. За его счет и производится последующий отпуск. После того как за счет внутреннего тепла стальное изделие достигнет нужной температуры для отпуска, сталь помещают в закалочную жидкость, для окончательного охлаждения.

Р исунок №3 — Т аблица побежалости.

Отпуск контролируется по цветам побежалости (см рисунок №3), которая формируется на гладкой поверхности металла при 220–330 градусах.

При помощи закалки самоотпуском изготавливаются кувалды, зубила, слесарные молотки и другие инструменты, от которых требуется высокая твердость на поверхности с сохранением внутренней вязкости.

Способы охлаждения при закаливании

При быстром охлаждении стальных изделий при закалке существует угроза возникновений больших внутренних напряжений, что приводит к короблению материала, а иногда и трещинам. Для того чтобы этого избежать там, где возможно, стальные детали лучше охлаждать в масле. Углеродистую сталь, для которой такое охлаждение невозможно, лучше охлаждать в воде.

Кроме среды охлаждения на внутренне напряжение изделий из стали влияет, каким образом они погружаются в охлаждающую среду. А именно:

• изделия, имеющие толстую и тонкую часть, лучше погружать в закалочную жидкость сначала объемистой частью;
• если изделие имеет вытянутую форму (сверла, метчики), нужно погружать строго вертикально, в противном случае они могут покоробиться.

Иногда требуется закалить не всю деталь, а только ее часть. Тогда применяется местная закалка. Изделие нагревается не полностью, зато в закалочную жидкость погружают всю деталь.

Дефекты при закаливании стали

1. Недостаточная твердость. Возникает если была низкая температура нагрева, малая выдержка при рабочей температуре или имело место недостаточная скорость охлаждения. Можно исправить: применить более энергичную среду; сделать отжиг, а затем закалить.
2. Перегрев. Происходит если стальная деталь нагревается до температуры, превышающей допустимую. При перегреве образуется крупнозернистая структура, что приводит к хрупкости детали. Можно исправить: с помощью отжига и закалки при нужной температуре.
3. Пережог. При нагреве стальной детали до высокой температуры, близкой к температуре плавления (1200–1300 градусов) в окислительной атмосфере. Внутрь стальных изделий проникает кислород, по границам зерен формируются окислы. Такая сталь не исправляется.
4. Окисление и обезуглероживание. В этом случае на поверхности стальных деталей образуются окалины (окислы), а в поверхностных слоях стали выгорает углерод. Этот брак исправить невозможно. Для предупреждения брака следует пользоваться печами с защитной атмосферой.
5. Коробление и трещины. Возникают из-за внутренних напряжений. Трещины — это неисправимый брак. Коробление можно удалить при помощи рихтовки или правки.

Заключение

Самое важно при закалке металла это четкое соблюдение технологии. Любой отклонение в сторону приводит к нежелательным последствиям. Если делать все правильно, то даже в домашних условиях можно провести процесс закаливания стали.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

stanok.guru

Термическая обработка металлов

Строительные машины и оборудование, справочник

Категория:

   Автомобильные материалы и шины

Термическая обработка металлов

1. Общие сведения и виды термической обработки стали

Под термической обработкой металлов следует понимать изменение внутреннего строения (структуры) металла под воздействием изменяющихся температурных условий и, как следствие этого, получение необходимых механических и физических свойств металла.

Большая часть операций термической обработки проводится при критических температурах, при которых происходят структурные превращения в сплавах. Большинство превращений требует для своего полного завершения определенный промежуток времени.

Поэтому процесс термической обработки металлов сводится, по существу, к трем последовательным операциям: а) нагреву металла с определенной скоростью до необходимой температуры, б) выдержке при этой температуре в течение некоторого времени, в) охлаждению с заданной по процессу скоростью.

В зависимости от того, в каком направлении надо изменить свойства данного стального изделия, применяются различные виды термической обработки, отличающиеся максимальной температурой нагрева, продолжительностью выдержки и скоростью охлаждения. Термическая обработка широко применяется в современном машиностроении.

Основными видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Применение того или иного процесса термической обработки зависит от того, в каком направлении нужно изменить структуру и свойства данной стали. В практике часто применяются в определенной последовательности несколько процессов термической обработки к одному и тому же изделию или полуфабрикату для получения необходимых свойств.

Отжиг стальных изделий, поковок, слитков применяется в тех случаях, когда нужно изменить структуру крупнозернистой стали, т. е. измельчить зерно и сделать структуру мелкозернистой; улучшить обрабатываемость стали режущим инструментом; подготовить структуру стали к ‘последующей термической обработке; выровнять химическую неоднородность в крупных стальных отливках, слитках; устранить внутренние напряжения в стальных изделиях; освободить сталь от наклепа. Отжиг заключается в том, что стальное изделие нагревается до определенной температуры, выдерживается при этой температуре некоторое время и затем медленно охлаждается вместе с печью.

Отжиг подразделяется на несколько видов. В практике применяются следующие виды отжига: полный, неполный, изотермический; отжиг на зернистый перлит; диффузионный, низкотемпературный, рекристаллизационный.

Полным отжигом называется такой, при котором сталь нагревается до температуры, лежащей на 30—50° выше линии GSK по диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов, выдерживается при этой температуре и затем медленно охлаждается-вместе с печью. После отжига сталь приобретает мелкозернистую структуру, становится мягкой, вязкой и освобождается от внутренних напряжений.

Скорость нагрева, максимальная температура нагрева, выдержка и скорость охлаждения оказывают большое влияние на конечный результат отжига. В зависимости от химического состава стали и размеров изделия изменяется и скорость нагрева. Например, при отжиге легированных сталей, изделий сложной формы и изделий крупного размера нагрев производится мед-тленно. Выдержка при максимальной температуре нагрева должна обеспечить равномерный прогрев изделия до заданной температуры и произвести превращение в структуре стали. Однако продолжительная выдержка при высоких температурах может привести к образованию крупных зерен. Продолжительность выдержки зависит от максимальной температуры нагрева, химического состава стали, исходной структуры, а также от веса изделия.

Температура максимального нагрева углеродистых сталей зависит в основном от содержания углерода в стали. Ниже приводится табл. 3 температур отжига углеродистых сталей с различным содержанием углерода.

При проведении полного отжига нужно следить за максимально допустимой температурой нагрева, так как превышение температуры приводит к сильному росту зерна, в связи с чем сталь становится хрупкой. Такая сталь называется перегретой. Структуру перегретой стали можно исправить повторным отжигом. Структуры нормально отожженной стали и перегретой показаны на рис. 22. При нагреве стали до очень высоких температур ее можно испортить, так как при этом кислород, проникая в сталь, окисляет железо, в результате чего окислы железа располагаются по границам зерен.

Такая сталь называется пережженной и обладает очень низкими механическими свойствами. Исправить структуру пережженной стали повторными процессами термической обработки невозможно. Скорость охлаждения после тепловой выдержки оказывает большое влияние на механические свойства стали. При быстром охлаждении структурные составляющие стали получаются мельче, что ведет к повышению прочности и упругости стали. При медленном охлаждении металл становится мягче. Скорость охлаждения зависит от требований, предъявляемых к стали.

Отжиг на зернистый перлит применяется для уменьшения твердости, повышения вязкости и улучшения обработки заэв-тектоидных и эвтектоидных сталей. Практически он осуществляется нагревом стали до температуры 740—760°, т. е. немного выше критической точки. После выдержки сталь медленно охлаждается.

Диффузионный отжиг преследует устранение неоднородности химического состава крупных слитков высоколегированной стали. Характеризуется он медленным нагревом стали до высоких температур, порядка 1100—1150°, выдержкой при этих температурах от 10 до 15 часов и последующим охлаждением. Нагрев стали до таких температур ускоряет диффузионные процессы в аустените, в результате чего происходит выравнивание химического состава стали. После диффузионного отжига сталь обычно подвергается обыкновенному отжигу, или нормализации.

Рекристаллизационный отжиг применяется для уничтожения наклепа. При холодной обработке стали, прокатке, волочении проволоки, штамповке сталь получает холодное деформирование (наклёпывается). Наклеп выражается в том, что сталь после холодной обработки приобретает жесткость и становится малопластичной. Такую сталь трудно обрабатывать. Рекристаллизационный отжиг снимает эти деформации, и сталь приобретает свои первоначальные свойства. Структура наклепанной и отожженной стали показана на рис. 23. При рекристаллизационном отжиге сталь нагревается до температуры 680—700°, дается небольшая выдержка при этой температуре, после чего она охлаждается на воздухе.

Нормализация преследует те же цели, что и отжиг. При нормализации стальные изделия нагреваются на 30—50° выше линии GSE, выдерживаются при этих температурах и затем охлаждаются на воздухе. Существенным отличием нормализации от отжига является большая скорость охлаждения стальных изделий после нагрева; поэтому нормализованные изделия имеют большую твердость, а пластичность их меньше.

Рис 22. Структура стали:а — нормально отожженной; б — перегретой при отжиге

Нормализация способствует образованию в стали более мелкого зерна (рис. 24, а), чем оно получается при отжиге (рис. 24, б) и самый процесс нормализации протекает быстрее отжига. В настоящее время нормализация получила широкое применение и во многих случаях вытеснила отжиг.

Рис. 23. Структура стали:а — наклепанной; б — отожженной

Закалкой стали называется такой процесс термической обработки, при котором сталь нагревается выше линии GSK на 30—50°, выдерживается при закалочной температуре и затем быстро охлаждается в воде, масле или на воздухе. Закалка применяется в тех случаях, когда нужно повысить прочность, упругость и твердость стали. Сущность закалки заключается в том, что в стали при нагреве выше линии GSK происходят структурные превращения, в результате которых образуются зерна аустенита. При быстром охлаждении аустенит при переходе через линию PSK распадается и в зависимости от скорости охлаждения в стали образуются новые структуры, т. е. сорбит, троостит или мартенсит, которые обладают большей прочностью по сравнению с перлитом.

Рис. 24. Структура стали:а — нормализованной; б — отожженной

В зависимости от характера охлаждения закалка имеет несколько разновидностей. В производственной практике существуют следующие способы закалки.

Обыкновенная закалка (закалка в одной среде). Этот вид закалки применяется главным образом для простых деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей. Детали после нагрева до закалочных температур и небольшой выдержки погружаются в охлаждающую среду и держатся в ней до тех пор, пока совершенно не охладятся. В качестве охлаждающей среды применяется вода или масло. Среда выбирается в зависимости от размеров изделий и химического состава стали.

Прерывистая закалка (закалка в двух средах) применяется преимущественно для закалки инструмента, изготовленного из высокоуглеродистых сталей. Этот способ заключается в том, что нагретое изделие после некоторой выдержки охлаждают в воде до температуры порядка 400—300°, после чего извлекают его из воды и дальнейшее охлаждение проводят в масле. Так как масляная среда дает меньшую скорость охлаждения, то образование в стали мартенсит-ной структуры происходит спокойнее, благодаря чему уменьшаются внутренние напряжения.

Рис. 25. Закалка зубила с самоотпуском

Закалка с самоотпуском. Отпуск изделий после закалки обычно производится повторным нагревом холодных закаленных изделий до необходимой температуры. В этом случае вся деталь подвергается одному и тому же режиму закалки и отпуска,

в результате чего твердость и вязкость во всех ее точках будут одинаковы. При закалке с самоотпуском к повторному нагреву не прибегают, и отпуск производят за счет тепла той части изделия, которая не погружена в закалочную жидкость, или за счет тепла, сохранившегося во внутренних слоях изделия. Закалка с самоотпуском широко применяется в случаях термической обработки ударных инструментов, так как для них создание одинаковой твердости во всех точках является нецелесообразным. Наоборот, постепенное и равномерное уменьшение твердости от рабочей части к центру и хвостовой части обеспечивает высокую стойкость инструмента в работе.

Закалка с самоотпуском практически производится следующим образом. После нагрева изделия до закалочной температуры и соответствующей выдержки при этой температуре рабочая часть инструмента погружается в воду (рис. 25, а). После неполного охлаждения в воде отпускаемую поверхность быстро-зачищают напильником (рис. 25, б) и наблюдают за цветами побежалости, которые появляются на зачищенной поверхности стали. Появляющиеся цвета побежалости являются результатом возникновения тонких слоев окислов на поверхности стали. Цвет слоя окисла зависит от его толщины. Цвета побежалости появляются при нагревании стали в интервале температур 200—325°. При появлении цвета побежалости, который соответствует требуемой температуре отпуска, рабочую часть инструмента быстро-окончательно охлаждают в воде (рис. 25, в).

2. Виды поверхностной закалки стали

Ряд деталей автомобиля и других машин, испытывая в процессе работы большие динамические нагрузки, одновременно подвергается поверхностному истиранию. В таких случаях возникает необходимость придавать высокую твердость поверхностному слою деталей, сохраняя их сердцевину вязкой. В последнее время в промышленности получили широкое распространение различные виды поверхностной закалки изделий.

В практике поверхностная закалка изделий производится следующими способами:а) индукционным нагревом изделий токами высокой частоты, б) контактным электронагревом изделий, в) нагревом кислородно-ацетиленовым пламенем, г) нагревом металлов и сплавов в электролите.

Поверхностная закалка токами высокой частоты производится с помощью индукционного нагрева металла токами высокой частоты. Этот метод разработан и применен в 1936 г. в Советском Союзе профессором В. П. Вологдиным.

Индукционный нагрев металлических изделий основан на использовании явлений электромагнитной индукции, теплового действия электрического тока и поверхностного эффекта. Нагрев изделий, подлежащих закалке, осуществляется при помощи специальной установки (рис. 26), которая состоит из следующих основных элементов: генератора высокой частоты, электродвигателя, трансформатора, индуктора, батареи конденсаторов. Сущность закалки токами высокой частоты заключается в том, что изделие, подвергающееся закалке, помещается в индуктор с таким расчетом, чтобы между ним и индуктором был воздушный зазор в 2—4 мм. Ток высокой частоты от машинного генератора поступает в индуктор. Вокруг индуктора создается переменное магнитное поле, под воздействием которого в закаливаемом изделии индуктируются вихревые токи. Благодаря явлению поверхностного эффекта максимальная плотность тока будет сосредоточена на поверхностном слое изделия. Толщина слоя, по которому идет ток максимальной плотности, называется глубиной проникновения тока. Под действием индукционного тока поверхностный слой изделия быстро нагревается до закалочных температур, а сердцевина изделия нагревается до температур, лежащих ниже линии PSK, благодаря чему в ней не происходит никаких структурных превращений и изменений механических свойств. Нагрев изделий происходит в течение нескольких секунд, так как скорость нагрева равна 320—400° в секунду. По окончании нагрева изделия охлаждаются водяным душем. Вода поступает (из индуктора, изготовляемого в виде медной трубки и имеющей с внутренней стороны специальные отверстия для выхода воды. В индуктор вода подается под давлением от специальной

Рис. 26. Схема установки для закалки изделий токами высокой частоты

установки. Глубина закалки зависит в основном от частоты применяемого тока и может получаться от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Закалка’ токами высокой частоты отличается от обычной закалки высокой производительностью; кроме того, она обеспечивает получение более высокой поверхностной твердости закаленных изделий.

туры отпуска твердость стали уменьшается, а ударная вязкость увеличивается. Продолжительность выдержки при отпуске закаленной стали должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить сквозной прогрев изделия и завершение структурных изменений. В зависимости от размеров отпускаемых изделий, их веса, конструкции печи, температуры отпуска время выдержки может быть различным — от нескольких минут до 4—5 часов. Охлаждение нагретых изделий может производиться в воздушной или в жидкой среде, преимущественно в воде, или на воздухе. Скорость охлаждения после нагрева и выдержки углеродистых сталей может быть различной, так как она не оказывает влияния на механические свойства отпускаемых изделий. При отпуске легированных сталей, главным образом хромистых, охлаждение должно производиться быстро. При медленном охлаждении ударная вязкость понижается и сталь может получиться хрупкой. Отпуск, в зависимости от температуры нагрева, бывает трех видов: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск производится при температуре 150—200°. Такой отпуск главным образом снимает внутренние напряжения, а высокая твердость и износоустойчивость изделия сохраняются. Низкий отпуск применяется для инструментальных стадей, а также после закалки деталей, подвергнутых цементации, цианированию и поверхностной закалке.

Средний отпуск осуществляется путем нагрева стали в интервале температур от 200 до 500°. Целью среднего отпуска является создание высоких пределов прочности и упругости при хорошей вязкости. Он применяется обычно при обработке пружин, рессор, штампов, а также ударного инструмента.

Высокий отпуск производится нагревом стали от 500 до 7002и применяется для деталей, изготовленных из улучшенной конструкционной стали. Высокий отпуск имеет своей целью получить наибольшую вязкость стали при достаточном пределе прочности и упругости. Этот вид отпуска применяется для обработки деталей,- подвергающихся действию ударных нагрузок, для создания у них однородной структуры сорбита отпуска. Такому отпуску подвергаются шатуны, шатунные болты, передние оси автомобиля и т. п.

Обработка стальных изделий холодом была впервые применена русским ученым П. П. Аносовым в 1827 г. Широкое применение этот метод получил в наше время благодаря Исследованиям профессора А. П. Гуляева. Сущность обработки стальных изделий холодом заключается в том, что закаленная сталь непосредственно после закалки охлаждается до температур, лежащих значительно ниже 0 (минус 80—190°). При низких температурах остаточный аустенит закаленной стали, распадаясь, превращается в мартенсит. Благодаря этому твердость стали повышается, структура стали становится однородной, повышается ее прочность. Охлаждение закаленных изделий до низких температур производится различными способами: твердой углекислотой, которая дает возможность понизить температуру стали до — 75°, жидким воздухом, кислородом или азотом до — 180—190° в холодильных машинах. Обработке холодом подвергаются режущий инструмент, измерительный инструмент и различные цементованные ответственные детали.

4. Термическая обработка чугуна

Отливки и изделия из серого и белого чугунов подвергаются различным видам термической обработки с целью уничтожения внутренних напряжений, снижения твердости, повышения прочности, улучшения антифрикционных и других свойств.

Отжиг чугунных отливок производится для уничтожения внутренних напряжений и для снижения твердости. Нагрев их делается медленный, так как при быстром нагреве в силу плохой теплопроводности чугуна в нем могут появляться трещины. Скорость нагрева производится в пределах 80—160° в час. Максимальная температура нагрева 500—550°. При такой температуре отливки выдерживаются в течение 2—8 часов. После выдержки производится медленное охлаждение со скоростью от 20 до 50° в час. В результате отжига отливки из серого чугуна освобождаются от внутренних напряжений. Такому отжигу подвергаются отливки блока цилиндров двигателя и поршневых колец. В тех случаях, когда на поверхности отливок образуется слой отбеленного чугуна, отливки также подвергаются отжигу, но с целью снижения твердости.

При отжиге для снижения твердости отливки нагреваются до более высоких температур, порядка 800—950°.

Закалка чугунных изделий производится с целью повышения их твердости, прочности и износоустойчивости. Чугунные изделия, подлежащие закалке, нагревают до 900—950°, выдерживают при этой температуре и затем подвергают охлаждению в масле. Вода для охлаждения не применяется во избежание коробления изделий и образования трещин. После закалки производится отпуск при температурах порядка 200— 300°.

Наиболее распространенным видом закалки чугунных изделий является изотермическая закалка, при которой изделие, нагретое до 850—950°, после выдержки переносится в соляную ванну, температура которой обычно бывает от 250 до 400°. После выдержки в соляной ванне изделия охлаждают на воздухе.

Охлаждающая среда и ее правильный выбор оказывают большое влияние на качество закалки. В. интервале температур 650—400° аустенит очень неустойчив и при медленном охлаждении распадается на феррит и цементит. Следовательно, для того, чтобы предотвратить распад аустенита и переохладить его, необходима большая скорость охлаждения, особенно в интервале температур 650—400°. Аустенит в углеродистых сталях при температурах ниже 400° делается относительно устойчивым, и при процессе превращения его в мартенсит охлаждение желательно проводить медленно, что связано с уменьшением внутренних термических напряжений. Что касается легированных сталей, то охлаждение их ниже 400° должно проводиться быстро. В качестве охлаждающей среды при закалке могут применяться: вода различной температуры, как чистая так и с примесями некоторых солей, минеральные и растительные масла, расплавленные соли, расплавленные металлы.

Скорость охлаждения нагретого металла в этих средах различна.

Различные скорости охлаждения в закалочных средах объясняются тем, что при погружении нагретого металла в жидкость на его поверхности образуется пленка перегретого пара, которая прочно держится вокруг изделия и способствует образованию паровой рубашки. Паровая рубашка плохо проводит тепло, вследствие чего происходит снижение скорости охлаждения. При закалке в масле паровая рубашка разрывается медленно, а в воде она разрывается быстрее, этим объясняются различные скорости охлаждения. Вода повторно, применяемая для закалки, закаливает сильнее, чем свежая. В воде с примесью едкого натра охлаждение происходит очень быстро в связи с тем, что частички едкого натра при попадании на поверхность раскаленного металла взрываются и способствуют разрушению паровой рубашки.

5. Определение температуры нагрева изделий

Температура нагрева изделий при термической обработке металлов имеет исключительно важное значение. Качество изделий после термической обработки в основном зависит от точного соблюдения и выполнения температурного режима того или иного вида термообработки. Поэтому для измерения и регулирования температурного режима термической обработки пользуются специальными приборами, которые называются пирометрами. Пирометры бывают термоэлектрические и оптические.

Термоэлектрический пирометр состоит из термопары и милливольтметра (.рис. 27, а). Термопара состоит из двух тонких проволочек, изготовленных из разных металлов. Концы проволочек спаяны, два других остаются свободными, которыми термопара присоединяется к милливольтметру. При нагревании спаяных концов между свободными концами термопары появляется разность потенциалов, электрический ток при этом регистрируется отклонением стрелки милливольтметра. Величина отклонения стрелки милливольтметра зависит от температуры нагрева спаянных концов термопары. Милливольтметр имеет две шкалы. На одной нанесены милливольты, а на другой — градусы. Для измерения температур, не превышающих 1000°, одна проволочка термопары делается из хромеля (сплав никеля с хромом), а другая из алюминия (сплав никеля с алюминием, марганцем и кремнием). Для предохранения проволочек термопары от повреждений они вставлены в защитные трубки (рис. 27, б). Внутренняя трубка делается из фарфора, а внешняя из стали.

Рис. 27. Термоэлектрический пирометр:а — схема пирометра; б— термопара в защитной трубке

Оптический пирометр с исчезающей нитью работает по принципу изменения степени яркости излучения раскаленных тел. С помощью такого пирометра измерение температуры нагретого металла производится на некотором расстоянии от него путем сравнения яркости световых лучей, излучаемых нагретым металлом, с яркостью нити лампы, помещенной в пирометре. Определение температуры нагретого металла производится через окуляр. Путем перемещения объектива прибора получают четкое изображение рассматриваемого предмета. После установки пирометра путем пропускания тока накаливают нить лампы. Накал нити регулируется реостатом и производится до тех пор, пока ее изображение не исчезнет на фоне раскаленного металла. Изображение нигги исчезает при ее нагреве, соответствующем нагреву раскаленного металла, т. е. когда температуры у них будут одинаковы. Температура нити измеряется гальванометром, на шкале которого нанесены градусы. Оптическим пирометром можно измерять температуры до 2000°.

Цвета каления и побежалости при отсутствии описанных приборов дают возможность определить температуру нагретых металлов довольно точно на глаз.

При определении температур нагретой стали на глаз в интервале 220—325° пользуются цветами побежалости.

6. Термическая обработка основных деталей автомобиля

Значительная часть автомобильных деталей подвергается различным видам термической обработки с целью сообщения им физических и механических свойств, обеспечивающих необходимую прочность. Для подготовки структуры металла к последующим видам термической обработки применяются главным образом нормализация и отжиг. Улучшение углеродистых сталей производится закалкой и отпуском. Основные детали автомобиля, как, например, коленчатые валы, после штамповки подвергаются нормализации, затем механической обработке, после чего шейки их закаливаются токами высокой частоты.

Распределительные валы, изготовленные из стали марки 40, подвергаются закалке токами высокой частоты и отпуску. Шестерни коробок передач цементируются и закаливаются в масле с последующим отпуском. Шестерни главной передачи подвергаются закалке и обработке холодом, впускные клапаны — закалке с последующим охлаждением в масле и отпуску. Выпускные клапаны закаливаются при нагреве до 1050—1100°, охлаждаются в масле или воде после чего их отжигают и охлаждают вместе с печью. Полуоси ведущих колес автомобиля после штамповки подвергают нормализации, а после механической их обработки улучшают закалкой и отпуском.

Читать далее: Химико-термическая обработка стали

Категория: - Автомобильные материалы и шины

Главная → Справочник → Статьи → Форум

stroy-technics.ru

Термическая обработка металлов

вернуться на главную страницу оборудования для термической обработки металлов

 

Термическая обработка (термообработка) стали, сплавов бывает следующих видов: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

• Отжиг - термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термобработка (т.е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).
• Закалка - термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки - отпуск.
• Отпуск - термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.
• Нормализация - термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термобработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге - в печи).

 

ОТЖИГ СТАЛИ

Отжиг - процесс термообработки металла, при котором производится нагревание, затем медленное охлаждение металла. Переход структуры из неравновесного состояния до более равновесного. Отжиг первого рода, его виды: возврат (он же отдых металла), рекристаллизационный отжиг (он же называется рекристаллизация), отжиг для снятия внутренних напряжений, диффузионный отжиг (еще называется гомогенизация). Отжиг второго рода – изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур. Отжиг второго рода, его виды: полный, неполный, изотермический отжиги. Ниже рассмотрен отжиг, его виды, применительно к стали.

• Возврат (отдых) стали – нагрев до 200 – 400C°, отжиг для уменьшения или снятия наклепа. По результатам отжига наблюдается уменьшение искажений кристаллических решеток у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств стали.
• Рекристаллизационный отжиг стали (рекристаллизация) - нагрев до температур 500 – 550C°; отжиг для снятия внутренних напряжений – нагрев до температур 600 – 700C°. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения металла отливок от неравномерного охлаждения их частей, также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) с использованием температур ниже критических. Вследствиии рекристаллизационного отжига из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, поэтому твердость стали снижается, а пластичность, ударная вязкость увеличиваются. Чтобы полностью снять внутренние напряжения стали нужна температура не менее 600C°. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: вследствии ускоренного охлаждения металла вновь возникают внутренние напряжения.
• Диффузионный отжиг стали (гомогенизация) применяется тогда, когда сталь имеет внутрикристаллическую ликвацию. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. По результатам отжига, сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией. Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, однако нельзя допускать пережога, оплавления зерен. Если допустить пережог, то кислород воздуха окисляет железо, проникая в толщу его, образуются кристаллиты, разобщенные окисными оболочками. Пережог устранить нельзя, поэтому пережженные заготовки являются окончательным браком. Диффузионный отжиг стали обычно приводит к слишком сильному укрупнению зерна, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).
• Полный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией, измельчением зерна при температурах точек АС1 и АС2. Назначение его – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30-50C°выше температуры линии GSK и медленно охлаждают. После отжига избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоидный цементит имеют форму пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатым
• При отжиге стали на пластинчатый перлит заготовки оставляют в печи до охлаждения, чаще всего при частичном подогреве печи топливом, чтобы скорость охлаждения была не больше 10-20C° в час. Отжигом также достигается измельчение зерна. Крупнозернистая структура, например, доэвтектоидной стали, получается при затвердевании вследствие свободного роста зерен (если охлаждение отливок медленное), а также в результате перегрева стали. Эта структура называется видманштетовой (по имени австрийского астронома А. Видманштеттена, открывшего в 1808 г. такую структуру на метеорном железе). Такая структура придает низкую прочность заготовке. Структура характерна тем, что включения феррита (светлые участки) и перлита (темные участки) располагаются в виде вытянутых пластин под различными углами друг к другу. В заэвтектоидный сталях видманштетова структура характеризуется штрихообразным расположением избыточного цементита. Размельчение зерна связано с перекристаллизацией альфа-железа в гамма-железо; вследствии охлаждения и обратного переходе гамма-железа в aльфа-железо мелкозернистая структура сохраняется. Таким образом, одним из результатов отжига на пластинчатый перлит является мелкозернистая структура.
• Неполный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки А С1; неполный отжиг применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура.
• Отжиг стали на зернистый перлит применяют обычно для эвтектоидных, заэвтектоидных сталей, для повышения пластичности, вязкости стали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита сталь нагревают выше точки АС1, затем выдерживают недолго, чтобы цементит растворился в аустените не полностью. Затем сталь охлаждают до температуры несколько ниже Ar1, выдерживают при такой температуре несколько часов. При этом частицы оставшегося цементита служат зародышами кристаллизации для всего выделяющегося цементита, который нарастает округлыми (глобулярными) кристаллитами, рассеянными в феррите. Свойство зернистого перлита существенно отличаются от свойств пластинчатого в сторону меньшей твердости, но большей пластинчатости и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоидной стали, где весь цементит (как эвтектоидный, так избыточный) получается в виде глобулей.
• Изотермический отжиг - после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки А 1, затем выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время, а также повышает производительность. Например, обыкновенный отжиг легированной стали длится 13-15 ч, а изотермический – всего 4-7 ч.

ЗАКАЛКА СТАЛИ

Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов. Материал, подвергшийся закалке приобретает большую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала.

В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают на 30 - 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK, в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяетсядля инструментальных сталей. Закалка снимается отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.

Закалочные среды

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650-400 °C, то есть в том интервале температур в котором аустенит менее всего устойчив, быстрее всего превращается в феритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда (Термат), а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения - стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

Способы закалки

• Закалка в одном охладителе — нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.
• Прерывистая закалка в двух средах — этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).
• Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.
• Ступенчатая закалка — закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.
• Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

 

ОТПУСК СТАЛИ

Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите.

Преимуществом точечной структуры является более благоприятное сочетание прочности и пластичности. При одинаковом химическом составе и одинаковой твердости сталь с точечной структурой имеет значительно более высокое относительное сужение y и ударную вязкость а н, повышенное удлинение d и предел текучести s т по сравнению со сталью с пластинчатой структурой.

Мартенсит закалки имеет неустойчивую тетрагональную решетку, а мартенсит отпуска – устойчивую центрированную кубическую решетку альфа-железа.

Отпуск разделяют на низкий, средний и высокий в зависимости от температуры нагрева.

Для определения температуры при отпуске изделия пользуются таблицей цветов побежалости. Тонкая пленка окисдов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета - от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220C°; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300C°) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях. Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали. Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330C° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500C°) и высоком (500-700C°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние троостита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение таких показателей как прочность, пластичность и вязкость, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит применяют для термической обработки кузнечным штампов, пружин, рессор, а высокий – для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом. Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970C°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

 

НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

Нормализацией называют такой вид термической обработки, когда сталь нагревают на 30 - 50C° выше верхних критических температур Асз или Аст и после выдержки при этих температурах охлаждают на спокойном воздухе. Таким образом, от отжига нормализация отличается более быстрым охлаждением изделия (примерно в 2 раза).

Нормализация является более дешевой операцией, чем отжиг, так как печи используются только для нагрева и выдержки изделия при температуре нагрева, а охлаждение производится вне печи. Кроме того, нормализация ускоряет процесс термической обработки. Таким образом, отжиг выгодно заменять нормализацией. Однако это не всегда возможно, так как у некоторых сталей твердость после нормализации возрастает более значительно, чем при отжиге. Малоуглеродистые стали рекомендуется подвергать нормализации, так как у них практически отсутствует разница в свойствах после отжига и нормализации.

Стали, содержащие свыше 0,4% углерода, после нормализации получают повышенную твердость. Такие стали лучше отжигать. На практике и такие стали часто подвергают нормализации вместо отжига, а затем высокому отпуску при температурах 650 - 700C° для уменьшения твердости. Нормализацию применяют для получения мелкозернистой структуры в отливках и поковках, для устранения внутренних напряжений и наклепа, для подготовки структуры стали к закалке.

Для некоторых изделий нормализация является не предварительной, а окончательной операцией термической обработки. В этом случае после нормализации изделия подвергают высокому отпуску для снятия внутренних напряжений, образовавшихся при охлаждении изделия на воздухе.

 

www.metiz.com.tw

Термическая обработка металлов и сплавов

Курсовая работа

на тему: «Термическая обработка металлов и сплавов»

Введение

Термическую обработку применяют на различных стадиях производства деталей машин и металлоизделий. В одних случаях она может быть промежуточной операцией, служащей для улучшения обрабатываемости сплавов давлением, резанием, в других – является окончательной операцией, обеспечивающей необходимый комплекс показателей механических, физических и эксплуатационных свойств изделий или полуфабрикатов. Полуфабрикаты подвергают термической обработке для улучшения структуры, снижения твердости (улучшения обрабатываемости), а детали – для придания им определенных, требуемых свойств (твердости, износостойкости, прочности и других).

В результате термической обработки свойства сплавов могут быть изменены в широких пределах. Возможность значительного повышения механических свойств после термической обработки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и массу машин и механизмов, повысить надежность и срок службы изделий. Улучшение свойств в результате термической обработки позволяет применять сплавы более простых составов, а поэтому более дешевые. Сплавы приобретают также некоторые новые свойства, в связи с чем расширяется область их применения.

Назначение и виды термической обработки

Термической (тепловой) обработкой называются процессы, сущность которых заключается в нагреве и охлаждении изделий по определенным режимам, в результате чего происходят изменения структуры, фазового состава, механических и физических свойств материала, без изменения химического состава.

Назначение термической обработки металлов – получение требуемой твердости, улучшение прочностных характеристик металлов и сплавов. Термическая обработка подразделяется на термическую, термомеханическую и химико-термическую. Термическая обработка – только термическое воздействие, термомеханическая – сочетание термического воздействия и пластической деформации, химико-термическая – сочетание термического и химического воздействия. Термическая обработка, в зависимости от структурного состояния, получаемого в результате ее применения, подразделяется на отжиг (первого и второго рода), закалку и отпуск.

Отжиг

Отжиг – термическая обработка заключающаяся в нагреве металла до определенных температур, выдержка и последующего очень медленного охлаждения вместе с печью. Применяют для улучшения обработки металлов резанием, снижения твердости, получения зернистой структуры, а также для снятия напряжений, устраняет частично (или полностью) всякого рода неоднородности, которые были внесены в металл при предшествующих операциях (механическая обработка, обработка давлением, литье, сварка), улучшает структуру стали.

Отжиг первого рода . Это отжиг при котором не происходит фазовых превращений, а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты, предусмотренные его целевым назначением. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекристаллизационный.

Гомогенизационный – это отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950ºС (обычно 1100–1200ºС) с целью выравнивания химического состава.

Рекристаллизационный – это отжиг наклепанной стали при температуре, превышающей температуру начала рекристаллизации, с целью устранения наклепаи получение определенной величины зерна.

Отжиг второго рода . Это отжиг, при котором фазовые превращения определяют его целевое назначение. Различают следующие виды: полный, неполный, диффузионный, изотермический, светлый, нормализованный (нормализация), сфероидизирующий (на зернистый перлит).

Полный отжиг производят путем нагрева стали на 30–50 °С выше критической точки, выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением до 400–500 °С со скоростью 200 °С в час углеродистых сталей, 100 °С в час для низколегированных сталей и 50 °С в час для высоколегированных сталей. Структура стали после отжига равновесная, устойчивая.

Неполный отжиг производится путем нагрева стали до одной из температур, находящейся в интервале превращений, выдержкой и медленным охлаждением. Неполный отжиг применяют для снижения внутренних напряжений, понижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием

Диффузионный отжиг . Металл нагревают до температур 1100–1200ºС, так как при этом более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания химического состава.

Изотермический отжиг заключается в следующем: сталь нагревают, а затем быстро охлаждают (чаще переносом в другую печь) до температуры, находящейся ниже критической на 50–100ºС. В основном применяется для легированных сталей. Экономически выгоден, так как длительность обычного отжига (13 – 15) ч, а изотермического отжига (4 – 6) ч

Сфероидизирующий отжиг (на зернистый перлит ) заключается в нагреве стали выше критической температуры на 20 – 30 °С, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении.

Светлый отжиг осуществляется по режимам полного или неполного отжига с применением защитных атмосфер ил в печах с частичным вакуумом. Применяется с целью защиты поверхности металла от окисления и обезуглероживания.

Нормализация – заключается в нагреве металла до температуры на (30–50) ºС выше критической точки и последующего охлаждения на воздухе. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Вместо отжига низкоуглеродистые стали подвергают нормализации. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска. Высокоуглеродистые стали подвергают нормализации с целью устранения цементитной сетки. Нормализацию с последующим высоким отпуском применяют вместо отжига для исправления структуры легированных сталей. Нормализация по сравнению с отжигом – более экономичная операция, так как не требует охлаждения вместе с печью.

Закалка

Закалка – это нагрев до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры.

В результате закалки повышается прочность и твердость и понжается пластичность стали. Основные параметры при закалке – температура нагрева и скорость охлаждения. Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры – мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.

В зависимости от формы детали, марки стали и требуемого комплекса свойств применяют различные способы закалки.

Закалка в одном охладителе . Деталь нагревают до температуры закалки и охлаждают в одном охладителе (вода, масло).

Закалка в двух средах (прерывистая закалка) – это закалка при которой деталь охлаждают последовательно в двух средах: первая среда – охлаждающая жидкость (вода), вторая – воздух или масло.

Ступенчатая закалка . Нагретую до температуры закалки деталь охлаждают в расплавленных солях, после выдержки в течении времени необходимого для выравнивания температуры по всему сечению, деталь охлаждают на воздухе, что способствует снижению закалочных напряжений.

Изотермическая закалка так же, как и ступенчатая, производится в двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые или щелочные ванны) различна: она зависит от химического состава стали, но всегда на 20–100 °С выше точки мартенситного превращения для данной стали. Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе. Изотермическая закалка широко применяется для деталей из высоколегированных сталей. После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностные свойства, то есть сочетание высокой вязкости с прочностью.

Закалка с самоотпуском имеет широкое применение в инструментальном производстве. Процесс состоит в том, что детали выдерживаются в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а в определенный момент извлекаются из нее с целью сохранения в сердцевине детали некоторого количества тепла, за счет которого производится последующий отпуск.

Отпуск

Отпуск стали является завершающей операцией термической обработки, формирующей структуру, а следовательно, и свойства стали. Отпуск заключается в нагреве стали до различных температур (в зависимости от вида отпуска, но всегда ниже критической точки), выдержке при этой температуре и охлаждении с разными скоростями. Назначение отпуска – снять внутренние напряжения, возникающие в процессе закалки, и получить необходимую структуру.

В зависимости от температуры нагрева закаленной детали различают три вида отпуска: высокий, средний и низкий.

Высокий отпуск производится при температурах нагрева выше 350–600 °С, но ниже критической точки; такой отпуск применяется для конструкционных сталей.

Средний отпуск производится при температурах нагрева 350 – 500 °С; такой отпуск широко применяется для пружинной и рессорной сталей.

Низкий отпуск производится при температурах 150–250 °С. Твердость детали после закалки почти не изменяется; низкий отпуск применяется для углеродистых и легированных инструментальных сталей, для которых необходимы высокая твердость и износостойкость.

Контроль отпуска осуществляется по цветам побежалости, появляющимся на поверхности детали.

Старение

Старение –это процесс изменения свойств сплавов без заметного изменения микроструктуры. Известны два вида старения: термическое и деформационное.

Термическое старение протекает в результате изменения растворимости углерода в железе в зависимости от температуры.

Если изменение твердости, пластичности и прочности протекает при комнатной температуре, то такое старение называется естественным.

Если же процесс протекает при повышенной температуре, то старение называется искусственным.

mirznanii.com

---

• 
  Топливная система дизельного двигателя
• 
  Вольво фм
• 
  Схема охлаждения двигателя
• 
  Причины производственного травматизма
• 
  Средства малой механизации это
• 
  Отказ это
• 
  Ленточные конвейеры
• 
  Маз 5551 технические характеристики
• 
  Конвейеры ленточные
• 
  Мтз 80 регулировка клапанов
• 
  Регулировка клапанов мтз 80