Курс лекций по "Материаловедению"

В основе термической  обработки лежат фазовые превращения  в твердом состоянии.

 

 

9. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

 

9.1. Основные составляющие технологического процесса термической обработки

 

При разработке технологии термической обработки необходимо установить:

- режим нагрева детали  или заготовки, в который входят  температура нагрева, допустимые  скорость и время нагрева;

- характер среды, где  должен идти нагрев;

- условия охлаждения (выбор охлаждающей среды);

- производительность  труда при термообработке;

- экономичность выбранного  процесса.

Режим термообработки назначают  до критическим точкам (А_с1, А_с3, А_сm) диаграммы Fe-Fe₃С (рис.7.1) и С - образной диаграммы превращения аустенита (рис.8.6).

Условия нагрева определяются видом нагревательного устройства, к которым относятся нагревательные печи (топливные или электрические), соляные ванны или ванны с  расплавленным металлом, установки  индукционного нагрева токами промышленной частоты или токами высокой частоты.

 

9.2. Классификация видов термической обработки

 

Схема классификации  основных видов термической обработки  показана на рис. 9.1.

 

Вид термической обработки  определяется не характером изменения  температуры во времени, а типом  фазовых и структурных изменений в металле.

Собственная термообработка заключается только в термическом воздействии на металл или сплав.

Химико-термическая обработка заключается в сочетании термического и химического воздействия на поверхность.

Термомеханическая обработка заключается в сочетании термического воздействия и пластической деформации.

Отжиг I рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния, возникающие при предыдущей обработке (литье, ковке, штамповке и т.д.), причем при его проведении не происходит  фазовых превращений.

К отжигу I рода (рис. 9.1) относятся:

- гомогенизационный (диффузионный);

- рекристаллизационный  и дорекристализационный;

- уменьшающий напряжения.

Цель гомогенизационного отжига - устранение ликвации (выравнивание химического состава) в отливках, в слитках, в легированной стали.

Режим гомогенизационного отжига: нагрев до 1050-1200 ^оС, выдержка 8-10 часов, охлаждение с печью до 200-250 ^оС. Продолжительность процесса около 80-100 часов (рис. 9.2).  

Цель  рекристаллизационного отжига – устранение наклёпа холоднокатанной стали, содержащей 0,1 – 0,2 % С.

Режим рекристаллизационного  отжига: нагрев до 600-700 ^оС (Т_рекр = 0,4 Т_пл по абсолютной шкале), выдержка, которая зависит от геометрии изделий (для тонких листов 25-30 мин.) и охлаждение с печью.

 

Цель  отжига для снятия напряжений - снятие напряжений в деталях из углеродистой стали.

Режим отжига для снятия напряжений: нагрев до 400 – 600 ^оС,  выдержка 2,5 мин на 1 мм толщины детали, охлаждение с печью.

Отжиг II рода основан на использовании диффузионных (нормальных) фазовых (полиморфных) превращений при охлаждении. Целесообразность отжига II рода определяется тем, насколько сильно структурные изменения влияют на свойства металла или сплава.

Различают следующие разновидности отжига второго рода: полный, неполный, изотермический, нормализационный (нормализация).

Полный  отжиг используется для доэвтектоидных сталей (рис. 9.2). Режим такого отжига - нагрев до А₃ + (20-30 ^оС),  выдержка, медленное охлаждение со скоростью 100-200 ^оС в час до 500 ^оС вместе с печью, далее охлаждение на воздухе. При нагреве структура (Ф + П) превращается в мелкую структуру аустенита, при последующем охлаждении получим мелкую феррито-перлитную структуру.

Заэвтектоидные стали полному отжигу не подвергают, так как получается цементитная сетка по границам зерен перлита. Для заэвтектоидных сталей применяют неполный отжиг: нагрев до температуры между линиями А₁ и А_сm (рис.9.2), выдержка, медленное охлаждение (с печью). При нагреве немного выше А₁ и последующем медленном охлаждении, когда еще мало зерно аустенита, концентрация которого неоднородна и в его составе содержится еще большое количество нерастворившихся карбидов, образуется зернистый перлит. Неполный отжиг для заэвтектоидных сталей называют сфероидизирующим.

Одного нагрева выше А₁ и медленного охлаждения иногда бывает недостаточно для полной сфероидизации; эту операцию следует повторять несколько раз, т.е. сталь при отжиге нагревают до 730-740 ^оС, затем медленно охлаждают до 680 ^оС, затем снова нагревают до 730-740 ^оС и т.д. Такой отжиг называется циклическим или маятниковым, и он обеспечивает хорошую сфероидизацию цементита. 

Цель такого отжига - получать структуру зернистого перлита и  цементита в инструментальных сталях для улучшения обрабатываемости на металлорежущих станках. Стали с зернистым перлитом имеют твердость  160-180 НВ. Пластинчатый перлит имеет твердость 180-250 НВ. 

Изотермический  отжиг - нагрев стали до А₃ + (20-30 ^оС), выдержка, быстрое охлаждение ниже А₁(до 700-680 ^оС), при которой  сталь выдерживается определенное время для полного изотермического превращения аустенита и образования феррито-перлитной структуры.

Преимущества изотермического  отжига перед полным отжигом –  это сокращение времени отжига и  получение более однородной структуры.

Нормализационный  отжиг (нормализация) (рис. 9.2) – это такой вид термической обработки, при которой сталь нагревается выше точки А₃ на 30-50 ^оС для доэвтектоидных сталей и выше точки А_сm для заэвтектоидных сталей с последующим охлаждением на спокойном воздухе.

В результате получают:

- более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит);

- меньшие внутренние напряжения;

- выше твердость и прочность, чем после отжига;

- заэвтектоидные стали без грубой сетки вторичного цементита.

Главное при нормализации - экономия времени и энергии по сравнению с отжигом.

Нормализацию используют как промежуточную  технологическую операцию вместо отжига или как окончательную при  изготовлении сортового проката (рельсов, уголков, швеллеров и т.д.).

Для всех видов отжига применяют  камерные толкательные печи, а также  специальные агрегаты.

Закалка - термическая обработка с нагревом стали до температур, превышающих температуры фазовых превращений с выдержкой и последующим охлаждением металла или сплава со скоростью, превышающей критическую, с целью получения неравновесной структуры (мартенсита), либо пересыщенного раствора.

Результат закалки - повышение твердости  и прочности.

Температура нагрева  под закалку для доэвтектоидных сталей: А₃ + (30-50 ^оС). Если нагрев проводится в интервале температур А₁ – А₃, то происходит неполная закалка. В этом случае оставшийся в структуре остаточный феррит ухудшает свойства доэвтектоидной стали.

Заэвтектоидные стали  нагревают до температуры А₁ + (40-60 ^оС ) и  после охлаждения получают мартенсит с включениями вторичного цементита. Такая структура обеспечивает высокую твердость и износостойкость режущего инструмента.

Если температура нагрева  заэвтектоидной стали выше А_сm (рис. 9.2) то после закалки получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита.

Время нагрева при  закалке зависит от типа нагревательных устройств, размеров детали, химического  состава (теплопроводности) стали, способа  загрузки деталей в нагревательное устройство.

Скорость охлаждения при закалке устанавливают в зависимости от того, какую структуру в детали необходимо получить. Скорость охлаждения зависит от охлаждающей среды, формы изделия, теплопроводности стали.

В качестве охлаждающих  сред применяют воду (при разных температурах от 18-50 °С), 10 %-ный раствор NaOH в воде, 10 %-ный раствор NaCl в воде, минеральное масло, спокойный воздух.

 

9.3. Способы закалки

 

В зависимости от состава  стали, формы и размеров детали и  требуемых в термически обработанной детали свойств выбирают оптимальный  способ закалки, наиболее просто осуществимый и одновременно обеспечивающий нужные свойства.

Чем сложнее форма  термически обрабатываемой детали, тем  тщательнее следует выбирать условия  охлаждения, потому что чем сложнее  деталь, тем больше различие в сечениях детали, тем бớльшие внутренние напряжения возникают в ней при охлаждении.

Чем больше углерода содержит сталь, тем больше объёмные изменения  при превращении, тем при более  низкой температуре происходит превращение  аустенита в мартенсит, тем больше опасность возникновения деформаций, трещин, напряжений и других закалочных пороков, тем тщательнее следует выбирать условия закалочного охлаждения для такой стали.

К основным способам закалки  относятся:

1. Закалка в одном охладителе (рис. 9.3, кривая 1) – наиболее простой способ. Нагретую до определенных температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остается до полного охлаждения. Применяют этот способ при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей. При этом для углеродистых сталей диаметром более 2-5 мм закалочной средой служит вода, а для меньших размеров и для многих легированных сталей – масло.

Для уменьшения внутренних напряжений деталь иногда не сразу  погружают в закалочную жидкость, а некоторое время охлаждают  на воздухе, «подстуживают». Такой способ закалки называется закалкой с подстуживанием (рис. 9.3, кривая 5).

 

2. Прерывистая закалка или закалка в двух средах (рис.9.3, кривая 2) используется для деталей сложной формы. Нагретую до температуры закалки деталь (инструмент из углеродистой стали) охлаждают сначала в быстро охлаждающей среде, а затем в медленно охлаждающей. Обычно первое охлаждение проводят в воде, а затем деталь переносят в масло, или охлаждают на воздухе. В мартенситном интервале сталь охлаждается медленно, что способствует уменьшению внутренних напряжений.

3. Ступенчатая закалка (рис.9.3, кривая 3).

Режим ступенчатой закалки: деталь нагревают до температуры  закалки .А_с3 + (30-50 ^оС), выдерживают и быстро переносят в охладитель с температурой на 110-150 ^оС выше мартенситной точки (М_н); выдерживают а нем короткое время (расчетное), затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе, но это не должно вызвать превращения аустенита в бейнит.

Преимущества ступенчатой  закалки:

• уменьшаются объемные изменения, вследствие присутствия большого количества остаточного аустенита и возможности самоотпуска мартенсита;
• уменьшается коробление в результате того, что мартенситное превращение протекает почти одновременно во всех участках изделия;
• меньше опасность появления трещин;
• во время фазовых превращений (мартенситного) снижается прочность стали и повышается пластичность.

Горячие,  а следовательно, сравнительно медленно охлаждающие  среды не позволяют достигнуть критической  скорости закалки для более  или  менее крупных сечений. Поэтому ступенчатая закалка для углеродистой стали применима лишь для деталей диаметром не более 10-12 мм, а для легированных сталей до 20-30 мм.

4. Изотермическая закалка (рис.9.3, кривая 4). В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

Режим  изотермической закалки: нагрев до температуры закалки A₃ + (30-50 ^оС ), выдержка и быстрый перенос в закалочную среду, температура которой выше точки М_н на 100-150 ^оС, затем дается длительная выдержка, чтобы полностью прошли превращения переохлажденного аустенита. При выдержке происходит распад аустенита с образованием структуры нижнего бейнита с хорошим коплексом механических свойств.

5. Закалка с самоотпуском.

Режим закалки: нагрев до температуры закалки А₃ + (30-50 ^оС), выдержка и охлаждение в одном охладителе; прерывание охлаждения с тем, чтобы сердцевина сохранила запас тепла. Под действием теплообмена за счет внутреннего тепла снова нагревается поверхность. Тем самым происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск). Сталь приобретает сочетание высокой твердости на поверхности детали с повышенной вязкостью в сердцевине. Примененяется такая закалка для изготовления зубил, кернов, кувалд и слесарных молотков.

6. Поверхностная закалка.

Конструкционная прочность  многих деталей машин зависит  от состояния материала в поверхностных  слоях деталей.

Долговечность деталей, работающих в условиях изнашивания (валы, шестерни), зависит от сопротивления поверхности износу.

Разрушение деталей, работающих при изгибающих нагрузках в условиях циклических нагружений, начинается в поверхностных слоях детали. В этих случаях делают поверхностную  закалку (при сохранении вязкой сердцевины), либо химико-термическую обработку (ХТО).