Способы и виды термической обработки стали. Термообработка закалка
Термообработка. Что такое хорошо и что такое плохо.
1. Из какой стали нож?2. Какая твердость?
То есть, даже неспециалист где-то в глубине своей души понимает, что железки бывают разные и обработать их можно по разному. Последнее, правда, очевидно не всем.
Очень часто можно увидеть на форумах высказывания типа "Я вот купил нож из 95Х18 - полное гумно, об колбасу крошится, на масле тупится". И тут же - "Да ты гонишь, я своим трех кабанов разобрал и хоть бы хны". Вообще, степень удовлетворенности ножом пользователя - вопрос крайне многогранный, но он включает в себя и сталь и ее ТО. Которая может быть разной. Иногда сильно....
Так что же такое термообработка и с чем ее едят?
Ну, уже из названия понятно, что этим термином описывается множество методов обработки материалов, основанных на изменении их структуры (и, соответственно, свойств) под влиянием температур. Часто в применении к готовому изделию все это часто называют "закалкой", хотя собственно закалка является лишь одним из этапов. Иногда, приплетая сюда еще и горячую деформацию, все это называют ТМО (термомеханическая обработка), что в большинстве случаев в корне неверно. Обычно термообработка включает в себя несколько этапов (иногда - несколько десятков). Все они имеют разные цели и разные режимы. Путаницы добавляет еще и то, что в теории термической обработки и на практике довольно часто отдельные процессы имеют разные названия в зависимости от цели и места в технологическом цикле. Вдаваться в дебри не будем, нам скорее важны основные этапы и их режимы с точки зрения влияния на конечный результат.
Думаю, что будет проще разобрать это на примере типичной технологии производства клинков (с указанием основных технологических процессов), применяемой подавляющим большинством российских (да и мировых тоже) производителей. Рассмотрим типичную схему, применяемую мастерами-частниками и мелкосерийным производителем.
(ковка)1. Нормализация (иногда + высокий отпуск)(вырезание бланков)2. Отжиг или ТЦО.3. Закалка из МКО4. Высокий отпуск5. Закалка6. Криообработка7. Результирующий отпуск(Черновое шлифование)8. Отпуск после шлифования(чистовое шлифование и доводка)
В случае, если производится обработка резанием, могут быть дополнительные отпуски (или отжиги).
Рассмотрим влияние отдельных этапов на свойства и качество изделий.
1. Нормализация (иногда + высокий отпуск) - позволяет привести структуру стали "к общему знаменателю" от которого можно плясать дальше, снять напряжения, измельчить зерно, в отдельных случаях убрать карбидную сетку или получить необходимую для обработки твердость. Осуществляется в виде нагрева до температур выше температуры фазовых превращений (часто до температур, вызывающих заметное растворение карбидов) и охлаждения на спокойном воздухе. Многие стали при этом способны подкаливаться и получать высокую твердость - в этом случае добавляют высокий отпуск.
2. Отжиг или ТЦО – Позволяет измельчить зерно, снизить твердость до минимальных значений (для обработки резанием или холодной деформации), снять остаточные напряжения. Осуществляется нагревом до температур немного выше температур фазовых превращений (в отдельных случаях – в межкритическую область) и медленным охлаждением до температур окончания перлитного распада. Часто отжиг выгодно заменять термоциклической обработкой – многократным повторением циклов нагрева-охлаждения до температур соответственно выше/ниже температур фазовых превращений. Такая обработка позволяет в заметно большей степени измельчить зерно и в результате получить заметно лучшие мех. характеристики.
3. Закалка из МКО. Позволяет значительно уменьшить поводки и коробление деталей, благодаря закрытию микропор в отдельных случаях несколько повышает твердость и мех. характеристики сталей. Выполняется как “мягкая” закалка из межкритической области, как правило, охлаждением в масле.
4. Высокий отпуск (с точки зрения теории ТО – докритический отжиг) – снимает напряжения после мех. обработки, подготавливает структуру стали к закалке, в отдельных случаях снижает твердость стали до минимальных значений.
5. Закалка – Основной этап ТО. Заключается в нагреве до температур, выше температур фазовых превращений и как правило, вызывающих заметное растворение карбидов, создающих требуемое насыщение твердого раствора углеродом и легирующими элементами и быстром охлаждении (со скоростью выше критической), фиксирующих этот пересыщенный твердый раствор.
6. Криообработка – охлаждение изделия до низких температур (как правило -78 – 196С). Преследует целью возможно более полное превращение остаточного аустенита, что увеличивает твердость, стойкость к смятию и уменьшает риск превращения аустенита при эксплуатации, но может снижать вязкость.
7. Результирующий отпуск – формирует окончательные свойства клинка. Обычно осушествляют нагревом до относительно невысоких температур (иногда средних температур). При закалке на вторичную твердость обычно используется многократный нагрев до температур активного дисперсионного твердения и преврашения остаточного аустенита.
8. Отпуск после шлифования – снимает шлифовочные напряжения и иногда стабилизирует образовавшийся при шлифовании аустенит.
Не все этапы не всегда необходимы, некоторые могут частично или полностью заменять друг друга – все зависит от стали и технологического цикла. В случае покупки полуфабрикатов заметная часть ТО уже сделана на предприятии – изготовителе.
Обычно этапы ТО делят на предварительную и результирующую ТО. Результирующая ТО формирует свойства готового изделия (как правило, это все, начиная с последней высокотемпературной ступени - закалки), задача ПТО – обеспечить необходимые технологические свойства и подготовить структуру к результирующей ТО.
Естественно, именно результирующая ТО наиболее сильно влияет на “базовые” свойства стали, но именно ПТО часто позволяет “выжать” из стали максимум того, на что она способна.
Естественно – бесплатных пирожных не бывает. С усложнением ТО растут трудозатраты, загрузка оборудования и т.д. Что неизбежно приводит к росту цены изделий. Часто многократному. Поэтому будет излишне оптимистично искать бриллианты среди ширпотреба. С другой стороны, попытки выжать максимум могут привести к таким затратам, что изделие приобретает статус “эксклюзива” с соответствующей ценой. Надо где то остановится. Где именно – каждый производитель решает для себя сам. Точнее – там, где останавливается его целевой покупатель.
Рассмотрим основные варианты.
1. Сковал, нагрел в горне до ярко-оранжевого, сунул в масло. Подержал над углями 5 минут - насяльнике, все… В данном случае рассчитывать хотя бы на средний для данной стали результат довольно оптимистично. При огромном опыте возможно все…
2. Отдал “какому то термисту” с оборонного завода. Что и как тот с железкой делал – тайна сия есть велика… Результат – от полного отстоя до очень неплохо, правда с заметным преобладанием первого. Кадры решают все.
3. Есть печка, есть “даташит”, есть полоска буржуйской стали. Знаний и понимания чего и как - нет. Если особо сильно не косячить, то вполне вероятно получить неплохой результат. Особенно с современными сталями – они, как правило, достаточно толерантны к ошибкам.
4. То же + минимальные представления о том что, куда и зачем. Как правило, при накоплении и осмыслении собственного и чужого опыта и личной ответственности возможно получение стабильно хороших результатов.
5. Имеются четкие представления о предмете и/или огромный личный опыт. Плюс заинтересованность в результате и личная ответственность. Это предпосылки к получению стабильных результатов заметно выше среднего. Авторские схемы ТО часто позволяют выжать из сталей заметно больше того, чего от них ждут.
6. Клинки – чемпионы требуют еще и некоторой доли удачи.
Рассмотрим основные ошибки при ТО и их влияние на качество изделия.
1. Недостаточная твердость – как правило, следствие недогрева при закалке (редко - перегрева) или излишне высокого отпуска. В умеренных формах встречается на недорогих ножах как компенсатор излишне упрощенной ТО.
2. Избыточная твердость и хрупкость “Перекал”. А вот тут все сложнее. Часто речь идет не о высокой твердости, а о перегреве при закалке (или непроведенной ПТО), когда сталь получает слишком крупное зерно. Собственно, твердость не является единственным показателем качества ТО – к одной и той же твердости можно придти разными путями и с разным результатом. Так что утверждения типа “Нож выше 58HRc хрупкий как стекло” надо воспринимать со здравым скепсисом.
3. Обезуглероженный слой. При отсутствии защитных атмосфер/покрытий или вакуумного оборудования присутствует практически всегда. При травлении как правило выглядит заметно светлее фона. При правильном планировании техпроцесса этот слой удаляется, но в отдельных случаях (например, при закалке тонко сведенной заготовки или выполнения ножа со “стамесочной” заточкой без удаления обезуглероженного слоя) он может выходить на РК, с самыми печальными последствиями для последней. Иногда он может стать причиной ошибок при определении твердости – там она будет заметно меньше чем на теле клинка и РК.
4. Трещины. Могут появиться на разных этапах производства, наиболее часто при ковке, закалке или шлифовании. Являются безусловным неисправимым браком. Продажа такого клинка (за исключением ОЧЕНЬ редких случаев на многослойных клинках или дамасках) – прямое указание на отношение производителя к делу. Хреновое отношение.
5. Поводки и коробления. На длинномере они практически неизбежны, на коротком клинке допустимы до определенной степени.
В заключение несколько реальных историй о разных ножеделах.
1. Проводя закалку кузнец А свинчивает несколько десятков заготовок шпильками, кидает в печь, идет пить водку. Через несколько ЧАСОВ возвращается, кидает “бутерброд” в бак с маслом, идет пить водку. Отпуска не делает – а зачем, там и так 58…
2. Кузнец Б в течение многих лет калит Х12МФ с температур на 50 градусов выше оптимальных. На резонный вопрос о причинах – “А я всегда так делаю, люди не жалуются”.
3. Энтузиаст В решил провести криообработку путем закалки раскаленной до 1175 заготовки в жидком азоте. На предложение сначала найти значение теплоты испарения для жидкого азота через два дня задумчиво высказал “бля”.
4. Кузнец Г калит каждую заготовку по разному. При этом сам их не испытывает и отзывы систематически не собирает. Ищет человек…
5. Мастер Д при закалке КАЖДОГО клинка помимо авторской ТО и проверки на твердость всегда контролирует излом – на всякий случай. Вот это – заявка на ответственное отношение к делу, что проявляется и в других вопросах и находит отражение в цене изделий.
Так что, выбирая ТО вы выбираете ПРОИЗВОДИТЕЛЯ. У разных мастеров могут быть разные взгляды на ТО, но ответственный и уважающий себя и потребителя производитель никогда не выпустит в продажу изделие со свойствами ниже некоторого минимума. А в случае брака (чего не бывает) приложит максимум усилий к разрешению ситуации.
Ну и немного пиара – статья на схожую тему.
sarmik.livejournal.com
Термическая обработка (закалка и старение) | Обработка отпрессованной продукции
В зависимости от химического состава сплавы подразделяются на термически неупрочняемые и термически упрочняемые. Первые или вообще не подвергают никакой термообработке как например, многие сплавы на основе меди, алюминиевые сплавы типа АД1, АМЦ и др., или отжигают. Вторые также могут поставляться без термообработки в состоянии после прессования или после отжига, но их можно и упрочнять путем закалки и старения. Впервые основы теории термической обработки металлических сплавов разработал великий русский металлург Д. А. Чернов.
Операция отжига заключается в нагреве металла до определенной температуры, характерной для данного сплава, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении. В результате отжига металл становится более мягким, пластичным. Поэтому часто отжиг применяют для тех пресс-изделий, которые подвергают дальнейшей обработке давлением. Например, прессуют пруток из алюминиевого сплава Д18. Этот пруток служит заготовкой для последующего волочения на проволоку меньшего диаметра. Для того, чтобы при волочении можно было осуществить большую деформацию л металл не разрушился, прессованную заготовку приходится отжигать при температуре около 400°С. Отжиг проводят чаще всего в электрических печах с воздушной циркуляцией.
Очень большое значение в технике имеет другой вид термической обработки, называемый закалкой. При закалке металл становится прочнее, тверже. Во многих машинах, аппаратах и других конструкциях отдельные части и детали могут выдержать высокие рабочие напряжения только потому, что они закалены. Закалке подвергают не каждый сплав, а только такой, в котором при нагреве происходит внутренняя перестройка структуры металла, вызывающая изменения его свойств.
Суть закалки заключается в следующем. При повышенных температурах, характерных для каждого сплава, в основном металле сплава, например, в алюминии алюминиевого сплава, растворяются легирующие элементы, упрочняющие его (медь, магний, цинк и др.). В результате получается так называемый твердый раствор на основе алюминия, который прочнее чистого алюминия. Если этот твердый раствор охлаждать медленно, то упрочняющие элементы из него выделятся, так как растворимость их в алюминии при понижении температуры уменьшается и сплав станет мягким и пластичным. Если же твердый раствор охладить быстро, то упрочняющие элементы из него не успеют выделиться, и при комнатной температуре сплав будет иметь повышенные прочностные свойства.
В зависимости от состава сплава закалку производят при различных температурах: например, алюминиевые сплавы закаливаются с температуры около 500°С, стали — с 800—1000°С и т. д. Нагрев металла под закалку производят в определенном интервале температур. Для одних сплавов допустимые температуры ограничиваются узким интервалом и такие сплавы называют «чувствительными» к закалке, другие сплавы могут закаливаться в широком интервале температур, и называются «нечувствительными» к закалке.
Большое значение имеет скорость охлаждения с закалочной температуры. Для достижения полного эффекта закалки необходимо, чтобы скорость охлаждения была очень высокой — составляла несколько сотен градусов в секунду. Есть много и других особенностей в закалке различных металлов, создана целая теория закалки, а в промышленности действует широкая сеть термических отделений, цехов и предприятий, где производится закалка различных металлических полуфабрикатов и деталей. Чтобы определить температуру закалки, металловеды строят специальные диаграммы, называемые диаграммами состояния, в которых отражается связь между температурой, содержанием химических элементов сплава и изменениями состава. Например, широко известны диаграммы состояния систем железо — углерод, алюминий — медь и др., которые являются научной основой для различных видов термической обработки. Такие диаграммы показывают, в частности, до какой температуры нужно нагреть сплав, чтобы в нем произошли изменения, обеспечивающие получение желаемых свойств.
Закалку осуществляют следующим образом. Профили нагревают в специальных печах до температуры закалки и некоторое время выдерживают в них для ее выравнивания по всему объему профиля. В это время в металле завершаются те изменения структуры, о которых мы говорили выше. Затем нагретый металл очень быстро охлаждают, например, путем резкого погружения в ванну с холодной водой.
В последние годы большое число пресс-изделий, прежде всего из алюминиевых сплавов типа АД31, стали закаливать сразу же после выхода их из матрицы. Оказывается, горячее прессование можно вести при таких условиях, что температура изделия после выхода из матрицы будет равна температуре закалки. В этом случае достаточно профиль охладить прямо на столе пресса и закалка будет осуществлена. Охлаждающей средой для алюминиевых сплавов типа АД31 служит или воздух, который нагнетается вентилятором, или разбрызганная в мелкие капли вода (водяной туман). Закалка на столе пресса очень выгодна — устраняется повторный нагрев перед закалкой, в результате экономятся энергия и трудовые затраты. Кроме того, не нужно строить дорогостоящие закалочные агрегаты, да и качество готовых профилей, закаленных на столе пресса, в основном выше, чем при закалке из печи. При этом, однако, следует иметь в виду, что пока на столе пресса можно закаливать не все сплавы, а лишь «нечувствительные» к закалке, как например, упомянутый выше сплав АД31.
К операциям термической обработки относится также старение, которое применяется, например, для алюминиевых сплавов и различных сталей. Дело в том, что после закалки некоторые алюминиевые сплавы не сразу приобретают наибольшую прочность, а этот процесс при комнатной температуре может длиться долгое время. Для его ускорения применяют нагрев до не очень высоких температур. Например, один из вариантов старения для сплава АД31: нагрев до 195—205 °С в течение 2—3 ч. Такое старение при повышенных температурах называют искусственным в отличие от естественного — при комнатной температуре. Искусственное старение проводят в специальных печах, и выполняют эту операцию после обрезки профилей.
www.stroitelstvo-new.ru
Способы и виды термической обработки стали
Термическая обработка стали проводится с целью придания материала определенного набора свойств путем изменения его внутренней структуры на молекулярном уровне. Метод подразумевает нагрев или охлаждение металла до определенного температурного уровня с его последующим возвращением к нормальному состоянию. Иногда применяется многофазная термообработка, которая позволяет производить наиболее закаленные марки сталей.
Процедура протекает в специальных печах или холодильных установках, которые дают возможность четко контролировать температуру на каждом этапе технологического процесса. Это очень важное условия успешной закалки, так как несоблюдение технологии может наоборот придать металлу негативные свойства. Режимы термообработки стали зависят от структурного состава материала. Все они были установлены опытным путем в результате многократных испытаний, поэтому современные способы закалки при соблюдении всех условий позволяют получать материалы высокого качества с большим запасом прочности. Термообработка сталей должна подготовить их к эксплуатации в агрессивной среде под воздействием разрушающих факторов.
Выделяют следующие виды термообработки сталей: закалка, отпуск, отжиг, нормализация, воздействие холодом и химико-термическая обработка.
Закалка стали
Закалка подразумевает прогрев металла до установленной температуры и поддержание достигнутого уровня в течение определенного периода времени. Временной интервал определяется скоростью превращения внутренней структуры сплава устойчивое вещество. После этого сталь быстро охлаждают в воде или масле, так как постепенное остывание может привести к нарушению достигнутой структуры кристаллической решетки.
Закалка придает материалу твердости, но снижает его ударную вязкость, что делает сталь более хрупкой. Такой обработке подвергают детали, которые предназначены для эксплуатации под воздействием статической нагрузки без влияния динамических колебаний. Отпуску подвергаются некоторые детали после закалки. Его суть состоит в повторном нагревании металла до температуры ниже, чем температура закалки. Это позволит снова нарушить достигнутые межмолекулярные связи и приведет к их перестроению.
После нагрева металл вытаскивают из печи и дают остыть естественным путем без применения охладителей. Такая процедура несколько снижает твердость, но при этом повышает ударную вязкость и ковкость. Так что после закалки с последующим отпуском сталь будет тверже и пластичнее, чем необработанный сплав. Отжиг проводится по схеме нагрева металла с последующим медленным остыванием прямо в печи без использования специальных средств. Это убирает неоднородность распределения элементов в сплаве и позволяет создать устойчивое соединение железа с углеродом на межмолекулярном уровне.
Отжиг
После отжига значительно уменьшается твердость стали, но возрастает ее пластичность и ковкость. Такой обработке подвергается материал, предназначенный для последующей штамповки или раскатки. Нормализация технологически повторяет процесс отжига, только после нагрева сплав остывает не непосредственно в печи, а на открытом воздухе. Это позволяет добиться хороших показателей ковкости и пластичности без существенного снижения твердости.
Воздействие холодом
Воздействие холодом необходимо для завершения превращения аустенита в мартенсит. Он придает металлу дополнительную упругость и препятствует образованию рваных трещин при воздействии избыточного давления на деталь. Такой материал хорошо подходит для эксплуатации под влиянием высоких динамических нагрузок. Необходимой твердости ему обычно добавляют с помощью соответствующих присадок.
Химико-термическая обработка
Химико-термическая обработка подразумевает насыщение верхних слоев стали каким-либо элементом под воздействием высокой температуры. Различают несколько видов данной процедуры. Цементация означает пропуск через сталь углерода при температуре 950 градусов по Цельсию. Это придает поверхности дополнительной твердости, не затрагивая при этом внутренние слои материала.
Азотирование позволяет насытить верхний слой стали азотом для повышения его коррозийной стойкости, прочности и предела устойчивости. Проводится процедура путем нагревания сплава до 700 градусов в аммиачной среде. Хромирование позволит придать поверхности материала повышенную устойчивость к пресной и соленой воде и некоторым видам кислотных и оксидных сред. Это позволяет подготовить сталь к эксплуатации в неблагоприятных условиях. Цианирование совмещает в себе одновременное насыщение верхних слоев стали углеродом и азотом. Это позволяет одним махом увеличить твердость материала и защитить его от воздействия коррозии.
Термообработка разных видов стали
Термообработка легированной стали должна производиться с медленным прогревом до необходимой температуры, а затем с медленным остыванием заготовки. В результате добавления легирующих присадок стали данной марки имеют низкую теплопроводность, поэтому резкое изменение температуры может привести к короблению или образованию трещин. Также очень важно, чтобы нагревание происходило равномерно по всей площади детали.
Термообработка нержавеющей стали тоже содержит свои нюансы.После отжига ее необходимо оставить в печи до полного остывания, а затем провести процедуру отпуска, чтобы получить материал оптимального качества. Резкое изменение температур также нежелательно, так как может негативно отразиться на эксплуатационных свойствах.
Термообработка аустенитных сталей проводится в печах при равномерном нагреве заготовки до температуры 1000-1150 градусов по Цельсию. После этого следует быстрое охлаждение в жидкости, что позволяет получить материал с устойчивой ферритной внутренней структурой. Эти стали применяются для изготовления конструкционных материалов, поэтому должны получить повышенную прочность при закалке.
Термообработка быстрорежущей стали является трудоемким процессом. Она относится к классу высоколегированных сплавов, поэтому не переносит резких перепадов температур. Закалка данного материала производится на высокоточном оборудовании, позволяющем четко регулировать каждую фазу технологического процесса. Эта марка используется для производства инструментов для резки, которые даже при нагреве до 600 градусов не теряют своей первоначальной твердости.
Термообработка углеродистой стали сводится к получению устойчивой связи между атомами железа и углерода в кристаллической решетке. Метод зависит от необходимости получения конкретного вещества по завершению процесса.
promplace.ru
Реферат - Основные принципы термической обработки сплавов. Отжиг. Закалка. Отпуск
Доступные файлы (1):
содержание1.doc
Реклама MarketGid: Министерство образования и науки УкраиныНациональный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт»
Реферат
по курсу: «Конструкционные материалы»
на тему: «Основные принципы термической обработки сплавов. Отжиг. Закалка (с полиморфным и без полиморфным преобразованием). Отпуск.»
Выполнил:
Проверила:
Киев – 2006
Содержание
Вступление……………………… ………… …………………………………..….3
Основные виды термической обработки……… ………… ……………...………4
Отжиг I рода………………………… ……………… ……………………..……...6
Отжиг II рода…………………… ………………… ………..……………………. 9
Закалка………………………… …………… ……………………….…………...12
Отпуск…………………………… …………………… ……………….…………15
Выводы…………………………… ………………… ………………….………..17
Литература…………………… ………………………… ……………….………18Вступление.
Термической обработкой называют процессы теплового воздействия на металлы (нагрев и охлаждение) с целью изменения их структуры и свойств. Это один из самых распространённых в технике и самых эффективных способов изменения структуры и свойств сталей и сплавов, обусловленных протеканием различных фазовых превращений.
Термическая обработка может быть как промежуточной операцией, предназначенной для улучшения технологических свойств (облегчения ковки, штамповки, прокатки), так и окончательной – для обеспечения в материале или изделиях требуемого комплекса свойств.[1]
^
Классификация основных видов термической обработки, используемых на практике, была разработана академиком А. А. Бочваром. Существующие способы её реализации подразделяются на собственно термическую, термомеханическую (теперь её чаще называют деформационно-термической) и химико-термическую.
Термическая обработка включает четыре основных вида: отжиг, закалку, отпуск и старение.
Принадлежность к тому или иному виду термической обработки определяется не скоростями и уровнем изменения температуры при нагреве и охлаждении, а типом происходящих при этом структурных изменений в материале.
Отжигом называют вид термической обработки, при которой формируются близкие к равновесным структуры материалов, в которых неравновесные состояния возникли в результате всех предшествующих видов воздействий (литьё, ковка, прокатка, сварка и т. п.).
Существуют два основных типа отжига – отжиг І – го рода, при котором не протекает фазовых превращений, и отжиг ІІ – го рода, сопровождающийся фазовыми превращениями.
Закалкой называют процесс, при котором металл нагревают до температур, выше температур фазовых превращений и быстро охлаждают для получения неустойчивых состояний.
Отпуском и старением предварительно закалённых сталей и сплавов называют технологические операции, проводимые с целью получения более устойчивых структурных состояний. При этом термин отпуск применяют в тех случаях, когда при закалке материал претерпевает полиморфные превращения. Старением же называют процесс распада пересыщенных закалённых твёрдых растворов, в которых при закалке полиморфных превращений не происходило. Как правило этот процесс осуществляется при нагреве материала.
Деформационно-термическая обработка сочетает в себе процессы термической обработки и пластической деформации. В зависимости от того, когда осуществляют деформацию – до протекания фазового превращения или после, – различают термомеханическую обработку – ТМО (деформация осуществляется до превращения) и механико-термическая – МТО (деформация осуществляется после фазового превращения).
Химико-термическая обработка сочетает тепловое воздействие с химическим, в результате чего в поверхностных слоях изменяется и химический состав и структура.
Возможность или невозможность провидения того или иного вида обработки определяется на основании анализа диаграмм состояний. Для выбора вида обработки, обеспечивают требуемый комплекс свойств, необходим учёт динамики изменений структуры материалов.
Для обоснованного осуществления такого выбора необходимо, хотя бы очень кратко познакомится с основами теории термической обработки.[1]
^
Этот вид отжига в зависимости от температурных условий выполнения устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную предшествующими обработками. Характерная особенность этого отжига состоит в том, что устранение неоднородности происходит независимо от того, протекают ли а сплавах при этой обработке фазовые превращения или нет, поэтому отжиг І рода можно производить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений.
^ Диффузионный отжиг применяют для слитков легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому разрушению, к анизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальных пятен).
Дендритная ликвация понижает пластичность и вязкость легированной стали, поэтому не только слитки, но и крупные отливки нередко подвергают гомогенизации. Нагрев при диффузионном отжиге должен быть высоким (1100 – 12000С), так как только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания в отдельных объемах состава стали.
Общая продолжительность диффузионного отжига (нагрев, выдержка и медленное охлаждение) больших садок метала достигает 50 – 100 часов и более. В зависимости от состава стали и массы садки продолжительность выдержки составляет 8 – 20 часов.
Для удаления поверхностных дефектов слитки после отжига иногда подвергают нагреву при 670 – 6800С в течении 1 – 16 часов, что снижает твёрдость. Фасонные отливки после гомогенизации подвергают полному отжигу или нормализации для измельчения зерна и улучшения свойств.
^ Под рекристаллизационным отжигом понимают нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением. Этот вид отжига применяют перед или после холодной обработки давлением и как промежуточную операцию для снятия наклёпа между операциями холодного деформирования.
Температура отжига для достижения рекристаллизации по всему объему и сокращения времени процесса превышает температуру порога рекристаллизации. Для углеродистых сталей с 0,08 – 0,2% С, чаще подвергаемых холодной деформации (прокатке, штамповке, волочению), температура отжига 600 – 7000С. Отжиг калиброванных прутков (холодная протяжка) из высокоуглеродистой стали (хромистой, хромокремнистой и др.) проводят при 7300С. Продолжительность нагрева составляет 0,5 – 1,5 часа.
При отжиге стали, кроме рекристаллизации феррита может протекать процесс коагуляции и сфероидизации цементита, в результате которого повышается пластичность стали и облегчается обработка давлением.
^ Этот вид отжига применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резаньем и др., в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т. п. возникли остаточные напряжения.
Остаточные напряжения могут вызвать изменение размеров, коробление и поводку изделия в процессе его обработки (например, резанием), эксплуатации или хранения. При резании за счёт удаления части метала происходит нарушение равновесия остаточных напряжений, влекущих за собой деформацию изделия. Изменение размеров в процессе хранения связано с перераспределением остаточных напряжений при их релаксации. Отжиг стальных изделий для снятия напряжений проводится при температуре 160 – 7000С с последующим медленным охлаждением. Например, многие детали прецизионных станков (ходовые винты, высоконапряженные зубчатые колёса, червяки и др.) нередко проходят отжиг (отпуск) после основной механической обработки при 570 – 6000С в течении 2 – 3 часов и после окончательной механической обработки для снятия шлифовочных напряжений при 160 – 1800С 2 – 2,5 часов. Отжиг для снятия сварных напряжений проводится при 650 – 7000С.
Остаточные напряжения снимаются и при проведении других видов отжига, например рекристаллизационного, с фазовой перекристаллизацией, а также при отпуске (особенно высоким) закаленной стали.[2]^
Отжиг ІІ рода заключается в нагреве стали до температуры выше точек Ас3 или Ас1, при выдержке и последующим, как правило медленном, охлаждении, в результате которого фазовые превращения приводят к достижению практически равновесного структурного (фазового) состояния.
Различают следующие виды отжига: полный, изотермический и неполный.
^ Этот вид отжига заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30 – 500С выше температуры, соответствующей точке Ас3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующим медленном охлаждении. При этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали.
При нагреве выше точки Ас3 на 30 – 500С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, и поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность, а также возможность достижения высоких свойств после окончательной термической обработки.
Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки Ас3 вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Время нагрева и продолжительность выдержки при заданной температуре зависят от типа нагревательной печи, способа укладки изделий в печь, высоты садки, типа полуфабриката (лист, сортовой прокат и т. д.).
Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно, от состава стали. Чем больше устойчивость аустенита в области температур перлитного превращения, тем медленнее должно быть охлаждение. В связи с этим легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждаются значительно медленнее (10 – 1000С), чем углеродистые (250 – 2000С). Скорость охлаждения при отжиге можно регулировать, проводя охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом.
Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат, поковки и фасонные отливки.
^ В этом случае сталь обычно легированную нагревают, как и для полного отжига, и сравнительно быстро охлаждают (переносом в другую печь) до температуры, лежачей ниже точки Ас1 (обычно ~6500С) и назначают изотермическую выдержку, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.
Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием, чистоту поверхности и уменьшает деформации при последующей термической и химико-термической обработке.
^ Этот отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки Ас1).
Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяют для улучшения обрабатываемости резанием. Однако при неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали только вследствие превращения перлит – аустенит. Избыточный феррит только частично превращается в аустенит, и поэтому значительная его часть не подвергается перекристаллизации. В связи с этим неполный отжиг доэвтектоидной сталей применяют в том случае, если горячая механическая обработка их была выполнена правильно и при этом не было получено крупного зерна такой структуры, как, например, видманштеттова.
Для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг. В этих сталях нагрев несколько выше точки Ас1 (обычно на 10 – 300С) вызывает практически полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую структуру перлита вместо пластичной. Такой отжиг называют сфероидизацией.
^ Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3 на 500С, непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждения на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке.
Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или, точнее, квазиэвтектоида типа сорбита или троостита. Это повышает на 10 – 15% прочность и твёрдость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.
Нормализация горячекатаной стали повышает её сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины.[2]ЗАКАЛКА.
Закалка – термическая обработка, заключается в нагревании стали до температуры выше критической (Ас3 для доэвтектоидной и Ас1 – для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующим охлаждением со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшит хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.
Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь – для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также и высокой износостойкости.
^ Наиболее широкое применение получила закалка в одном охладителе. Такую закалку называют непрерывной. В многих случаях, особенно для изделий сложной формы и при необходимости уменьшения деформации, применяют и другие способы закалки.
^ (в двух средах). Изделие, закаливаемое по этому способу, сначала быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше точки Мн, а затем быстро переносят в менее интенсивный охладитель (например, в масло или на воздух), в котором оно охлаждается до 200С. В результате переноса во вторую закалочную среду уменьшаются внутренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаждении в одной среде (воде), в том числе и в области температур мартенситного превращения.
^ В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде прерывают, с тем чтобы в сердцевине изделия сохранилось ещё некоторые количество теплоты. Под действием теплообмена температура в более сильно охлаждающихся поверхностных слоях повышается и сравнивается с температурой сердцевины. Тем самым происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск).
^ При выполнении закалки по этому способу сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки Мн (обычно 180 – 2500С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе. В результате выдержки в закалочной среде достигается выравнивание температуры по сечению изделия, но это не должно вызывать превращения аустенита с образованием бейнита.
Мартенситное превращение протекает при охлаждении на воздухе, но менее полно, чем при непрерывной закалке, вследствие чего сталь сохраняет больше остаточного аустенита. При ступенчатой закалке уменьшаются объёмные изменения вследствие присутствия большего количества остаточного аустенита и возможности самоотпуска мартенсита; коробление в результате протекания мартенситного превращения почти одновременно во всех участках изделия и опасность появления трещин.
Ступенчатая закалка углеродистых сталей может быть применена лишь для изделий диаметром не более 8 – 10 мм. Скорость охлаждения более крупных изделий в среде с температурой выше точки Мн оказывается ниже критической скорости закалки, и аустенит претерпевает распад при высоких температурах.
^ Закалку по этому способу выполняют в основном так же, как и ступенчатую, но в данном случае предусматривается более длительная выдержка выше точки Мн. При такой выдержке происходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита. Для углеродистых сталей изотермическая закалка не дает существенного повышения механических свойств по сравнению с получаемыми обычной закалкой и отпуском.
У большинства легированных сталей распад аустенита в промежуточной области не идёт до конца. Если аустенит, не распавшийся при изотермической выдержке, не претерпевает мартенситного превращения при дальнейшем охлаждении, то сталь получает структуру бейнит + 10 – 20% остаточного аустенита, обогащенного углеродом. При такой структуре достигается высокая прочность при достаточной вязкости. Для многих сталей изотермическая закалка обеспечивает значительное повышение конструктивной прочности, т. е. прочности образцов сложной формы.
Если же большая часть аустенита, не распавшегося после окончания промежуточного превращения, при последующем охлаждении претерпевает мартенситное превращение, то изотермической закалкой нельзя получит высокие механические свойства. В этом случае резко снижается пластичность.
В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической закалке чаще применяют расплавленные соли в интервале температур 150 – 5000С, например 55% KNO3 и 45% NaNO2 (или NaNO3), а также расплавленные щелочи (20% NaOH и 80% KOH). Чем ниже температура соли (щелочи), тем выше скорость охлаждения в ней.[2]
ОТПУСК.
Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующим охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Так, например, осевые напряжения в цилиндрическом образце из стали, содержащий 0,3% С, в результате отпуска при температуре 5500С уменьшаются 60 до 8 кгс/мм2. Так же сильно уменьшаются тангенциальные и радиальные напряжения.
Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержке при 5500С в течение 15 – 30 минут. После выдержке в течение 1,5 часа напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.
Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение при 6000С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их колебания после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500 – 6500С во всех случаях следует охлаждать быстро.
Основные влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска.
^ проводят с нагревом до 150 – 2000С, реже при 240 – 2500С. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,5 – 1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58 – 63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.
^ выполняют при 350 – 5000С и применяют главным образом для пружин рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие предел упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали (0,45 - 0,8% С) после среднего отпуска – тростит отпуска или тростомартенсит с твердостью HRC 40 – 50. температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызывать необратимой отпускной хрупкости.
^ проводят при 500 – 6800С. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.
Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение, и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.
Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3 – 0,5% С) конструкционные стали, к которым предъявляют высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие её пониженной твердости не является высокой. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу пластической деформации при движении трещины (работу развития трещины) и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.[2]
Выводы.
Термическую обработку применяют для изменения механических свойств и структуры металлов и сплавов. Основные способы термической обработки – это отжиг, закалка и отпуск. Выбор того или иного способа термической обработки зависит от состава сплава и тех свойств которые хотим поучить, на основании анализа диаграмм состояния. Также необходимо учитывать динамику изменений структуры материалов.
Для обоснованного осуществления такого выбора необходимо, хотя бы кратко ознакомится с основами теории термической обработки.Литература.
- Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989. – 360 с.
- Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.
gendocs.ru
