Технология термической обработки стали. Отжиг первого рода
Термическую обработку стальных деталей проводят в тех случаях, когда необходимо либо повысить прочность, твердость, износоустойчивость или упругость детали или инструмента, либо наоборот, сделать металл более мягким, легче поддающимся механической обработке.
В зависимости от температур нагрева и способа последующего охлаждения различают следующие виды термической обработки : закалка, отпуск и отжиг.
отжиг 1 рода:диффузионный, рекристаллизационный, для снятия остаточных напряжений.
Диффузионный (гомогенезирующий) отжиг предназначен для устранения химической неоднородности (ликвации), возникающей при кристаллизации. Такому отжигу подвергаются в основном слитки или отливки из легированных сталей. Это объясняется тем, что скорость диффузии углерода, растворенного в аустените, на несколько порядков больше скорости диффузии легирующих элементов. Режим гомогенезирующего отжига: нагрев до температуры 1050…1200 °С, выдержка при отмеченной температуре 8…10 час.и последующее медленное охлаждение. Крупное зерно, возникающее в процессе отжига, устраняется другими видами термообработки.
Рекристаллизационный отжиг применяется для устранения наклепа после холодной пластической деформации. Этот вид отжига чаще используется как промежуточная операция для снятия наклепа между операциями холодного деформирования. Для углеродистых сталей с содержанием углерода 0,08…0,2 % (наиболее часто подвергаемых обработке давлением) температура нагрева при отжиге составляет 680…700 °С. Отжиг калиброванных прутков из высокоуглеродистых легированных сталей проводится при 680…740 °Св течение 0,5…1,5 часов.
Отжиг для снятия остаточных напряжений. Такому отжигу подвергаются отливки, сварные изделия, изделия после обработки резанием, правки и др., в которых возникают внутренние (остаточные напряжения). Остаточные напряжения часто вызывают коробление изделий, а складываясь с внешними (даже незначительными) напряжениями могут привести к разрушению. Для снятия напряжений чаще всего используется отжиг при температуре 550…650 °С. Время выдержки составляет несколько часов. Скорость нагрева и особенно охлаждения должна быть небольшой, чтобы исключить возможность образования новых остаточных напряжений.
Отжиг второго рода
отжиг 2 рода:полный, неполный, изотермческий
Полный отжиг наиболее часто применяется для доэвтектоидных сталей. Изделия нагреваются до температуры на 30…50 °С выше критической точки Ас3 для полной перекристаллизации исходной структуры. После такого нагрева аустенит становится мелкозернистым, что при последующем замедленном охлаждении дает возможность получения мелкозернистой ферритно-перлитной структуры. Если при отжиге нагрев произвести значительно выше Ас3 , то зерна аустенита могут вырасти до крупных размеров и при дальнейшем охлаждении образуется грубая структура, состоящая из крупных зерен феррита и перлита. Такая сталь обладает пониженной пластичностью.
Таким образом, основным назначением полного отжига является измельчение зерна доэвтектоидной стали, повышение пластических свойств, улучшение обрабатываемости резанием.
Неполный отжиг применяется для заэвтектоидных сталей. При таком отжиге сталь нагревается до температуры на 30…50 °С выше Ас1 (740…770 °С), при которой сохраняется вторичный цементит. После охлаждения цементит получается в виде зерен. Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, в результате которой цементитная сетка дробится. Сталь с зернистым цементитом лучше обрабатывается режущим инструментом и приобретает хорошую структуру после закалки.
Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется редко, так как в этом случае полной перекристаллизации не происходит и часть зерен феррита остается в том же виде, что и до отжига. Такой вид термообработки проводится только в том случае, когда исправление структуры не требуется, а необходимо только понижение твердости.
Если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым, проводится так называемый циклический отжиг, при котором сталь нагревается до температуры немного выше Ас1, с последующим охлаждением до температуры чуть ниже Аr1 (~680 °С) c повторением этого цикла несколько раз.
Изотермический отжиг используется для улучшения обрабатываемости легированных сталей. Порядок отжига следующий. Сталь нагревается на 30…50 °С выше Ас3 , охлаждается до температуры немного ниже Аr1, изотермическая выдержка при этой температуре для получения равновесной перлитной структуры и последующее охлаждение на воздухе.
При отжиге легированных сталей увеличиваются не только продолжительность нагрева и выдержки, но также и продолжительность охлаждения. И все-таки их твердость после отжига остается достаточно высокой, что ухудшает обрабатываемость резанием.
33. Выбор температуры нагрева закалки.
Температура нагрева под закалки выбирается исходя из состава стали. Нагрев осуществляется выше критических точек A1 или A3. Для доэвтектоидных сталей на 30-50 град. Выше критической точки Ac3 линия GS. После нагрева и выдержке следует охлаждение со скоростью выше критической, результатом такого охлаждения является структура мартенсита. А в сталях более 0.5% и до 0.8% помимо мартенсита в структуре сохраняется аустенит остаточный. Это вызвано тем, что положение точки конца мартенситного положения снижается в область отрицательных температур. Для доэвтектоидных сталей, нагрев под закалку выше Ac1. (PSK) – линия не проводиться. Последнее вызвано тем, что после закалки в структуре стали, будет присутствовать фирит. Фирит является наиболее мягкой структурой составляющей, что приводит к возникновению мягких пятен. Этот дефект получил название пятнистой твердости. Фирит располагается между иглами мартенсита, который образовался из аустенита. Температура нагрева для заэвтектоидной стали напротив, осуществляется на 30-50 град. Выше Ac1. Это обусловлено тем, что после закалки в структуре стали, сохраняется цементит, который является наиболее твердой структурной составляющей, дополнительно повышает прочностные св-ва. Структура заэвтектоидных сталей после закалки: мартенсит, цементит и аустенит остаточный. Причиной, по которой заэвтектоидные стали, не нагревают выше Acm(линия SE) является то, что эта линия располагается при более высоких температурах и в результате происходит рост зерна аустенита, а это в свою очередь приводит к получению после закалки крупно-игольчатого мартенсита. Крупно-игольчатый мартенсит по сравнению с мелко-игольчатым обладает пониженным значением ударной вязкости.
ВРЕМЯ НАГРЕВА ПОДЗАКАЛКИ
Нагрев деталей приводят в печах, в печах-ваннах индукционным нагревом, пламенем ацетиленокислородной горелки. В качестве нагревающей среды в печах-ваннах используют соли, смесь солей (BaCl2 и NaCl). Ванны применяют для нагрева до температур 1400-1450град. Общее время нагрева складывается из времени нагрева до заданной температуры и времени требуемой для прогрева детали. При нагреве в печах (камерных) вследствие контакта с окислительной средой (воздух) происходит обезуглероживание поверхностного слоя или окисление поверхностной детали. С целью предотвращения появления этих дефектов, нагрев проводят в кипящем слое, который представляет собой частицы …,через который пропускают горячий воздух. В кипящий слой помещают обрабатываемые детали.
СКОРОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ЗАКАЛКЕ
Охлаждать при закалке следует с не одной скоростью. Важно чтобы в 1-й момент охлаждения скорость была замедлена, замедлена и в последующий момент. Особенно при протекании мартенситного превращения. Такая не равномерная скорость охлаждения выбирается из тех соображений, что С образные кривые имеют максимум в районе температур 500-560град. Поэтому аустенит, переохлажденный в районе этих температур имеет минимальную устойчивость. Выше и ниже перегиба С образных кривых аустенит более устойчив и скорость охлаждения должна быть меньше. При температуре мартенситного превращения замедленное охлаждение нужно, для того чтобы снизить напряжение, которое вызывается структурными превращениями. В качестве закалочных средств используют воду, водные растворы, масло. В воде подвергают закалке углеродные стали. В масле – легированные. Некоторые легированные стали, закаливают на спокойном воздухе. Выбор типа охлаждения среды зависит от критической скорости закалки конкретной стали. Чем ниже скорость закалки, тем выбирают охладитель менее интенсивно охлаждающий. При погружении нагретой детали, охлаждающую среду выделяют 3 участка или стадии охлаждения, отличающихся интенсивностью охлаждения.
1-я стадия – возникает в момент погружения детали. Вокруг детали паровая рубашка. На этой стадии интенсивность не велика.
2-я стадия – происходит разрушение паровой рубашки, и контакт детали с окружающей средой на поверхности детали охлаждающаяся среда кипит. Второй период получил название пузырчатого кипения. Это наиболее интенсивно охлажденная сталь.
3-я – температура детали становится соизмеримой с температурой охлаждающей среды. Начинается охлаждение детали за счет конвективного теплообмена. Скорость на этой стадии минимальна. Вода является наиболее охлаждающей средой, но воде присущ ряд недостатков:
1.Слишком быстрое охлаждение детали, в области температур мартенситного превращения и за счет этого может возникнуть термическое …….короблению металлов и трещинообразованию.
2.Вода имеет узкий интервал в стадии пузырчатого кипения. В стадии, на которой происходит наиболее интенсивное охлаждение.
3.Охлаждающаяся способность воды резко уменьшается с повышением ее температуры.
С целью расширения интервала пузырчатого кипения в воду добавляют различные соли или кислоты. Масло по сравнению с водой имеет низкую скорость охлаждения, поэтому его используют при закалке легированных сталей. Однако масло имеет существенный недостаток - –низкую температуру воспламенения.
ЗАКАЛИВАЕМОСТЬ И ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ
Под закаливаемостью понимают способность стали к повышению твердости
Под прокаливанием понимают способность стали закаливаться на определенную глубину.
Глубина закаленной зоны является критерием прокаливаем ости. Обычно детали имеют более высокую твердость на поверхности и меньшую в сердцевине. Это объясняется теплопроводностью стали. Однако большинство деталей должны прокаливаться насквозь. Для обеспечения сквозной прокалки и контроля на ней был введен термин – критический диаметр. Под которым понимают максимальную размерность сечения детали, которая прокаливается насквозь. Для этого, чтобы закалить деталь насквозь в данном охладителе, необходимо чтобы критический диаметр Dкр больше диаметра сечения детали.
Способы закалки.
В зависимости от состава стали, формы и детали выбирают способ закалки. К основным способам закалки относятся: закалка в одном охладителе, прерывистая закалка, изотермическая закалка и различные сочетания этих способов.
Закалка в одном охладителе - это наиболее распространенный способ закалки, заключается в нагреве стали выше температур, соответствующих критической точке Ac1 и Ac3 с последующей выдержкой и охлаждением со скоростью выше критической в одном охладителе (1). В качестве охлаждающей среды для углеродистых и низколегированных сталей служит вода, легированных - масло. Некоторые высоколегированные стали закаливают на спокойном воздухе. Немаловажное значение имеет и площадь сечения детали; так углеродистые и низколегированные стали с сечением 5 мм закаливают в воде. Детали переменного сечения или сечения менее 5 мм можно закаливать и в масле, поскольку охлаждающей способности масла достаточно, для того чтобы прокалить детали тонкого сечения насквозь. В ряде случаев для снижения структурных напряжений, обусловленных фазовым наклепом, проводят закалку с подстуживанием; для этого нагретую выше соответствующей температуры деталь после выдержки подстуживают, т.е. некоторое время охлаждают на спокойном воздухе, а при подходе к температурам минимальной устойчивости аустенита (500- 550) переносят в закалочную среду тем самым снижается уровень напряжений детали при полном превращении аустенита в мартенсит. Однако осуществления закалки с подстуживанием требует большого практического опыта.
Закалка в двух средах - этот способ является некоторой разновидностью способа закалки с подстуживанием и заключается в том, что нагретую до необходимой температуры деталь, выдержанную при этой температуре, переносят в охладитель, обеспечивающий такую скорость охлаждения, которая предотвратила бы распад переохлажденного аустенита в области температур минимальной устойчивости аустенита, например в воду, а затем переносят в менее интенсивно охлаждающую среду, в которой собственно и происходит закалка(2). Такой способ закалки позволяет снизить уровень закалочных напряжений и предотвратить появление таких закалочных дефектов как, например корабление.
Струйчатая закалка - этот способ применяется в том случае, когда нет необходимости закаливать деталь на одинаковую твердость по всей поверхности. Для таких типов деталей, как зубило важно получить высокую твердость рубящей кромки при сохранении вязкого хвостовика; в этом случае инструмент, нагретый до заданной температуры, охлаждают с рабочей поверхности струями воды, тем самым разрушается "паровая рубашка" и рабочая поверхность инструмента интенсивно охлаждается.
Закалка самоотпуском - этот способ практически несет то же функциональное назначение, что и струйчатая закалка, например зубило, нагревают до заданной температуры и переносят в охлаждающую среду только рабочую часть, затем после извлечения из закалочной среды проводят выдержку на свободном воздухе в результате которой рабочая часть отпускается за счет нагрева от нерабочей, неохлажденной части. Температуру отпуска охлажденной части контролируют визуально по цветам побежалости. Закалку с самоотпуском можно проводить и другим методом, для этого деталь (инструмент) полностью подвергают закалке, а затем нагревают только нерабочую часть и за счет теплопроводности отпускается рабочая часть.
Ступенчатая закалка - этот способ является разновидностью способа закалки в двух средах(2). Однако является более эффективной с точки зрения обработки детали деталь переменного сечения. При охлаждении до температуры несколько выше точки начала мартенситного превращения необходимо выровнять температуру по всем сечениям, для этого делают выдержку в первом охладителе до выравнивания температуры, а затем переносят деталь во вторую охлажденную среду, в которой и происходит закалка(3).
Изотермическая закалка - в отличие от ступенчатой при изотермической закалке деталь помещают в охлаждающую среду с температурой несколько выше температуры начала мартенситного превращения и выдерживают в этой среде до полного завершения превращения (4). В результате изотермической закалки образуется структура - бейнит, которая по сравнению с мартенситом имеет несколько более низкую твердость и повышенную вязкость.