Робота 2.2.7 термічна та хіміко-термічна обробка вуглецевих сталей

Мета роботи

1 Оволодіти методикою виконання операції термічної обробки вуглецевої сталі та наступного контролю.

2 Вивчити вплив:

- температури нагрівання під загартування на структуру сталі та її механічні властивості (твердість);

- швидкості охолодження на структуру сталі та її механічні властивості (твердість);

- температури відпускання на структуру сталі та її механічні властивості (твердість).

Теоретичні відомості

Термічна обробка - це технологічний процес теплової обробки металів і сплавів, в результаті якого змінюються їх будова та влас­тивості. За допомогою термічної обробки можна отримати як підвищені твердість і міцність, так і високі пластичність і в’язкість. Терміч­ній обробці можуть піддаватись усі без винятку метали та сплави. Значна роль у розвитку термообробки належить Д.К. Чернову, який впер­ше встановив, що властивості сталі залежать від її структури, яка визначається температурою нагрівання та швидкістю охолодження.

Основні фактори, що визначають режим термічної обробки, – тем­пература нагрівання, тривалість витримки та швидкість охолодження.

Як приклад розглянемо перетворення, що відбуваються в евтектоїдній сталі при її нагріванні й охолодженні з різною швидкістю. Нагрівання сталі вище точки G призведе до утворення з перліту структури аустеніту. Відомо, що при повільному охолодженні сталі після її нагрівання вище критичної точки А₁ (723 ºС) відбувається розпад аустеніту на ферито-цементитну суміш, що називається перлі­том. Це перетворення складається з двох процесів, які відбуваються одночасно: переходу γ-Fe в α-Fe, утворення карбіду заліза Fe₃C (цементит).

Перший процес (алотропне перетворення заліза) бездифузійний і тому протікає миттєво.

Другий процес (утворення цементиту) дифузійний, пов’язаний з виходом атомів вуглецю з твердого розчину. Отже, для його завер­шення необхідно витратити певний час. Тому при швидкому охолоджен­ні в точці перлітних перетворень частинки цементиту не встигають сформуватись і ця точка переміщується в бік більш низьких темпе­ратур. При цьому чим швидше охолоджується сталь, тим при нижчій тем­пературі закінчується процес розпаду аустеніту на ферито-цементитну суміш (таблиця 2.11).

Таблиця 2.11 – Температурна поведінка розпаду аустеніту

Швидкість охолоджування, ºС/с	Температура закінчення розпаду, °С	Ступінь переохолод- ження аустеніту, °С
1/60 1 10 50 100 150	710 680 650 600 550 240	13 43 73 123 173 483

Ферито-цементитні суміші, утворені при різних швидкостях охолодження, відрізняються розмірами зерна, тобто ступенем дис­персності, а отже, своїми механічними властивостями.

Ферито-цементитні суміші, утворені при швидкостях охолоджен­ня до 50 °С/с, називаються перлітом. Його твердість – НВ2000 МПа.

Ферито-цементитні суміші, утворені при швидкостях охолодже­н-ня 50-100 °С/с, мають дрібне зерно і називаються сорбітом. Твердість сорбіту – HB5500 МПа.

Ферито-цементитні суміші, утворені при швидкостях охолодже­н-ня 100-150 °С/с, мають дуже дрібне зерно і називаються троости­том. Твердість трооститу – HB3500 МПа.

При швидкості охолодження вище 150 °С/с аустеніт не буде розпадатись на ферито-цементитну суміш. Він охолоджується до температури приблизно 240°С, а потім перетворюється в мартенсит, який являється перенасиченим твердим розчином впровадження вуглецю в α-Fe_.

Присутність вуглецю в α-залізі, де йому немає місця в кристалічній решітці (ОЦК), призводить до різкої зміни її розмірів і форми, до викривлень. Тому мартенсит має підвищену твердість (НВ6000 МПа) та крихкість. Він є нестійкою структурою, і при нагріванні розпада­ється на ферито-цементитну суміш, яка є троститом, і послідовно переходить при подальшому нагріванні в сорбіт і перліт.

Описані перетворення використовують на практиці, отримуючи шляхом нагрівання та охолодження з різною швидкістю потрібні структуру та властивості сталі. Так, нагріваючи евтектоїдну сталь до стану аустеніту та повільно охолоджуючи її, отримують найбільш м^’яку структуру (перліт). Це можуть бути такі операції термо­обробки, як відпалювання та нормалізація.

Охолоджуючи нагріту до стану аустеніту евтектоїдну сталь зі швидкістю більше 150 °С/с, отримують структуру мартенситу. Ця опе­рація термообробки називається загартуванням. Проте після неї сталь використовувати неможливо – вона занадто крихка і має низьку міц­ність. Нагріванням цієї сталі до певних температур (не вище критич­ної) її необхідно привести до більш стійкого стану. Ця операція термообробки називається відпусканням. Таким чином, мета відпускання – отримати бажану структуру (троостит, сорбіт, перліт) та відповідно необхідні властивості сталі. При цьому знижуються її внутрішні напруги.

У процесі швидкого охолодження сталі може також утворюватись структура, яка є незначно перенасиченим твердим розчином впроваджен­ня вуглецю в α-Fe у суміші з карбідами заліза і називається бейні­том. Таким чином, бейніт – проміжна структура між трооститом і мартен­ситом, що має високу твердість (НВ5000 МПа).

Перетворення в нагрітій до стану аустеніту сталі можна вивчити, переохолоджуючи її до різних температур і витримуючи при них. Резуль­татом таких експериментальних досліджень є побудовані так звані діагра­ми ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту, які встанов­люють стійкість, тобто тривалість існування переохолодженого аусте­ніту залежно від температури. За цією діаграмою можна точно визначити, скільки часу переохолоджений до даної температури аустеніт залишає­ться нерозпадним, через який час розпадається та яка структура є про­дуктом цього розпаду. Та якщо діаграма залізо - цементит є єдиною для всіх сплавів, то діаграма ізотермічного перетворення переохолоджено­го аустеніту будується для кожної марки сталі. Для теорії та практики термічної обробки необхідні дві діаграми. Якщо за допомогою діаграми стану Fe - Fe₃C встановлюють температуру нагрівання сталі при від­палюванні, нормалізації, загартуванні, то діаграма ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту дає можливість вибрати швид­кість охолодження для отримання необхідної структури та властивостей сталі. Це легко визначити, накладаючи на діаграму криві охолодження сталі.

Отже, основними операціями термообробки сталі є відпалювання, нормалізація, загартування та відпускання.

Відпалюванням називається операція термообробки, що полягає в нагріванні сталі до певної температури, витримці при цій темпера­турі та повільному охолодженні разом з піччю. Відпалювання здійс­нюють для зниження твердості, збільшення пластичності та в’язкості і покращення оброблюваності сталі. На практиці, як правило, застосовуються такі види відпалювання.

Відпал 1-го роду без фазових перетворень застосовується для мономорфних та поліморфних металів і сплавів. Відрізняють такі різновиди відпалу 1 роду: гомогенізуюче, рекристалізаційне та для зняття напружень.

Гомогенізуюче (дифузійне) відпалювання дає можливість усуну­ти дендритну ліквацію у відливках і злитках сплавів кольорових мета­лів і високолегованих сталей. Із зростанням температури збільшується також швидкість дифузії. Тому це відпалювання виконують за високих температур – нагрівають до 1000 - 1200 °С, витримують 8-15 годин при цій температурі і повільно охолоджують до температури 500-600 °С; охолодження відбувається з будь-якою швидкістю.

Рекристалізаційний відпал найчастіше застосовується для холоднодеформованих металів і сплавів, щоб зняти наклепання. Ця оброб­ка може бути проміжною та остаточною. У результаті рекристалізації утворюються нові зерна з меншою концентрацією дефектів будови, зніма­ються внутрішні напруження, знижуються міцністні та підвищуються пластич­ні властивості металів і сплавів. Температура відпалювання для вуг­лецевих сталей – 680-700 °С, для легованих – 700-730 °С. Тривалість витримки залежить від товщини перерізу виробу, що оброблюється.

Відпал для зняття напружень дає можливість усунути внутріш­ні (залишкові) напруження, внесені до металу попередньою обробкою. Це відпалювання найчастіше здійснюється за температур 400-680 °С, тривалість витримки – з розрахунку 2,5 хв. на 1 мм товщини перерізу деталі.

Відпал 2-го роду (з фазовою перекристалізацією) виконує­ться для отримання рівноважної структури металів і сплавів, що заз­нають при тепловому впливі фазових перетворень. Таке відпалюван­ня зменшує концентрацію дефектів решітки, знижує внутрішні напру­ження, подрібнює зерно, виправляє структуру, спотворену поперед-ньою обробкою. В результаті підвищується пластичність і знижуються міц­ність і твердість металу. Застосовують повний, неповний та ізотер­мічний види відпалювання 2-го роду.

Повний та неповний відпали відрізняються ступенем (повно­тою) фазових перетворень. Температура нагрівання при повному від­палі на 30-50 °С вище лінії GSE, при неповному – на 10-30 °С вище лінії PSK.

Ізотермічне відпалювання здійснюється за такою схемою: нагрівання сталі (доевтектоїдної – вище лінії GS, заевтектоїдної – вище лінії SК), витримка до повного прогрівання та фазового пере­творення, швидке охолодження до температури 600-700 °С, ізотермічна витримка до повного розпаду аустеніту та швидке охолодження на повітрі.

Нормалізація як різновид повного відпалу застосовується все ширше завдяки значному скороченню часу на термообробку, оскільки охолодження відбувається на повітрі. Вона застосовується як заключна операція для низьковуглецевих і легованих сталей. Для за­евтектоїдних сталей нормалізація є допоміжною операцією перед загар­туванням.

Загартування здійснюється для підвищення твердості, зносостій­кості та межі пружності. При гартуванні сталь нагрівають вище кри­тичних точок, витримують, а потім швидко охолоджують. Залежно від швидкості охолодження відрізняють різке чисельне загартування на мартенсит і помірне – на троостит. Для загартування вуглецевих ста­лей на мартенсит застосовують охолодження у воді, на троостит – у маслі. Температура під загартування має бути такою, щоб сталь повністю перейшла до аустенітного стану. Для доевтектоїдної сталі температура нагрівання має бути на 30-50 °С вища лінії GS, для заевтектоїдної – на 30-50 °С вище лінії SК, оскільки вторинний цементит, що зали­шився при такому нагріванні, підвищує твердість і зносостійкість за­гартованої сталі.

Пересичені тверді розчини, що утворюються в результаті загар­тування, метастабільні і при нагріванні починають розпадатись. Про­цеси їх розпаду в сплавах, загартованих з поліморфним перетво-ренням, називаються відпуском (відпусканням), а в сплавах, загартованих для поліморфно­го перетворення, – старінням.

Відпускання призначене для часткового чи повного зменшення метастабільності загартованого на мартенсит матеріалу. Температура нагрівання при відпусканні має не перевищува­ти температуру фазового переходу. Відпускання залежно від темпера­тури нагрівання буває низьким (150-300 °С), середнім (300-500 °С) і високим (500-650 °С) і тією чи іншою мірою зменшує внутрішні напруження та крихкість, знижує твердість і міцність, підвищує плас­тичність і в’язкість.

Одним з ефективних способів поверхневого зміцнення металів є хіміко-термічна обробка. Вона представляє собою технологічний процес насичення поверхневого шару виробу яким-небудь елементом шляхом дифузії його із зовнішнього середовища. При хіміко-термічній обробці змінюється хімічний склад поверхневого шару деталей.

Механізм насичення металу полягає в адсорбції атомів, що підводяться до виробу; розчиненні адсорбованих атомів в металі; дифузії розчиненої речовини в глибину оброблюваного виробу.

Хіміко-термічна обробка (ХТО) здійснюється при високих температурах, коли швидкість дифузії велика.

До найбільш розповсюджених методів ХТО відносяться цементація, азотування, ціанування, дифузійна металізація.

Цементація – процес насичення поверхневого шару сталі вуглецем. Цементації піддаються низьковуглецеві сталі (0,1...0,3 % С), в тому числі і леговані. Цементацію здійснюють твердим карбюризатором (деревним вугіллям з додаванням ВаСО₃, NaCO₃, К₂СО₃) при температурі 900...950 ^оС в металевих ящиках протягом 8...14 год. Газова цементація здійснюється в закритих камерних печах, заповнених газом (природним, окислом вуглецю, метаном, пропаном та ін.), при температурі 930...950 ^оС протягом 8...12 год.

Азотування – процес дифузійного насичення поверхні виробу азотом. Азотують леговані сталі (35ХМЮА, 35ХЮА і ін.). Перед азотуванням заготовку піддають загартуванню та високому відпус-канню. Азотування проводять в печах при температурі 500...600 ^оС. Активний азот, що виділяється при дисоціації аміаку, шляхом дифузії проникає з іншими елементами в поверхневий шар і утворює дуже тверді хімічні сполуки – нітриди (AlN, MoN, Fe₃N та ін.).

Азотування на глибину 0,2...0,5 мм продовжується 25...60 год і в цьому його основний недолік.

Ціанування – процес одночасного дифузійного насичення поверхневого шару вуглецем і азотом в розплавлених ціаністих солях; а в газовому середовищі – нітроцементація. Ціанування в розплаві ціаністих солей NaCN, KCN, Ca(CN)₂ здійснюють для підвищення міцності та зносостійкості невеликих деталей, що працюють при малих питомих навантаженнях.

Послідовність виконання роботи

1 Використовуючи діаграму стану Fe-Fe₃C, криві залежності по­ложення критичних точок від швидкості охолодження сталі та діаграму ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту, вивчити перетворення, що відбуваються в сталі при нагріванні та охолодже­нні її з різною швидкістю.

2 Встановити вплив температури нагрівання під загартування на механічні властивості (твердість) сталі 45 та її структуру. Для цього визначити твердість чотирьох зразків, виготовлених із сталі 45, нагрітих до температури відповідно 650, 740, 840, 950 °С і загарто­ваних у воді, вивчити їх мікроструктуру (номери зразків мікрошліфів відповідно 1, 2, 3, 4).

3 Встановити вплив швидкості охолодження на механічні властивос­ті (твердість) сталі 45 та її структуру. Для цього визначити твердість чотирьох зразків, нагрітих до температури 840 °С і охолоджених у воді, маслі, на повітрі, в печі, вивчити їх структуру (номери зразків від­повідно 3, 5, 6, 7).

4. Встановити вплив температури нагрівання при відпусканні на механічні властивості (твердість) сталі 45 та її структуру. Для цього визначити твердість чотирьох зразків, нагрітих до температури відповід­но 180, 380, 520, 650 °С, вивчити їх мікроструктуру (номери зразків мікрошліфів відповідно 8, 9, 10, 11).

5. Скласти письмовий звіт про виконану роботу.

Обладнання, матеріали, інструменти

1. Діаграма стану Fe-Fe₃С, діаграми ізотермічного перетворен­ня переохолодженого аустеніту сталі 45, криві залежності положення критичних точок від швидкості охолодження.

2. Твердоміри типу ТК-2 (Роквелла).

3. Набір наконечників до твердомірів.

4. Металографічний мікроскоп МИМ-7.

5. Набір зразків (11 шт.), виготовлених із сталі 45 і термічно оброблених за зазначеними режимами.

6. Набір мікрошліфів (11 шт.), виготовлених із сталі 45 і тер­мічно оброблених за зазначеними режимами.

7. Муфельні печі – 2 шт.

8. Термопари – 2 шт.

9. Ванна з водою та ванна з маслом.

Зміст звіту

1 Назва та мета роботи.

2 Графік залежності твердості від зміни температури нагрівання сталі 45 під загартування в координатах "Твердість (HRC) - температура". Зарисовки мікроструктур шліфів сталі 45 (4 шт.) після загартування з різних температур. (Поясніть вплив температури нагрі­вання під загартування на структуру та твердість сталі 45).

3 Графік залежності твердості від зміни швидкості охолодження сталі 45 в координатах "Твердість (HRC) - швидкість охолодження". Зарисовки мікроструктур шліфів сталі 45 (4 шт.) після нагрівання у воді, маслі, на повітрі та в печі. Пояснення вплив умов охолоджен­ня на структуру та твердість сталі 45.

4 Графік залежності твердості від зміни температури нагріван­ня при відпусканні сталі 45 в координатах "Твердість (НRС) - темпе­ратура". Зарисовки мікроструктур шліфів сталі 45 (4 шт.) після за­гартування та відпускання з різних температур. Пояснення вплив тем­ператури відпускання на структуру та твердість сталі 45.

5 Визначення та можливі режими здійснення хіміко-термічної обробки сталей як способу поверхневого зміцнення: цементація (твердим карбюризатором та газова), азотування та ціанування, дифузійна металізація.

Контрольні запитання

1 Як швидкості охолодження впливають на перетворення в сталі?

2 Поняття про діаграму ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту.

3 Практичне використання діаграми стану залізо - цементит і діаграми ізотермічного перетворення переохоло­дженого аустеніту для вибору режимів термічної обробки.

4 Види термічної обробки (відпалювання, нормалізація, загар­тування, відпускання), їх призначення та особливості виконання.

6. Вплив температури нагрівання під загартування на механічні властивості сталі.

7. Вплив швидкості охолодження на структуру та механічні властивості сталі.

8. Вплив температури нагрівання при відпусканні на структуру та механічні властивості сталі.

9. В чому полягає суть хіміко-термічної обробки сталі: цементації, азотування та ціанування?

10. Яке призначення має хіміко-термічна обробка матеріалів?

11. Як відбувається поверхневе зміцнення матеріалів?

12. В чому суть дифузійної металізації?