План лекции

1 Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности слушателей к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие (время 3-5-мин)

2 Вступление (5 мин)

Вопросы лекции:

1 Выбор температуры и времени нагрева (15 мин)

2 Особенности, виды и назначение операции отжиг (20 мин)

3 Выбор режимов закалки и параметры контроля (20 мин)

4 Классификация видов отпуска (15 мин)

ВСТУПЛЕНИЕ

Упрочнению термической обработкой подвергаются до 8–10% общей выплавки стали в стране. В машиностроении объем термического передела составляет до 40% стали, потребляемой этой отраслью. Номенклатура упрочняемых деталей велика – от деталей приборов, разнообразных деталей машин до крупных элементов металлургического, транспортного, энергетического оборудования.

Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливкам, поковкам, прокату и т д.) и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Вопрос №1. Выбор температуры и времени нагрева

Температура закалки для сталей большинства марок определяется положением критических точек А₁ и А₃.

Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме железо – углерод (рис. 1). Обычно для доэвтектоидной стали она должна быть на 30 – 50°С выше Ас₃, а для эаэвтектоидной стали – на З0 – 50°С выше Ас_1.

При закалке доэвтектоидной стали с температуры выше Ас₁, но ниже Ас₃ в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной и, как правило, ее не применяют.

Для заэвтектоидных сталей оптимальная температура закалки, наоборот, лежит в интервале между Ас₁ и Ас₃ и теоретически является неполной.

Рисунок 1 – Оптимальный интервал закалочных температур углеродистой стали

Наличие в структуре закаленной стали избыточного цементита полезно во многих отношениях. Например, включения избыточного цементита повышает износоустойчивость стали. Нагрев же выше Ас₃ опасен и не нужен, так как он не повышает твердости, наоборот, твердость даже несколько падает вследствие растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита; при таком нагреве растет зерно аустенита, увеличивается возможность возникновения больших закалочных напряжений, интенсивнее обезуглероживается сталь с поверхности и т. д.

Таким образом, оптимальной является закалка доэвтектоидной стали от температуры на 30 – 50°С выше Ас₃, а для заэвтектоидной стали на 30 – 50°С выше Ас₁.

Повышение температуры закалки выше этих температур и вызванный этим рост зерна аустенита обнаруживаются в первую очередь в получении более грубой и крупноигольчатой структуры мартенсита, или грубого крупнокристаллического излома. Следствием такого строения является низкая вязкость.

Общее время нагрева складывается из времени нагрева до заданной температуры (τ_н) и времени выдержки при этой температуре (τ_в):

Величина τ_н зависит от нагревающей способности среды, от размеров и формы деталей, от их укладки в печи; τ_в зависит от скорости фазовых превращений, которая определяется степенью перенагрева выше критической точки и дисперсностью исходной структуры.

Время нагрева зависит от многих факторов и на практике колеблется от 1 – 2 мин (нагрев мелких деталей в соли) до многих часов (нагрев крупных деталей тяжелого машиностроения в печи).

Точно установить время нагрева можно лишь опытным путем для данной детали в данных конкретных условиях, а приближенно – можно подсчитать. Имеется несколько приближенных способов расчета времени нагрева.

Вопрос №2. Особенности, виды и назначение операции отжиг

Основными видами ТО стали, определяющими их структуру и свойства, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг – процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до определенной температуры и последующее, как правило, медленное охлаждение с печью с целью получения более равновесной структуры.

Отжиг I рода – характерная особенность этого отжига состоит в том, что устранение неоднородности происходит независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения или нет, поэтому отжиг I рода можно производить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений. К этому типу отжига относятся:

– гомогенизационный 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); нагрев слитков до 1100-1200⁰С, выдержка при этой температуре 8-15 часов, медленное охлаждение с печью до 200⁰С; процесс продолжается около 80 – 100 часов;

– рекристаллизационных отжиг – нагрев холоднодеформированной стали выше температур начала рекристаллизации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением; цель – устранить наклеп после деформации, привести структуру в равновесное состояние перед следующим этапом холодного деформирования;

– высокий отпуск – проводят для уменьшения твердости, нагрев до температуры ниже точки А₁ (650-700⁰С) в течение 3-15 часов и медленное охлаждение; структура стали – феррит и зернистый или пластинчатый перлит; применяют для улучшения обработки резанием (структурно свободный феррит налипает на кромки режущего инструмента);

– отжиг для снятия остаточных напряжений – применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и др., проводят при температуре 160-700⁰С с последующим медленным охлаждением; цель – снятие остаточных напряжений, возникших в результате неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т.п. после сварки, обработки резанием и т.д.

Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация) – нагрев стали до температур выше точек А_С1 или А_С3, выдержке и медленном охлаждении. При этом протекают фазовые α→γ превращения, определяющие структуру и свойства стали. Различают следующие виды отжига:

Полный отжиг – нагрев доэвтектоидной стали на 30-50⁰С выше температуры А_С3, выдержке при этой температуре до полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении (рис.2). при этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали.

Рисунок 2 – Схема полного отжига доэвтектоидной стали

Изотермический отжиг – состоит обычно в нагреве легированной стали, как и для полного отжига, и в сравнительно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки А₁ (обычно 660-680⁰С). При этой температуре проводят изотермическую выдержку 3-6 часов для полного распада аустенита, затем – охлаждение на воздухе (рис.3)

Изотермическому отжигу чаще подвергают поковки, штамповые заготовки, сортовой прокат из легированной цементуемой стали небольших размеров.

Патентирование – применяют для пружинной (канатной) проволоки, после изотермического отжига и полной аустенизации пропускают через расплавленную соль температуроц 450-550⁰С; в результате распада аустенита образуется тонкопластинчатый троостит или сорбит, на такой структуре возможны большие обжатия без обрывов при холодном волочении и прочность σ_в =2000-2250 Мпа.

Рисунок 3 – Схема изотермического отжига:

а – график отжига; б – изотермическая диаграмма с кривой охлаждения при изотермическом отжиге

Неполный отжиг – сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше А₁). Для доэвтектоидных сталей такой отжиг улучшает обрабатываемость резанием. Для заэвтектоидных и легированных сталей такой отжиг называется сфероидизацией, поскольку приводит к образованию зернистого (сфероидального) перлита вместо пластинчатой. Температуры сфероидизации для заэвтектоидных углеродитсых сталей 770-790⁰С, для эвтектоидных – 750-760⁰С, для легированных заэвтектоидных – 770-820⁰С. Охлаждение при сфероидизации медленное.

Сфероидизации подвергают тонкие листы и прутки из низко- и среднеуглеродистой стали перед холодной штамповкой или волочением для повышения пластичности. Кроме того, для улучшения обработки резанием: повышения соростей резания и достижения наилучшей чистоты поверхности.

Нормализация – нагрев доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку А_С3 на 40-50⁰С, заэвтектоидной стали – выше точки А_СТ на 40-50⁰С, непродолжительная выдержка при этой температуре для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждение на воздухе. Происходит полная фазовая перерекристаллизация стали, устраняется крупнозернистая структура после литья или прокатки, ковки, штамповки. Охлаждение на воздухе (можно считать его ускоренным) приводит к распаду аустенита при более низких температурах с образованием дисперсной ферритно-цементитной структуры.

Вопрос №3. Выбор режимов закалки и параметры контроля

Закалка – нагрев стали до температуры выше критической (А₃ для доэвтектической и А₁ для заэвтектической) или до температцры растворения избыточных фаз, выдержка при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью выше критической. Закалка не является окончательной операцией ТО. Для снятия напряжений после закалки, уменьшения хрупкости, получения требуемых механических свойств сталь обязательно подвергают отпуску.

Время нагрева под закалку складывается из времени нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре. Первое определяется нагревающей способностью среды, размерами и формой деталей, а второе – скоростью фазовых превращений, которая зависит от перенагрева выше критической точки и дисперсностью исходной структуры.

При выборе среды нагрева следует учитывать реакции окисления и обезуглероживания поверхности. Часто для предохранения деталей от этих явлений используют защитные атмосферы, которые представляют собой продукты сжигания метана, или инертные газы (аргон, гелий), или вакуум.

Закалочные среды должны обеспечивать получение структуры мартенсита в пределах всего сечения изделия, не должны вызывать появление закалочных дефектов (трещин, деформаций, коробления и т.п.). Идеальная кривая охлаждения при закалке показана на рис.4

Рисунок 4 – Идеальная кривая охлаждения при закалке

В качестве закалочных сред используют воду, водные растворы щелочей и солей, масла, смесь воды с воздухом, охлаждение под давлением в среде азота, аргона и водорода.

Закаливаемость – способность стали повышать твердость в результате закалки, определяется содержанием углерода в стали.

Прокаливаемость – способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троостито-мартенситной структурой и высокой твердостью на определенную глубину. Определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали.

Глубина закаленного слоя – расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50% мартенсита+50% троостита). Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром. Величина критического диаметра определяет размер сечения изделия, прокаливающегося насквозь, т.е. получающего высокую твердость, а после отпуска и высокие механические свойства по всему сечению.

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

1 Закалка в одном охладителе (рис.5, кривая 1) – наиболее простой способ. Нагретую до определенных температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остается до полного охлаждения. Этот способ применяют при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.

2 Прерывистая закалка, или закалка в двух средах (рис.5, кривая 2). Деталь 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. Этот способ применяют при закалке инструмента из высокоуглеродистых сталей.

Рисунок 5 – Кривые охлаждения для различных способов закалки

3 Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струей воды и обычно ее применяют тогда, когда требуется закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде.

4 Закалка с самоотпуском.

5 Ступенчатая закалка (рис. 5, кривая 3). Дталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести ко всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, т. е. превращение аустенита в мартенсит. Разбивка охлаждения на две ступени

6 Изотермическая закалка (рис. 5, кривая 4). В отличие от ступенчатой пи изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита. бычно температура изотермического распада аустенита лежит в интервале 250—350°С. В результате изотермической закалки с распадом аустенита в этом районе температур сталь обладает меньшей твердостью, чем при любых способах закалки, но обычно повышенной вязкостью.

Обработка стали холодом заключается в охлаждении закаленной стали, в структуре которой имеется остаточный аустенит, до тёмператур ниже 0°С.

Сущность этого метода заключается в следующем. Во многих сортах стали в закаленном состоянии содержится повышенное количество остаточного аустенита. Если точка конца мартенситного превращения лежит ниже 0°С (например, в углеродистой стали при содержании углерода более 0,5%), то, очевидно, охлаждение ниже 0°С вызовет дополнительное образование мартенсита.

Увеличение количества мартенсита: а) повышает твердость; б) увеличивает объем; в) повышает магнитные характеристики; г) стабилизирует размеры.

Эти изменения тем значительнее, чем больше образуется мартенсита в результате обработки холодом.

Неправильно проведенная закалка может вызвать различные дефекты. Наиболее распространенные из них: недостаточная твердость, мягкие пятна, повышенная хрупкость, обезуглероживание и окисление поверхности и, наконец, коробление, деформации и трещины.

Вопрос №4. Классификация видов отпуска.

Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже А_С1, выдержке при этой температуре и охлаждении с определенной скоростью. Это окончательная операция после закалки, получают требуемые свойства стали, снимаются все внутренние напряжения. Чем выше температура отпуска и медленнее охлаждение, тем полнее снимаются внутренние напряжения. Различают 3 вида отпуска:

Низкотемпературный (низкий) отпуск – нагрев до 250⁰С. Снижаются закалочные микронапряжения, 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. Применяется для режущего и мерительного инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, а также после поверхностной закалки, цианирования и цементации (нитроцементации).

Среднетемпературный (средний) отпуск – при 350-500⁰С применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Структура стали обычно – троостит отпуска или троостомартенсит с твердостью HRC 40–50. Обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости на релаксационную стойкость.

Высокотемпературный (высокий) отпуск – при температурах 500-680⁰С. Структура – сорбит отпуска. Создает наилучшее соотношение прочности и вязкости. То, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением.

Термомеханическая обработка (ТМО). Заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии с закалкой. Наиболее распространенными видами ТМО являются (рис.6):

– высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) – сталь деформируют при температуре выше А_С3, структура стали – аустенит, деформации составляют 20-30 %. После деформации следует немедленная закалка во избежание рекристаллизации.

– низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) – сталь деформируют в температурной зоне существования переохлажденного аустенита (400-600⁰С), выше М_Н , но ниже температуры рекристаллизации. Степень деформации составляет 75-95 %. Закалку проводят сразу после деформации.

Рисунок 6 – Классификационная схема ТМО

После закалки в обоих случаях следует низкий отпуск (100-300⁰С). Такая комбинированная обработка позволяет получить очень высокую прочность σ_в=2200-3000 МПа при хорошей пластичности и вязкости. Это достигается за счет образования фрагментированной структуры с дислокационными границами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Под термической обработкой понимают изменение структуры, а следовательно, и свойств сплава, достигаемое нагревом до определенной температуры, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением с заданной скоростью.

Существует несколько видов термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, отпуск), различно изменяющих структуру и свойства стали и назначаемых в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливкам, поковкам, прокату и т. д.) и готовым изделиям.

Термическая обработка стали является важной операцией в технологическом цикле изготовления многих изделий. Только при помощи термической обработки можно получить высокие механические свойства стали, обеспечивающие нормальную работу современных деталей машин и инструментов.

Задание на самоподготовку:

1 В чем заключаются общие черты и отличия различных видов отжига?

2 Какой вид термической обработки применяют для пружинной проволоки?

3 В чем заключаются особенности нормализации и ее назначение.

4 Как определить качество закаленного слоя?

5 Для чего проводят термомеханическая обработка?

Лекция 19. Технология химико-термической обработки

Цели лекции:

1 Учебные:

– изучить технологи химико-термической обработки стали

– изучить виды химико-термической обработки

2 Воспитательные:

– воспитание умений умственной деятельности;

– воспитание сознательного отношения к учебным обязанностям.

3 Развивающие:

– развитие умения воспринимать учебный материал в готовом виде и осмысленно изображать его в конспекте

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакаты:

1 Схема формирования многофазного поверхностного слоя при ХТО

2 Зависимость толщины диффузионного слоя от продолжительности насыщения, температуры и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя

Литература, использованная при подготовке к лекции:

Гузанов Б.Н., Косицын С.В., Пугачева Н.Б. Упрочняющие защитные покрытия в машиностроении. – Екатеринбург: УрО РАН, 2003.

Материаловедение: Учеб. для вузов. / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Н. Мулин и др. – М.: МГТУ им. Баумана, 2004.

Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учеб. для машиностр. вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980.

Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справ. / Г.В. Борисенок, Л.А. Васильев, А.Г. Ворошин и др. – М.: Металлургия, 1981.