Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория и методы технологического воздействия на среду и объекты с помощью термической обработки материалов в сельскохозяйственном производстве. Учебно.pdf
В металлургическом и литейном производстве устанавливаются температуры плавления и кристаллизации стали и чугуна с различным процентным содержанием углерода.
В кузнечно-штамповочном и прокатном производстве при горячей обработке стали давлением устанавливается рациональный
интервал температур такой обработки, а также границы температур
«пережога» стали.
В термическом производстве устанавливается температура нагрева при отжиге, закалке и отпуске изделий из стали и чугуна.
Рис. 2.2. Температурный режим обработки изделий из стали и чугуна
2.4.1 Отжиг
Назначение отжига: улучшить обрабатываемость стали резанием, подготовить деталь к последующей закалке, усреднить химический состав легированных сталей по объему.
Главная отличительная черта отжига от других видов ТО – медленное охлаждение вместе с печью (в выключенной печи).
На практике используют два принципиально различных вида
отжига: отжиг I рода и отжиг II рода.
31
1 – диффузионный; 2 – полный; 3 – неполный;
4 – рекристаллизационный; 5 – нормализация
Рис. 2.3. Интервалы температур нагрева при различных видах отжига
Особенностью всех разновидностей отжига I рода является то,
что все они не связаны с фазовыми превращениями в твердом состоянии стали и протекают независимо от того, идут при этом фазовые
превращения или нет.
Отжиг I рода (нагрев ниже температур фазовых превращений)
применяют для снятия наклепа и внутренних напряжений после холодной и полугорячей обработки давлением.
Отжиг I рода включает: диффузионный отжиг, рекристаллизационный отжиг, низкий отжиг.
Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше
критических точек Ас1 или Ас3, выдержке и последующем медленном охлаждении. Отжиг II рода основан на прохождении фазовых
превращений в твердом состоянии – превращении γ → α, и поэтому
часто называется фазовой перекристаллизацией. При фазовой перекристаллизации измельчается зерно и устраняются неблагоприятные структуры стали. В процессе охлаждения аустенит превраща-
32
ется в ферритоцементитную смесь – перлит, выделяя избыточные
фазы. После отжига доэвтектоидные стали получают структуру перлита и феррита; эвтектоидные – перлита, заэвтектоидные – перлита
и цементита (вторичного).
В большинстве случаев отжиг II рода является подготовительной термической обработкой – в процессе отжига снижается
твердость и прочность, что облегчает обработку резанием средне-
и высокоуглеродистых сталей. Неполный отжиг инструментальных
сталей предшествует окончательной термической обработке.
Отжиг II рода включает: полный отжиг, неполный отжиг.
На рисунке 2.3 приведены различные виды отжига.
2.4.1.1 Диффузионный отжиг
Применяется для легированных сталей, склонных к ликвации,
которая повышает склонность стали при обработке давлением к трещинообразованию. Ликвация – это неравномерность химического
состава по объему, когда «легкие» легирующие элементы скапливаются вверху, а «тяжелые» – внизу.
Проводят его с целью максимального выравнивания химического состава стали за счет диффузии. Неоднородность химического
состава возникает еще при кристаллизации стали в диапазоне температур между ликвидусом и солидусом.
Диффузионный отжиг – это нагрев до температур, намного
превышающих точки А3 и Аcm, достаточно длительная выдержка при
этой температуре и последующее медленное охлаждение.
Режимы: 1. Температура нагрева печи t = 1100…1150 °C.
2. Время нахождение в печи 10…20 часов. 3. Охлаждение – вместе
с печью.
2.4.1.2 Рекристаллизационный отжиг
Рекристаллизационный отжиг проводят с целью восстановления пластичности стали после холодной деформации, для устранения наклепа.
При рекристаллизационном отжиге холоднодеформируемую
сталь нагревают до температуры, превышающей температуру рекристаллизации, выдерживают при этой температуре, затем охлаждают.
Температура не должна быть выше Ас1, в противном случае наступит
33
перекристаллизация. При необходимости получения мелкозернистой окончательной структуры целесообразно при низкой степени
деформации применять более низкие температуры.
Режимы: 1. Температура нагрева t = 650…700 °С. 2. Время
в печи = 2…6 часов. 3. Охлаждение – вместе с печью.
Рекристаллизационный отжиг применяется для снятия внутренних напряжений, увеличения пластичности и надежности стали после отливки или сварки заготовок; после холодной обработки
давлением (изготовление заготовок или деталей прессованием или
штамповкой).
2.4.1.3 Низкий отжиг
Низкий отжиг производят с целью снятия внутренних напряжений без изменения структуры. Производят уменьшение остаточных напряжений, образовавшихся в металле при ковке, литье, сварке и способных вызвать коробление и разрушение детали. Главным
процессом, проходящим при отжиге для снятия внутренних напряжений, является полная или частичная релаксация остаточных напряжений.
На практике отжиг стальных изделий для снятия напряжений
проводят в температурном интервале 160–700 °С с последующим
медленным охлаждением.
2.4.1.4 Полный отжиг
Полный отжиг применяется для доэвтектоидных сталей и состоит в нагреве стали на 30–50 °С выше точки Ас3, выдержке при
этой температуре до полной перекристаллизации металла и медленном охлаждении. При таком отжиге образуется мелкое аустенитное
зерно, из которого при охлаждении формируется равномерная мелкозернистая феррито-перлитная структура.
Режимы: 1. Температура нагрева t = Ас3 + 50 °С. 2. Время нахождения в печи – 2…6 часов в зависимости от размеров детали (заготовки) вида и количества легирующих элементов в стали. 3. Охлаждение – вместе с печью.
Применяется для исправления структуры (подготовки к последующей закалке) и улучшения обрабатываемости доэвтектоидных
(С < 0,8 %) сталей резанием.
34
2.4.1.5 Неполный отжиг
Неполный отжиг производят как для смягчения стали с целью
улучшения последующей обработки резанием или деформации в холодном состоянии, так и для получения соответствующей структуры
под последующую закалку. Этот отжиг широко применяется для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей.
Нагрев до температур немного выше (на 10–30 °С) точки А1,
в результате происходит практически полная перекристаллизация
стали и получение зернистой формы перлита вместо обычной пластинчатой.
Режимы: 1. Температура нагрева t = Ас1 + 30 °С. 2. Время нахождения в печи 2…6 часов. 3. Охлаждение – вместе с печью.
Отжигу на зернистый перлит подвергают также тонкие листы и прутки из низко- и среднеуглеродистой стали перед холодной
штамповкой или волочением для повышения пластичности.
После отжига на зернистый перлит эвтектоидные и заэвтектоидные стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием.
2.4.1.6 Нормализация
Нормализацию стали применяют для устранения внутренних
напряжений, уменьшения твердости и получения мелкозернистой
однородной структуры. Твердость и прочность при этом получается
несколько выше, чем после отжига.
Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали на
30–50 °С выше Ас3, а эвтектоидной и заэвтектоидной – выше точки
Ас1, непродолжительной выдержке при этой температуре и последу-
ющем охлаждении на воздухе. Структура стали после нормализации
будет такой же, как и после отжига, некоторые высоколегированные
стали после нормализации приобретают структуру закалки. Доэвтектоидные стали после нормализации состоят из феррита и перлита, а у заэтектоидных устраняется цементитная сетка и образуется
мелкая ферритоцементитная смесь (сорбит).
Нормализацию применяют чаще всего в следующих случаях:
как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием и общего улучшения структуры стали перед закалкой.
Нормализацию используют и как окончательную термическую
обработку средне- и высокоуглеродистых доэвтектоидных сталей,
35
если требования к свойствам этих сталей умеренные и для них не
обязательна закалка с высоким отпуском.
Режимы: 1. Температура нагрева t = Ас3 + 50 °С. 2. Время
в печи = 2…6 часов в зависимости от размеров детали (заготовки),
вида и количества легирующих элементов в стали. 3. Охлаждение –
на спокойном воздухе, т.е. деталь (заготовка) вынимается из печи
и охлаждается на спокойном (без вентиляции) воздухе.
P.S. Температуры Ас1 и Ас3 для каждой марки стали свои и приведены в справочниках по термической обработке.
2.4.2 Закалка
Целью закалки является получение твердой и износостойкой
структуры – мартенсита. Закалка стали состоит в нагреве ее выше
температур фазовых превращений, выдержке для завершения всех
превращений и охлаждении с высокой скоростью в закалочной среде. В качестве закалочных сред используют жидкости разной плотности (вода, масло).
Главная отличительная черта закалки – быстрое охлаждение
в воде или масле, когда скорость охлаждения V
≥ Vкр, где Vкр – кри-
охл
тическая скорость закалки. Vкр – это минимальная скорость охлаждения, при которой получается структура мартенсит. Для каждой
марки стали Vкр имеет свое значение, которое можно рассчитать или
определить экспериментально.
Температура нагрева зависит от содержания в стали углерода.
Полученные при быстром охлаждении стали структуры называют
метастабильными. Они представляют различные стадии превращения аустенита (мартенсит, троостит, сорбит).
В зависимости от температуры нагрева различают: полную
и неполную закалку.
Полная закалка – нагрев на 30–50 °С выше Ас3, выдержка, охлаждение в закалочной среде. Полная закалка используется для доэвтектоидных сталей. После полной закалки получается мартенситная структура.
Неполная закалка – нагрев на 30–50 °С выше Ас1, выдержка,
охлаждение в закалочной среде. Неполная закалка используется для
заэвтектоидных сталей.
После неполной закалки образуется структура мартенсит и цементит вторичный. Из заэвтектоидных сталей в основном изготавли-
36
вают инструмент, от которого требуется высокая твердость и износоустойчивость, и присутствие вторичного цементита в виде мелких
равномерно расположенных зернышек даже желательно.
2.4.2.1 Выбор температуры закалки
Температура нагрева при закалке изделий из углеродистой стали приближенно выбирается по диаграмме состояния «железо-углерод» в зависимости от процентного содержания углерода в стали,
а более точно – по справочным данным.
Рис. 2.4. Интервалы температур нагрева при закалке
В соответствии с рисунком:
– нагрев при полной закалке, т.е. t
= Ас3 + 50 °С;
пол.зак
– интервал температур нагрева при неполной закалке, то
есть: t
= Ас1 + 50 °С;
непол.зак
– так нагревать для получения наилучших результатов закалки, т.е. стали с содержанием углерода С < 0,8 % надо закаливать
полной, а с содержанием С ≥ 0,8 % – неполной закалкой.
Стали с содержанием углерода С < 0,3 % закаливать не реко-
мендуется (однако есть исключения).
37
Углеродистые стали содержат, наряду с железом и углеродом,
постоянные примеси: Мn, Si, S, P и другие элементы, которые смещают положение критических точек. Поэтому для определения
температуры закалки стали используют экспериментальный метод
пробной закалки. Сущность метода состоит в том, что из исследуемой стали в отожженном состоянии изготавливают образцы, которые закаливают с различных температур в интервале предполагаемого нахождения критических точек (ниже предполагаемых Ас1
и выше Ас3). Охлаждение образцов производится со скоростью выше
критической. Поскольку целью закалки является получение высокой
твердости стали, то после закалки на образцах измеряется твердость
и по максимальному значению твердости определяется оптимальная
температура закалки данной стали.
Особенности термообработки легированных сталей. Легирование не только изменяет критические точки сталей и отражается
весьма значительно на диаграммах изотермического превращения
аустенита. В их верхней части, в области диффузионных превращений, легирование очень сильно влияет как на перлитное, так и на
бейнитное превращение, а в нижней части – на мартенситное бездиффузионное превращение.
Изделия нужно нагревать постепенно и равномерно, чтобы предотвратить возникновение в металле внутренних напряжений. Однако слишком медленный нагрев снижает производительность печей
и в ряде случаев сопровождается обезуглероживанием и окислением
поверхности стали. Существенно также правильно размещать нагреваемые детали в пламенных и электрических печах, чтобы обеспечить равномерный их прогрев.
2.4.2.2 Время нахождения детали в печи при нагреве для за-
калки
Время нагрева для закалки зависит от метода нагрева, размеров
и формы детали, марки стали, многих других факторов и может составлять от одной секунды до нескольких часов.
Режим нагрева определяется по таблицам в зависимости от
формы и размеров поперечного сечения, химического состава изделия и способа подвода к нему тепла. Чем больше углерода и легирующих элементов в стали, чем сложнее форма изделий, тем медленнее их нужно нагревать.
38
В свинцовых и соляных ваннах металл нагревается быстрее
и равномернее; там наблюдается также меньшее окисление и обезуглероживание металла.
При нагреве деталей в электрических печах с нагревательными
элементами в виде спиралей или стержней ориентировочно можно
принять: время нагрева углеродистых сталей до температуры закалки
= 1 мин на 1 мм наибольшей толщины детали, легированных – 2 мин.
Время выдержки детали в печи после достижения температуры
закалки выбирают из условия: 1/4 времени нагрева для углеродистых сталей и 1/3 – для легированных.
Общее время нахождения детали в печи при закалке равно сумме времени нагрева и выдержки.
Отметим, что время нагрева в пламенных печах при сжигании
мазута или газа, при нагреве в расплавах солей или металлов, при
контактном или индукционном нагреве деталей электрическим током в несколько раз меньше, чем в предложенном варианте.
2.4.2.3 Охлаждение деталей при закалке
Для того чтобы закалка получилась, необходимо выполнить
условие:
V
≥ Vкр.
охл
Известно, что Vкр для каждой стали имеет свое конкретное значение, т.е. условие V
условие V
> Vкр легко выполняется для больших групп сталей. Со-
охл
= Vкр выполнить практически невозможно. Но
охл
гласно этому условию, на практике углеродистые стали охлаждают
в воде, легированные – в масле. В качестве охлаждающих сред применяются также водные растворы солей, щелочей, расплавы солей,
воздух спокойный или от вентилятора, жидкие полимеры.
Сильно действующей закалочной средой является вода при
20–18 °С, которая в интервале 650–550 °С охлаждает сталь с большой скоростью (v = 600 град/с). Основной недостаток холодной
воды – большая скорость охлаждения (v = 270 град/с) в интервале
300–200 °С (в районе образования мартенсита).
Как правило, углеродистые стали при закалке охлаждают
в воде, легированные – в жидком индустриальном (машинном) масле или в специальных закалочных минеральных маслах.
39
Таблица 2.1 – Скорость охлаждения стали в различных средах
Характеристика
закаливающей среды
Вода при 18 °С
10 % NaOH в воде при 18 °C
Минеральное машинное масло
Воздух спокойный
Скорость охлаждения, град/с,
в интервале температур наименьшей
устойчивости аустенита
600
1200
150
15
Результат закалки оценивается по твердости детали. Если после
закалки деталь «берет» новый напильник, то закалка не получилась.
Для износостойкости детали необходима твердость ≥ 55 HRC. Не все
стали могут дать такую твердость после закалки.
Закаливаемость стали оценивается по ее максимальной твердости, которую она может дать при правильно проведенной закалке.
Твердость зависит главным образом от содержания углерода в стали.
Так, стали с содержанием углерода С < 0,3 % не могут дать твердость
≥ 55 HRC, и поэтому детали из них на износостойкость закаливать
нет смысла.
Прокаливаемость стали оценивается по глубине (толщине)
закаленного слоя. Она определяется главным образом наличием
в стали легирующих элементов, способствующих прокаливаемости
(у легированных сталей прокаливаемость выше, чем у углеродистых), количеством легирующих элементов, которое может влиять
на прокаливаемость в ту или иную сторону, скоростью охлаждения
(выбором охлаждающей среды), массой, размерами и формой детали, величиной зерна стали перед охлаждением.
Результат закалки зависит от правильного выбора охлаждающей среды и способа охлаждения в ней. Этот выбор надо делать так,
чтобы V
была не намного больше Vкр для данной марки стали, ина-
охл
че огромными термическими напряжениями может разорвать деталь
(появятся трещины), а это неисправимый брак. Погружать деталь
в охлаждающую среду следует вдоль длинной оси симметрии, что
позволит уменьшить изгиб и коробление детали.
Скорость охлаждения обусловливается видом операции термической обработки.
40