Пример решения задачи по термической обработке детали из углеродистой стали

Термическая обработка представляет собой комплекс операций, выполняемых последовательно: нагрев, выдержка и охлаждение.

Параметрами процесса ТО детали и инструмента являются:

• скорость нагрева до температуры ( );

• максимальная температура нагрева сплава определяется по диаграмме Fe-Fe₃C для углеродистых сталей и по ГОСТ для легированных сталей;

• время выдержки сплава при температуре нагрева ();

• скорость охлаждения нагретой детали ().

Технически допустимая (технологическая) скорость нагрева () устанавливается в зависимости от химического состава стали, структуры, конфигурации изделий, интервала температур нагрева. Скорость нагрева определяется теплопроводностью металла. Изделия из углеродистой стали толщиной до 100 – 120 мм нагревают с любой скоростью, скорость нагрева изделий из легированных сталей в 2 –3 раза меньше.

Время выдержки при температуре нагрева () необходимо для завершения процессов фазовых (получение аустенита однородного) и структурных превращений по всему объему изделий.

Охлаждение деталей производится для отвода теплоты, осуществляемого теплопроводностью и конвекцией. В процессе охлаждения формируется структура равновесная (отжиг, нормализация) или неравновесная (закалка полная или неполная). Для получения структуры равновесной скорость охлаждения должна быть минимальной, а для неравновесной – максимальной. Критической скоростью закалки называется наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит (процесс бездиффузионный). Критическая скорость закалки является функцией химического состава стали. Низкоуглеродистые стали (С<0,3%) в практических условиях охлаждения образуют мартенсит реечный (пакетный) с минимальной твердостью. Двойникованный (пластинчатый) мартенсит образуется в сталях с содержанием С>0,3%, между пластинами мартенсита при комнатной температуре сохраняется остаточный аустенит. Пластинчатый мартенсит имеет максимальную твердость.

Закалка на мартенсит является промежуточной операцией ТО. Закаленные детали подвергают повторному нагреву ниже t=727^оC, выдержке при нагреве и охлаждению. Производят отпуск обычно на воздухе. Отпуск обеспечивает уменьшение внутренних напряжений после закаливания с образованием мартенсита (низкий отпуск) и получения структур, приближающихся к структурам равновесным типа троостита (средний отпуск) и сорбита (высокий отпуск).

Многолетней эксплуатационо–производственной практикой выделены три основные группы изделий, требующие «своих» специфических вязкостно–прочностных комплексов и других технических характеристик:

• режущие и измерительные инструменты;

• штампы для холодной штамповки (HRC>58 – структура мартенсит или мартенсит с карбидами);

• рессоры, пружины ( 40<HRC<58 – структура троостит);

• детали и изделия, сочетающие удовлетворительные прочностные свойства с максимальной вязкостью ( HRC <40 – структура сорбит).

Инструмент из стали У12 (заэвтектоидная сталь) содержит углерода 1,2 %, в равновесном состоянии имеет структуру . При промышленных скоростях нагрева под закалку перлит вплоть до температуры нагрева, сохраняет пластинчатое строение. При температурев стали начинается превращение перлита в аустенит. Кристаллы аустенита зарождаются преимущественно на межфазных поверхностях феррит-цементит. Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфногоперехода и растворения вкристаллов цементита. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, по завершении превращенияА (аустенит) сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется определенное время. Превращение при температуре сопровождается измельчением зерна.

Нагрев от довызывает растворение избыточного цементита в аустените. Процесс сопровождается диффузией углерода, приводящей к выравниванию концентраций и небольшим укрупнением кристаллов аустенита. Дальнейший нагрев стали в однофазной аустенитной области приводит к дальнейшему росту зерна аустенита – происходит процесс собирательной рекристаллизации. Чем выше температура нагрева и чем длительнее выдержка, тем крупнее будут кристаллы аустенита.

Сталь У12 подвергают неполной закалке для сохранения цементита вторичного в структуре. Нагрев производят до температуры +( 50) = 727+40=767, температура отмечена на стальном уголке диаграммы как(1 этап), рис.2.

Термическая обработка включает операции (рис.3): неполная закалка (1 – нагрев, 2 – выдержка при , 3 – быстрое охлаждение) и низкий отпуск (4 – нагрев, 5 – выдержка при, 6 – охлаждение).

1 – нагрев приводит к изменению фазового состава сплава ;

2 – выдержка при необходима для получения однородного аустенита с равномерным распределением углерода;

3 – быстрое охлаждение со скоростью большей в специальной среде обеспечивает формирование структуры. Сохранение кристалловв структуре при неполной закалке заэвтектоидной стали способствует повышению твердости и износостойкости.

Для полного (или частичного) устранения внутренних напряжений, возникающих при закалке, и превращения в мартенсит производят нагрев закаленной стали до температуры ниже, выдерживают при заданной температуре нагрева и охлаждают с определенной скоростью. Такая ТО называется отпуском. Температура нагрева для углеродистых сталей составляет порядка, такой отпуск называютнизким (низкотемпературный). Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент. В результате этой операции сталь заэвтектоидная изменяет структуру и приобретает требуемые эксплуатационные и механические свойства.