Термическая обработка металлов и сплавов

Термическая обработка металлов и сплавов.

Виды термообработки.

Химико-термическая

Термическая обработка.

Термомеханическая

Отжиг

Отжиг первого рода

Гомогенизационный

Рекристаллизационный

Отжиг второго рода

Изотермический

Полный

Неполный

Нормализованный

Закалка стали.

Температура закалки.

Время нагрева.

Охлаждение при закалке.

Прокаливаемость.

Важные понятия:

Способы закалки.

Закалка в одном охладителе

Изотермическая закалка

Ступенчатая закалка

Закалка с самоотпуском

Закалка с обработкой холодом

Отпуск стали.

Низкий Средний Высокий

Термомеханическая обработка стали

Высокотемпературная Низкотемпературная

Дефекты термической обработки стали

Закалочные трещины, коробление Окисление, обезуглероживание

Крупнозернистая структура Мягкие пятна на поверхности детали

Поверхностная закалка стали

Методы нагрева

Токами высокой частоты Пламенем газ. горелки

В электролитах

Конец

Термическая обработка – только термическое воздействие на сталь .

Т ермомеханическая – сочетание термического воздействия и пластической деформации .

Х имико-термическая– сочетание термического и химического воздействия.

Отжигом называется процесс термической обработки – нагрев стали до определённой температуры, выдержка и последующее, медленное охлаждение (в печи) с целью получения более равновесной структуры.

Отжиг первого рода. Этот отжиг, при котором, не происходит фазовых превращений, а если они имеют место, то не оказывают влияние на конечные результаты, предусмотренные его целевым назначением. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекристаллизационный. Гомогенизационный отжиг. Это отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950 градусов (обычно при 1100 – 1200 градусов) с целью выравнивания химического состава в фасонных отливках и слитках главным образом легированной стали. Рекристаллизационный отжиг. Это отжиг наклепанной стали при температуре, превышающей температуру начала рекристаллизации, с целью устранения наклёпа и получения определенной величины зерна. При нагреве холоднодеформированной стали до 400 – 450 градусов не наблюдается изменение формы и размеров деформированных зерен. При нагреве до более высокой температуры механические свойства стали резко изменяются: твердость и прочность понижаются, а пластичность повышается.

Отжиг второго рода. Это отжиг, при котором фазовые превращения определяют его целевое назначение. Отжиг второго рода бывает:

Полный отжиг. Этому отжигу подвергают доэвтектоидную сталь с целью создания малозернистости, понижения твердости и повышения пластичности, снятия внутренних напряжений.

Неполный отжиг. Этому отжигу подвергают заэвтектойдную и эвтектойдную сталь с целью превращения пластинчатого перлита в зернистый.

Изотермический отжиг. Доэвтектоидную сталь нагревают до температуры точки Ac 3 + (20 – 30 градусов) (для изотермического отжига-5 кривая) и после выдержки быстро охлаждают до температуры немного ниже 700 – 680 градусов. При этой температуре сталь выдерживают в течении времени, необходимого для полного распада аустенита и образования ферритно – перлитной структуры.

Нормализационный отжиг. Нормализацией называют процесс термической обработки – нагрева до температуры выше точки Ac 3 для доэвтектойдной или Acm для заэвтектойдной стали с последующим охлаждением на воздухе.

Закалкой называют процесс термической обработки – нагрев стали до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновестной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность стали.

Температура закалки. Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по левой нижней части диаграммы состояния железо – цементит.

Доэвтектойдные (30–50 градусов).

Заэктойдные (30 – 50 градусов).

Время нагрева. В зависимости от размеров деталей и теплопроводности стали выбирают время нагрева. Время выдержки при температуре закалки выбирают таким, чтоб полностью завершились фазовые превращения. Практически время нагрева в электропечах принято 1,5 – 2 мин на 1 мм сечения.

Охлаждение при закалке.

Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат закалки. Наиболее распространенные закалочные среды – вода, водные растворы солей и щелочей, масло, воздух, расплавленные соли.

Вода охлаждается гораздо быстрее чем масло: в 6 раз быстрее при 550-650 градусов С и в 28 раз быстрее при 200 градусах С. Поэтому воду применяют для охлаждения сталей с большой критической скоростью закалки (углеродистых сталей), а в масле охлаждают стали с малой критической скоростью закалки (легированные стали). Основной недостаток воды как охладителя – высокая скорость охлаждения при пониженных температурах в области образования мартенсита, что приводит к возникновению больших структурных напряжений и создает опасность возникновения трещин. Добавление к воде солей, щелочей увеличивает ее закаливающую способность.

Масло охлаждает значительно медленнее, чем вода. Но преимущество масло как охладителя заключается также в том, что оно обладает небольшой скоростью охлаждения в области температур мартенситного превращения, поэтому при охлаждении в масле опасность образования трещин резко уменьшается. Недостатки масла – это легкая воспламеняемость, пригорание к поверхности деталей.

Прокаливаемость стали.

Под прокаливаемостью подразумевают способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость не следует смешивать с закаливаемостью, которая характеризуется максимальным значением твердости, приобретенной сталью в результате закалки.

При закалке стали в зависимости от сечения детали и критической скорости закалки v к получается различная структура от края к сердцевине. Так как внутренние слои детали охлаждаются медленнее наружных, то в тех объемах, где скорость охлаждения меньше критической, образуется троостит, сорбит или перлит. Если сердцевина охлаждается со скоростью, большей критической, то по всему сечению детали образуется мартенситная структура. Следовательно, чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость.

За глубину прокаливаемости обычно принимают расстояние от поверхности до слоя с полумартенситной структурой (50% мартенсита и 50% троостита). Характеристикой прокаливаемости служит критический диаметр ( D к), т.е. диаметр максимального сечения, которое в данном охладителе прокаливается насквозь. Чем интенсивнее охлаждающая среда, тем больше величина критического диаметра.

Прокаливаемость можно определять по излому, измерением твердости по сечению образца и методом торцовой закалки.

Закалка в одном охладителе . Деталь нагревают до температуры закалки и охлаждают в одном охладителе (вода, масло). Для уменьшения коробления длинных цилиндрических, тонких плоских деталей применяют специальные закалочные машины и прессы. Недостаток закалки в воде – возникновение значительных внутренних напряжений, которые могут вызвать трещины.

Закалка с самоотпуском . Охлаждение при закалке прерывают с таким расчетом, чтобы оставшаяся в детали теплота произвела необходимый отпуск.

Закалка с обработкой холодом . Сущность этого способа обработки (предложен в 1937 г. А.П. Гуляевым) заключается в продолжении охлаждения закаленной стали до температур ниже +20 градусов С, но в интервале M н - M к - для дополнительного более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит. Обработка холодом целесообразна только для тех сталей, у которых точка Мк расположена при температурах ниже комнатной. В результате обработки холодом повышается твердость, увеличивается объем, стабилизируются размеры деталей. Наиболее распространенный охладитель – смесь из твердой углекислоты с ацетоном (-78 градусов С).

Изотермическая закалка . Так же как и при ступенчатой закалке, нагретые до температуры закалки детали охлаждают в соляной ванне, где выдерживают в течение времени, необходимого для полного распада аустенита, после чего охлаждают на воздухе. В результате изотермической закалки образуется бейнит твердостью HRC 45-55.

Отпуском называют процесс термической обработки – нагрев закаленной стали до температуры не выше точки Ас1 (727 градусов С). Отпуск проводят для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости закаленной стали и получения требуемой структуры и механических свойств. В зависимости от температуры отпуск делят на низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск – нагрев стали до температуры 250 градусов С и охлаждение для получения структуры мартенсита отпуска и частичного снятия внутренних напряжений.

Средний отпуск – нагрев стали от 350 до 450 градусов С и охлаждение для получения структуры троостита отпуска.

Высокий отпуск – нагрев стали от 450 до 650 градусов С и охлаждение для получения структуры сорбита отпуска. Закалку с высоким отпуском называют улучшением .

Термомеханическая обработка стали

Термомеханическа обработка (ТМО) – новый метод упрочнения стали при сохранении достаточной пластичности, совмещающий пластическую деформацию и упрочняющую термическую. Обработку (закалку и отпуск). При ТМО деформации подвергают сталь в аустенитном состоянии, а при последующем быстром охлаждении формирование структуры закаленной стали (мартенсита) происходит в условиях повышенной плотности дислокаций, обусловленных наклепом аустенита, в связи с чем и повышаются механические свойства стали. Пластическое деформирование при ТМО возможно прокаткой, ковкой, штамповкой и другими способами обработки металлов давлением. Различают два способа термомеханической обработки – высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО).

При ВТМО сталь нагревают выше точки Ас3 , пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 20 -30%) и закаливают. При НТМО сталь нагревают выше точки Ас3, охлаждают до температуры относительной устойчивости аустенита, но ниже температуры рекристаллизации, пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 75-95%) и закаливают. В обоих случаях после закалки следует низкий отпуск. ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО – только стали с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита (легированные стали).

По сравнению с обычной закалкой после ТМО механические свойства получаются более высокими.

Графики

Деформация (20-30%)

t °

ВТМО О

Ас3

Интервал температуры рекристаллизации

Ас1

Мн

Отпуск

Время

t °

НТМО

Ас3

Интервал температуры рекристаллизации

Ас1

Деформация (75-95%)

Мн

Отпуск

Время

Дефекты термической обработки стали

От неправильного проведения термической обработки в деталях могут возникнуть различные дефекты.

Закалочные трещины, коробление появляются вследствие возникновения внутренних напряжений. Способ предотвращения – медленное охлаждение деталей в области мартенситного превращения.

Окисление и обезуглероживание – это результат взаимодействия стали с газами, содержащимися в атмосфере печей. Окисление характеризуется образованием на поверхности детали окалины, об обезуглероживание – выгоранием углерода в поверхностных слоях детали с образованием структуры феррита. Лучший способ предохранения от окисления и обезуглероживания – нагрев в защитной (контролируемой) атмосфере.

Крупнозернистая структура появляется при нагреве выше заданной температуры, завышенном времени выдержки.

Мягкие пятна на поверхности детали – это результат местного недогрева, местного подстывания, неравномерного охлаждения.

Поверхностная закалка стали

Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры выше критической и последующее охлаждение с целью получения в поверхностном слое структуры мартенсита.

Поверхностную закалку применяют для повышения износостойкости деталей при сохранении высокого сопротивления динамическим нагрузкам, роста усталостной прочности. Поверхностная закалка происходит очень быстро и поэтому на поверхности детали не образуется окалины. Так как при этом нагревается и охлаждается только поверхностный слой, коробление незначительное.

Методы нагрева могут быть различными – токами высокой частоты (ТВЧ), пламенем газовой горелки, в электролитах. В последнее время в машиностроении применяют преимущественно первый способ.

Нагрев ТВЧ, предложенный и разработанный В.П. Вологдиным, наиболее производительный и прогрессивный способ. При нагреве ТВЧ можно закаливать детали разнообразной конфигурации, полностью автоматизировать процесс закалки.