Термическая обработка металлов

Термическая обработка металлов

Термическая обработка

• это операции нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры.

Тепловая обработка используется в качестве:

• промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением или резанием;

• окончательной операции, обеспечивающая заданный уровень свойств изделия.

Виды термической обработки стали

Термическая обработка придает

• твердость,
• прочность,
• износостойкость,
• упругость,

отжиг,

нормализация,

отпуск

закалка

• пластичность,
• снятие внутренних напряжений,
• улучшение обрабатываемости

отжиг

закалка

нормализация

отпуск

Диаграммы термической обработки металла

A

t°C

A c3

A +Ф

A c1

Ф+П

 время

отжиг

закалка

нормализация

отпуск

Длительность термической обработки металла

A

t°C

A c3

A +Ф

A c1

Ф+П

 время

Печи для термической обработки металлов

Критические точки стали

• температуры при которых происходят фазовые превращения:

Обозна-чени точки

Линия на диаграм-ме

А 1

А 2

PSK

Температура, °С

МО

727

A 3

768

GS

А m

SE

727…911

727…1147

Аустенит

А 3

А 4

Аустенит + феррит

Аустенит +цементит

А 2

А 1

К

Перлит +цементит

При нагреве критические точки имеют индекс «с» (Ас1,  Ac3),

при охлаждении «r» (Ar1, Ar3).

Феррит + перлит

Медленное охлаждение

Быстрое охлаждение

Принудительно удерживаемый углерод

Выделенный углерод

Феррит

Аустенит

Мартенсит

Цеметит

охлаждение

с печью

охлаждение

на воздухе

охлаждение

в горячем масле

Б

Ы

С

Т

Р

О

Е

О

ХЛАЖДЕНИЕ

Аустенит

охлаждение

в воде

Мартенсит

НВ≈600

Троостит

НВ ≈400

МЕДЛЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Сорбит

НВ ≈ 300

Перлит

НВ ≈200

Феррит

Феррит+ перлит

Перлит

Перлит+ цементит

перлитное

промежуточное

мартенситное

Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали

Превращение

1 - кривая начала диффузного распада аустенита;

2 - кривая конца диффузного распада аустенита;

Мн - линия начала мартенситного превращения;

V кр- критическая скорость охлаждения

Диаграмма изотермического распада аустенита для эвтектоидной стали с нанесенными на нее скоростями охлаждения при различных видах термообработки

Отжиг

t°C

 время

• вид термической обработки , заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке при этой температуре и последующем, обычно медленном, охлаждении до комнатной температуры;
• для устранения производственных дефектов изделий, повышения их прочности и надежности.

Цели отжига

• оптимизации внутрикристаллической структуры, упорядочения легирующих элементов;
• минимизации внутренних искажений и напряжений вследствие стремительных технологических температурных перепадов;
• повышения податливости объектов к последующей обработке резанием

Виды отжига:

• диффузионный
• рекристаллизационный
• для снятия напряжений
• полный
• неполный
• нормализационный

Диффузионный отжиг (гомогенизация)

• Литье из легированной стали;

• равномерное распределение легирующих элементов по всему объему слитка в результате высокотемпературной диффузии;
• смягчение структуры заготовки;
• снижает твердость перед последующей обработкой;

• нагрев до 1000-1200ºС;

• длительная выдержка (10…15 часов);
• медленное охлаждение до 800-850°С;
• далее на воздухе.

T =1000-1100 °C

T =1000-1100 °C

с печью

t°C

А 3

А 1

на воздухе

до 2 суток

10- 15 часов

 время

Низкий отжиг (рекристаллизация)

• Прокат из углеродистой стали, легированной стали, детали и заготовки из цветных металлов;

• устранение наклепа и внутренних напряжений после холодной деформации или неравномерного охлаждения сварных конструкций;
• повышение пластичности и прочности швов;
• придание перлиту зернистой формы;

• нагрев до 680-740ºС;
• выдержка 0,5-1,5 часа

• охлаждение с печью до 600-650°С
• далее на воздухе.

0,65

t°C

T =680=740 °C

с печью

T =600-650 °C

А 3

А 1

на воздухе

 время

0,5-1,5 часа

Отжиг для снятия остаточных напряжении

• Отливки, сварные изделия, детали;

• для снятия остаточных напряжений после обработки резанием из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации ;

• 20 0 - 700 °С;
• выдержка 2-3 часа

• медленное охлаждение

T =200-700 °C

с печью

t°C

А 3

А 1

2-3 часа

 время

Полный отжиг

• Объекты: отливки и поковки из доэвтектоидного сплава;

• получение однородной мелкозернистый структуры;
• исправление деформированных структур;
• снижение твердости и повышение податливости для последующей обработки резанием

• «Ас 3 +(20…30ºС)»

• далее медленное охлаждение до 500ºС  в печи;
• далее на воздухе;
• скорость охлаждения около 50—100 °C/час.

А 3

T = Ас 3 +(20…30ºС)

с печью

T =550-650 °C

t°C

А 3

А 1

на воздухе

 время

с печью

Изотермический отжиг

• Изделия из легированных и высоколегированных сплавов;

• улучшение микроструктуры;
• снятие внутренних дефектов с меньшими затратами времени;

• «Ас 3 +(20…30ºС)» или «Ас 1 +(20…30ºС)»;

• кратковременная выдержка для превращений всех имеющихся структур в аустенит;
• быстрое охлаждение до ≈660-680°С («А r 1 ─(50…100ºС)») путем переноса в другую печь;
• длительная выдержка для полного превращения аустенита в перлит и цементит;
• завершающее охлаждение происходит на воздухе.

T = Ас 3 +(20…30ºС)

в печи

T =660-680 ºС

t°C

A c 3

A c 1

на воздухе

 время

Отжиг на зернистый перлит (сфероидизация)

• Прокат из углеродистой стали, легированной стали, детали и заготовки из цветных металлов;

• устранение наклепа и внутренних напряжений после холодной деформации или неравномерного охлаждения сварных конструкций;
• повышение пластичности и прочности швов;
• придание перлиту зернистой формы;

• «Ас 1 +(20…30ºС)»;
• длительная выдержка;

• охлаждение со скоростью 25...30°С в час до 600 °С
• далее на воздухе.

0,65

T = Ас 1 +(20…30ºС)

в печи

T =600 ºС

t°C

на воздухе

 время

Неполный отжиг Отжиг на зернистый перлит (сфероидизация)

• Заэвтектомдные и доэвтектоидные стали ;

• измельчение и смягчение перлитного зерна, без изменения ферритной основы;
• снижение внутренних напряжений;
• повышение прочности, пластичности и обрабатываемости резанием;
• для уменьшения показателя;

• «Ас 1 +(10…30ºС)»;

• охлаждение в печи до «Ас 1 ─(20…30ºС)»;
• выдержка;
• охлаждение вместе с печью до 500 ºС;
• далее на воздухе.

А 1

t°C

A c 1

T =500 °C

на воздухе

 время

с печью

Нормализация

• Отливки, поковки и детали из низкоуглеродистой, среднеуглеродистой и низколегированной стали

• упорядочение внутреннего строения,
• придание нужной твердости и прочности,
• улучшение внутреннего состояния перед последующими этапами термообработки и обработки резанием

• выше линии GSE на на 30 - 50 °С

• непродолжительная выдержка;
• охлаждение на воздухе.

t°C

А 3

А 1

 время

на воздухе

Дефекты отжига

Окисление поверхностного слоя и образование окалины

очищение механическим способом или с помощью специальных химических реактивов

Выгорание углерода в поверхностном слое

отжиг стали необходимо производить параллельно со вводом внутрь печи защитных газов

Перегрев из-за длительной выдержки в печи при высокой температуре

приобретение неоднородной крупнозернистой структуры и повышение хрупкости.;

исправляется путем проведения полного отжига

Пережег из-за превышения допустимых значений нагрева и выдержки

разрушение связей между некоторыми зернами, полностью портит всю структуру металла и не подвергается исправлению

Закалка

вид термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем быстром охлаждении.

В результате закалки повышается твердость, прочность и износоустойчивость, но снижается вязкость и пластичность.

Режим закаливания

для изделия рассчитывается индивидуально

Продолжительность нагрева и выдержки при закалочной температуре

Допускать нельзя

• В большинстве случаев продолжительность нагрева:

• 1,5 мин на 1мм сечения для углеродистых сталей; 2 мин на 1мм сечения для легированных сталей.
• 1,5 мин на 1мм сечения для углеродистых сталей;
• 2 мин на 1мм сечения для легированных сталей.

• Продолжительность выдержки составляет одну треть от продолжительности нагрева.

Аустенит

В печи

На воздухе

В горячем

масле

Вода

Мартенсит

НВ≈600

Троостит

НВ ≈400

Перлит

НВ ≈200

Сорбит

НВ ≈ 300

• Закаливаемость способность стали повышать твердость при закалке.
• Зависит в основном от содержания в стали углерода.
• Стали, содержащие менее 0,3% углерода, закалке не подвергаются.

• Прокаливаемость способность стали получать закаленный слой на определенную глубину.
• Под закаленным слоем понимают слой со структурой мартенсита или троосто-мартенсита, обладающий высокой твердостью.

Закалочные среды

Три стадии охлаждения

Способы закалки

Способы закалки

Способы охлаждения при закалке сталей

1. Закалка в одном охладителе  

2. Прерывистая закалка в двух средах

3. Ступенчатая закалка

4. Изотермическая закалка

Дефекты, возникающие при закалке стали

Недостаточная твердость

низкая температуры нагрева,

малая выдержка

недостаточная скорость охлаждения

нормализация или отжиг с последующей закалкой; применение более энергичной закалочной среды

Перегрев

нагрев до температуры, превышающей необходимую

отжиг и последующая закалка с необходимой температуры.

Пережог

нагрев до температур, близких к плавлению (1200—1300° С) в атмосфере

сталь хрупка и исправить ее невозможно

Окисление и  обезуглероживание

образованием окалины и выгоранием углерода в поверхностных слоях.

брак неисправим

Коробление и трещины

следствия внутренних напряжений из-за различных скоростей охлаждения по сечению

трещины - неисправимый брак

коробление устраняют рихтовкой или правкой

Отпуск

термическая обработка закаленной стали, состоящая в нагреве ниже температуры фазового превращения с целью приведения ее в более устойчивое структурное состояние.

прочность

A

A c3

t°C

При отпуске изделие подвергается нагреву в печи до температуры от 150 °C до 650 °C с последующим медленным остыванием.

A +Ф

A c1

Ф+П

 время

Показателем для отпуска является отпускная хрупкость. Она указывает на степень падения ударной вязкости при резких перепадах температур.

42

Виды отпуска

1

2

3

низкий отпуск

средний отпуск

высокий отпуск

δ пластичность

НВ прочность

Т отп, °С

Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкционных сталей.

Отпуск закалённой детали должен быть проведён в течение 24 часов после её закалки

Температуру нагревания при отпускании

• определяют по цветам побежалости, т.е. цветами окислительной пленки, которая возникает на зачищенной поверхности изделия во время нагревания:

Температуру нагревания при отпускании

• определяют по цветам побежалости, т.е. цветами окислительной пленки, которая возникает на зачищенной поверхности изделия во время нагревания:

Светло-соломенный . . . . . . .200 Светло-желтый . . . . . . . . . . 225 Соломенно-желтый . . . . . . . 240 Коричнево-желтый . . . . . . . 255 Красно-коричневый . . . . . . .265 Пурпурно-красный . . . . . . . .275 Фиолетовый . . . . . . . . . . . . 285 Синий . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Светло-синий . . . . . . . . . . . .315 Серый (морская вода) . . . . . 330

Синеломкость

• склонность металла к перелому в следствии значительного повышения прочности при температурах 200-380 °С. Название вышеуказанного дефекта произошло от побежалостей синего цвета, которые проявляются в зонах излома.

Криогенная обработка металлов

однократный процесс обработки металла при сверхнизких температурах (ниже -153°С)

увеличивает срок службы режущих инструментов, штампов, цепных и зубчатых передач, пружин, упругих элементов и быстроизнашивающихся деталей

Криогенная обработка 

До обработки

После обработки

Охлаждение

Выдержка

равномерное , медленное снижение температуры до Т=  196  ̊С

Нагрев

24 - 36 часов , создается правильное расположение кристаллов

Снятие напряжений

возвращает к комнатной температуре без нарушения стабилизированной молекулярной структуры

снимает остаточные напряжения внутри материала

Области применения криогенной обработки

Области применения криогенной обработки

Результаты криогенной термообработки:

увеличение ресурса

тормозных дисков

в 1,75 …2 раза

модульных фрез из стали Р6М5

в 2 раза

промышленных ножей

В 1,5 …2 раза

изделий серого чугуна

1,1…1,73 раза

валков сортопрокатных и шаропрокатных станов

1,38 …2,15 раза

колец привалковой арматуры

1,46 раза

пружин для дисков сцепления

2,25 раза

Пружины, рессоры и торсионы

2,5 …5 раз

Зубчатые и цепные передачи, валы, плунжеры, подшипники

1,5 …4 раза