Производственные способы получения стали

Размещено на http://allbest.ru

1. Что такое твердый раствор внедрения? Приведите пример

сталь отжиг легирование термический

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Существуют твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения. При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного компонента B размещаются между атомами растворителя A в его кристаллической решетке.

Твердые растворы внедрения могут быть только с ограниченной концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки.

Твердые растворы внедрения: при растворении в металлах неметаллических элементов, как углерод, бор, азот и кислород. Например: Fe и С.

2. Твердость. Методы измерения твердости

Твёрдость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела, не получающего остаточной деформации.

Исходные данные для выбора средств и условий измерений твёрдости, а именно, метод измерений, число твёрдости и толщина испытуемого образца, должны быть указаны в технической документации.

В «СИ» за единицу измерений твёрдости принят Н/м2. Единица имеет наименование Паскаль (Па).

Измерение твёрдости металлов осуществляется методом Бринелля, Роквелла, Супер-Роквелла и Виккерса.

Применение различных методов измерений твёрдости металлов обусловлено механическими свойствами металлов и конструктивно-технологическими особенностями изделий.

Измерение твёрдости по методу Бринелля основано на вдавливании в испытуемое изделие стального закаленного шарика определенного диаметра, под действием заданной нагрузки в течение определенного времени. При определении твёрдости по методу Бринелля, расстояние от центра отпечатка до края испытуемого изделия должно быть не менее 2,5 диаметров отпечатка, расстояние между центрами двух соседних отпечатков - не менее 4 диаметров; для металлов с твёрдостью до 35НВ эти расстояния должны быть соответственно равны 3 диаметрам отпечатка и 6 диаметрам отпечатка.

Проведение испытаний, методику измерений диаметра отпечатка, а также погрешность измерений диаметра отпечатка регламентирует ГОСТ 9012 п.4.

Измерение твёрдости по методу Роквелла основано на вдавливании алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее четырех диаметров отпечатка (но не менее 2 мм), расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5 диаметра отпечатка (но не менее 1 мм).

При измерении твёрдости на выпуклых цилиндрических и сферических поверхностях по шкалам А, В, С, D, F, G в результаты измерений твёрдости должны быть введены поправки, величины которых приведены в приложении 3 ГОСТ 9013. Поправки прибавляются к полученным значениям твёрдости.

Поправки при измерении твёрдости на вогнутых поверхностях устанавливаются в нормативной документации на металлопродукцию.

Проведение измерений и определение числа твёрдости по методу Роквелла регламентирует ГОСТ 9013 п.4.

Для измерений твёрдости по шкале «С» Роквелла применяют шкалу, воспроизводимую государственным специальным эталоном и обозначаемую HRCэ.

Все образцовые и рабочие средства измерений следует настраивать и калибровать по образцовым мерам твёрдости, имеющим обозначение HRCэ.

Для расширения области применения метода Роквелла при малых нагрузках следует применять метод Супер-Роквелла.

Измерение твёрдости по методу Супер-Роквелла основано на вдавливании наконечника стандартного типа с алмазным конусом (шкалы М) или со стальным шариком (шкалы Т) в поверхность образца в два последовательных приёма и в измерении остаточного увеличения глубины внедрения этого наконечника. Наименьшее расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно составлять не менее трёх диаметров отпечатка. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно составлять не менее 2,5 диаметров отпечатка.

При определении твёрдости на цилиндрических выпуклых поверхностях диаметром, равным или меньшим 25 мм, к значению твёрдости прибавляют поправки, указанные в таблицах 3 и 4 обязательного приложения 1 ГОСТ 22975.

Поправки к значениям твёрдости для образцов с криволинейными поверхностями, отличными от выпуклых цилиндрических, приведены в рекомендуемом приложении 2 ГОСТ 22975.

Проведение измерений и определение числа твёрдости по методу Супер-Роквелла регламентирует ГОСТ 22975.

Измерение твёрдости по методу Виккерса основано на вдавливании четырехгранной алмазной пирамиды с углом между гранями 136° под действием определенной нагрузки, поддержании постоянства приложенной нагрузки в течение установленного времени и измерении диагоналей отпечатка, оставшихся на поверхности образца после снятия нагрузки. Расстояние между центрами отпечатка и краем образца или краем соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка.

Проведение испытаний, обработку результатов измерений, а также погрешность измерений диагоналей отпечатка регламентирует ГОСТ 2999 п.5.

Основные требования, предъявляемые к измерению твёрдости по методу Бринелля, Роквелла и Супер-Роквелла:

· температура измеряемого металла (20 ±10) °С;

· при измерении твёрдости должна быть обеспечена перпендикулярность приложения действующего усилия к поверхности образца или детали;

· поверхность испытуемого образца должна быть свободна от окалины, масла, краски, окисных пленок и других посторонних веществ;

· поверхность испытуемого образца обрабатывается в виде плоскости так, чтобы края отпечатка были достаточно отчётливы для измерения его размера с требуемой точностью;

· при подготовке поверхности испытуемого образца необходимо принять меры предосторожности против возможного изменения твёрдости испытываемого образца вследствие нагрева или наклепа поверхности в результате механической обработки;

Шероховатость поверхности испытуемого образца должна быть не ниже:

· 2,5 v - при контроле по методу Бринелля,

· 2,5 v - при контроле по методу Роквелла,

· 1,25 v - при контроле по методу Супер-Роквелла,

· 0,16 v - при контроле по методу Виккерса;

При применении специальных подставок необходимо принять меры предотвращения прогиба образца во время измерений твёрдости.

Испытуемый образец должен лежать на подставке устойчиво, чтобы не могло произойти его смещение во время измерений твёрдости.

Минимальная толщина испытуемого образца должна выбираться в зависимости от его минимальной твёрдости.

На обратной или боковой стороне образца не должно быть следов деформации.

Если шарик после измерений твёрдости имеет остаточную деформацию или какой-либо поверхностный дефект, то он должен быть заменён другим, а соответствующее измерение должно считаться не действительным.

Место установки прибора для измерений твёрдости должно быть выбрано так, чтобы приборам не передавались колебания и вибрации от работающих вблизи станков и машин и должно соответствовать требованиям технических описаний на приборы.

Величина твёрдости и способ замера на детали указывается в конструкторской и технологической документации.

Точностные характеристики приборов для измерений твёрдости по методу Бринелля, Роквелла, Супер-Роквелла и Виккерса, применяемые для контроля технологического процесса, приведены в таблице 1.

Измерение твёрдости резины и резиновых изделий осуществляется методом определения твёрдости по Шору А.

Измерение твёрдости по Шору А основано на измерении сопротивления резины погружению в неё индентора из закалённой стали.

Прибор для определения твёрдости, место его установки, условия и порядок измерений твёрдости, а также обработку результатов измерений устанавливает ГОСТ 263.

Способ установки изделий и образцов из них, место измерений твёрдости и другие необходимые сведения должны быть приведены в нормативной документации на резиновые изделия и методы их испытаний.



3. Диаграмма состояния железо-цементита

Диаграмма железоуглеродистых сплавов может быть представлена в двух вариантах: метастабильном, отражающем превращения в системе «железо-карбид железа», и стабильном, отражающем превращения в системе «железо-графит». Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состояния «железо-карбид железа», т.к. для большинства технических сплавов превращения реализуются по этой диаграмме.

Карбид железа (Fe₃C) называют цементитом, поэтому метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют диаграммой состояния «железо-цементит» (Fe-Fe₃C).

Компоненты и фазы в железоуглеродистых сплавах

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, которые относятся к полиморфным элементам. В железоуглеродистых сплавах эти элементы взаимодействуют, образуя различные фазы. Под фазой в общем смысле понимается однородная часть системы, имеющая одинаковый химический состав, физические свойства и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Взаимодействие железа и углерода состоит в том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Помимо этого он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом в железоуглеродистых сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит.

Аустенит (обозначают A или г) - твердый раствор внедрения углерода в Feг. Имеет ГЦК - решетку, растворяет углерода до 2,14 %, немагнитен, твердость (HB 160-200).

Феррит (обозначают Ф или б) - твердый раствор внедрения углерода в Feб. Имеет ОЦК - решетку, растворяет углерода до 0,02 % (727 єC), при 20 єC менее 0,006 %, ферромагнитен до температуры 769 єC, твердость (HB 80-100).

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (Fe₃C). Содержит 6,67 % C. При нормальных условиях цементит тверд (HB 800) и хрупок. Слабо ферромагнитен до 210 єC.

Превращения в железоуглеродистых сплавах

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C (рис. 1) показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита.

Превращения в железоуглеродистых сплавах происходит как при кристаллизации (затвердевании) жидкой фазы (Ж), так и в твердом состоянии.

Рис. 1. Диаграмма состояния Fe - Fe₃C

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, ограни-ченных линиями ликвидус (ACD) и солидус (AECF).

Вторичная кристаллизация происходит за счет превращения железа одной аллотропической модификации в другую и за счет изменения растворимости углерода в аустените и феррите, которая уменьшается с понижением температуры. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В сплавах системы Fe-Fe₃C происходят следующие изотермические превращения:

Эвтектическое превращение на линии ECF (1147 єC)

Ж_С> (А_Е+Ц_F);

Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 єC)

A_S > (Ф_Р + Ц_К).

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита - перлитом (П). Ледебурит содержит 4,3 % углерода. При охлаждении ледебурита ниже линий PSK входящий в него аустенит превращается в перлит и при нормальной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным (Л пр). Цементит в этой структурной составляющей образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита объясняет его большую твердость (HB 700) и хрупкость.

Перлит содержит 0,8 % углерода. В зависимости от формы частичек цементит бывает пластинчатый и зернистый. Является прочной структурной составляющей с твердостью (HB210).

Линии диаграммы состояния Fе - Fе₃C

Линии диаграммы представляют собой совокупность критических точек сплавов с различным составом, характеризующих превращения в этих сплавах при соответствующих температурах.

Рассмотрим значение линий диаграммы при медленном охлаждении.

ACD - линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.

AECF - линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

АС - из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита.

CD - линия выделения первичного цементита.

AE - заканчивается кристаллизация аустенита.

ECF - линия эвтектического превращения.

GS - определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727 єC).

GP - определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита.

PSK - линия эвтектоидного превращения.

ES - линия выделения вторичного цементита.

PQ - линия выделения третичного цементита.

Области диаграммы состояния Fe - Fe₃C

Линии диаграммы: делят все поле диаграммы на области равновесного существования фаз. Каждой области диаграммы соответствует определенное структурное состояние, сформированное в результате происходящих в сплавах превращений.

I - Жидкий раствор (Ж).

II -Жидкий раствор (Ж) и кристаллы аустенита (А).

III - Жидкий раствор (Ж) и кристаллы цементита первичного (Ц_I).

IV - Кристаллы аустенита (А).

V - Кристаллы аустенита (А) и феррита (Ф).

VI - Кристаллы феррита (Ф).

VII - Кристаллы аустенита (А) и цементита вторичного (Ц_II).

VIII - Кристаллы феррита (Ф) и цементита третичного (Ц_III).

IX - Кристаллы феррита (Ф) и перлита (П).

X - Кристаллы перлита (П) и цементита вторичного (Ц_II).

XI - Кристаллы аустенита (А), ледебурита (Л) и цементита вторичного (Ц_II).

XII - Кристаллы перлита (П), цементита вторичного (Ц_II) и ледебурита превращенного(Л пр).

XIII -Кристаллы ледебурита и цементита первичного (Ц_I).

4. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для эвтектоидной стали и нанесите на нее кривую режима изотермического отжига. Опишите превращения и получаемую после такой обработки структуру, ее свойства

При изотермическом отжиге эвтектоидную сталь У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки А_с1 (А_с1 = 730°С) и после выдержки охлаждают до температуры 650-680°С. В результате изотермического отжига стали У8 получаем твердость НВ = 150 (рисунок 2). Структура после отжига - крупнопластинчатый перлит.

Рисунок 2 - Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8

Перлитное превращение переохлажденного аустенита протекает при температурах A_r1 = 500єC. В процессе превращения происходит полиморфное -превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию ферритно-цементитной структуры:

АФ + Fe₃C = Перлит.

Аустенит, практически однородный по концентрации углерода, распадается с образованием феррита и цементита, содержащего 6,67%С, т.е. состоит из двух фаз, имеющих различную концентрацию углерода. Ведущей, в первую очередь возникающей фазой при этом является карбид (цементит). Его зародыши, как правило, образуются на границах зерен аустенита.

В результате роста частиц этого карбида прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное -превращение. При этом кристаллики феррита зарождаются на границе с цементитом, который облегчает этот процесс.

Последующий рост ферритных пластинок ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом, что затрудняет дальнейшее развитие -превращения. В обогащенном таким образом углеродом аустените зарождаются новые и растут ранее возникшие пластинки цементита. Вследствие этих процессов образования и роста частиц карбидов вновь создаются условия для возникновения новых и роста имеющихся кристалликов (пластинок) феррита. В результате происходит колониальный (совместный) рост кристалликов феррита и цементита, образующих перлитную колонию.

5. Свойства стали

Сталь - сплав железа с углеродом (до 2 % С). По химическому составу сталь разделяют на углеродистую и легированную, а по качеству - на сталь обыкновенного качества, качественную, повышенного качества и высококачественную.

Сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют на три группы:

А - поставляемую по механическим свойствам и применяемую в основном тогда, когда изделия из нее подвергают горячей обработке (сварка, ковка и др.), которая может изменить регламентируемые механические свойства (Ст0, Ст1 и др.);

Б - поставляемую по химическому составу и применяемую для деталей, подвергаемых такой обработке, при которой механические свойства меняются, а уровень их кроме условий обработки определяется химическим составом (БСт0, БСт1 и др.);

В - поставляемую по механическим свойствам и химическому составу для деталей, подвергаемых сварке (ВСт1, ВСт2 и др.).

Углеродистую сталь обыкновенного качества изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, СтЗГпс, СтЗГсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Стбпс, Стбсп. Буквы Ст обозначают "Сталь", цифры - условный номер марки в зависимости от химического состава, буквы "кп", "пс", "сп" - степень раскисления ("кп" - кипящая, "пс" - полуспокойная, "сп" - спокойная).

Легированную сталь по степени легирования разделяют на низколегированную (легирующих элементов до 2,5 %), среднелегированную (от 2,5 до 10 %), высоколегированную (от 10 до 50 %). В зависимости от основных легирующих элементов различают сталь 14 групп. К высоколегированным относят: 1) коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии; межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.; II) жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения в газовых средах при температуре выше 50 °С, работающие в ненагруженном и слабонагруженном состоянии; III) жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

6. Силицирование

Силицирование -- процесс насыщения поверхностного слоя детали кремнием для повышения коррозионной стойкости и кислотостойкое™. Силицированию подвергают детали из низко- и сред-неуглеродистых сталей, а также из ковкого и высокопрочного чугунов. Силицирование проводят в порошкообразных смесях, газовых и жидких средах.

При силицировании в порошкообразных смесях (75% ферросилиция, 20% глинозема или каолина и 5% хлористого аммония) детали нагревают в стальных ящиках. Температура сили-цирования 1100--1200° С, выдержка 2--12 ч; оно протекает медленно (слой толщиной 0,1 мм получается после выдержки в течение 4 ч при 1100° С). В связи с длительностью процесса силицирование в порошкообразных смесях применяют редко.

Далее протекают реакции

Образовавшийся атомарный кремний диффундирует в поверхность деталей. После силицирования детали охлаждают вместе с ретортой в потоке хлора до 200--100° С, а затем содержимое реторты высыпают на сетку, где детали окончательно охлаждаются. При газовом силицировании насыщение кремнием происходит интенсивно -- слой толщиной 1 мм получается после выдержки в течение 2 ч при 1050° С.

Силицирование в жидких средах проводят в расплаве солей При температуре 1000° С в течение 2 ч толщина слоя на детали из низкоуглеродистой стали получается 0,35 мм. Этот процесс промышленного применения не имеет. Микроструктура силицированного слоя представляет собой твердый раствор кремния в а-железе. Количество кремния в поверхностных зонах слоя достигает 14%; чем глубже расположена зона, тем меньше кремния. В зоне, расположенной непосредственно за силицированным слоем, содержание углерода повышено по сравнению с содержанием углерода в сердцевине (рис. 1). Это объясняется оттеснением углерода в глубь детали в связи с его плохой растворимостью в кремнистом феррите. Характерной особенностью силицированного слоя является его пористость. Несмотря на низкую твердость (НV 250--300), сили-цированный слой весьма хрупкий, очень плохо обрабатывается режущими инструментами, но обладает повышенной стойкостью против истирания, особенно после проварки в масле при 150-- 200° С (масло впитывается в поры и служит смазкой при трении), Силицированный слой обладает высокой коррозионной стойкостью в обычной и морской воде и кислотостойкостью в азотной, серной и соляной кислотах. Силицирование повышает также жаростойкость стали до 700--750° С.

В зависимости от химического состава сталей, размером поковок и требований, предъявляемых к готовым деталям машин, в кузницах возможно применение следующих видов термической обработки сталей.

Отжиг состоит в нагреве сталей до определенной температуры, выдержке и затем очень медленном охлаждении, чаще всего вместе с горном или печью.

1. Нагрев стали для отжига проводится в кузнечном горне или печи. Для того чтобы при нагреве в горне не допустить выгорания углерода с поверхности стали, поковки укладывают в металлические ящики, пересыпают их сухим песком, древесным углем или металлической стружкой и нагревают до температуры, необходимой для отжига данной марки стали. Продолжительность нагрева принимают в зависимости от размеров поковок - примерно по 45 минут на каждые 25 мм наибольшей толщины поперечного сечения. Нагрев выше температуры для отжига и длительная выдержка при этой температуре недопустимы, так как возможно образование крупнозернистой структуры, что резко уменьшит ударную вязкость металла.

2. Охлаждение поковок можно осуществлять несколько быстрее, чем вместе с горном и печью, если воспользоваться следующими рекомендациями. Углеродистые качественные конструкционные стали следует охлаждать приблизительно до 600 °С на воздухе с целью получения мелкозернистой структуры, а затем, чтобы избежать возникновения внутренних напряжений, охлаждение осуществлять медленно в печи или в ящике с песком или золой, установленном в горне. Инструментальные углеродистые стали следует охлаждать в печи или горне до 670 °С, а затем скорость охлаждения можно ускорить, открыв заслонки печи и удалив топливо из горна.

Рис. 3. Диаграмма состояния железо - углерод для определения температуры нагрева сталей при термической обработке



В зависимости от цели изменения структурных превращений (диаграмма состояния показана на рисунке) применяют следующие разновидности отжига.

1. Полный отжиг состоит в нагреве сталей, содержащих углерода до 0,8%, до температуры выше линии SG на 30...50°С, что отражено на диаграмме состояния железо - углерод, т. е. Ас3 + (30...50°С), а сталей с содержанием углерода больше 0,8% до температуры вьше линии SIC на 30...50°С, т.е. Act + (30...50°CJ, выдержка при этой температуре до полного прогрева поковки и последующем медленном охлаждении вместе с горном или печью. Поковки из углеродистых сталей охлаждают со скоростью 50...150 градус/ч, а из легированных сталей - 20...60 градус/ч. В результате в металле снимаются внутренние напряжения, он становится более мягким и пластичным, но менее твердым.

2. Низкий отжиг состоит в нагреве поковок до температуры, немного превышающей критическую 723 °С (примерно до 740...780 °С), с периодическим изменением температуры ниже и выше точки S и медленном охлаждении до 670 °С, после чего охлаждение можно ускорить. Такой отжиг применяют для уменьшения твердости, увеличения пластичности и улучшения обрабатываемости поковок из инструментальных сталей.

3. Рекристаллизационный отжиг состоит в нагреве сталей до температуры 650...700 °С и охлаждении на воздухе. С помощью этого отжига снимают наклеп и исправляют структуру сталей, нарушенную во время ковки при низких температурах.

4. Нормализационный отжиг (нормализация) состоит в нагреве поковок до температуры 780... ...950 °С, непродолжительной выдержке при ней и последующем охлаждении на воздухе. Нормализацию, как правило, применяют для устранения крупнозернистой структуры, образовавшейся в результате вынужденного или случайного увеличения времени нахождения заготовок в печи для исправления структуры перегретой стали (перегрева), измельчения зерна, смягчения стали перед обработкой резанием и получения при резании более чистой поверхности, а также общего улучшения структуры перед закалкой. В результате нормализации сталь получается несколько тверже и менее пластичной, чем после низкого отжига. Нормализация по сравнению с отжигом более экономичная операция, так как не требуется охлаждения вместе с горном или печью.

Закалка состоит в нагреве углеродистых сталей, содержащих углерода до 0,8%, до температуры выше линии SG на 20...40 °С (см. рисунок), т. е. Ас3 + (20...40 °С), а сталей с содержанием углерода более 0,8% до температуры выше линии SK на 20...40°С, т.е. Лс, + (20...40 °С), выдержке при этих температурах и охлаждении в охлаждающей среде о соответствующей скоростью охлаждения.

Стали с содержанием углерода меньше 0,25% в результате закалки свои свойства изменяют незначительно, поэтому обычно их не закаливают. Закалку применяют для увеличения твердости, прочности и износостойкости деталей, получаемых из поковок. В практике обычно закаливают рабочие части различного технологического инструмента, измерительного инструмента, тяжело нагруженные и работающие на истирание детали машин.

Нагрев стали под закалку осуществляют в горнах или нагревательных печах. Детали в горны укладывают так, чтобы холодное дутье воздуха не попадало непосредственно на сталь. Нужно следить, чтобы нагрев происходил равномерно. Чем больше углерода и легирующих элементов содержит сталь, чем массивнее деталь и сложнее ее форма, тем медленнее должна быть скорость нагрева под закалку. Продолжительность выдержки при закалочной температуре ориентировочно принимается равной 0,2 от времени нагрева. Слишком длительная выдержка при закалочной температуре не рекомендуется, так как при этом интенсивно растут зерна и сталь теряет прочность.

Охлаждение является исключительно важной операцией закалки, так как от него практически зависит получение требуемой структуры в металле. Для этого должно быть достаточное количество охлаждающей жидкости, чтобы температура во время нахождения в ней детали повышалась незначительно. Для достижения равномерной закалки нагретую деталь надо быстро погрузить в охлаждающую жидкость и перемешать ее в жидкости до полного охлаждения. Если закаливают только конец или часть изделия (например лезвие топора), те его опускают в закалочную жидкость на требуемую глубину и перемещают вверх вниз, так чтобы не было резкой границы скорости остывания между закаливаемой и не закаливаемой частями изделия и не появились трещины в переходной части.

Выбор охлаждающей среды зависит от марки стали, величины сечения детали и требуемых свойств, которые должна получить сталь после закалки. Стали с содержанием углерода от 0,3 до 0,6% обычно охлаждают в воде, а с большим содержанием углерода - в масле. При этом следует учитывать конфигурацию деталей и их сечение. Детали со сложной конфигурацией, с резкими переходами от малого сечения к большому и массивные детали охлаждать в воде опасно, так как на них могут появиться трещины.

При закалке стали сложным является получение желаемого двухскоростного охлаждения ее. В интервале температур 650...450°С требуется быстрое охлаждение со скоростью 20...30°С/с. Это позволяет избежать коробления и трещин. Лучшей закалочной средой была бы двухслойная жидкость, в которой верхний слой - вода с температурой 18...28°С, а нижний - машинное масло. Но, к сожалению, такую двухслойную жидкость получить нельзя, потому что масло всплывает на поверхность.

При определенном навыке можно применять следующий режим охлаждения. На несколько секунд погрузить деталь в воду, а затем быстро перенести ее в масло. Ориентировочное время охлаждения в воде до переноса в масло составляет 1... 1,5 с на каждые 5...6 мм сечения детали. Такой способ охлаждения получил название «через воду в масло» или прерывистой закалки.» Ее применяют для закалки инструмента из углеродистой стали.

При большом сечении детали наружные слои охлаждаются быстрее, чем внутренние, и поэтому твердость на поверхности получается больше, чем в середине. Углеродистые стали, например стали 40 и 45, закаливаются на глубину 4...5 мм, а глубже будут частично закаленная зона и незакаленная сердцевина. Легирующие элементы -- марганец, хром, никель и др. способствуют более глубокой закалке. Например, сталь 30Х закаливается на глубину 6...9 мм, сталь 40СХ - на глубину 12 мм и сталь ЗОХНЗ - на глубину 10 мм.

Некоторые детали нуждаются в большои прочности на поверхности при сохранении мягкой и вязкой сердцевины. Такие детали рекомендуется подвергать поверхностной закалке. Один из самых простых способов такой закалки состоит в загрузке детали в печь с высокой температурой (950... 1000 °С), быстром нагреве поверхности до закалочной температуры и охлаждении с большой скоростью в проточной охлаждающей среде.

Часто закалку выполняют сразу после ковки без дополнительного нагрева, если температура поковки после ковки будет не ниже закалочной температуры.

Закалка может быть сильной, умеренной и слабой. Для получения сильной закалки в качестве охлаждающей среды применяют воду при 15...20°С до погружения в нее детали и водные растворы поваренной соли и соды (карбоната натрия). Умеренная закалка получается при использовании воды со слоем масла толщиной 20...40 мм, нефти, мазута, мыльной воды, жидкого минерального масла, а также горячей воды. Слабая закалка получается, если применять в качестве охлаждающей среды струю воздуха или расплавленный свинец и его сплавы. Закалка требует внимания и умения. Плохая закалка может испортить почти готовые детали, т. е. привести к образованию трещин, перегреву и обезуглероживание поверхности, а также к желоблению (короблению), которое в значительной степени зависит от способа и скорости погружения детали в охлаждающую жидкость.

Закалка - не окончательная операция термической обработки, так как после ее сталь становится не только прочной и твердой, но и очень хрупкой, а в поковке возникают большие закалочные напряжения. Эти напряжения достигают таких значений, при которых в поковках появляются трещины или детали из этих поковок разрушаются в самом начале их эксплуатации. Например, только что закаленный кузнечный молоток нельзя использовать, так как при ударах им о металл от него будут откалываться кусочки металла. Поэтому для уменьшения хрупкости, внутренних закалочных напряжений и получения требуемых прочностных свойств стали после закалки поковки подвергают отпуску.

Отпуск состоит в нагревании закаленной стали до температуры ниже Ас1 (см. рисунок), выдержке при этой температуре некоторое время и быстрого или медленного охлаждения, как правило, на воздухе. В процессе отпуска в металле структурных изменений не происходит, однако уменьшаются закалочные напряжения, твердость и прочность, а пластичность и вязкость увеличиваются. В зависимости от марки стали и от предъявляемых к детали требований по твердости, прочности и пластичности применяют следующие виды отпусков.

1. Высокий отпуск состоит в нагреве закаленной детали до температуры 450...650°С, выдержке при этой температуре и охлаждении. Углеродистые стали охлаждаются на воздухе, а хромистые, марганцовистые, хромокремниевые - в воде, так как медленное охлаждение их приводит к отпускной хрупкости. При таком отпуске почти полностью ликвидируются закалочные напряжения, увеличивается пластичность и вязкость, хотя заметно уменьшается твердость и прочность стали. Закалка с высоким отпуском по сравнению с отжигом, создает наилучшее соотношение между прочностью стали и ее вязкостью. Такое сочетание термообработки называют улучшением Улучшению подвергают сильнонагруженные детали машии, изготовленные из углеродистых сталей с содержанием углерода 0,3...0,5%.

2. Средний отпуск состоит в нагреве закаленной детали до температуры 300...450°С, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. При таком отпуске увеличивается вязкость стали и снимаются внутренние напряжения в ней при сохранении достаточно большой твердости. Он применяется для деталей машин, работающих в условиях трения и динамических нагружеиий.

3. Низкий отпуск состоит в нагреве закалении детали до температуры 140...250 °С и охлаждении с любой скоростью. При таком отпуске почти не уменьшается твердость и вязкость стали, но зато снимаются внутренние закалочные напряжения. После такого отпуска детали нельзя нагружать динамическими нагрузками. Чаще всего его используют для обработки режущего и измерительного инструмента из углеродистых и легированных сталей.

При изготовлении слесарного, кузнечного или измерительного инструмента ручной ковкой кузнецы часто применяют закалку и отпуск с одного нагрева. Такую операцию называют самоотпуском и выполняют следующим образом. Нагретую под закалку поковку охлаждают в воде или масле не полностью, а до температуры несколько выше температуры отпуска, которую можно определить при извлечении поковки из закалочной среды, по цвету побежалости на предварительно обработанной на наждачном круге поверхности поковки. После этого поковку окончательно охлаждают путем погружения ее в воду или масло.

При отсутствии измерительных приборов температуру нагрева поковки определяют по цвету побежалости. Для этого перед нагревом поковки для отпуска на ней, в нужном месте, зачищают небольшой участок наждачной бумагой или другим абразивом. Нагревают поковку и наблюдают за изменением цвета металла по зачищенной поверхности. При этом цвета побежалости будут соответствовать следующим приблизительным температурам нагрева поковки:

Цвет побежалости - температура, °С

Светло-желтый - 220 °С

Соломенно-желтый (золотистый) - 240 °С

Коричнево-желтый - 255 °С

Красно-коричневый - 265 °С

Пурпурно-красный - 275 °С

Фиолетовый - 285 °С

Темно-синий - 295 ... 310 °С

Светло-синий - 315 ... 324 °С

Светло-голубой - 320 °С

Светло-серый - 330 ... 350 °С

При более высокой температуре поверхность стали темнеет и остается такой до температуры 600 °С, когда появляются цвета каления.

Режимы термообработки сталей необходимо соблюдать очень строго, так как только правильная термообработка позволяет получать детали машин с заданной прочностью, износостойкостью, обрабатываемостью, пластичностью и т. п.

Приближенные режимы нагрева поковок при термообработке можно устанавливав по диаграмме на рисунке.

Например, кузнец отковал поковку из углеродистой стали содержащей 0,5% углерода.

Требуется определить по диаграмме температуру нормализации. Для этого на горизонтальной оси находят точку а, соответствующую 0,5% углерода. Из точки а проводят вертикальную линию до пересечения ее в точке б с кривой для нормализации. Из точки б проводят горизонтальную линию влево до пересечения с вертикальной осью диаграммы в точке в Точка в указывает, что температура нагрева поковки для нормализации приближенно будет равна 880 °С.

Следует иметь в виду, что после нагрева стали под закалку их можно охлаждать на воздухе до критических точек охлаждения Ас3 и Ас1, а затем погружать в охлаждающую среду. Точки Аг3 и Аг1 обозначают температуру ниже температуры на линиях Ас3 и Ас1 примерно в пределах 10...50°С.

Таблица 1. Сравнительная характеристика сталей

Основание сравнения	Р6М5	Р9М4К8
По химическому составу	C: 0.82 - 0.9 % W: 5.5 - 6.5 % Mo: 4.8 - 5.3 % Cr: 3.8 - 4.4 % V: 1.7 - 2.1 % Co:не более 0.5 % S:не более 0.025 % P: не более 0.03 % Si: не более 0.5 % Mn: не более 0.5 % Ni: не более 0.4 %	C: 1 - 1.1 % W: 8.5 - 9.5 % Mo: 3.8 - 4.3 % Cr: 3 - 3.6 % V: 2.3 - 2.7 % Co:7.5 - 8.5 % S:не более 0.03 % P: не более 0.03 % Si: не более 0.5 % Mn: не более 0.5 % Ni: не более 0.4 %
Плотность, кг/м3	8300	8300
Предел кратковременной прочности , МПа при Т = 200С	?	960
Предел пропорциональности, МПа при Т = 200С	?	540
Относительное удлинение при разрыве , % при Т = 200С	?	7
Относительное сжатие , % при Т = 200С	?	10
Ударная вязкость KCU, кДж/ м2 при Т = 200С	?	80
Модуль упругости E · 10-5, МПа при Т = 200С	?	2.29
Твёрдость НВ после отжига не более	255	285
Термическая обработка	Закалка: T = 1210 - 12300С Отпуск: T = 5500С количество: 2 - 3	Закалка: T = 1220 - 12400С Отпуск: T = 5500С количество: 2 - 3
Твёрдость после ТО	63 - 65 HRC	65 - 67 HRC
Красностойкость 59 HRC при отпуске в течении 4 ч., 0С	620	630
Режущие свойства (скорость резания при равной стойкости) Эталон Р18 - 1	1.0	1.25
Вязкость	Повышенная	Пониженная
Сопротивление износу	Хорошее	Повышенное
Шлифуемость	Хорошая	Пониженная
Особые свойства	Повышенная склонность к обезуглероживанию, пластичность в нагретом состоянии	Повышенная склонность к обезуглероживанию
Области применения	Для всех видов режущего инструмента при обработке углеродистых и легированных конструкционных сталей. Предпочтительно для изготовления резьбонарезного инструмента и инструмента работающего с ударными нагрузками	Для различных инструментов при обработке труднообрабатываемых сталей и сплавов (высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих), а также улучшенных легированных сталей. Для режущих инструментов при обработке улучшенных легированных, а также нержавеющих сталей

Разработка режима термической обработки

Для разработки режима термической обработки мы выбираем быстрорежущую сталь марки Р6М5, из которой будем изготавливать резец сварной с державкой. Для державки используют углеродистую сталь марок 40 и 45.

Технологический процесс изготовления инструмента включает следующие операции:

1. Изготовление заготовок (предварительное формообразование) с использованием сварки, горячей и холодной пластической деформации.

2. Предварительная смягчающая термическая обработка для улучшения обрабатываемости стали и исправления структуры в нужном направлении.

3. Механическая обработка (окончательное формообразование) на металлорежущих станках или методами холодной деформации (насечка).

4. Окончательная (упрочняющая) термическая обработка.

5. Окончательный контроль, шлифовка и заточка инструмента, дополнительная обработка для улучшения поверхностного слоя.

В качестве предварительной обработки выбираем карбидный отпуск (рис. 4), применяемый для быстрорежущих сталей с целью улучшения её обрабатываемости пластической деформацией и устранения растрескивания при холодной вырубке тонких заготовок (дисковых фрез, мелких метчиков). При отпуске сталь нагревают до 730-760⁰С с выдержкой в течении 1-1,5 часов, при этом часть мелких карбидов растворяется. Последующее быстрое охлаждение (в масле или воде) фиксирует это состояние, что повышает пластичность, стали и несколько снижает предел текучести.

Рис. 4. Карбидный отпуск (предварительная термическая обработка)

Подъёмно-транспортное оборудование: используем однобалочный ручной мостовой кран, тележки.

Оборудование для нагрева: колпаковая печь.

Оборудование для охлаждения: охлаждение осуществляем в механизированном закалочном баке.

Дополнительное оборудование: очистка от масла производится в конвейерной моечной машине типа ММК в подогретом (до 80-90⁰С) водном растворе кальцинированной соды (10% Na₂CO₃); очистка от окалины осуществляется в травильной машине с краном, травление проходит в растворе серной кислоты (5-18%) при 40-90⁰С.

В качестве окончательной термической обработки мы выбираем закалку с последующим трёхкратным отпуском (рис. 5).

Рис. 5. Закалка и трёхкратный отпуск (окончательная ТО)

Закалка:

Высокая скорость нагрева в соляных печах-ваннах может вызвать значительные внутренние напряжения, деформацию и образование трещин. Поэтому рекомендуется применять ступенчатый нагрев под закалку для инструментов из быстрорежущих сталей. Нагрев проводим с двумя подогревами: первый - при 650⁰С с составом соляной ванны: 50% KCl и 50% Na₂CO₃; второй - при 850⁰С с составом соляной ванны: 30% KCl и 70% BaCl₂.

Окончательный нагрев также проводим в соляной ванне, состав которой 100% BaCl₂ при 1210⁰С.

Охлаждение при закалке проводим в масле, во избежание выделения карбидов.

Отпуск:

При многократном отпуске из остаточного аустенита (А_ост) выделяются карбиды, легированность аустенита уменьшается, и он претерпевает мартенситное превращение.

Отпуск производится при температуре 550⁰С, с выдержкой в течении 1 часа и охлаждением на воздухе до 20⁰С.

Подъёмно-транспортное оборудование: используем однобалочный ручной мостовой кран, тележки.

Оборудование для нагрева: для закалки - четырёхтигельная печь-ванна, для отпуска - колпаковая печь.

Оборудование для охлаждения: охлаждение осуществляем в механизированном закалочном баке.

Дополнительное оборудование: очистка от масла производится в конвейерной моечной машине типа ММК; очистка от окалины осуществляется в травильной машине с краном.

Твёрдость быстрорежущей стали марки Р6М5 после термической обработки составляет 64 HRC. В структуре стали остаётся приблизительно 2% остаточного аустенита, который немного снижает твёрдость стали и вызывает внутренние напряжения за счёт того, что аустенит и мартенсит в пространстве занимают разные объёмы. Сталь марки Р6М5 обладает повышенной вязкостью.

В качестве дополнительной обработки мы выбрали низкотемпературный отпуск для снятия напряжений после шлифования и заточки без снижения твёрдости, а также повышения стойкости инструмента при резании. Режим дополнительного отпуска (рис. 6) режущего инструмента: нагрев до температуры 240-260⁰С и выдержка в течении 1-4 часов.



Рис. 6. Низкотемпературный отпуск (дополнительная термическая обработка)

Оборудование

1. Оборудование для нагрева:

Колпаковая печь

Для отжига проволоки и ленты применяют газовые и электрические колпаковые печи, представляющие собой футерованный колпак, устанавливаемый на неподвижный под.

В газовых колпаковых печах газ сгорает в излучающих трубах, а в электрических печах применяют нагреватели из сплавов высокого сопротивления. В некоторых конструкциях печей колпаки применяют только для нагрева садки, а охлаждение производится без колпака. Колпак мостовым краном переносится на другой под для нагрева садки на втором поде.

В других конструкциях колпак только приподнимают, под с нагретой садкой отводят, а вместо него подкатывают другой под с садкой для нагрева. При использовании защитной атмосферы в колпаковых печах применяют муфель.

На рисунке 7 показана колпаковая электропечь. Колпак 1 цилиндрической формы футерован нормальным шамотным и диатомитовым кирпичом. На крючках 2 подвешены нагреватели из сплавов Х20Н80. Муфель 3 двойной газонепроницаемый сделан из листовой стали Х23Н18. В муфель вводится защитный газ, состоящий из 0,5 % СО₂, 2 % Н₂ и остальное N₂. Расход газа 2,5 м³/ч. Масса садки 25 т. Рабочая температура 900⁰С. Мощность печи 380 кВт.

Рис. 7. Колпаковая печь

Четырехтигельная электродная печь-ванна

Четырехтигельная ванна для термической обработки быстрорежущей стали, показана на рисунке 8. В первом тигле производят подогрев до 650⁰С, во втором до 850⁰С, в третьем осуществляют окончательный нагрев до 1220 - 1290⁰С, а в четвертом тигле производят ступенчатую закалку.

В зависимости от температуры составы солей в тиглях различные: в первом смесь солей 50 % КСl и 50 % Na₂СО₃, во втором 30 % КСl и 70 % ВаС1₂, в третьем 100% ВаС1₂ и в четвертом 33,3% КСI, 33,3% NаС1 и 33,3 % ВаС1₂. Перед загрузкой в тигли соли NаСl и КС1 тщательно просушивают, а ВаС1₂ прокаливают при 600 - 700⁰С.

Раскисляют ванны бурой или ферросилицием. Чем выше температура, тем чаще раскисляют ванну.



Рис. 8. Четырехтигельная электродная печь-ванна: 1- тигли, 2 - электродная группа, 3 - вытяжной зонт, 4 - пирометр

2. Оборудование для охлаждения:

Механизированный закалочный бак

Механизированный закалочный бак (рис. 9) состоит из корпуса 1, в котором установлен стол 2 с отверстиями в крышке. С помощью пневматического приспособления 3 стол может опускаться, подниматься и покачиваться. Перемешивание масла осуществляется мешалкой 4. Охлаждение поддонов производится следующим образом. Горячие поддоны с деталями поступают на стол, и стол с помощью пневматики погружается в масло и покачивается. После охлаждения стол поднимается, и поддоны перемещаются на следующую операцию.

Рис. 9. Механизированный закалочный бак с опускающимся столом

3. Подъемно-транспортное оборудование

Однобалочный ручной мостовой кран

На рисунке 10 показана конструкция ручного однобалочного мостового крана. Однобалочные ручные мостовые краны имеют грузоподъемность до 5 т. при пролетах до 12 м.

Рис. 10. Однобалочный ручной мостовой кран

4. Дополнительное оборудование

Травильная машина с подъёмным краном

Химическое травление осуществляется травильной машиной с подъемным краном. Плунжер с поршнем 1 соединен с четырьмя балками-хоботами 2, расположенными крестообразно. С помощью плунжера корзины 3 можно поднимать и опускать. При подъеме балки-хоботы могут быть повернуты на 90⁰.

Травильная машина имеет три бака 4, расположенных под концами балок-хоботов. В одном баке находится раствор кислоты, в другом - горячая вода, а в третьем - холодная вода. Под четвертым хоботом находится разгрузочно-погрузочная площадка.

Кислотные травильные баки делают из кислотоупорного бетона, деревянными с внутренней облицовкой из кислотоупорного кирпича, металлическими и т. д.

Размещено на Allbest.ru

...