Конечный результат зависит от множества различных факторов. К ним относятся время нагрева, время выдержки металлической детали при определенной температуре, скорость охлаждения, окружающие условия и т. д. Параметры зависят от метода термообработки, типа металла и размера детали.

В ходе этих процессов свойства металла изменятся. Среди этих свойств - электрическое сопротивление, магнетизм, твердость, вязкость, пластичность, хрупкость и коррозионная стойкость.

Нагрев.

Детали реактивного двигателя, направляемые в печь



Как мы уже обсуждали, микроструктура сплавов будет изменяться в процессе термообработки. Нагрев осуществляется в соответствии с заданным термическим профилем.

При нагревании сплав может находиться в одном из трех различных состояний. Это может быть механическая смесь, твердый раствор или их комбинация.

Механическая смесь аналогична бетонной смеси, в которой цемент связывает песок и гравий. Песок и гравий все еще видны как отдельные частицы. В случае металлических сплавов механическая смесь удерживается основным металлом.

С другой стороны, в твердом растворе все компоненты смешиваются гомогенно. Это означает, что их невозможно идентифицировать индивидуально даже под микроскопом.

Каждое состояние приносит с собой разные качества. По фазовой диаграмме возможно изменение состояния путем нагрева. Однако охлаждение определяет конечный результат. Сплав может оказаться в одном из трех состояний, в зависимости только от метода.

Выдержка.

Во время выдержки металл выдерживается при достигнутой температуре. Продолжительность зависит от требований.

Например, поверхностное упрочнение требует только структурных изменений поверхности металла, чтобы повысить твердость поверхности. В то же время для других методов требуются единые свойства. В этом случае период выдержки больше.

Время выдержки также зависит от типа материала и размера детали. Более крупным деталям требуется больше времени, когда целью являются однородные свойства. Это происходит из-за того, что сердцевине большой части требуется больше времени, чтобы достичь необходимой температуры.

Охлаждение.

После завершения этапа выдержки металл необходимо охладить в установленном порядке. На этом этапе тоже происходят структурные изменения. Твердый раствор при охлаждении может оставаться неизменным, полностью или частично превращаться в механическую смесь, в зависимости от различных факторов.

Скорость охлаждения регулируется различными средами, такими как солевой раствор, вода, масло или воздух. Вышеупомянутая последовательность охлаждающих сред находится в порядке убывания эффективной скорости охлаждения. Солевой раствор быстрее всего поглощает тепло, а воздух - медленнее всего.

Также возможно использование печи в процессе охлаждения. Контролируемая среда обеспечивает высокую точность, когда необходимо медленное охлаждение

1.2 Виды термической обработки стали

Закалка.

Существует довольно много методов термической обработки. Каждый из них обладает определенными качествами.

К наиболее распространенным методам термообработки относятся:

· Отжиг;

· Опуск

· Нормализация;

· Закалка;

· Цементация.

Закалка - это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической и последующем быстром охлаждении, со скоростью подавляющей распад аустенита на феррито-цементитную смесь и обеспечивающей структуру мартенсита.

Мартенсит и мартенситное превращение в сталях.

Мартенсит - это пересыщенный твердый раствор углерода в б-железе (б-Fe). Что такое аустенит, цементит, феррит и перлит читаем здесь. При нагреве эвтектоидной стали (0,8 % углерода) выше точки А1, исходная структура перлит превратится в аустенит. При этом в аустените растворится весь углерод, который имеется в стали, т. е. 0,8 %. Быстрое охлаждение со сверхкритической скоростью (см. рисунок ниже), например в воде (600 °С/сек), препятствует диффузии углерода из аустенита, но кристаллическая ГЦК решетка аустенита перестроится в тетрагональную решетку мартенсита. Данный процесс называется мартенситным превращением. Он характеризуется сдвиговым характером перестройки кристаллической решетки при такой скорости охлаждения, при которой диффузионные процессы становятся невозможны. Продуктом мартенситного превращения является мартенсит с искаженной тетрагональной решеткой. Степень тетрагональности зависит от содержания углерода в стали: чем его больше, тем больше степень тетрагональности. Мартенсит - это твердая и хрупкая структура стали. Находится в виде пластин, под микроскопом выглядит, как иглы.

Температура закалки для большинства сталей определяется положением критических точек А1 и А3. На практике температуру закалки сталей определяют при помощи марочников сталей. Как выбрать температуру закалки стали с учетом точек Ас1 и Ас3 читаем по ссылке.

Микроструктура стали после закалки.

Для большинства сталей после закалки характерна структура мартенсита и остаточного аустенита, причем количество последнего зависит от содержания углерода и качественного и количественного содержания легирующих элементов. Для конструкционных сталей среднего легирования количество остаточного аустенита может быть в пределах 3-5%. В инструментальных сталях это количество может достигать 20-30%.

Вообще, структура стали после закалки определяется конечными требованиями к механическим свойствам изделия. Наряду с мартенситом, после закалки в структуре может присутствовать феррит или цементит (в случае неполной закалки). При изотермической закалке стали ее структура может состоять из бейнита. Структура, конечные свойства и способы закалки стали рассмотрены ниже.

Частичная закалка стали.

Частичной называется закалка, при которой скорости охлаждения не хватает для образования мартенсита и она оказывается ниже критической. Такая скорость охлаждения обозначена синей линией на рисунке. При частичной закалке как-бы происходит задевание «носа» С-кривой стали. При этом в структуре стали наряду с мартенситом будет присутствовать троостит в виде черных островковых включений.

Микроструктура стали с частичной закалкой выглядит примерно следующим образом

Частичная закалка является браком, который устраняется полной перекристаллизацией стали, например, при нормализации или при повторном нагреве под закалку.

Неполная закалка сталей.

Закалка от температур, лежащих в пределах между А1 и А3 (неполная закалка), сохраняет в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Это понятно, так как твердость феррита составляет 80НВ, а твердость мартенсита зависит от содержания углерода и может составлять более 60HRC. Поэтому данные стали обычно нагревают до температур на 30 - 50 °С выше А3 (полная закалка). В теории, неполная закалка сталей не допустима и является браком. На практике, в ряде случаев для избежания закалочных трещин, неполная закалка может использоваться. Очень часто это касается закалки токами высокой частоты. При такой закалке необходимо учитывать ее целесообразность: тип производства, годовую программу, тип ответственности изделия, экономическое обоснование. Для заэвтектоидных сталей закалка от температур выше А1, но ниже Асm дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев выше температуры Аcm ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита. При этом происходит рост зерна аустенита, что также негативно сказывается на механических характеристиках стали.

Таким образом, оптимальной закалкой для доэвтектоидных сталей является закалка от температуры на 30 - 50 °С выше А3, а для заэвтектоидных - на 30 - 50 °С выше А1.

Скорость охлаждения также влияет на результат закалки. Оптимальной охлаждающей является среда, которая быстро охлаждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (в интервале носа с-кривой) и замедленно в интервале температур мартенситного превращения.

Стадии охлаждения при закалке.

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода различной температуры, полимерные растворы, растворы спиртов, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают несколько стадий охлаждения:

- пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»;

- пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении этой паровой рубашки;

- конвективный теплообмен.

Кроме жидких закалочных сред используется охлаждение в потоке газа разного давления. Это может быть азот (N2), гелий (Не) и даже воздух. Такие закалочные среды часто используются при вакуумной термообработке. Здесь нужно учитывать факт возможности получения мартенситной структуры - закаливаемость стали в определенной среде, т. е. химический состав стали от которого зависит положение с-кривой

Способы закалки сталей.

На практике применяются различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (схема ниже).

Схема: Скорости охлаждения при разных способах закалки сталей

Непрерывная закалка стали.

Непрерывная закалка (1) - способ охлаждения деталей в одной среде. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Данная технология самая распространенная, широко применяется в условиях массового производства. Подходит практически для всех типов конструкционных сталей.

Закалка в двух средах.

Закалка в двух средах (скорость 2 на рисунке) осуществляется в разных закалочных средах, с разными температурами . Сначала деталь охлаждают в интервале температур например 890 - 400 °С например в воде, а потом переносят в другую охлаждающую среду - масло. При этом мартенситное превращение будет происходить уже в масляной среде, что приведет к уменьшению поводок и короблений стали. Такой способ закалки используют при термообработке штампового инструмента. На практике часто используют противоположный технологический прием - сначала детали охлаждают в масле, а затем в воде. При этом мартенситное превращение происходит в масле, а в воду детали перемещают для более быстрого остывания. Таким образом, экономится время на осуществление технологии закалки.

Ступенчатая закалка.

При ступенчатой закалке (скорость 3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем температура мартенситного превращения. Таким образом получается некая изотермическая выдержка перед началом превращения аустенита в мартенсит. Это обеспечивает равномерное распределение температуры по всему сечению детали. Затем следует окончательное охлаждение, во время которого и происходит превращение мартенситное превращение. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями. Изотермическую выдержку можно сделать чуть ниже температуры Мн, уже после начала мартенситного превращения (скорость 6). Такой способ более затруднителен с технологической точки зрения.

Изотермическая закалка сталей.

Изотермическая закалка (скорость 4) делается для получения бейнитной структуры стали. Данная структура характеризуется отличным сочетанием прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке детали охлаждают в ванне с расплавами солей, которые имеют температуру на 50 - 150°С выше мартенситной точки Мн, выдерживают при этой температуре до конца превращения аустенита в бейнит, а затем охлаждают на воздухе.

При закалке на бейнит возможно получение двух разных структур: верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит имеет перистое строение. Он образуется в интервале 500-350°С и состоит из частиц феррита в форме реек толщиной <1 мкм и шириной 5-10 мкм, а также из тонких частиц цементита. Структура верхнего бейнита отличается более высокой твердостью и прочностью, но пониженной пластичностью. Нижний бейнит имеет игольчатое мартенситоподобное строение, образуется в интервале 350 - 200°С. Нижний бейнит состоит из тонких частиц е-карбидов, расположенных в пластинках феррита. Бейнитное превращение никогда не идет до конца. В структуре всегда есть мартенсит и остаточный аустенит. Более предпочтительной, в плане эксплуатационных характеристик, является структура нижнего бейнита. Изделия с такой структурой используются в вагоностроении, в деталях испытывающих ударно-растягивающие напряжения. Технология закалки на бейнит требует специального закалочного оборудования.

Обработка холодом (5) применяется для сталей, у которых температура конца мартенситного превращения Мк находится ниже комнатной температуры.

Обработке холодом подвергают быстрорежущие стали, цементованные детали, мерительные инструменты, и другие особо точные изделия.

Зависимость твердости мартенсита от содержания углерода.

Твердость стали после закалки зависит от твердости мартенсита, которая в свою очередь зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода увеличивается и твердость после закалки стали. Графическая зависимость приведена на рисунке.

График зависимости твердости мартенсита от содержания углерода

1.3 Отжиг

Отжиг сталей

По книжному определению, отжиг - это нагрев стали до температуры выше критической, выдержка при этой температуре и медленной охлаждение вместе с печью. На самом деле это общее определение, под которое попадают не все виды отжига. Режимы отжига зависят в первую очередь от конечных требований к стали или изделию, в первую очередь это требования по механическим или технологическим свойствам металла.

Отжиг первого рода (І-го рода).

Отжиг І рода - термическая операция, состоящая в нагреве металла в неустойчивом состоянии, полученном предшествующими обработками, для приведения металла в более устойчивое состояние. Этот вид отжига может включать в себя процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости и снятия остаточных напряжений. Особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы протекают независимо от того происходят ли фазовые превращения при термообработке или нет. Различают гомогенизационный (диффузионный), рекристаллизационный отжиг и отжиг, уменьшающий напряжения и снижающий твердость.

Гомогенизационный отжиг.

Гомогенизационный отжиг - это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной и внутрикристаллитной ликвации в слитках сталей. Ликвация повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкости, анизотропии свойств и таким дефектам, как шиферность (слоистый излом) и флокены. Устранение ликвации достигается за счет диффузионных процессов. Для обеспечения высокой скорости диффузии сталь нагревают до высоких (1000-1200 °С) температур в аустенитной области. При этих температурах делается длительная (10-20 час.) выдержка и медленное охлаждение с печью. Диффузионные процессы наиболее активно протекают в начале выдержки. Поэтому во избежание большого количества окалины, охлаждение с печью обычно проводят до температуры 800 - 820°С, а далее на воздухе. При гомогенизационном отжиге вырастает крупное аустенитное зерно. Избавиться от этого нежелательного явления можно последующей обработкой давлением или термической обработкой с полной перекристаллизацией сплава. Выравнивание состава стали при гомогенизационном отжиге положительно сказывается на механических свойствах, особенно пластичности.

Рекристаллизационный отжиг стали.

Рекристаллизационный отжиг, применяемый для сталей после холодной обработки давлением, - это термическая обработка деформированного металла или сплава. Может применять как окончательная, так и промежуточная операция между операциями холодного деформирования. Главным процессом этого вида отжига являются возврат и рекристаллизация соответственно. Возвратом называют все изменения в тонкой структуре, которые не сопровождаются изменениями микроструктуры деформированного металла (размер и форма зерен не изменяется). Возврат сталей происходит при относительно низких (300-400°С) температурах. При этом процессе наблюдается восстановление искажений кристаллической решетки.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. В результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы. Между температурным порогом рекристаллизации и температурой плавления имеется простое соотношение:

ТР ? (0,3 - 0,4)Т_ПЛ.,

что составляет для углеродистых сталей 670-700°С.

Отжиг для снятия напряжений.

Отжиг для снятия напряжений - это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений. Такие напряжения возникают при обработке давлением или резанием, литье, сварке, шлифовании и других технологических процессах. Внутренние напряжения сохраняются в деталях после окончания технологического процесса и называются остаточными. Избавиться от нежелательных напряжений можно путем нагрева сталей от 150 до 650°С в зависимости от марки стали и способа предыдущей обработки.

Высокий отжиг стали.

Эта операция часто называется высоким отпуском. После горячей пластической деформации сталь имеет мелкое зерно и удовлетворительную микроструктуру. Такое состояние сталь получает при ускоренном охлаждении после пластической деформации. Однако в структуре могут быть составляющие: мартенсит, бейнит, троостит и т. д. Твердость металла при этом может быть достаточна высока. Для повышения пластичности и соответственно снижения твердости делается высокий отжиг. Его температура ниже критической Ас1 и зависит от требований к металлу для следующей операции обработки.

Отжиг второго рода (ЙЙ-го рода).

Отжиг ЙЙ рода основан на использовании фазовых превращений сплавов и состоит в нагреве выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого структурного состояния сплавов.

Полный отжиг.

Полный отжиг производится для доэвтектоидных сталей. Для этого стальную деталь нагревают выше критической точки А3 на 30 - 50°С и после прогрева проводят медленное охлаждение. Как правило, детали охлаждают вместе с печью со скоростью 30 - 100°С/час. Структура доэвтектоидной стали после отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

Основные цели полного отжига:

- устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячая деформация, сварка, термообработка), - крупнозернистости и видманштеттовой структуры;

- смягчение стали перед обработкой резанием - получение крупнозернистости для улучшения качества поверхности и большей ломкости стружки низкоуглеродистых сталей;

- уменьшение напряжений.

Неполный отжиг.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что нагрев производится на 30 - 50°С выше критической точки А1 (линия РSК на диаграмме «Железо - цементит»). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей проводят для улучшения обрабатываемости резанием. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали - вследствие перехода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Такой отжиг проводится при температуре 770 - 750°С с последующим охлаждением со скоростью 30 - 60°С/с до 600°С, далее на воздухе.

Неполный отжиг широко применяется для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. Нагрев этих сталей на 10 - 30°С выше Ас1 вызывает практически полную перекристаллизацию сплава и позволяет получить зернистую (сферическую) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией. Частицы цементита, не растворившегося при нагреве, или области аустенита с повышенной концентрацией углерода за счет неполной его гомогенизации после растворения цементита, служат центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении до температуры ниже А1 и принимающего в этом случае зернистую форму. В результате нагрева до температуры значительно выше А1 и растворения большей части цементита и более полной гомогенизации аустенита последующее выделение цементита ниже А1 происходит в пластинчатой форме. Если избыточный цементит находился в виде сетки, то перед этим отжигом нужно сделать нормализацию с нагревом выше Асm (желательно с охлаждением в направленном потоке воздуха).

Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий температурный интервал нагрева (750 - 760°С) для отжига на зернистый цементит, для заэвтектоидных сталей интервал расширяется до 770 - 790°С. Легированные заэвтектоидные стали можно нагревать до более высоких температур 770 - 820°С. Охлаждение и сфероидизация цементита происходит медленно. Охлаждение должно обеспечить распад аустенита на феррито-карбидную структуру, сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов до 620 - 680°С.

Отжиг на зернистый перлит (маятниковый отжиг).

Для получения зернистого перлита применяют отжиг с различными вариациями термоциклирования в надкритическом и межкритическом интервале температур, маятниковые виды отжига с различными выдержками и количеством циклов.

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость, временное сопротивление разрыву и соответственно более высокие значения характеристик пластичности. Например эвтектоидная сталь с пластинчатым перлитом имеет твердость 228НВ, а с зернистым 163НВ и соответственно временное сопротивление 820 и 630МПа, относительное удлинение 15 и 20%.

Микроструктура стали после отжига на зернистый перлит (ОЗП) выглядит следующим образом.

После отжига на зернистый перлит стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, при этом достигается более высокая чистота поверхности. В ряде случаев, отжиг на зернистый перлит является обязательной предварительной операцией. Например, для избежания трещинообразования при высадке болтов и заклепок.



Изотермический отжиг.

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали до температуры Ас3 + (30-50°С), последующего ускоренного охлаждения до температуры изотермической выдержки ниже точки А1 и дальнейшего охлаждения на спокойном воздухе. Изотермический отжиг по сравнению с обычным отжигом имеет два преимущества:

- больший выигрыш во времени, т. к. суммарное время ускоренного охлаждения, выдержки и последующего охлаждения может быть меньше медленного охлаждения изделия вместе с печью;

- получение более однородной структуры по сечению изделий, т. к. при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения.

Патентирование.

Патентирование - операция отжига, как правило, назначаемая для пружинной проволоки, с содержанием углерода 0,65 - 0,9%, перед волочением. Процесс заключается в аустенитизации металла и последующим пропускании его через расплав солей с температурой 450 - 550°С (на ДИПА это температуры изотермической выдержки в области минимальной устойчивости аустенита). Это приводит к образованию тонкопластинчатого троостита или сорбита, который позволяет получать степени обжатия более 75% для волочения и окончательное временное сопротивление 2000 - 2250МПа после ХПД.

Нормализационный отжиг (нормализация стали).

Нормализационный отжиг или нормализацию стали применяют как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием и для общего улучшения ее структуры перед закалкой. При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают до температур Ас3 + (30-50°С), заэвтектоидную до Асм + (30-50°С) и после выдержки охлаждают на спокойном воздухе.

Ускоренное охлаждение по сравнению с отжигом обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита, поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит) и более мелкое эвтектоидное зерно.

Прочность стали после нормализации несколько выше, чем после отжига. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. При нагреве выше точки Асм вторичный цементит растворяется, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали. В доэвтектоидной стали, как говорилось выше, нормализация позволяет устранить крупное зерно после перегрева и видманштетт после нарушения цикла ГПД.

1.4 Отпуск

Отпуск - это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной стали до температур ниже точки Ас1, c целью получения равновесной структуры и заданного комплекса механических свойств.

После закалки сталь имеет структуру на основе мартенсита с тетрагональной искаженной кристаллической решеткой и остаточного аустенита, количество которого зависит от химического состава стали. При нагреве закаленной стали в ее структуре происходят фазовые превращения, которые можно показать в виде схемы.

Схема фазовых превращений при отпуске сталей

Низкий отпуск сталей.

Низкий отпуск стали делают при температуре до 250°С. При этом процессе из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц (е-карбидов). е-карбиды выделяются в виде пластин или стержней и они когерентно связаны с решеткой мартенсита. Распад остаточного аустенита при низком отпуске происходит по механизму бейнитного превращения: образуется гетерогенная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. Продуктом низкого отпуска является мартенсит отпуска, который отличается от мартенсита закалки меньшей концентрацией углерода и наличием в нем карбидов (е-карбидов), которые когерентно связаны с решеткой мартенсита.

При температуре около 250°С начинается превращение карбида в цементит; при этом когерентность решеток б-твердого раствора мартенсита и карбидов нарушается.

Низкому отпуску подвергают инструментальные железоуглеродистые материалы (режущий и мерительный инструмент), а также стали, которые подвергались цементации, нитроцементации. Часто низкий отпуск делают для сталей после термообработки токами высокой частоты.

Средний отпуск.

Средний отпуск проводится при температурах 350-400 °С. При этом из мартенсита выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональность (степень тетрагональности) решетки железа уменьшается, она становится кубической. В результате вместо мартенсита остается феррит. Такая феррито-цементитная смесь называется трооститом отпуска, а процесс, приводящий к таким изменениям, среднетемпературным отпуском. При среднем отпуске снижается плотность дислокаций и уменьшаются внутренние напряжения в стали.

Средний отпуск применяется при термообработке упругих деталей: рессор, пружин и др.

Высокий отпуск.

Во время высокого отпуск (450-550°С и выше) в углеродистых сталях происходят изменения структуры, не связанные с фазовыми превращениями: изменяются форма, размер карбидов и структура феррита. С повышением температуры происходит коагуляция - укрупнение частиц цементита. Форма кристаллов постепенно становится сферической - этот процесс называется сфероидизацией.

Коагуляция и сфероидизация карбидов начинают происходить более интенсивно с температуры 400°С. Зерна феррита становятся крупными, и их форма приближается к равноосной. Феррито-карбидная смесь, которая образуется после отпуска при температуре 400-600 °С, называется сорбитом отпуска. При температуре, близкой к точке А1, образуется достаточно грубая феррито-цементитная смесь - перлит.

Высокий отпуск с температур 450-550°С применяется для большинства конструкционных сталей. Его широко используют при термообработке различных втулок, опор, крепежных изделий, работающих на растяжение-сжатие и других изделий, которые испытывают статические нагрузки.

Явление отпускной хрупкости.

При отпуске некоторых сталей возможно протекание процессов, которые снижают ударную вязкость стали, не меняя остальные механические свойства. Такое явление называется отпускной хрупкостью и наблюдается в температурных интервалах отпуска при 250 - 400єС и 500 - 550єС. Первый вид хрупкости называется отпускной хрупкостью Й рода и является необратимым, поэтому стоит избегать отпуска сталей при этих температурах. Данный вид присущ практически всем сталям, легированным хромом, магнием, никелем и их сочетанием, и обусловлен неоднородным выделением карбидов из мартенсита. Второй вид отпускной хрупкости - отпускная хрупкость ЙЙ-го рода является обратимым. Отпускная хрупкость ЙЙ-го рода проявляется при медленном охлаждении легированной стали при температуре 500-550°С. Данная хрупкость может быть устранена повторным отпуском с большой скоростью охлаждения (в воде или масле). В этом случае устраняется причина этой хрупкости - выделение карбидов, нитридов, фосфидов по границам бывших аустенитных зерен. Устранение отпускной хрупкости легированных сталей возможно введением в них малых добавок молибдена (0,2 - 0,3 %) или вольфрама (0,5 - 0,7 %).

Графически эти виды хрупкости выглядят, как показано на рисунке.

Проявление отпускной хрупкости в сталях при отпуске

Практически все стали подчиняются закону: повышение температуры отпуска - снижение прочностных характеристик и повышение пластических, как показано на рисунке ниже.

Влияние температуры отпуска на механические свойства стали

Такая закономерность не касается быстрорежущих инструментальных легированных карбидообразующими элементами сталей.

Отпуск быстрорежущих инструментальных сталей.

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей (Р18, Р6М5 и др.) являются вольфрам, молибден, кобальт и ванадий - элементы, обеспечивающие теплостойкость и износостойкость при эксплуатации. Быстрорежущие стали относятся к карбидному (ледебуритному) классу. Под закалку эти стали нагревают до температуры выше 1200°С (Р18 до температуры 1270°С, Р6М5 - до 1220°С). Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения вторичных карбидов и получения аустенита высоколегированного хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием. Это обеспечивает получение после закалки теплостойкого мартенсита. Даже при очень высоком нагреве растворяется только часть карбидов. Для этих сталей характерно сохранение мелкого зерна при высоких температурах нагрева.

Железо и легирующие элементы «быстрорезов» имеют сильно отличающиеся свойства теплопроводности, поэтому при нагреве, для избежания трещин, следует делать температурные остановки. Обычно при 800 и 1050°С. При нагреве крупного инструмента первую выдержку делают при 600°С. Время выдержки составляет 5-20 мин. Выдержка при температуре закалки должна обеспечить растворение карбидов в пределе их возможной растворимости. Охлаждение инструмента чаще всего делают в масле. Для уменьшения деформации применяют ступенчатую закалку в расплавах солей с температурой 400-500°С. Структура «быстрорезов» после закалки состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3-0,4%С, нерастворенных избыточных карбидов и остаточного аустенита. Чем выше температура закалки, тем ниже положение точек Мн, Мк и тем больше остаточного аустенита. В стали Р18 присутствует примерно 25-30% остаточного аустенита, в стали Р6М5 - 28-34%. Для уменьшения аустенита можно сделать обработку холодом, но, как правило, этого не требуется.

После закалки следует отпуск при 550 - 570°С, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение за счет частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов легирующих элементов. Это сопровождается увеличением твердости (вторичная твердость). В процессе выдержки при отпуске из остаточного аустенита выделяются карбиды, что уменьшает его легированность, и поэтому при последующем охлаждении он претерпевает мартенситное превращение (Мн~150°С). В процессе однократного отпуска только часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. Чтобы весь аустенит перешел в мартенсит применяют двух и трехкратный отпуск. Время выдержки обычно составляет 60 минут.

При назначении режима нужно учитывать химические свойства элементов и периодичность выделения карбидов в зависимости от температуры. Например, максимальная твердость стали Р6М5 получается за счет 3-х стадийного отпуска. Первый отпуск при температуре 350°С, последующие два при температуре 560-570°С. При температуре 350°С выделяются частицы цементита, равномерно распределенные в стали. Это способствует однородному выделению и распределению спецкарбидов М₆С при температуре 560-570°С.



1.5 Цементация

Цементация - это процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают следующие виды цементации: твердую, газовую цементации, цементацию пастами, жидкостную цементацию. Целью цементации является получение твердой износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8-1,2 % и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают износостойкость и предел выносливости.

Для цементации обычно используют стали с содержанием углерода 0,1 - 0,3% различного легирования. Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки сталей.

При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают в ящики и засыпают карбюризатором, чаще древесным углем. При нагреве углерод древесного угля, соединяясь с кислородом воздуха, образует оксид углерода, который, в свою очередь, взаимодействуя с железом, дает атомарный углерод. Этот активный углерод поглощается аустенитом и диффундирует в глубь изделия. Для ускорения процесса цементации к древесному углю (коксу) добавляют катализаторы процесса: углекислый барий (ВаСО₃) и кальцинированную соду (Na₂CO₃) в количестве 10-40 % от массы угля.

Газовая цементация.

Для газовой цементации (впервые была осуществлена Аносовым П.Д. на Златоустовском заводе) в качестве карбюризатора используют природный газ, жидкие углеводороды (керосин, бензин и т. д.) или контролируемые атмосферы с определенным углеродным потенциалом. При нагреве образуется атомарный углерод:



2CO=CO₂ + Cатом

или

CH₄=2H₂ + Cатом

Режимы цементации.

Газовая цементация - основной процесс при массовом производстве, а цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве. Глубина цементации в зависимости от назначения изделия и состава стали обычно находится в пределах 0,5 - 2,00 мм. Цементацию проводят при 910 - 950 єС или для ускорения процесса при 1000 - 1050 єС. С повышением температуры уменьшается время достижения заданной глубины цементации. Так, при газовой цементации науглероженный слой толщиной 1,0-1,3 мм получают при 920єС за 15 ч., а при 1000 єС - за 8 ч. Чтобы предотвратить сильный рост аустенитного зерна, высокотемпературной цементации подвергают наследственно мелкозернистые стали (НМЗС). Также перегрев после цементации можно исправить последующей полной перекристаллизацией сплава при закалке с повторного нагрева. Концентрация углерода в поверхностном слое изделия обычно составляет 0,8-1,5 %.

Цементация является промежуточной операцией, цель которой - обогащение поверхностного слоя углеродом. Требуемое упрочнение поверхностного слоя изделия достигается закалкой после цементации. Закалка должна не только упрочнить поверхностный слой, но и исправить структуру перегрева, возникающую из-за многочасовой выдержки стали при высокой температуре цементации. После цементации ответственные изделия подвергают двойной закалке (закалке с повторного нагрева) Это делается для снижения коробления металла, а также, чтобы нагрев под повторную закалку исправил все несплошности микроструктуры металла, полученные при цементации - например, крупное зерно от перегрева.

Повторную закалку проводят с нагревом до 850 - 900°С (выше точки А3), чтобы произошла полная перекристаллизация стали. В углеродистой стали, из-за малой глубины прокаливаемости, сердцевина изделия после закалки состоит из феррита и перлита. Вместо первой закалки к углеродистой стали можно применять нормализацию. В прокаливающейся насквозь легированной стали сердцевина изделия состоит из низкоуглеродистого мартенсита. Такая структура обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины. При газовой цементации достаточно часто применяют одну закалку с цементационного нагрева после подстуживания изделия до 840 - 870°С, но чаще температура подстуживания зависит от конкретной марки стали. Такая схема снижает общее время процесса цементации, но не исправляет дефекты структуры, полученные при высокотемпературной цементации.

Заключительной операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 - 180єС и переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Преимущества газовой цементации перед цементацией в твердом карбюризаторе.

Процесс газовой цементации обладает рядом преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе:

- повышается производительность процесса по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, так как не нужно затрачивать время на упаковку и прогрев ящиков;

- сокращается потребная производственная площадь и количество рабочей силы;

- сокращается потребность в жаростойком материале;

- появляется возможность регулирования процесса для получения цементованного слоя заданной глубины и насыщенности;

- уменьшается деформация деталей вследствие более равномерного нагрева до рабочей температуры;

- улучшаются санитарно-гигиенические условия труда;

- появляется возможность закалки деталей непосредственно после цементации;

- позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс.

Недостатки процесса газовой цементации:

- необходимость в более сложном и дорогом оборудовании;

- потребность в более квалифицированной рабочей силе;

- сложность эксплуатации оборудования вследствие необходимости обеспечения герметичности печи, равномерной циркуляции газов и др.;

- сложные требования по технике безопасности.

Жидкостная цементация.

Жидкостная цементация производится в расплавленных солях, обычно в солях, состоящих из карбонатов щелочных металлов. Эту смесь расплавляют в ванне и цементации проводят посредством погружения деталей в расплав. Процесс ведут при 850°С на протяжении 0,5 - 3,0 часов, при этом глубина сдоя получается в пределах 0,2 - 0,5 мм. Основное достоинство процесса - возможность непосредственной закалки из цементационной ванны и малые деформации обработанных изделий. В условиях индивидуального и мелкосерийного производства некоторое применение нашла цементация из паст. В этом случае на обрабатывавшуюся поверхность наносится обмазка, содержащая сажу (33 - 70 %), древесную пыль (20 - 60 % ), желтую кровяную соль (5 - 20 %) и другие компоненты. В качестве связующих материалов используют органические, органоминеральные и неорганические клеи. Толщина обмазки должна быть в 6 - 8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя.

В настоящее время наиболее перспективным методом цементации является цементация в эндотермической атмосфере с контролируемым углеродным потенциалом. При газовой цементации в эндотермической атмосфере, в начале процесса (в активный период насыщения) поддерживают высокий углеродный потенциал атмосферы за счет добавки к эндотермической атмосфере необработанного углеводородного газа (метана или пропана-бутана). В диффузионный период углеродный потенциал атмосферы устанавливается 0,8 - 1,0 % и количество добавляемого углеводородного газа резко уменьшается.

Вакуумная цементация.

Все выше перечисленные способы цементации имеют один большой недостаток - длительное время процесса. Значительное ускорение процесса может быть достигнуто в результате использования высокотемпературной цементации при давлении ниже атмосферного, при вакуумной цементации. (По ссылке дополнительная информация по вакуумной цементации). Процесс вакуумной цементации имеет ряд преимуществ перед традиционными методами цементации.

- возможность эффективного регулирования профиля распределения углерода в цементованном слое и его микроструктуры;

- отсутствие кислородсодержащих компонентов в атмосфере, что исключает внутреннее окисление деталей;

- лучшее проникновение газа-карбюризатора в отверстия малого диаметра, что обеспечивает равномерную цементацию внутренних полостей;

- высокая повторяемость результатов процессов, проходящих в одинаковых условиях;

- получение светлой поверхности деталей после цементации;

- отсутствие газоприготовительных установок и приборов контроля углеродного потенциала;

- уменьшение удельного расхода электроэнергии и технологического газа;

- большая мобильность оборудования (пуск и остановка занимают несколько минут);

- сокращение длительности процесса в результате проведения его при высокой температуре и изменения потенциала атмосферы;

- повышение культуры производства и улучшение условий труда.

Первая информация о процессе вакуумной цементации относится к началу 70-х годов, когда специалисты фирмы «Хейес» (США) впервые осуществили вакуумную цементацию в модернизированных печах типа VCQ.

При вакуумной цементации, загрузку деталей производят в холодную камеру, далее пуск печи, и дальнейшее управление всеми технологическими параметрами (температура, расход газа, давление, длительности периодов цементации и диффузии) производится с помощью программы, введенной в управляющий компьютер. Сначала печь вакуумируется, затем следует ступенчатый нагрев до температуры цементации. Затем садка с деталями выдерживается при постоянной температуре для выравнивания температуры внутри садки и удаления загрязнений с поверхности стали, препятствующих проникновению углерода. Продолжительность выдержки при температуре составляет от 20 до 60 мин. (в зависимости от поперечного сечения деталей). Далее происходит подача в камеру реакционного газа, в качестве которого применяют такие углеводороды как метан, пропан, бутан или ацетилен. Давление и расход газа зависят от типа газа, объема камеры и площади поверхности деталей. Давление газа может находиться в интервале 4 - 400 мбар, а расход в интервале 500 - 5000 нл/ч. При этом стараются как можно больше обогатить поверхностную зону углеродом, чтобы концентрация углерода в этой зоне достигла более высоких значений, чем задаваемые значения для окончательно обработанной детали. За стадией науглероживания следует диффузионная стадия процесса. Для того, чтобы избежать дальнейшего науглероживания во время диффузионной стадии, по окончании стадии науглероживания печь снова вакуумируют. Далее закачивают в печь немного азота (до установления давления в печи 2 мбара) с целью уменьшения эффекта сублимации (выветривания, улетучивания) в вакууме углерода и легирующих элементов с поверхности деталей при прохождении стадии диффузии. Стадии науглероживания и диффузии чередуют до тех пор, пока не будут получены требуемые глубина цементованного слоя и концентрационный профиль углерода. Оптимальный технологический процесс вакуумной цементации состоит из трех стадий науглероживания и трех стадий диффузии. На следующем этапе, осуществляется охлаждение печи и садки с деталями до цеховой температуры и в зависимости от конструкции печи это может происходить как в самой камере с использованием инертного газа (азот, аргон или гелий) при разных давлениях, так и в масле закалочного бака. После достижения печью цеховой температуры компьютерное управление отключается и с помощью погрузчика садку выгружают.

Некоторые особенности технологии.

Иногда при цементации необходимо защитить некоторые поверхности. Для этого применяют 3 основных способа: защита допусками, меднение поверхности, защита пастами.

Цементацию широко применяют в машиностроении для повышения твердости и износостойкости изделий с сохранением высокой вязкости их сердцевины. Удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины, и поэтому в нем возникают значительные сжимающие напряжения. Остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, достигающие 400-500 МПа, повышают предел выносливости изделия. Низкое содержание углерода (0,08-0,3 %) обеспечивает высокую вязкость сердцевины за счет неполной прокаливаемости. Цементации подвергают качественные стали 08, 10, 15 и 20 и легированные стали 12ХНЗА, 18ХГТ и др. Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет 60-64 HRC, а для легированной - 58-61 HRC; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.

1.6 Нормализация

Нормализация стали - термическая обработка изделия, в результате которой улучшаются механические и физические свойства металла.

Нормализация стали

Суть обработки.

Нормализация - это нагрев металлической заготовки до температуры на 50 градусов выше критической. После нагревания выполняется охлаждение. Однако между этими процессами проводится выдержка при температуре нормализации.

Градус нагрева зависит от материала детали. Чтобы рассчитать время теплового воздействия, необходимо обратить внимание на гомогенизацию структуры металла. Оптимальным показателем является - выдерживание в течение 1 часа при толщине 25 мм.

При охлаждении необходимо учитывать определённые моменты. Когда температура упадет ниже критической, нужно ускорить процесс охлаждения. Для этого деталь окунают в емкость с маслом или водой. Количество преимуществ и недостатков готового изделия зависит от правильно проведённой термической обработки и последующего охлаждения.
Назначение

Такую технологию применяют для достижения следующих целей:

· изменения структуры сплава или однородного металла;

· достижения большей прочности и твердости;

· изменения механических свойств и характеристик детали;

· снижения напряжений металла, появляющихся в ходе других процессов обработки.

С помощью такого термического воздействия можно добиться различных результатов, например, изменить показатели твердости и прочности.

Проведение нормализации обязательно после обработки стали давлением, поскольку увеличение и понижение температурного показателя позволяет исправить проблемы со структурой материала.

Особенности проведения работ.

Нормализация - равномерное нагревание заготовки до температуры выше критической. После разогрева детали выдерживаются в одном температурном режиме. Затем происходит охлаждение заготовки. Изначально она медленно остывает до нижнего показателя критических температур, затем мастер погружает её в охлаждающую жидкость, чтобы ускорить процесс.

Принципы проведения.

Термообработка металла необходима в случае изменения его структуры и, следовательно, технических характеристик.

Существует два типа металлов, подвергающихся термообработке:

· заэвтектоидные;

· доэвтектоидные.

Выбор температурного режима зависит от типа металла. Например, для заэвтектоидных заготовок процесс разогрева проводится при температурах, располагаемых между отметками AC1-AC3. Что касается доэвектоидных деталей, их обрабатывают при температурах, превышающих точку AC3. Материалы, относящиеся к первой группе, достигают одинакового показателя твердости.

Длительность.

Скорость охлаждения зависит от количества перлита, содержащегося в заготовке, и размера обрабатываемых пластин. Если скорость охлаждения увеличивается, а время на проведение процедуры сокращается, количество перлита, образующегося в процессе термообработки, увеличится. Также будут возрастать показатели прочности и твердости.

Охлаждение стали



1.7 Азотирование

Азотирование - это процесс химико-термической обработки с насыщением азотом наружного слоя с целью повышения его твердости, коррозионной стойкости, коррозионной стойкости.

Толщина азотированного слоя значительно выше, чем цементированного, и сохраняется при 400-600°С, тогда как твердость цементированного мартенситного структурного слоя сохраняется при температуре 200-250°С. Легированные стали типа 35ХМЮА, 40Х, 18ХГТ, 40ХНМА, содержащие алюминий, хром, титан, азотируют. Перед азотированием детали закаляются, опускаются при высоких температурах, улучшаются их механические свойства. Толщина слоя азота достигает 0,2-0,6 мм. Слой азота хорошо выравнивается и разглаживается. Автозапчасти (шестерни, коленчатые валы), а также пресс-формы, штампы и прочее. азотирование. В результате азотирования размер частиц несколько увеличивается. Поэтому слой азотистых частиц толщиной 0,02-0,03 мм удаляется шлифовкой (например, повторной шлифовкой шарниров коленчатого вала). Азотирование обычно проводят в аммиачной среде при температуре 500-600°С. Аммиак разлагается с выделением активного азота в атомарном состоянии: 2NN32N + 6N. При этой температуре азот поступает в наружный слой стали в герметичном муфеле, отлитом в печи, вступает в химическую реакцию с легирующими элементами с образованием нитридов хрома, молибдена, вольфрама. Нитриды легирующих элементов повышают твердость стали до VDS 70. Азотированные обычные конструкционные стали имеют меньшую твердость, а углеродистые стали имеют значительно меньшую твердость, так как не образуют особых нитридов. Поэтому углеродистые стали азотируют только против коррозии. Процесс азотирования длится 24-60 часов при 500-520°С. Продолжительность процесса можно сократить за счет двухстадийного азотирования. Вначале поддерживают температуру 500-520°С, процесс завершается при температуре 560-600°С. С повышением температуры диффузия ускоряется, а время образования слоя нужной толщины сокращается без снижения твердости. Ионное азотирование используется для сокращения времени азотирования в 2-3 раза. При этом в разбавленной атмосфере, содержащей азот (MN3 или N2), заготовку соединяют с отрицательным электродом - катодом. Контейнер устройства действует как анод. Между деталью и контейнером образуется искровой разряд, в котором ионы газа бомбардируют поверхность детали. Продолжительность ионизирующего азотирования составляет от 1 до 24 часов.

Азотирование в жидкой среде проводят при 540-590°С в разбавленных цианистых солях в течение 0,5-3 ч. При толщине слоя азота 0,15-0,5 мм на поверхности образуется тонкий (7-15 мкм) карбонитридный слой; стойкость к истиранию этого слоя чрезвычайно высока

...