Файл: Учебное пособие Пермь, 2011 удк 621. 791 Рецензенты др техн наук, проф. Ю. Д. Щицын.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.05.2024
Просмотров: 84
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
2) связывают закись железа (FeO) в силикаты (FeOSiO2) и удаляются вместе со шлаками.
4. Термическая обработка стали
4.1. Основы термической обработки стали
Термическая обработка заключается в нагреве изделий и заготовок до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью с целью изменения структуры и свойств стали. Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск и старение.
Основой для выбора видов и режимов термической обработки сталей является часть диаграммы FeFe3C с содержанием углерода до 2,14 % и расположенная ниже линии солидус (рис. 15).
На диаграмме FeFe3C различают линии, соответствующие температурным интервалам, критическими точками: линия GS (910…727 С) точка А3; линия PSK (727 C) точка А1; линия SE (1147…727 С) точка Аm.
4.2. Отжиг сталей, виды отжига
Отжиг заключается в нагреве стали выше критических температур (точек Ас1 или Ас3), выдержке при данной температуре и медленном охлаждении (обычно вместе с печью).
Цель отжига устранить внутренние напряжения, измельчить зерно, придать стали пластичность перед последующей обработкой и привести структуру в равновесное состояние
Д
иффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют для устранения дендритной ликвации в стальных слитках и отливках, для повышения пластичности и вязкости легированных сталей, что достигается за счет более благоприятного распределения избыточных карбидов в результате их частичного растворения и коагуляции. Схема технологического процесса включает нагрев до температуры примерно 1100 С, длительную выдержку (в течение 8…20 ч) и медленное охлаждение. Однако из-за высоких температур гомогенизации происходит рост зерна стали, поэтому требуется дополнительно проводить полный отжиг или нормализацию.
Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа и повышения пластичности холоднодеформированной стали. Процесс включает нагрев до температур, превышающих порог рекристаллизации (650…760 С), выдержку в течение 0,5…1,5 ч и последующее медленное охлаждение. После такого отжига вытянутые в результате деформации зерна феррита становятся равноосными, а также происходит коагуляция и сфероидизация частиц цементита, в результате повышается пластичность сталей.
Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для стальных изделий после литья, сварки или механической обработки. Остаточные напряжения возникают из-за неравномерного охлаждения, неоднородности пластической деформации. Процесс включает нагрев до 160…700 С, выдержку в течение 2…3 ч и последующее медленное охлаждение. Выбор температуры зависит от вида предшествующей обработки: после резания при 570…600 С, сварки 650…700, шлифования 160…180 С.
Для получения равновесной структуры с целью снижения твердости, повышения пластичности и вязкости стали, улучшения обрабатываемости, измельчения зерен отжиг проводят при температурах выше точек Ас3 или Ас1 и подразделяют на полный, неполный и изотермический.
Полный отжиг применяют для перекристаллизации всей структуры доэвтектоидной стали с целью измельчения зерна ферритной и перлитной составляющих и снятия остаточных напряжений. Сталь нагревают на 30…50 С выше точки Ас3, выдерживают при этой температуре и медленно охлаждают вместе с печью. Образовавшийся в процессе мелкозернистый аустенит обеспечит стали высокую вязкость и пластичность.
Неполный отжиг применяется для улучшения обрабатываемости резанием и получения зернистого перлита в структуре заэвтектоидных сталей. Он включает нагрев на 30…50 С выше точки Ас1, но ниже точки Ас3, выдержку и последующее медленное охлаждение.
Изотермический отжиг применяется для измельчения зерна, снижения твердости и снятия внутренних напряжений. При этом в 2…3 раза сокращается длительность технологического процесса, что особенно важно при отжиге больших поковок из легированных сталей. Схема технологического процесса включает нагрев деталей до температуры выше точки Ас3 на 20…30 С, выдержку и последующее сравнительно быстрое охлаждение до температур 680…620 С (ниже температуры точки
Аr1 на 50…100 С) и выдержку при этой температуре до полного распада аустенита, после чего детали охлаждают на воздухе.
Изотермический отжиг приводит к получению более однородной феррито-перлитной структуры, так как температура по сечению изделия выравнивается и превращение по всему объему детали происходит при одинаковой степени переохлаждения. Поэтому изотермический отжиг применяется часто, особенно для легированных сталей.
4.3. Нормализация сталей
Нормализацией стали называется нагрев доэвтектоидной стали выше точки Ас3, эвтектоидной стали выше точки Ас1, заэвтектоидной стали выше точки Асm на 30…50 С, выдержка и последующее охлаждение на воздухе.
После нормализации углеродистые стали имеют ту же структуру, что и после отжига, но перлит будет более дисперсным (тоньше пластинки ферритоцементитной смеси).
Цель нормализации доэвтектоидных и эвтектоидных сталей та же, что и полного отжига. Однако после нормализации твердость и прочность стали будет выше, чем при отжиге. Нормализация применяется для устранения крупнозернистой структуры, выравнивания механических свойств. В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет цементитную сетку.
4.4. Закалка сталей
Закалка является основным видом упрочняющей термической обработки сталей.
Закалка процесс нагрева стали выше точки Ас3 (полная закалка) или Ас1 (неполная) на 30…50 С с последующим быстрым охлаждением. Цель закалки получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств. Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании углерода менее 0,2 % сталь практически не закаливается.
Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке (Ас3 + 30…50 С), при этом обеспечивается полное превращение феррито-перлитной структуры в структуру мелкозернистого аустенита, а после охлаждения мелкокристаллического мартенсита. Неполная закалка с межкритических температур приводит к сохранению в структуре закаленной стали кристаллов доэвтектоидного феррита низкой твердости. Твердость стали после закалки будет неоднородна и существенно понижена, поэтому неполная закалка доэвтектоидных сталей применяется редко.
При нагреве заэвтектоидных сталей на 30…50 С выше температуры точки Ас1 перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной. Ее закалка приведет к превращению аустенита в мартенсит, зерна которого окаймлены частицами нерастворенного цементита. Такая сталь обладает повышенной твердостью и износостойкостью. Закалка заэвтектоидных сталей от температур выше
Аст снижает твердость стали из-за увеличения количества остаточного аустенита и, самое главное, модет вызвать перегрев. Поэтому для заэвтектоидных сталей обычно применяется неполная закалка.
Скорость нагрева и время выдержки деталей зависят от размеров, массы деталей, их конфигурации, химического состава материала деталей, от типа нагревательных печей и нагревательных сред.
При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для увеличения охлаждающей способности применяют также масла, расплавленные соли и металлы.
Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием аллотропических превращений в твердом состоянии. Охлаждая аустенит с различными скоростями и вызывая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам.
Под критической скоростью закалки Vкр понимают минимальную скорость охлаждения, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Это позволяет получить неравновесную структуру с высокой твердостью 600 НВ, износостойкостью и прочностью, но низкой ударной вязкостью.
Малая скорость охлаждения V1 < Vкр приводит к образованию грубой смеси феррита и цементита, перлита с твердостью 10 HRC. Чем больше скорость охлаждения, тем более мелкодисперсная образующаяся феррито-цементитная смесь.
Сорбит (первая закалочная структура), получающийся при скорости охлаждения стали V2 > V1 представляет собой смесь феррита и цементита; он отличается от перлита более тонкодисперсным строением, твердость сорбита 20 HRC. Стали с сорбитной структурой износостойкие и используются для изготовления нагруженных изделий.
Троостит (вторая закалочная структура) получается при скорости охлаждения V3 > V2 в результате распада переохлажденного аустенита при 500…550 С, обладает значительной упругостью; представляет собой тонкодисперсную смесь феррита и цементита. Твердость троостита составляет 30 HRC.
Сталь со структурой троостита отличается высокими значениями прочности и упругости. Ее используют, главным образом, для изготовления пружин и рессор.
Превращение аустенита в мартенсит происходит при очень быстром охлаждении (Vкр). При этом мртенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Мартенсит твердая и хрупкая структура; твердость его 62…66 HRC.
4.5. Отпуск стали. Виды отпуска
Отпуску подвергают закаленную сталь с целью повышения ее ударной вязкости и пластичности, уменьшения твердости и внутренних напряжений. Для отпуска сталь нагревают до температуры ниже точки Ас1 (линия PSK) и затем охлаждают обычно на воздухе.
В зависимости от температуры нагрева различают отпуск низко-, средне- и высокотемпературный.
Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150…200 С. При низком отпуске несколько снижаются внутренние напряжения. Твердость остается высокой (58…62 HRC). Структура стали после низкого отпуска состоит из мартенсита отпуска. Этот вид отпуска применяется, в основном, для режущих и измерительных инструментов, для изделий, подвергаемых поверхностной закалке, цементации, нитроцементации. Низкий отпуск рекомендуется для деталей из малоуглеродистых легированных сталей, так как малоуглеродистый мартенсит отпуска имеет высокий комплекс механических свойств.
Основное превращение при отпуске распад мартенсита, т.е. выделение углерода из пересыщенного твердого раствора в виде мельчайших кристалликов карбида железа.
Распад мартенсита завершается при температуре около 400 С, образовавшуюся ферритоцементитную высокодисперсную механическую смесь называют трооститом отпуска. При более высокой температуре нагрева происходит коагуляция кристаллов карбида железа, дисперсность ферритоцементитной смеси снижается и при температуре 500…650 С образуется сорбит отпуска. Помимо описанных превращений в интервале температур 200… 300 С происходит распад остаточного аустенита с образованием отпущенного мартенсита.
В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.
Низкий отпуск производится при 120…150 С (отпуск на отпущенный мартенсит). Его применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий, а также после поверхностной закалки. При низком отпуске уменьшаются остаточные закалочные напряжения, твердость практически не снижается.
Средний отпуск (отпуск на троостит) происходит при нагреве до температур 350…450 С. При этом снижается твердость. Средний отпуск рекомендуется для пружин и рессор.
Высокий отпуск (отпуск на сорбит) производится при температуре 500…650 С. Применяют в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластичности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением. Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0,35…0,6 % С).
4. Термическая обработка стали
4.1. Основы термической обработки стали
Термическая обработка заключается в нагреве изделий и заготовок до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью с целью изменения структуры и свойств стали. Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск и старение.
Основой для выбора видов и режимов термической обработки сталей является часть диаграммы FeFe3C с содержанием углерода до 2,14 % и расположенная ниже линии солидус (рис. 15).
На диаграмме FeFe3C различают линии, соответствующие температурным интервалам, критическими точками: линия GS (910…727 С) точка А3; линия PSK (727 C) точка А1; линия SE (1147…727 С) точка Аm.
4.2. Отжиг сталей, виды отжига
Отжиг заключается в нагреве стали выше критических температур (точек Ас1 или Ас3), выдержке при данной температуре и медленном охлаждении (обычно вместе с печью).
Цель отжига устранить внутренние напряжения, измельчить зерно, придать стали пластичность перед последующей обработкой и привести структуру в равновесное состояние
Д
иффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют для устранения дендритной ликвации в стальных слитках и отливках, для повышения пластичности и вязкости легированных сталей, что достигается за счет более благоприятного распределения избыточных карбидов в результате их частичного растворения и коагуляции. Схема технологического процесса включает нагрев до температуры примерно 1100 С, длительную выдержку (в течение 8…20 ч) и медленное охлаждение. Однако из-за высоких температур гомогенизации происходит рост зерна стали, поэтому требуется дополнительно проводить полный отжиг или нормализацию.
Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа и повышения пластичности холоднодеформированной стали. Процесс включает нагрев до температур, превышающих порог рекристаллизации (650…760 С), выдержку в течение 0,5…1,5 ч и последующее медленное охлаждение. После такого отжига вытянутые в результате деформации зерна феррита становятся равноосными, а также происходит коагуляция и сфероидизация частиц цементита, в результате повышается пластичность сталей.
Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для стальных изделий после литья, сварки или механической обработки. Остаточные напряжения возникают из-за неравномерного охлаждения, неоднородности пластической деформации. Процесс включает нагрев до 160…700 С, выдержку в течение 2…3 ч и последующее медленное охлаждение. Выбор температуры зависит от вида предшествующей обработки: после резания при 570…600 С, сварки 650…700, шлифования 160…180 С.
Для получения равновесной структуры с целью снижения твердости, повышения пластичности и вязкости стали, улучшения обрабатываемости, измельчения зерен отжиг проводят при температурах выше точек Ас3 или Ас1 и подразделяют на полный, неполный и изотермический.
Полный отжиг применяют для перекристаллизации всей структуры доэвтектоидной стали с целью измельчения зерна ферритной и перлитной составляющих и снятия остаточных напряжений. Сталь нагревают на 30…50 С выше точки Ас3, выдерживают при этой температуре и медленно охлаждают вместе с печью. Образовавшийся в процессе мелкозернистый аустенит обеспечит стали высокую вязкость и пластичность.
Неполный отжиг применяется для улучшения обрабатываемости резанием и получения зернистого перлита в структуре заэвтектоидных сталей. Он включает нагрев на 30…50 С выше точки Ас1, но ниже точки Ас3, выдержку и последующее медленное охлаждение.
Изотермический отжиг применяется для измельчения зерна, снижения твердости и снятия внутренних напряжений. При этом в 2…3 раза сокращается длительность технологического процесса, что особенно важно при отжиге больших поковок из легированных сталей. Схема технологического процесса включает нагрев деталей до температуры выше точки Ас3 на 20…30 С, выдержку и последующее сравнительно быстрое охлаждение до температур 680…620 С (ниже температуры точки
Аr1 на 50…100 С) и выдержку при этой температуре до полного распада аустенита, после чего детали охлаждают на воздухе.
Изотермический отжиг приводит к получению более однородной феррито-перлитной структуры, так как температура по сечению изделия выравнивается и превращение по всему объему детали происходит при одинаковой степени переохлаждения. Поэтому изотермический отжиг применяется часто, особенно для легированных сталей.
4.3. Нормализация сталей
Нормализацией стали называется нагрев доэвтектоидной стали выше точки Ас3, эвтектоидной стали выше точки Ас1, заэвтектоидной стали выше точки Асm на 30…50 С, выдержка и последующее охлаждение на воздухе.
После нормализации углеродистые стали имеют ту же структуру, что и после отжига, но перлит будет более дисперсным (тоньше пластинки ферритоцементитной смеси).
Цель нормализации доэвтектоидных и эвтектоидных сталей та же, что и полного отжига. Однако после нормализации твердость и прочность стали будет выше, чем при отжиге. Нормализация применяется для устранения крупнозернистой структуры, выравнивания механических свойств. В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет цементитную сетку.
4.4. Закалка сталей
Закалка является основным видом упрочняющей термической обработки сталей.
Закалка процесс нагрева стали выше точки Ас3 (полная закалка) или Ас1 (неполная) на 30…50 С с последующим быстрым охлаждением. Цель закалки получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств. Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании углерода менее 0,2 % сталь практически не закаливается.
Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке (Ас3 + 30…50 С), при этом обеспечивается полное превращение феррито-перлитной структуры в структуру мелкозернистого аустенита, а после охлаждения мелкокристаллического мартенсита. Неполная закалка с межкритических температур приводит к сохранению в структуре закаленной стали кристаллов доэвтектоидного феррита низкой твердости. Твердость стали после закалки будет неоднородна и существенно понижена, поэтому неполная закалка доэвтектоидных сталей применяется редко.
При нагреве заэвтектоидных сталей на 30…50 С выше температуры точки Ас1 перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной. Ее закалка приведет к превращению аустенита в мартенсит, зерна которого окаймлены частицами нерастворенного цементита. Такая сталь обладает повышенной твердостью и износостойкостью. Закалка заэвтектоидных сталей от температур выше
Аст снижает твердость стали из-за увеличения количества остаточного аустенита и, самое главное, модет вызвать перегрев. Поэтому для заэвтектоидных сталей обычно применяется неполная закалка.
Скорость нагрева и время выдержки деталей зависят от размеров, массы деталей, их конфигурации, химического состава материала деталей, от типа нагревательных печей и нагревательных сред.
При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для увеличения охлаждающей способности применяют также масла, расплавленные соли и металлы.
Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием аллотропических превращений в твердом состоянии. Охлаждая аустенит с различными скоростями и вызывая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам.
Под критической скоростью закалки Vкр понимают минимальную скорость охлаждения, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Это позволяет получить неравновесную структуру с высокой твердостью 600 НВ, износостойкостью и прочностью, но низкой ударной вязкостью.
Малая скорость охлаждения V1 < Vкр приводит к образованию грубой смеси феррита и цементита, перлита с твердостью 10 HRC. Чем больше скорость охлаждения, тем более мелкодисперсная образующаяся феррито-цементитная смесь.
Сорбит (первая закалочная структура), получающийся при скорости охлаждения стали V2 > V1 представляет собой смесь феррита и цементита; он отличается от перлита более тонкодисперсным строением, твердость сорбита 20 HRC. Стали с сорбитной структурой износостойкие и используются для изготовления нагруженных изделий.
Троостит (вторая закалочная структура) получается при скорости охлаждения V3 > V2 в результате распада переохлажденного аустенита при 500…550 С, обладает значительной упругостью; представляет собой тонкодисперсную смесь феррита и цементита. Твердость троостита составляет 30 HRC.
Сталь со структурой троостита отличается высокими значениями прочности и упругости. Ее используют, главным образом, для изготовления пружин и рессор.
Превращение аустенита в мартенсит происходит при очень быстром охлаждении (Vкр). При этом мртенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Мартенсит твердая и хрупкая структура; твердость его 62…66 HRC.
4.5. Отпуск стали. Виды отпуска
Отпуску подвергают закаленную сталь с целью повышения ее ударной вязкости и пластичности, уменьшения твердости и внутренних напряжений. Для отпуска сталь нагревают до температуры ниже точки Ас1 (линия PSK) и затем охлаждают обычно на воздухе.
В зависимости от температуры нагрева различают отпуск низко-, средне- и высокотемпературный.
Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150…200 С. При низком отпуске несколько снижаются внутренние напряжения. Твердость остается высокой (58…62 HRC). Структура стали после низкого отпуска состоит из мартенсита отпуска. Этот вид отпуска применяется, в основном, для режущих и измерительных инструментов, для изделий, подвергаемых поверхностной закалке, цементации, нитроцементации. Низкий отпуск рекомендуется для деталей из малоуглеродистых легированных сталей, так как малоуглеродистый мартенсит отпуска имеет высокий комплекс механических свойств.
Основное превращение при отпуске распад мартенсита, т.е. выделение углерода из пересыщенного твердого раствора в виде мельчайших кристалликов карбида железа.
Распад мартенсита завершается при температуре около 400 С, образовавшуюся ферритоцементитную высокодисперсную механическую смесь называют трооститом отпуска. При более высокой температуре нагрева происходит коагуляция кристаллов карбида железа, дисперсность ферритоцементитной смеси снижается и при температуре 500…650 С образуется сорбит отпуска. Помимо описанных превращений в интервале температур 200… 300 С происходит распад остаточного аустенита с образованием отпущенного мартенсита.
В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.
Низкий отпуск производится при 120…150 С (отпуск на отпущенный мартенсит). Его применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий, а также после поверхностной закалки. При низком отпуске уменьшаются остаточные закалочные напряжения, твердость практически не снижается.
Средний отпуск (отпуск на троостит) происходит при нагреве до температур 350…450 С. При этом снижается твердость. Средний отпуск рекомендуется для пружин и рессор.
Высокий отпуск (отпуск на сорбит) производится при температуре 500…650 С. Применяют в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластичности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением. Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0,35…0,6 % С).
