Файл: Кондратьев, Е. Т. Термическая обработка в ремонтном деле.pdf

углерода в структуре получается только перлит,

углерода.

Линия PQ указывает на изменение раствори­ мости углерода в a -железе в зависимости от тем­ пературы. При комнатной температуре в феррите содержится 0,006% углерода, а при 727°С —

0,025%.

В точке С сплав, содержащий 4,3% углерода, при температуре 1147°С переходит в твердое кристаллическое состояние. Эту точку и сплав такого состояния называют эвтектическим.

Таким образом, чугун, содержащий 4,3% уг­ лерода, называют эвтектическим, содержащий ме­ нее 4,3% углерода — доэвтектическим и содержа­ щий более 4,3% углерода — заэвтектическим.

Все структурные составляющие, полученные при температуре 727°С (на линии PSK), сохраня­ ются при комнатной температуре и их Можно на­ блюдать иод микроскопом в обычных условиях.

Описанные изменения структуры сплавов при нагревании обратимы.

Температуры, при которых начинается или за-

84

канчнвается процесс фазовых превращений в ме­ талле или металлическом сплаве, называют кри­ тическими точками.

Рассмотрим «стальной» участок диаграммы со­ стояния железоуглеродистых сплавов.

При температуре 727°С перлит превращается в аустенит при нагреве. Такую температуру называ­ ют нижней критической точкой и обозначают симполом Леи Буква с указывает на то, что темпе­ ратура остановки получается при нагреве стали, а единица подтверждает образование нижней кри­ тической точки па линии PSK- Охлаждение стали отмечают буквой г (Агх). При дальнейшем нагре­ ве зерна феррита (в доэвтектоидных сплавах) растворяются в аустените. Растворение заканчи­ вается на линии GS. Температуру окончания ра­ створения феррита в аустените называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве Асз, при охлаждении — Аг3.

Если нагревать эвтектоидный сплав, то перлит в точке S при 727°С превращается в аустенит. Критические точки Асі и Ас3 при этом совпадают.

85

зо—углерод критические точки, образующие линию PSK, обозначаются Ас\ (при нагреве) и Л/у, (при охлаждении), линия GS — Лс3 и Ar3, линия SE —

Аст и Arm, линия ОМ—Лс2 л Лг2 (точка Кюри феррита), линия NJE — Лс4 и Ап.

Знание критических точек значительно облегча­ ет изучение процессов термической обработки ста­ ли. Положение критических точек зависит от хи­ мического состава стали. Для каждой марки при­ сущи определенные критические точки. Значение критических точек для некоторых марок стали приведены в приложении 1.

2.Классификация видов термической обработки

Несмотря на то, что наука о термической об­ работке металлов и сплавов существует давно, классификация и терминология до сих пор мало изучены и недостаточно упорядочены.

Одними из первых в этой области были рабо­ ты А. А. Бочвара и И. И. Сидорина. Определенный вклад в упорядочение терминологии и классифи­ кации термической обработки внес А. А. Шмыков.

В настоящее, время классификация видов тер­ мической обработки по А. А. Бочвару признана универсальной и может быть распространена

86

грева. Эти процессы объединяются под общим на­ званием рекристаллпзационпого отжига или отжи­ га первого рода.

Процессы второй группы связаны с наличием фазовых превращений в твердом состоянии и за­ ключаются в нагреве выше критических точек с последующим очень медленным охлаждением для получения структуры, максимально приближен­ ной к равновесному состоянию. При этом наблю­ даются, как и в процессах первой группы, пре­ дельное смягчение (понижение прочности и повы­ шение пластичности) сплавов. Процессы второй группы называются отжигом второго рода пли фазовой перекристаллизацией.

В третью группу объединены процессы, свя­ занные с резким охлаждением после нагрева вы­ ше критических точек (область получения одно­ родного твердого раствора), т. е. процессы закалки. В результате быстрого охлаждения при ком­ натной температуре сохраняется строение высоко­ температурного твердого раствора (истинная за­

87

калка наблюдается у специальных аустенитных сталей и сплавов на основе никеля, алюминия и некоторых других металлов). В случае закалки стали н некоторых других сплавов (на основе меди, титана и т. п.) при быстром охлаждении получаются неравновесные структуры мартенсит­ ного типа, т. е. закалка сопровождается фазовым превращением.

Виды термической обработки четвертой груп­ пы связаны с нагревом предварительно закален­ ного сплава, их целью является уменьшение сте­ пени неравновесное™. Нагрев после закалки ведет к отпуску (случай закаленной стали). Нагрев пос­ ле истинной закалки вызывает старение (случай никелевых, алюминиевых, магниевых и некоторых других сплавов).

К ня той группе видов термической обработки относятся процессы диффузионного насыщения поверхностного слоя изделий различными элемен­ тами — так называемая химико-термическая об­ работка.

В основу классификации по А. Л. Вочвару по­ ложен принцип подобия фазовых или структур­ ных превращений для каждой группы видов тер­

8 8

разупрочнение при отпуске сдали и, напротив, пре­ дельное упрочнение при старении.

3.Характеристика основных операций

Термической обработкой называется совокуп­ ность операций нагрева, выдержки и охлаждения стали с целью изменения ее структуры, твердости, износостойкости, прочности или других свойств. Основные виды термической обработки стали: от­ жиг, нормализация, закалка, отпуск, термическое улучшение, старение, обработка холодом и хими­ ко-термическая обработка.

Отжигом называется процесс термической об­ работки,, включающий нагрев изделий до задан­ ной температуры, выдержку при этой температу­ ре и последующее медленное охлаждение. Отжиг применяется для устранения внутренних напря­ жений, наклепа, улучшения механических свойств, обрабатываемости при резании, с целью подготов­ ки структуры для последующей термической об­ работки.

Температура отжига обычно определяется по специальным приборам (например, по термопаре с гальванометром, оптическому пирометру) если же их нет, можно определить температуру по цветам каления.

В зависимости от условий нагрева различают

89

отжиг полным и неполный. При полном — изде­ лия нагреваются до температуры, при которой по­ лучается однородный аустенит (рис. 2). При не­ полном — до температуры, превышающей только нижнюю критическую точку Ас\.

Если отжиг производится с целью снятия на­ клепа (рекристаллизационный отжиг), сталь не обязательно нагревать выше критической точки. Наклеп снимают при температуре 600—650°С. Ча­ сто, чтобы ускорить процесс, изделие нагревают до более высокой температуры.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) приме­ няют для слитков легированной стали и крупных фасонных отливок с целью уменьшения ликвации и устранения химической неоднородности в пре­ делах отдельных кристаллов. Нагрев при диффу­ зионном отжиге должен быть высоким — до 1100—1200°С, так как лишь в этом случае более полно протекают диффузионные процессы. Нагрев проводят с большой скоростью, а продолжитель­ ность выдержки устанавливают минимальную 8—16 часов, в зависимости от состава стали и веса садки. Далее охлаждают в печи 6 — 8 часов до 800—850°С, а затем на воздухе. После гомо­ генизации выполняют полный отжиг (или норма­ лизацию для исправления структуры).

Нормализация — процесс термической обработ­ ки, заключающийся в нагреве стали на 30—50°С выше верхней критической точки Лс.і, выдержке

90

для выравнивания температуры и охлаждении па спокойном воздухе.

Нормализация применяется для повышения ме­ ханических свойств стали и подготовки ее струк­ туры к последующей термической обработке.

Закалка заключается в нагреве изделий до температуры, когда получается структура аусте­ нита, выдержке при этой температуре и резком охлаждении в воде, масле или какой-либо другой закалочной среде, в зависимости от химического состава, объема и конфигурации закаливаемых из­ делий. Закалка применяется для получения высо­ кой твердости или определенных физико-механи­ ческих свойств.

Различают следующие виды закалки: полная и неполнця, изотермическая и ступенчатая, с самоотпуском, светлая, поверхностная.

Полная закалка производится нагревом дета­ лей до температуры на 30—50°С выше верхней критической точки Лс3 (см. рис. 2 ), выдержкой при этой температуре и последующим охлаждени­ ем со скоростью, обеспечивающей превращение аустенита в мартенсит.

При неполной закалке детали нагревают до температуры, превышающей только нижнюю кри­ тическую точку Ас\. Она применяется для заэвтектоидных сталей, в которых после закалки по­ лучается мартенсит и оставшиеся от исходной структуры частицы цементита.

91

Изотермическая закалка производится так: де­ тали, нагретые на 30—50°С выше верхней крити­ ческой точки, охлаждаются в расплавленных со­ лях с заданной температурой (250—50О°С). Рас­ пад аустенита протекает при постоянной температуре; при этом получается структура троостита или сорбита.

Ступенчатая закалка состоит в том, что охлаж­ дение производится в солях, нагретых до задан­ ной температуры, а выдержка при температуре ванны дается лишь для выравнивания температу­ ры по сечению изделия. Структурных превраще­ ний при выдержке не происходит. Дальнейшее охлаждение ведется ускоренно, с целью получе­ ния структуры мартенсита.

При закалке с самоотпуском нагретые сталь­ ные детали охлаждают в воде или масле в тече­ ние времени, достаточного для завершения про­ цесса закалки (получения в поверхностных слоях структуры мартенсита). Затем охлаждение пре­ кращают, и за счет тепла, сохранившегося во вну­ тренних слоях детали, происходит вторичный нагрев наружного закаленного слоя.

Светлая закалка производится нагревом дета­ лей в контролируемой атмосфере и охлаждением в масле или расплавленной щелочи для.защиты от обезуглероживания и окисления поверхности детали.

Поверхностная закалка осуществляется быст-.

92

рым нагревом поверхности детали выше верхней критической точки и последующим охлаждением в соответствующей закалочной среде. Нагрев мо­ жет производиться контактным или индукционным методами, в электролите, газовыми горелками и другими способами.

Контактный электронагрев по методу профес­ сора Гевелипга осуществляется за счет тепла, выделяющегося в месте контакта электрода с по­ верхностью нагреваемой детали. Электродом при нагреве служат перемещающиеся по поверхности изделия медные ролики. Закаливаемая поверх­ ность охлаждается движущимся вслед за ролика­ ми душем.

Нагрев детали в электролите происходит, ког­ да через нее пропускают постоянный электриче­ ский ток. В качестве электролита применяется 10-процентный водный раствор поваренной соли, кальцинированной соды или поташа. На поверх­ ности детали образуется тонкая газовая рубашка, которая нарушает электрический контакт и спо­ собствует нагреву поверхности детали. Напряже­ ние тока — 180—200 вольт; температура электро­ лита 40—50°С. После нагрева до нужной темпе­ ратуры ток отключают и охлаждают деталь в электролите.

Наиболее прогрессивной является поверхност­ ная закалка с нагревом токами высокой частоты

(TßVj.

93