Лекция 18. Технология термической обработки стали

Цели лекции:

1 Учебные:

– изучить особенности, виды и назначение операции отжиг

– изучить режимы закалки и виды отпуска

2 Воспитательные:

– воспитание умений умственной деятельности;

– воспитание сознательного отношения к учебным обязанностям.

3 Развивающие:

– развитие памяти;

– развитие внимания;

– развитие мышления.

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакаты:

1 Схема полного отжига доэвтектоидной стали

2 Идеальная кривая охлаждения при закалке

3 Кривые охлаждения для различных способов закалки

 

Литература, использованная при подготовке к лекции:

Гуляев А.П. Металловедение: Учеб. для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986.

Лахтин Ю.М. Материаловедение и термическая обработка металлов: Учеб. для вузов. – М.: Металлургия, 1983.

Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов высш. учеб. заведений, обучающихся по машиностр. специальностям / Под ред. Фетисова Г.П., Карпмана М.Г. и др. – М.: Высш. шк., 2000.

Металловедение и термическая обработка стали: Справ. Изд. – 3-е изд. перераб. и доп. / Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. – М.: Металлургия, 1983.

Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. – 3-е изд., перераб и доп. – М.: Металлургия, 1978.

Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение: Учеб. для втузов. – М.: Металлургия, 1989.

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1 Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности слушателей к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие (время 3-5-мин)

2 Вступление (5 мин)

Вопросы лекции:

1 Выбор температуры и времени нагрева (15 мин)

2 Особенности, виды и назначение операции отжиг (20 мин)

3 Выбор режимов закалки и параметры контроля (20 мин)

4 Классификация видов отпуска (15 мин)

 

ВСТУПЛЕНИЕ

Упрочнению термической обработкой подвергаются до 8–10% общей выплавки стали в стране. В машиностроении объем термического передела составляет до 40% стали, потребляемой этой отраслью. Номенклатура упрочняемых деталей велика – от деталей приборов, разнообразных деталей машин до крупных элементов металлургического, транспортного, энергетического оборудования.

Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливкам, поковкам, прокату и т д.) и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

 

Вопрос №1. Выбор температуры и времени нагрева

Температура закалки для сталей большинства марок определяется положением критических точек А₁ и А₃.

Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме железо – углерод (рис. 1). Обычно для доэвтектоидной стали она должна быть на 30 – 50°С выше Ас₃, а для эаэвтектоидной стали – на З0 – 50°С выше Ас_1.

При закалке доэвтектоидной стали с температуры выше Ас₁, но ниже Ас₃ в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной и, как правило, ее не применяют.

Для заэвтектоидных сталей оптимальная температура закалки, наоборот, лежит в интервале между Ас₁ и Ас₃ и теоретически является неполной.

Рисунок 1 – Оптимальный интервал закалочных температур
углеродистой стали

Наличие в структуре закаленной стали избыточного цементита полезно во многих отношениях. Например, включения избыточного цементита повышает износоустойчивость стали. Нагрев же выше Ас₃ опасен и не нужен, так как он не повышает твердости, наоборот, твердость даже несколько падает вследствие растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита; при таком нагреве растет зерно аустенита, увеличивается возможность возникновения больших закалочных напряжений, интенсивнее обезуглероживается сталь с поверхности и т. д.

Таким образом, оптимальной является закалка доэвтектоидной стали от температуры на 30 – 50°С выше Ас₃, а для заэвтектоидной стали на 30 – 50°С выше Ас₁.

Повышение температуры закалки выше этих температур и вызванный этим рост зерна аустенита обнаруживаются в первую очередь в получении более грубой и крупноигольчатой структуры мартенсита, или грубого крупнокристаллического излома. Следствием такого строения является низкая вязкость.

Общее время нагрева складывается из времени нагрева до заданной температуры (τ_н) и времени выдержки при этой температуре (τ_в):

Величина τ_н зависит от нагревающей способности среды, от размеров и формы деталей, от их укладки в печи; τ_в зависит от скорости фазовых превращений, которая определяется степенью перенагрева выше критической точки и дисперсностью исходной структуры.

Время нагрева зависит от многих факторов и на практике колеблется от 1 – 2 мин (нагрев мелких деталей в соли) до многих часов (нагрев крупных деталей тяжелого машиностроения в печи).

Точно установить время нагрева можно лишь опытным путем для данной детали в данных конкретных условиях, а приближенно – можно подсчитать. Имеется несколько приближенных способов расчета времени нагрева.

 

Вопрос №2. Особенности, виды и назначение операции отжиг

Основными видами ТО стали, определяющими их структуру и свойства, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг – процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до определенной температуры и последующее, как правило, медленное охлаждение с печью с целью получения более равновесной структуры.

Отжиг I рода – характерная особенность этого отжига состоит в том, что устранение неоднородности происходит независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения или нет, поэтому отжиг I рода можно производить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений. К этому типу отжига относятся:

– гомогенизационный отжиг – применяют для слитков легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали обрабатываемой давлением, к хрупкому разрушению, к анизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальных пятен); нагрев слитков до 1100-1200⁰С, выдержка при этой температуре 8-15 часов, медленное охлаждение с печью до 200⁰С; процесс продолжается около 80 – 100 часов;

– рекристаллизационных отжиг – нагрев холоднодеформированной стали выше температур начала рекристаллизации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением; цель – устранить наклеп после деформации, привести структуру в равновесное состояние перед следующим этапом холодного деформирования;

– высокий отпуск – проводят для уменьшения твердости, нагрев до температуры ниже точки А₁ (650-700⁰С) в течение 3-15 часов и медленное охлаждение; структура стали – феррит и зернистый или пластинчатый перлит; применяют для улучшения обработки резанием (структурно свободный феррит налипает на кромки режущего инструмента);

– отжиг для снятия остаточных напряжений – применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и др., проводят при температуре 160-700⁰С с последующим медленным охлаждением; цель – снятие остаточных напряжений, возникших в результате неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т.п. после сварки, обработки резанием и т.д.

Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация) – нагрев стали до температур выше точек А_С1 или А_С3, выдержке и медленном охлаждении. При этом протекают фазовые α→γ превращения, определяющие структуру и свойства стали. Различают следующие виды отжига:

Полный отжиг – нагрев доэвтектоидной стали на 30-50⁰С выше температуры А_С3, выдержке при этой температуре до полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении (рис.2). при этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали.

Рисунок 2 – Схема полного отжига доэвтектоидной стали

Изотермический отжиг – состоит обычно в нагреве легированной стали, как и для полного отжига, и в сравнительно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки А₁ (обычно 660-680⁰С). При этой температуре проводят изотермическую выдержку 3-6 часов для полного распада аустенита, затем – охлаждение на воздухе (рис.3)

Изотермическому отжигу чаще подвергают поковки, штамповые заготовки, сортовой прокат из легированной цементуемой стали небольших размеров.

Патентирование – применяют для пружинной (канатной) проволоки, после изотермического отжига и полной аустенизации пропускают через расплавленную соль температуроц 450-550⁰С; в результате распада аустенита образуется тонкопластинчатый троостит или сорбит, на такой структуре возможны большие обжатия без обрывов при холодном волочении и прочность σ_в =2000-2250 Мпа.

Рисунок 3 – Схема изотермического отжига: