А – график отжига; б – изотермическая диаграмма с кривой охлаждения при изотермическом отжиге

Неполный отжиг – сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше А₁). Для доэвтектоидных сталей такой отжиг улучшает обрабатываемость резанием. Для заэвтектоидных и легированных сталей такой отжиг называется сфероидизацией, поскольку приводит к образованию зернистого (сфероидального) перлита вместо пластинчатой. Температуры сфероидизации для заэвтектоидных углеродитсых сталей 770-790⁰С, для эвтектоидных – 750-760⁰С, для легированных заэвтектоидных – 770-820⁰С. Охлаждение при сфероидизации медленное.

Сфероидизации подвергают тонкие листы и прутки из низко- и среднеуглеродистой стали перед холодной штамповкой или волочением для повышения пластичности. Кроме того, для улучшения обработки резанием: повышения соростей резания и достижения наилучшей чистоты поверхности.

Нормализация – нагрев доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку А_С3 на 40-50⁰С, заэвтектоидной стали – выше точки А_СТ на 40-50⁰С, непродолжительная выдержка при этой температуре для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждение на воздухе. Происходит полная фазовая перерекристаллизация стали, устраняется крупнозернистая структура после литья или прокатки, ковки, штамповки. Охлаждение на воздухе (можно считать его ускоренным) приводит к распаду аустенита при более низких температурах с образованием дисперсной ферритно-цементитной структуры.

Вопрос №3. Выбор режимов закалки и параметры контроля

Закалка – нагрев стали до температуры выше критической (А₃ для доэвтектической и А₁ для заэвтектической) или до температцры растворения избыточных фаз, выдержка при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью выше критической. Закалка не является окончательной операцией ТО. Для снятия напряжений после закалки, уменьшения хрупкости, получения требуемых механических свойств сталь обязательно подвергают отпуску.

Время нагрева под закалку складывается из времени нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре. Первое определяется нагревающей способностью среды, размерами и формой деталей, а второе – скоростью фазовых превращений, которая зависит от перенагрева выше критической точки и дисперсностью исходной структуры.

При выборе среды нагрева следует учитывать реакции окисления и обезуглероживания поверхности. Часто для предохранения деталей от этих явлений используют защитные атмосферы, которые представляют собой продукты сжигания метана, или инертные газы (аргон, гелий), или вакуум.

Закалочные среды должны обеспечивать получение структуры мартенсита в пределах всего сечения изделия, не должны вызывать появление закалочных дефектов (трещин, деформаций, коробления и т.п.). Идеальная кривая охлаждения при закалке показана на рис.4

Рисунок 4 – Идеальная кривая охлаждения при закалке

В качестве закалочных сред используют воду, водные растворы щелочей и солей, масла, смесь воды с воздухом, охлаждение под давлением в среде азота, аргона и водорода.

Закаливаемость – способность стали повышать твердость в результате закалки, определяется содержанием углерода в стали.

Прокаливаемость – способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троостито-мартенситной структурой и высокой твердостью на определенную глубину. Определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали.

Глубина закаленного слоя – расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50% мартенсита+50% троостита). Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром. Величина критического диаметра определяет размер сечения изделия, прокаливающегося насквозь, т.е. получающего высокую твердость, а после отпуска и высокие механические свойства по всему сечению.

В зависимости от состава стали, формы и размеров детали и требуемых в термически обработанной детали свойств выбирать оптимальный способ закалки, наиболее просто осуществимый и одновременно обеспечивающий нужные свойства. Основные способы закалки:

1 Закалка в одном охладителе (рис.5, кривая 1) – наиболее простой способ. Нагретую до определенных температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остается до полного охлаждения. Этот способ применяют при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.

2 Прерывистая закалка, или закалка в двух средах (рис.5, кривая 2). Деталь охлаждают сначала в быстро охлаждающей среде, а затем в медленно охлаждающей. Обычно первое охлаждение проводят в воде, а затем деталь переносят в масло, или охлаждают на воздухе. В мартенситном интервале сталь охлаждается медленно, что способствует уменьшению внутренних напряжений. Этот способ применяют при закалке инструмента из высокоуглеродистых сталей.

Рисунок 5 – Кривые охлаждения для различных способов закалки

3 Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струей воды и обычно ее применяют тогда, когда требуется закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде.

4 Закалка с самоотпуском.

5 Ступенчатая закалка (рис. 5, кривая 3). Дталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести ко всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, т. е. превращение аустенита в мартенсит. Разбивка охлаждения на две ступени

6 Изотермическая закалка (рис. 5, кривая 4). В отличие от ступенчатой пи изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита. бычно температура изотермического распада аустенита лежит в интервале 250—350°С. В результате изотермической закалки с распадом аустенита в этом районе температур сталь обладает меньшей твердостью, чем при любых способах закалки, но обычно повышенной вязкостью.

Обработка стали холодом заключается в охлаждении закаленной стали, в структуре которой имеется остаточный аустенит, до тёмператур ниже 0°С.

Сущность этого метода заключается в следующем. Во многих сортах стали в закаленном состоянии содержится повышенное количество остаточного аустенита. Если точка конца мартенситного превращения лежит ниже 0°С (например, в углеродистой стали при содержании углерода более 0,5%), то, очевидно, охлаждение ниже 0°С вызовет дополнительное образование мартенсита.

Увеличение количества мартенсита: а) повышает твердость; б) увеличивает объем; в) повышает магнитные характеристики; г) стабилизирует размеры.

Эти изменения тем значительнее, чем больше образуется мартенсита в результате обработки холодом.

Неправильно проведенная закалка может вызвать различные дефекты. Наиболее распространенные из них: недостаточная твердость, мягкие пятна, повышенная хрупкость, обезуглероживание и окисление поверхности и, наконец, коробление, деформации и трещины.

 

Вопрос №4. Классификация видов отпуска.

Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже А_С1, выдержке при этой температуре и охлаждении с определенной скоростью. Это окончательная операция после закалки, получают требуемые свойства стали, снимаются все внутренние напряжения. Чем выше температура отпуска и медленнее охлаждение, тем полнее снимаются внутренние напряжения. Различают 3 вида отпуска:

Низкотемпературный (низкий) отпуск – нагрев до 250⁰С. Снижаются закалочные микронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,5–1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58–63, а следовательно, высокую износостойкость. Применяется для режущего и мерительного инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, а также после поверхностной закалки, цианирования и цементации (нитроцементации).

Среднетемпературный (средний) отпуск – при 350-500⁰С применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Структура стали обычно – троостит отпуска или троостомартенсит с твердостью HRC 40–50. Обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости на релаксационную стойкость.

Высокотемпературный (высокий) отпуск – при температурах 500-680⁰С. Структура – сорбит отпуска. Создает наилучшее соотношение прочности и вязкости. То, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением.

Термомеханическая обработка (ТМО). Заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии с закалкой. Наиболее распространенными видами ТМО являются (рис.6):

– высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) – сталь деформируют при температуре выше А_С3, структура стали – аустенит, деформации составляют 20-30 %. После деформации следует немедленная закалка во избежание рекристаллизации.

– низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) – сталь деформируют в температурной зоне существования переохлажденного аустенита (400-600⁰С), выше М_Н, но ниже температуры рекристаллизации. Степень деформации составляет 75-95 %. Закалку проводят сразу после деформации.

 

Рисунок 6 – Классификационная схема ТМО

После закалки в обоих случаях следует низкий отпуск (100-300⁰С). Такая комбинированная обработка позволяет получить очень высокую прочность σ_в=2200-3000 МПа при хорошей пластичности и вязкости. Это достигается за счет образования фрагментированной структуры с дислокационными границами.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Под термической обработкой понимают изменение структуры, а следовательно, и свойств сплава, достигаемое нагревом до определенной температуры, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением с заданной скоростью.

Существует несколько видов термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, отпуск), различно изменяющих структуру и свойства стали и назначаемых в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливкам, поковкам, прокату и т. д.) и готовым изделиям.

Термическая обработка стали является важной операцией в технологическом цикле изготовления многих изделий. Только при помощи термической обработки можно получить высокие механические свойства стали, обеспечивающие нормальную работу современных деталей машин и инструментов.

 

Задание на самоподготовку:

1 В чем заключаются общие черты и отличия различных видов отжига?

2 Какой вид термической обработки применяют для пружинной проволоки?

3 В чем заключаются особенности нормализации и ее назначение.

4 Как определить качество закаленного слоя?

5 Для чего проводят термомеханическая обработка?