Технология материалов. Лекции

Отжиг стали

Отжигом называют вид термической обработки состоящий в нагреве  стали до определенной температуры, выдержке и медленном охлаждении.

          В процессе отливки, прокатки  или ковки стальные заготовки  охлаждаются неравномерно, что приводит  к неоднородности структуры и свойств, возникновению внутренних напряжений. При затвердевании отливок кроме того возможно появление внутри кристаллитной ликвации (химической неоднородности по сечению зерна). В сварных соединениях также наблюдаются неоднородности структуры, свойств и внутренние напряжения.

Для устранения различного рода структурных неоднородностей  проводят отжиг.

Различают несколько  видов отжига различающихся по технологии выполнения и цели. Для измельчения  зерна перегретой стали, снижения твердости  и улучшения обрабатываемости резанием применяют полный, неполный,   изотермический отжиги и отжиг на зернистый перлит. Для уменьшения внутреннего напряжения, снижения твердости, повышения пластичности и изменения формы зерен холоднодеформированного металла применяют рекристаллизационный отжиг. Для устранения внутрикристаллитной ликвации в легированных сталях - высокотемпературный диффузионный отжиг.

          Температурные интервалы основных  видов  отжига для углеродистых  сталей представлены на рис.10.

          Полный отжиг проводится для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей. Температура нагрева на 30-500  выше А3, т.е. структуру полностью переводят в аустенитное состояние. После выдержки сталь медленно охлаждают в печи. Скорость охлаждения углеродистых сталей 100-150 0/час, легированных -  30-40 0/час. Структура стали после полного отжига получается феррито-перлитная, т.е. такая, как по диаграмме Fe-C.

          Неполный отжиг проводят практически  для инструментальных заэвтектоидных  сталей, только в том случае, если  в структуре нет цементита по границам зерен (сетка цементита). Если есть сетка цементита, то для ее устранения применяют нормализацию, что будет рассмотрено ниже. Температура нагрева на 30-500 выше А1  (750-7800). При нагреве структура будет состоять из аустенита и цементита, после медленного охлаждения из перлита и цементита.

          Изотермический отжиг проводят  с той же целью, что и полный, но время на его проведение  требуется меньше (см.рис.11). После  нагрева до температуры на 30-500  выше А1, выдержке для выравнивания температуры по сечению, сталь подстуживают немного ниже А1 (650-7000) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита на феррит и перлит, дальнейшее охлаждение с любой скоростью.

          В отличие от других видов  отжига здесь распад аустенита проходит не при непрерывном охлаждении, а в изотермических условиях (при постоянной температуре). Проводить такой отжиг проще, т.к. контролировать температуру легче, чем скорость охлаждения.

          Изотермический отжиг обычно  применяют для легированных сталей обладающих высокой устойчивостью аустенита (кривая изотермического распада сильно сдвинута вправо). Такой отжиг можно применять только для мелких заготовок, у которых температура по сечению выравнивается сравнительно быстро.

          Отжиг на зернистый перлит  проводят с целью улучшить  обрабатываемость резанием за  счет снижения твердости при  переводе пластинчатого перлита  в зернистый. Такой отжиг применяют  для эвтектоидной и заэвтектоидных  сталей (при отсутствии сетки  цементита).

Отжиг проводят по одному из следующих режимов:

1. Нагрев на 20-300 выше  А1, выдержка 3-5 часов, медленное охлаждение  

2. Нагрев до тех  же температур с небольшой  выдержкой, охлаждение до 6000, снова  нагрев до 740-7500 и снова охлаждение  до 6000. Такие циклы нагрева и подстуживания повторяют 2-4 раза, т.е. проводят как бы покачивание температуры стали около А1. Поэтому такой отжиг называют еще маятником отжигом. Графически режим маятникового отжига представлен на рис.12. Общая продолжительность по второму режиму меньше, чем по первом

Почему при таком  отжиге цементит изменяет форму от пластинки до сферы?  Представим себе пластинку цементита в аустените. По краям этой пластинки радиус кривизны мал (0,5 толщины пластины), а по плоскости  бесконечно большой. Там, где радиус кривизны мал, углерод легче переходит из цементита в аустенит, т.е. концентрация углерода у краев пластины будет повышаться. За счет диффузии концентрация углерода в аустените выравнивается атомы углерода будут переходить от края пластины к плоской части и там выделяться в виде цементита. Процесс идет пока вся пластина не превратится в сферу.

Отжиг рекристаллизационный применяют для снижения прочности, твердости, повышения пластичности и устранения вытянутости зерен  после холодной пластической деформации (например, промежуточные отжиги при волочении проволоки). Такому отжигу подвергают малоуглеродистые стали, так как высокоуглеродистые стали в холодном состоянии деформируются плохо и их такой обработке практически не подвергают.

Нагрев при этом отжиге проводят ниже температуры А1  до 600-7000 с последующим охлаждением в печи или на воздухе. При этом временное сопротивление разрыву (высокое после деформации) снижается, а пластичность растет. Схема изменения формы зерен в процессе холодной пластической деформации и последующего рекристаллизационного отжига приведена на рис.13.

Нормализация  стали 

Нормализация заключается  в нагреве стали на 30-500 выше критических  температур А3 и Асм(см.рис.3) с последующим охлаждением на воздухе.

Цель нормализации доэвтектоидных конструкционных сталей несколько повысить прочность (по сравнению с прочностью после отжига) за счет измельчения структурных составляющих (феррита и перлита).

Цель нормализации заэвтектоидных инструментальных сталей - устранить цементитную сетку по границам перлитных зерен и тем самым предотвратить повышенную хрупкость стали при последующей закалке. Структура таких сталей после охлаждения на воздухе из аустенитной области (выше АC3) получается сорбит (см. рис. 14).

9. Отпуск закаленной  стали

Отпуск - вид термической  обработки состоящий в нагреве  закаленной стали до температур ниже А1, выдержке и охлаждении в воде или на воздухе.

Отпуску подвергают все закаленные стали с целью  уменьшения внутренних напряжений, повышения  ударной вязкости при некотором

снижении твердости  и прочности.

В зависимости от требований предъявляемых к изделиям их подвергают отпуску при различных  температурах.

Низкий отпуск (150-2200) проводится с целью чуть-чуть снизить  остаточные напряжения без существенного  снижения твердости. Применяется для металлорежущего инструмента из высокоуглеродистых сталей и деталей работающих на истирание (например, шестерни). Получаемая структура - отпущенный мартенсит.

Средний отпуск (300-5000) проводят с целью более полно  снять напряжения и повысить ударную вязкость за счет более значительного снижения твердости. Применяется для деревообрабатывающего инструмента, рессор, пружин, штампов. Получаемая структура - тростит отпуска.

Высокий отпуск (500-6800) проводят обычно для деталей из легированных сталей с целью получить хорошее сочетание прочности и ударной вязкости. Получаемая структура - сорбит отпуска.

Зависимость твердости  от температуры отпуска для некоторых  углеродистых сталей представлена на рис.17.

Термическую обработку, состоящую из закалки с высоким отпуском, называют улучшением, а стали подвергаемые такой обработке улучшаемыми сталями.

10. Закалка стали 

Закалка - вид термической  обработки состоящий в нагреве  стали до определенных температур (доэвтектоидных на 30-400 выше А3, заэвтектоидных на 30-400 выше А1), выдержке и быстром охлаждении, со скоростью более верхней критической.

Цель закалки - повысить твердость, прочность, износоустойчивость.

Скорость охлаждения при закалке обычно задают охлаждающей  средой (вода, масло, специальные среды). Верхняя критическая скорость закалки сильно зависит от содержания углерода (см.рис.1.5.) и легирующих элементов. Малоуглеродистые стали (<0,25%С) обычно закалке не подвергаются, так как Vвкз у них настолько велика, что не достигается даже при охлаждении в воде. Изменение структуры углеродистых сталей при закалке представлено в табл.1.

Используются несколько  способов закалки, которые классифицируются по методу охлаждения.

          Закалка в одном охладителе (воде или масле)

Наиболее простой  и распространенный способ. Однако, некоторые стали при охлаждении в воде склонны к возникновению трещин. При охлаждении в масле скорость охлаждения меньше, но многие стали при таком охлаждении не закаливаются (скорость охлаждения меньше Vвкз и мартенсит не образуется).

          Закалка в двух охладителях (через воду в масло)

При этом методе в  верхнем интервале температур скорость охлаждения велика, но сталь достаточно пластична и значительных напряжений не возникает. В области же мартенситного  превращения (ниже 3000) скорость охлаждения при переносе детали в масло значительно меньше, что практически исключает образование трещин. Твердость при таком методе закалки такая же, как при закалке в воде.

Ступенчатая закалка  заключается в том, что после  нагрева детали переносят в печь-ванну с расплавом щелочей (обычно КОН+NaOH). Нагретую до температуры немного выше начала образования мартенсита (350-4000), выдерживают небольшое время для выравнивания температуры по сечению, а затем охлаждают в масле или на воздухе.

Твердость после такой закалки такая же, как и в предыдущих способах, но напряжения и вероятность образования трещин еще меньше.

Ступенчатая закалка  применяется только для мелких изделий (до 10мм) из углеродистых сталей. Для  более крупных деталей ее не применяют, так как в расплаве щелочей скорость охлаждения внутри детали мала.

Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью  переохлажденного аустенита, такую  закалку применять нецелесообразно, так как они обычно хорошо закаливаются в масле, которое достаточно медленно охлаждает при температурах образования мартенсита.

          Изотермическая закалка проводится  так же как и ступенчатая,  но в расплаве щелочей детали  выдерживают более длительное  время (до полного распада аустенита  на бейнит). При этом существенных напряжений не возникает, но твердость получается ниже, чем при других способах закалки. Преимуществом этого способа является то, что после него не требуется отпуска. Изотермическая закалка обычно применяется для деталей сложной формы, склонных к деформациям и образованию трещин.

          Все рассмотренные способы закалки  показаны на диаграмме распада  переохлажденного аустенита на  рис.16.

Закалка является наиболее ответственной операцией термической  обработки, так как проводится в  конце технологического цикла изготовления детали или инструмента. Возможные дефекты при закалке, пути их предупреждения или исправления указаны в табл.2.

Закалка с самоотпуском. «Главными» инструментами в строительстве  пока являются лом, зубило, кувалда  и молоток, которые должны иметь высокую твердость на поверхности и сравнительно вязкую сердцевину. Охлаждение их при закалке ведут не до конца, поэтому за счет тепла внутренних слоёв детали происходит отпуск (самоотпуск) металла.

Поверхностная закалка . Нагрев поверхности металла проводится токами высокой частоты (т.в.ч.), газовыми горелками и плазмой . При поверхностной закалке уменьшается коробление детали и практически нет окалины. В итоге образуется вязкая середина и твердая поверхность. Причем твердость поверхности будет выше, чем при обычной закалке.

Закалка с последующей  обработкой холодом проводится для  высокоуглеродистых сталей, у которых  температура мартенситного превращения  сталей находится в отрицательной  области температур.

11. химико - термической  обработке

При химико - термической обработке (ХТО) сталей изменяется химический состав, структура и свойства поверхностного слоя. В результате ХТО упрочняется поверхностный слой (повышаются твердость и прочность, износоустойчивость) Виды ХТО : цементация (насыщение поверхности углеродом), азотирование (насыщение азотом), цианирование (насыщение азотом и углеродом), металлизация, хромирование, борирование и др.

При цементации науглераживают поверхность на глубину 0,5.. 2 мм до повышения  содержания углерода до 0,75… 1,2% . Цементация проводится в твердых (древесный уголь), газовых (природный газ, смеси газов) и жидких средах.

Азотирование —  это насыщение стали или чугуна азотом. Чаще всего оно проводится в атмосфере аммиака NH3 . Процесс  азотирования очень длителен, так  насыщение азотом на глубину 0,5 мм надо проводить не менее 60 часов.

Эффективно цианирование ( твердое, газообразное и жидкое) мелких и средних деталей (шестерни, поршни, кольца, валики и др.).

12. Состав сорта чугунов. Белый, серый, ковкий, высокопрочный.

Состав и сорт чугунов

Продуктами доменной плавки являются чугун, шлак, и колошниковый газ и колошниковая пыль.