5.4. Технология термической обработки стали
5.4.1. Отжиг Отжигу или нормализации подлежат, как правило, стальные отливки, горячекатаные и штамповые заготовки, поковки. В том случае, когда изделия после изготовления резанием подвергаются последующему термическому упрочнению, отжиги нормализация являются промежуточными видами термической обработки. Если последующего термического упрочнения изделий не требуется, то отжиги нормализация относятся к окончательным видам термообработки. На рис. 71 приведены виды отжига, имеющие наиболее широкое использование в промышленности. Диффузионный (гомогенезирующий) отжиг предназначен для устранения химической неоднородности (ликвации, возникающей при кристаллизации. Такому отжигу подвергаются в основном слитки или отливки из легированных сталей. Это объясняется тем, что скорость диффузии углерода, растворенного в аустените, на несколько порядков больше скорости диффузии легирующих элементов. Поэтому гомогенизация углеродистых сталей происходит практически в процессе их нагрева. Режим гомогенезирующего отжига нагрев до температуры 1050…1200 С, выдержка при отмеченной тем-
Отжиг
I
рода рода
диффузионный рекристаллизационный для снятия остаточных напряжений полный неполный изотермический
Рис. 71. Основные виды отжига
113 пературе 8…10 часов и последующее медленное охлаждение. Крупное зерно, возникающее в процессе отжига, устраняется другими видами термообработки.
Рекристаллизационный отжиг применяется для устранения наклепа после холодной пластической деформации. Этот вид отжига чаще используется как промежуточная операция для снятия наклепа между операциями холодного деформирования. Для углеродистых сталей с содержанием углерода 0,08…0,2 % (наиболее часто подвергаемых обработке давлением) температура нагрева при отжиге составляет 680…700 С. Отжиг калиброванных прутков из высокоуглеродистых легированных сталей проводится при 680…740 Св течение 0,5…1,5 часов. Отжиг для снятия остаточных напряжений Такому отжигу подвергаются отливки, сварные изделия, изделия после обработки резанием, правки и др, в которых возникают внутренние (остаточные напряжения. Остаточные напряжения часто вызывают коробление изделий, а складываясь с внешними (даже незначительными) напряжениями могут привести к разрушению. Для снятия напряжений чаще всего используется отжиг при температуре 550…650 С. Время выдержки составляет несколько часов. Скорость нагрева и особенно охлаждения должна быть небольшой, чтобы исключить возможность образования новых остаточных напряжений. Полный отжиг наиболее часто применяется для доэвтектоидных сталей. Изделия нагреваются до температуры на 30…50 Свыше критической точки А
с3
для полной перекристаллизации исходной структуры. После такого нагрева аустенит становится мелкозернистым, что при последующем замедленном охлаждении дает возможность получения мелкозернистой ферритно-перлитной структуры. Если при отжиге нагрев произвести значительно выше Ас, то зерна аустенита могут вырасти до крупных размеров и при дальнейшем охлаждении образуется грубая структура, состоящая из крупных зерен феррита и перлита. Такая сталь обладает пониженной пластичностью. Таким образом, основным назначением полного отжига является измельчение зерна доэвтектоидной стали, повышение пластических свойств, улучшение обрабатываемости резанием. Неполный отжиг применяется для заэвтектоидных сталей. При таком отжиге сталь нагревается до температуры на 30…50 Свыше Ас С, при которой сохраняется вторичный цементит. После охлаждения цементит получается в виде зерен. Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, в результате которой цементитная сетка дробится. Сталь с зернистым цементитом лучше обрабатывается режущим инструментом и приобретает хорошую структуру после закалки.
114 Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется редко, так как в этом случае полной перекристаллизации не происходит и часть
зерен феррита остается в том же виде, что и до отжига. Такой вид термообработки проводится только в том случае, когда исправление структуры не требуется, а необходимо только понижение твердости. Если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым, проводится так называемый циклический отжиг, при котором сталь нагревается до температуры немного выше Асс последующим охлаждением до температуры чуть ниже АС повторением этого цикла несколько раз. Изотермический отжиг используется для улучшения обрабатываемости легированных сталей. Порядок отжига следующий сталь нагревается на 30…50 Свыше Ас, охлаждается до температуры немного ниже А, изотермическая выдержка при этой температуре для получения равновесной перлитной структуры, с последующим охлаждением на воздухе. При отжиге легированных сталей увеличиваются не только продолжительность нагрева и выдержки, но также и продолжительность охлаждения. И все-таки их твердость после отжига остается достаточно высокой, что ухудшает обрабатываемость резанием.
5.4.2. Нормализация Нормализация чаще всего применяется как промежуточная операция, улучшающая структуру. В некоторых случаях она используется как окончательная термическая обработка (например, при изготовлении сортового проката – швеллеров, тавров, рельсопроката и др. При нормализации сталь нагревается до температуры на 30…50 Свыше А
с3
или А
ст
, выдерживается для прогрева и охлаждается на спокойном воздухе. В результате получается тонкая структура перлита или сорбита, уменьшаются внутренние напряжения. Нормализация является более экономичной операцией, чем отжиг. Ее широко используют вместо закалки и отпуска для улучшения свойств крупногабаритных стальных отливок, устранении дефектов предыдущих технологических операций, в подготовке структуры с целью улучшения обрабатываемости режущим инструментом, улучшения штампования в холодном состоянии, а также в подготовке структуры к последующим видам окончательной термической обработки.
5.4.3. Закалка При закалке, как правило, стремятся к тому, чтобы получить структуру мартенсита, имеющего высокую твердость. При последующем отпуске можно повысить пластичность стали за счет снижения твердости. Структуры, полученные при отпуске мартенсита, имеют лучшие механические
115 свойства, чем структуры, полученные при изотермическом распаде аустенита. При этом их твердость остается практически одинаковой. В зависимости от температуры нагрева закалка подразделяется на полную и неполную. При полной закалке доэвтектоидной стали она нагревается до температуры аустенитного состояния (на 30…50 Свыше Ас) и после выдержки охлаждается со скоростью не менее критической. В результате мелкозернистый аустенит превращается в мелкоигольчатый мартенсит. При неполной закалке доэвтектоидной стали нагрев производится до температур между А
с1
и Ас, при которой в структуре сохраняется доэвтектоидный феррит. При дальнейшем охлаждении со скоростью V
КР
аустенит превращается в мартенсита феррит остается. Такая структура, при некотором снижении твердости и прочности, обеспечивает повышенную пластичность закаленной стали.
Заэвтектоидные стали
обычно используются для изготовления инструмента, имеющего наиболее высокую твердость. Поэтому если такие стали подвергать полной закалке (нагрев выше А
ст
), то формируется дефектная структура грубоигольчатого мартенсита со значительным количеством остаточного аустенита, что резко уменьшает твердость. Поэтому для заэвтектоидных сталей применяется неполная закалка с нагревом до температуры на 30…50 Свыше А
с1
После резкого охлаждения образуется структура, состоящая из мартенсита и цементита. Твердость цементита выше твердости мартенсита, поэтому заэвтекто- идные стали при неполной закалке имеют твердость более высокую, чем при полной. Благодаря тому, что нагрев осуществляется ниже А
ст
, уменьшается рост зерна, снижаются термические напряжения при закалке. Наиболее благоприятная структура закаленной заэвтектоидной стали достигается тогда, когда вторичный цементит имеет зернистую форму. Цементитная сетка по границам зерен недопустима, так как увеличивает хрупкость. Поэтому перед закалкой сталь необходимо подвергать соответствующему отжигу. Время нагрева детали при закалке зависит от габаритов детали и теплопроводности стали. Чаще всего оно определяется экспериментально. Способ охлаждения зависит от формы закаливаемого изделия, его размеров и химического состава стали. Чем сложнее форма и больше сечение детали, чем выше содержание углерода встали, тем больше опасность деформации, выше возникающие напряжения и вероятнее возможность появления трещин. Наиболее простой способ закалки – использование одного охладителя, когда нагретое изделие остается в охлаждающей жидкости до полного охлаждения (кривая 1, рис. 72). Однако недостатком этого способа
116 является появление значительных внутренних напряжений. Поэтому для деталей из углеродистых сталей сечением более 5 мм в качестве закалочной среды рекомендуется вода, а при меньших размерах и для легированных сталей – масло. Для уменьшения внутренних напряжений применяется охлаждение в двух средах (кривая 2), при котором деталь сначала охлаждается вводе до 350…400 С, а затем переносится для полного охлаждения в масло. Недостатком этого способа является трудность регулирования времени выдержки впервой охлаждающей жидкости. Наиболее благоприятные условия для регулирования времени выдержки впервой охлаждающей жидкости достигаются при ступенчатой закалке (кривая 3). В этом случае деталь быстро охлаждается в соляной ванне с температурой, превышающей температуру начала мартенситного превращения Мн на 30…50 С. После выдержки для достижения одинаковой температуры по всему сечению, дальнейшее охлаждение осуществляется на воздухе. Такая технология закалки способствует резкому снижению внутренних напряжений и возможности коробления детали. В тоже время, из-за низкой скорости охлаждения в нагретой среде, в центральных областях крупногабаритных изделий скорость охлаждения может оказаться ниже критической. Поэтому максимальный размер деталей из углеродистых сталей, закаливаемых этим способом, не должен превышать 10 мм, а легированных
30 мм. В тех случаях, когда после закалки на мартенсит и последующего отпуска не удается достичь достаточной прочности и вязкости, осуществляется изотермическая закалка на нижний бейнит. Для этого нагретая деталь помещается в соляную ванну с температурой на 50…100 Свыше мартенситной точки Мн, выдерживается до завершения превращения аустенита в бейнит и охлаждается на воздухе (кривая 4). Такая
закалка может применяться только для сталей, обладающих достаточной устойчивостью переохлажденного аустенита.
Т,оСМнВремя Рис. 72. Способы охлаждения приза- калке сталей 1 – непрерывное охлаждение закалка в двух средах
3
– ступенчатая закалка 4 – изотермическая закалка
117 5.4.4. Отпуск закаленной стали Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, уменьшение твердости, снижение внутренних напряжений закаленной стали. Отпуск является окончательной операцией термической обработки и заключается в нагреве до температуры ниже критической точки Ас, выдержке при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе. Отпуск может быть низким, средними высоким. При низком отпуске (температура нагрева 150…250 Сиз мартенсита закалки выделяется углерод и образует очень мелкие пластинки метастабильного карбида железа, называемого -карбидом, имеющего гексагональную решетку и химический состав, близкий к Fe
2
C
. Решетки мартенсита и пластинки -карбида имеют общие слои атомов по границам фаз, те. имеет место когерентность (соответствие) решеток. Образовавшийся в результате такого превращения мартенсит называется мартенситом отпуска и представляет собой смесь пересыщенного твердого раствора углерода в -железе и карбида, еще не отделившегося от решетки мартенсита. Низкому отпуску подвергается в основном режущий и мерительный инструменты, а также машиностроительные изделия, которые должны иметь высокие твердость и износостойкость, ноне подвергаемые существенным ударными знакопеременным нагрузкам. Средний отпуск проводится при температуре 350…450 С. Основное назначение – некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости. Такие свойства достигаются за счет полного распада мартенсита на феррито-цементитную смесь и одновременным превращением -карбидов в цементит Fe
3
C. В результате образуется структура троостит отпуска – высокодисперсная феррито-цементитная смесь, в которой цементит имеет зернистое строение. При высоком отпуске закаленная сталь нагревается до температуры С. При этой температуре никаких новых превращений не происходит, но интенсивно протекают процессы сфероидации (скругления) и коагуляции (укрупнения) частиц цементита. В результате ферри- то-цементитная смесь становится более укрупненной, менее дисперсной, с зернистой формой частиц цементита. Структура, образованная в результате высокого отпуска, называется сорбитом отпуска и применяется для конструкционных сталей, детали из которых подвергаются воздействиям высоких напряжений и ударных нагрузок. Закалка с последующим высоким отпуском является основным видом термической обработки конструкционных сталей и называется улучшением. При дальнейшем повышении температуры нагрева (650…700 С) образуется зернистый перлит, который является наиболее равновесной
118 структурой. При одинаковых значениях временного сопротивления сталь, имеющая зернистую структуру, обладает большей пластичностью по сравнению со сталью, имеющей пластинчатую структуру.
5
.5. Особенности закалки легированных сталей В разделе 3.2.3. показано влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей. Не менее существенное влияние они оказывают и на фазовые превращения при нагреве и охлаждении. Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа и оказывают влияние на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны взаимодействовать с углеродом, азотом, а также между собой, образуя интерметаллиды. При введении в сталь небольшого количества карбидообразующих элементов (десятые доли процента или 1…2 % для слабых карбидооб- разователей) образования карбидов этих элементов, как правило, не происходит. В этом случае атомы легирующих элементов частично замещают атомы железа в решетке цементита. Образуется легированный цементит, который по свойствам не отличается от обычного цементита. Марганец не образует карбидов при любом его содержании. Сильные карбидообразователи (Мо, W, V, Nb, Ti) создают с углеродом фазы внедрения. При этом чаще всего карбиды имеют формулу МеС или
Ме
2
С. Такие фазы отличаются очень высокой тугоплавкостью, практически не растворяются в аустените. К примеру, для растворения таких карбидов, как TiC, NbC, WC сталь необходимо нагревать до температуры 1300 С. Промежуточное положение по карбидообразующей способности занимает хром. В низко- и среднелегированных сталях он образует карбида в высоколегированных – Cr
23
C
6
. Карбиды хрома могут растворять железо и легирующие элементы стали в большом количестве. Поэтому часто в общем виде формулы этих карбидов записываются как
Ме
7
C
3
и Ме
23
C
6
При введении хрома с молибденом и вольфрамом фазы внедрения
(МоС, WC) не образуются, а вместо них возникают сложные карбиды, содержащие хром, молибден, вольфрам и железо с формулой Ме
6
С, которые растворимы в аустените. Однако, для их растворения требуются еще более высокие температуры и более длительные выдержки, чем для растворения карбидов хрома. Итак, в зависимости от наличия в легированных сталях тех или иных легирующих элементов и их количества, могут быть следующие типы карбидов хорошо растворимые в аустените – Ме
3
С; труднорастворимые
– Ме
7
С
3
, Ме
23
C
6
, Ме
6
С и почти нерастворимые – МеС.
119 В связи с отмеченным, закалка и отпуск легированных сталей имеют ряд особенностей. Температура нагрева под закалку обычно выше, чему углеродистых сталей. Диффузионные процессы протекают медленнее, что требует более длительной выдержки как нагретой до аустенитного состояния стали,
таки при температуре отпуска, которая также выше температуры отпуска углеродистой стали.
Из-за пониженной теплопроводности легированных сталей они нагреваются и охлаждаются более медленно. Закалка обычно производится в масле. Все легирующие элементы затрудняют процесс распада мартенсита при нагреве. Поэтому структура отпущенного легированного мартенсита может сохраняться при температурах 400…600 С. При одинаковой температуре отпуска прочность и пластичность легированных сталей выше, чем углеродистых. Контрольные вопросы
1. Что называется термической обработкой сталей
2. Какие существуют основные виды термической обработки сталей
3. Какие превращения происходят встали при ее нагреве
4. Что представляет собой перлитное превращение аустенита при его охлаждении
5. Что называется диаграммой изотермического распада аустенита Какое ее практическое значение
6. Что называется мартенситом Каковы условия его образования и свойства
7. Что такое отжиг стали, его виды и технология
8. Приведите назначение, виды и технологию закалки. Назовите способы закалки. Какова структура закаленной эвтектоидной стали.
9. Приведите назначение и виды отпуска закаленной углеродистой стали, технологию отпуска.
10. Приведите назначение и технологию нормализации.
11. В чем влияние легирующих элементов на фазовые превращения сталей Каковы особенности закалки легированных сталей
6. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ 6.1. Общие сведения Химико-термическая обработка (ХТО) – это технологический процесс, заключающийся в насыщении поверхностного слоя стали каким-либо элементом при высокой температуре с последующим термическим воздействием, в результате чего происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств. Она применяется для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от коррозии. Основными стадиями ХТО являются диссоциация, абсорбция и диффузия. Диссоциация – выделение активных диффундирующих элементов в результате протекания химических реакций в исходной среде. Например, СО СО
2
+С; 2NH
3 3H
2
+2N
, и т. д. Абсорбция – захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы поверхностного слоя насыщаемого металла, имеющие направленные наружу свободные связи, присоединяют атомы диффундирующего элемента, в
результате чего возникает градиент концентрации, являющийся движущей силой последующей стадии процесса. Диффузия – проникновение насыщающего элемента вглубь насыщаемого металла, сопровождаемого образованием твердых растворов или фазовой перекристаллизацией. Поверхностный слой изделия, насыщенный диффундирующим элементом, называется диффузионным слоем. Металл, расположенный под диффузионным слоем, называется сердцевиной. Диффузионное насыщение стали углеродом, азотом и совместно этими элементами являются наиболее распространенными в промышленности процессами ХТО в связи стем, что эти элементы легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твердые растворы внедрения, сравнительно быстро диффундируют на значительную глубину. Цементация Целью цементации является достижение на поверхности стальной детали высокой твердости и износостойкости с одновременным сохранением ее вязкой сердцевины, что осуществляется насыщением поверхностного слоя изделия углеродом. Поэтому для цементации используются стали с низким (0,08…0,25 %) содержанием последнего. После цементации сталь подвергается закалке и низкому отпуску. В результате концентрация углерода на поверхности стальной детали составляет, а ее структура представляет низкоотпущенный мартенсит с мелкими сфероидальными карбидами. Цементации обычно подвергаются зубчатые колеса, валы, пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т. д. Она может проходить в твердой и газовой средах, которые называются карбюризаторами. Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит из древесного угля с добавкой 20…25 % ВаСо
3
для интенсификации процесса и 3…5 % СаСо
3
для исключения спекания частиц карбюризатора. Изделия, подвергаемые цементации, помещаются в стальной ящики со всех сторон обкладываются карбюризатором. После этого, они нагреваются
121 в печи до температуры 910…940 С. Вовремя нагрева карбюризатор взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакциям СО СО,
ВаСО
3
+
С ВаО+2СО, СО СО
2
+
С. Образующиеся атомы углерода активно диффундируют в поверхностный слой изделия. В течение 8…10 часов такой слой достигает толщины около 1 миллиметра. При массовом производстве чаще используется газовая цементация, при которой детали нагреваются в газовых смесях, содержащих СОСН и др. В этом случае насыщение идет быстрее. Слой толщиной 1 мм образуется зач. Полученный в результате цементации слой содержит углерода более
0,8 % и имеет структуру заэвтектоидной стали. Глубже располагается слой эвтектоидного состава. Из-за длительной выдержки при высокой температуре структура стали получается крупнозернистой, что необходимо учитывать при обязательной после цементации термической обработке. Режимы термической обработки назначаются в зависимости от условий работы детали и стали, из которой она изготовлена. Не очень ответственные детали подвергаются закалке непосредственно с температуры нагрева для цементации с последующим низким отпуском (риса. Выросшее при цементации крупное зерно аустенита приводит к грубокристаллическому мартенситу отпуска в поверхностном слое и крупнозернистую феррито-перлитную смесь в сердцевине изделия. Такие недостатки определенным образом устраняются при применении газовой цементации, сокращающей время пребывания стали при высоких температурах. Для тяжелонагруженных изделий, испытывающих динамические нагрузки, необходима не
только высокая поверхностная твердость, но и высокая прочность, а также высокая ударная вязкость. Для получения таких свойств необходимо мелкое зерно как на поверхности детали, таки в сердцевине. В таком случае цементованные детали подвергаются двойной закалке с низким отпуском (рис. 73, б. При первой закалке с температуры на 30…50 Свыше Ас происходит перекристаллизация с образованием во всем объеме мелкого аустенитного зерна и последующей мелкозернистой структуры продуктов его распада. В связи стем, что при нагреве до температуры выше
А
с3
весь цементованный слой также переходит в аустенитное состояние, то для предотвращения выделения цементитной сетки при последующем охлаждении, проводится вторая закалка.
122
Т,оСВремя lnAс1Цементация аОтпуск Aс3Т,оСВремя lnAс1Цементация бОтпуск Aс31-я закалка2-я закалкаРис. 73. Режимы термической обработки стали после закалки При нагреве под вторую закалку, мартенсит, образовавшийся после первой закалки, отпускается с образованием зернистого цементита, увеличивающего твердость поверхностного заэвтектоидного слоя. Цементация деталей из легированной стали дает возможность получать в поверхностном слое структуру мартенсита отпуска, а в сердцевине сорбит, троостит или мартенсит. Благодаря низкому содержанию углерода сердцевина будет иметь высокую ударную вязкость.
Скачать 3.25 Mb.