Лекция №8. Лекция 8 технология термической обработки стали нагрев при термообработке
 Скачать 71 Kb.
|
|
Лекция №8 8. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ 8.1. Нагрев при термообработке 8.2. Химическое действие на металл нагревающей среды 8.3. Закалочные среды 8.4. Способы закалки стали 8.5. Закаливаемость и прокаливаемость стали 8.6. Отпуск стали 8.7. Основное оборудование для термической обработки 8. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ Разработка технологии термообработки включает в себя выбор: 1) режима нагрева деталей (температуры нагрева, допустимой скорости и времени нагрева); 2) среды, где осуществляется нагрев с учетом ее химического действия на нагреваемый металл; 3) условий охлаждения(закалка, отпуск); 4) агрегата для термической обработки (необходимого оборудования установленного в одну линию в порядке последовательности технологических операций); 8.1. Нагрев при термообработке Условия нагрева определяются в зависимости от нагревательных устройств. К ним относятся нагревательные печи, соляные ванны или ванны с расплавленным металлом, установки для нагрева токами промышленной и высокой частоты. Нагрев необходимо осуществлять с оптимальной скоростью. Форсированный нагрев увеличивает производительность, уменьшает окалинообразование, обезуглероживание стали, рост аустенитного зерна. Однако при этом возникает перепад температуры по сечению изделия, вследствие чего в металле возникают термические напряжения, которые могут усиливаться фазовыми напряжениями, если фазовые превращения в разных сочетаниях протекают в разное время. Если при этом внутренние напряжения превысят предел прочности или предел текучести стали, то возможно коробление или образование трещин. Чем меньше легирована сталь, однороднее ее макро- и микроструктура, проще конфигурация изделия и равномернее подвод теплоты, тем выше допускаемая скорость нагрева. Ориентировочно для изделий из углеродистых машиностроительных сталей выбирают скорость нагрева в печах 0,8-1 мин на 1 мм сечения (толщины пластины, диаметра цилиндра). Время нагрева в соляных ваннах в 2 раза меньше, в расплавленных металлах в 3-4 раза меньше. Скорость нагрева легированных сталей меньше на 25-40%. Время выдержки при заданной температуре нагрева принимают равным 1/5 времени нагрева. Для определения времени нагрева пользуются эмпирическими формулами, в частности, формулой Е.А. Смольникова: общ = К1 V/F Кф Кд ив общ- общая продолжительность нагрева ,мин К1- коэффициент зависящий от состава стали V/F- характеристический размер Кф - критерий формы Кд - коэффициент конфигурации детали ив- продолжительность изотермической выдержки 8.2. Химическое действие на металл нагревающей среды На большинстве предприятий нагрев изделий осуществляют в печах с газовой средой. Газовая среда оказывает на сталь различное воздействие: - окисляющее (О2, CO2, пар); - восстанавливающее (CO, H2, CH4); - обезуглероживающее (O2, H2, CO2, H20); - науглероживающие (CO, CH4); - нейтральное (N2, инертные газы, вакуум). В результате окисляющего воздействия газовой среды на поверхности детали образуется окалина, которая противодействует получению высокой и равномерной твердости изделий при закалке, приводит к изменению размеров изделий, увеличению припусков на механическую обработку. Для предотвращения окисления используют специально подобранные газовые смеси, в которых соотношение окисляющих компонентов оптимально. Обезуглероживание - или выгорание углерода в поверхностных слоях металла. снижает усталостную прочность деталей. Для борьбы с обезуглероживанием используют специальные контролируемые атмосферы, получаемые путем сжигания углеродных газов с различным коэффициентом избытка воздуха. В условиях серийного производства для предотвращения от окисления и обезуглероживания термообработка инструмента проводится в специально раскисленных солянных ваннах. 8.3. Закалочные среды Для закалки обычно используют кипящие жидкости - воду, растворы солей и щелочей. При закалке в этих средах различают три периода: 1) пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется “паровая рубашка” - в этот период скорость охлаждения относительно невелика; 2) пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки, в этот период происходит быстрый отвод теплоты; 3) конвективный теплообмен при температуре ниже температуры кипения охлаждающей жидкости; теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью. Основным недостатком воды, как охлаждающей среды является высокая скорость охлаждения, часто приводящая к образованию закалочных дефектов. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются 8-12 % водные растворы NaCl и NaOH. При закалке в таких растворах паровая рубашка разрушается практически мгновенно и охлаждение происходит на стадии пузырькового кипения. Преимуществом масла как закалочной среды, является небольшая скорость охлаждения в мартенситном интервале температур. Это уменьшает вероятность возникновения закалочных дефектов. Недостатком является повышенная воспламеняемость, недостаточная стабильность, повышенная стоимость. В качестве закалочных сред применяют иногда растворы моющих средств содержащих ПАВ, жидкого силиката и синтетических веществ. Закалка в водных растворах полимеров и моющих средств приводит к уменьшению скорости охлаждения при T<Мн и исключению трещин, и коробления. Технологии закалки уделяют особое внимание, так как эта операция является наиболее ответственной. Выбор температуры закалки производится в зависимости от температуры критических точек (Ас1,Ас3,Аст). Доэвтектоидные стали нагреваются выше температуры точки Ас3 на 30-40С. Не допускается нагрев этих сталей ниже Ас3 (Ас1 Для заэвтектоидных сталей оптимальной является температура нагрева выше Ас1 на 30-40 С. В этом случае при скоростях охлаждения V>Vкр образуется структура мартенсита закалки и вторичного цементита, так как твердость цементита выше, чем твердость мартенсита (750НВ>700НВ), то достигается максимальная твердость стали после закалки. Однако это возможно лишь в том случае, если выделения вторичного цементита имеют зернистую форму. Выделение же цементинта в виде сетки по границам зерен приводит к хрупкости стали. Поэтому заэвтектоидные стали для получения качественной исходной структуры перед закалкой обязательно подвергают отжигу. Температуру нагрева под закалку легированных сталей берут из справочников. Критическая скорость закалки Vкр для конкретных сталей определяют по термокинетической диаграмме состояния. При больших скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения которые могут привести к короблению и растрескиванию деталей. 8.4. Способы закалки стали Целью закалки является получение мартенситной структуры. Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно скорость охлажения должна превышать критическую скорость Vкр.Наибольшую скорость Vкр имеют углеродистые стали 400-1400 град/с. Мартенситное превращение в таких сталях достигается в результате очень резкого переохлаждения (обычно в холодной воде или в воде с добавлением едкого натра) . Большинство легированных сталей приобретает мартенситную структуру при охлаждении в холодных или подогретых маслах. Высоколегированные стали закаливаются на мартенсит даже при охлаждении на воздухе. Существует несколько способов закалки: 1. Наиболее простой - закалка в одном охладителе, когда закаливаемое изделие помещается в жидкую среду имеющую комнатную температуру(Рис. 24). Применяется для углеродистых сталей. В качестве закаливаемой среды применяют воду или водные растворы щелочей 5-15% NаCL, 40-50% NаOH, которые обеспечивают скорость охлаждения 1400 град/с. Для легированных сталей повышенной прокаливаемости рекомендуется 40-50% NаOH c пониженной прокаливаемостью 5-15% NаOH; Для крупных изделий сложной формы типичными закалочными средами являются минеральные масла или их смеси. Для уменьшения деформации изделий и предотвращения трещин прибегают к закалке в двух средах, ступенчатой закалке и изотермической закалке. Основным источником напряжения служит увеличение объема при превращении аустенита в мартенсит. 2. Закалка в двух средах - после нагрева под закалку изделие погружается на определенное время в воду в результате чего достигается быстрое прохождение температурного района минимальной устойчивости аустенита, а затем переносится в более мягкую охлаждающую среду, обычно масло. Этот способ охлаждения требует точного расчета времени пребывания изделия в среде. 3. Ступенчатая закалка - при ступенчатой закалке изделие нагретое до температуры закалки переносят в жидкую среду, имеющую температуру на 50-100(С выше мартенситной точки Мн для закаливаемой стали; выдерживают некоторое время необходимое для выравнивания температуры по сечению, а затем окончательно охлаждают на воздухе. Применение ступенчатой закалки ограничивается размерами деталей 10-12 мм для деталей из углеродистой стали и 10-30 мм для деталей из легированных сталей. В качестве закалочной среды используются специальные масла, обладающие высокой температурой вспышки. При ступенчатой закалке уменьшается склонность к образованию трещин и снижается деформация при закалке. 4. Изотермическая закалка - применяется в основном для легированных сталей в случае, если желательно получить структуру нижнего бейнита. Такая структура обеспечивает высокую прочность, пластичность и вязкость стали, т.е. высокую конструкционную прочность. При изотермической закалке изделие нагретое под закалку переносят в ванну с расплавленными солями, имеющих температуру на 50-100(С выше мартенситной точки Мн,, выдерживают при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит и охлаждают на воздухе. Для охлаждения при изотермической закалке обычно используют расплавленные соли и щелочи разного состава. Охлаждение в расплавах щелочей (если нагрев под закалку производился в хлористых солях) позволяет получить чистую поверхность после термообработки. Такую закалку называют светлой закалкой. Для сочетания высокой твердости и вязкости иногда применяют закалку самоотпуском. Сущность этой закалки заключается в том, что изделие выдерживают в закалочной ванне не до полного охлаждения. Их извлекают из охладителя, когда внутренние слои еще нагреты. За счет внутренней теплоты происходит нагрев поверхности слоев изделия до нужной температуры, т.е. самоотпуск закаливаемого изделия. Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру точки Мк ниже 0С, в результате чего после закалки в структуре стали наряду с мартенситом имеется остаточный аустенит, снижающий твердость стали. Поэтому для устранения остаточного аустенита сразу же после закалки проводят охлаждение детали в области отрицательных температур Т<Мк. Для этого используется сухой лед. После обработки холодом делают низкий отпуск. Поверхностная закалка. При поверхностной закалке на некоторую заданную глубину, закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной. Она предназначена для повышения твердости износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина при этом остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. В практике в основном применяют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты реже закалку с газопламенным нагревом. Индукционный нагрев происходит вследствие теплового действия тока индуцируемого в изделии при помещении его в переменное магнитное поле. Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали. Когда изделие работает только на износ или в условиях усталости, толщину закаленного слоя принимают равной 1,5-3,0 мм. В условиях высококонтактных нагрузок толщина слоя достигает 4-5 мм. В случае особо больших контактных нагрузок, например, для валов холодной прокатки толщина закаленного слоя достигает 10-15 мм и выше. Для закалки токами высокой частоты обычно используют углеродистые мелкозернистые стали с величиной зерна не более N5. Легированные стали с повышенной прокаливаемостью имеют большую толщину закаленного слоя, что нежелательно и даже вредно. Преимущества индукционной закалки по сравнению с обычной следующие: 1) большая экономичность, так как нет необходимости расходовать теплоту на нагрев всей детали; 2) при закалке токами высокой частоты значительно меньше брак по короблению и образованию закалочных трещин; 3) при нагреве токами высокой частоты не происходит окалинообразования и выгорания углерода; 4) механические свойства после закалки токами высокой частоты выше, чем после обычной закалки; 5) легко регулируется толщина закаленного слоя; 6) использование токов высокой частоты для закалки позволяет заменить в ряде случаев легироваванные стали дешевыми углеродистыми сталями; 7) высокая производительность. Недостаток - необходимость в специализированном оборудовании и сложных приспособлениях. Газопламенная закалка применяется для крупных изделий (прокатных валков, валов и т.д.). Поверхность детали нагревают газовым пламенем с температурой 2400-3150С. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, природный газ, керосин. Толщина закаленного слоя обычно 2-4 мм. Газопламенная закалка вызывает меньше деформации, чем объемная закалка. Для крупных деталей этот способ закалки более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом. Сложность заключается в трудности регулирования температуры нагрева и глубины закаленного слоя. 8.5. Закаливаемость и прокаливаемость стали Закаливаемость - способность стали повышать твердость в результате закалки. Она зависит, главным образом, от содержания в стали углерода. Чем выше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают небольшое влияние на закаливаемость. Прокаливаемость - способность стали получать закаленный слой с мартенситной и полумартенситной структурой (50% мартенсита и 50% троостита) на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если скорость охлаждения в сердцевине будет меньше Vкр, то изделие прокалится только на некоторую глубину, т.е. прокаливаемость будет неполной. Условно за глубину закаленного слоя принимаются расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50% мартенсита и 50% троостита). Полумартенситную зону принимают в качестве критерия прокаливаемости, потому что ее легко определить по микроструктуре, но еще проще по твердости. Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость стали. Легированные стали вследствие меньшей Vкр прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость стали Mg, Cr, Mo, B. Снижают прокаливаемость Co, наличие нерастворимых частиц, карбиды титана, оксиды, а также уменьшение размера зерна. Прокаливаемость стали в общем случае определяют методом торцевой закалки (ГОСТ 5657-69). Для машиностроительных деталей ответственного назначения работающих в жестких условиях нагружения, а также для деталей типа пружин, рессор и подавляющего большинства инструментов требуется, чтобы после закалки структура по всему сечению состояла из 100% мартенсита. Это обеспечивает однородную структуру и высокие свойства после отпуска. Для деталей машин работающих в условиях менее жесткого нагружения (в основном на изгиб и кручение) за критерий прокаливаемости принимается 100% мартенсит на глубине 0,5 радиуса детали. 8.6. Отпуск стали Отпуск является заключительной операцией термической обработки. При отпуске формируется окончательная структура и свойства изделия. Уменьшаются или устраняются внутренние закалочные напряжения, повышаются вязкость и пластичность. При выборе температуры отпуска необходимо иметь в виду, что при монотонном измении предела текучести, предела прочности наблюдаются резкие провалы ударной вязкости. Провалы ударной вязкости связаны с отпускной хрупкостью стали. Поэтому при выборе режима отпуска следует проверить по справочнику не попадает ли рекомендуемая температура отпуска для данной стали в опасную область и сделать соответствующую корректировку. После низкого отпуска закаленная сталь сохраняет высокую твердость и высокую износостойкость. Однако изделие не выдерживает значительных динамических перегрузок. Поэтому низкотемпературному отпуску подвергают режущий инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Среднетемпературный отпуск обеспечивает высокие предел упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость. Его примененяют, главным образом, для пружин и рессор, а также для штампов. Охлаждение после отпуска при 400-500 C следует проводить в воде. Это способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин. Высокотемпературному отпуску подвергают среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3-0,5 %C) к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости. 8.7. Основное оборудование для термической обработки Оборудование термических цехов делится на три группы: 1) основное оборудование (печи, охлаждающие устройства, закалочные прессы, оборудование для обработки холодом); 2) дополнительное оборудование (травильные прессы, моечные машины, травильные ванны, пескоструйные и дробеструйные аппараты и т.д.); 3) вспомогательное оборудование (всевозможные транспортные устройства, установки для получения контролируемых атмосфер). Для нагрева под закалку нормализацию и отжиг мелких и средних деталей в термических цехах применяют камерные печи с защитной атмосферой(газовые). Для нагрева деталей большой длины применяют шахтные печи с выдвижным подом (Т<1000 С; m=1,2т; d=600-1000мм; h=600-3000мм). В термических цехах применяются также вакуумные печи (10-15 мм рт.ст.) и электрические печи. Для нагрева под закалку и отпуск широко применяют печи-ванны. Жидкие среды (расплавленные хлористые соли BaCl, NaCl) обеспечивают высокую скорость нагрева, предохраняют металл от окисления и позволяют осуществить местный нагрев. Охлаждающие жидкости находятся в закалочных баках. Для снижения коробления деталей сложной формы при закалке в масле применяют охлаждение в штампах или спецприспособлениях. Основные положения на память 8.1. Технология термообработки включает в себя выбор: 1) режима нагрева деталей (температуры нагрева, допустимой скорости и времени нагрева); 2) среды, где осуществляется нагрев с учетом ее химического действия на нагреваемый металл; 3) условий охлаждения (закалка,отпуск); 4) агрегата для термической обработки (необходимого оборудования установленного в одну линию в порядке последовательности технологических операций); 8.2. Выбор температуры закалки производится в зависимости от температуры критических точек (Ас1,Ас3,Аст). Доэвтектоидные стали нагреваются выше температуры точки Ас3 на 30-40С. Для заэвтектоидных сталей оптимальной является температура нагрева выше Ас1 на 30-40 С. 8.3. Температуру нагрева под закалку легированных сталей берут из справочников. 8.4. Существует несколько способов закалки:закалка в одном охладителе, закалка в двух средах, ступенчатая закалка, изотермическая закалка, закалка самоотпуском. 8.5. Закаливаемость - способность стали повышать твердость в результате закалки. Она зависит, главным образом, от содержания в стали углерода. Чем выше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают небольшое влияние на закаливаемость. Прокаливаемость - способность стали получать закаленный слой с мартенситной и полумартенситной структурой (50% мартенсита и 50% троостита) на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. |