Термическая обработка стали. Реферат 1. Термическая, термохимическая и термомеханическая обработка стали

• Название: Термическая, термохимическая и термомеханическая обработка стали
• Анкор: Термическая обработка стали
• Дата: 10.01.2020
• Размер: 1 Mb.
• Имя файла: Реферат 1.docx
• Тип: Реферат; #103416
• страница: 5 из 10

Закалка стали

Закалка это один из самых распространённых видов термообработки стали.

Закалка осуществляется путем нагрева деталей выше критической точки (доэвтектоидной стали) или (заэвтектоидной стали) на 30—50° С, выдержки при этой температуре и быстрого охлаждения.

Закалка изделий позволяет значительно улучшать механические характеристики готовых изделий: повысить твердость, прочность металла с одновременным уменьшением его пластичности, также значительно увеличить срок их службы и даже в итоге уменьшить их вес за счет увеличения прочности детали. Резкое увеличение твердости и прочности в процессе закалки происходит из-за фазовых превращений структуры в процессе нагрева и охлаждения и образования неравновесных твердых структур—мартенсита, троостита и сорбита.

Качество закалки зависит от правильного выбора режима закалки (температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения). Температура нагрева под закалку зависит от химического состава стали.

Нагрев деталей должен быть достаточно медленным, чтобы не возникли напряжения и трещины. Время нагрева зависит от химического состава стали, от формы и размеров деталей. Время выдержки должно быть достаточным, чтобы весь процесс превращения перлита в аустенит завершился полностью. Продолжительность выдержки обычно рекомендуют 25% общего времени нагрева.

Охлаждение детали является наиболее ответственным этапом операции. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы обеспечить получение нужной структуры —мартенсита, троостита или сорбита, т. е. обеспечить необходимые механические свойства обрабатываемой детали.

Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры — мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.

Для успешного проведения термической обработки правильный выбор закалочный среды имеет большое значение. Для закалки среднеуглеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С, а для большинства остальных сталей — масло. Виды закалки по количеству сред разделяют на:

1. 
   В 1-ой закалочной среде. Широко распространен в сталелитейном производстве, но применим не ко всем сталям. Некоторые металлы при резком охлаждении в воде трескаются. У некоторых сортов при охлаждении в масле закалка не происходит. Одноступенчатая закалка в одной среде допустима для изделий простой формы, к которым не предъявляют повышенных требований по прочности.
   
2. 
   В 2-х закалочных средах. Сперва деталь погружают в воду, далее — в масло. Практически исключает возникновение трещин и позволяет получить качественную мартенситную сталь.
   

В зависимости от толщины закаленного слоя в деталях различают объемную и поверхностную закалку. Объемная закалка (полная) с непрерывным охлаждением применяется для углеродистых сталей (охлаждение в воде) и для легированных сталей (охлаждение в масле). Этот способ заключается в том, что нагретую деталь погружают в закалочную среду и держат до полного охлаждения. Недостатком этого способа является возникновение больших термических напряжений из-за резкой разности температур нагретой детали и охлаждающей среды.

В зависимости от скорости охлаждения различают закалку ступенчатую и изотермическую.

Ступенчатая закалка производится путем быстрого охлаждения последовательно в двух различных охлаждающих средах. Первой охлаждающей средой являются расплавленные соли или масло с температурой на 20—30° С выше температуры начала мартенситного превращения для данной стали. В горячей среде деталям дают кратковременную выдержку. Выдержка в расплавленных солях или масле должна обеспечить выравнивание температуры по сечению детали, но не вызывать распада аустенита. Легированные стали охлаждают в минеральном масле, нелегированные могут погружать в воду, также может происходить охлаждение воздухом. Достоинством такого способа закалки является уменьшение термических напряжений, а следовательно, трещин, поводки и коробления, а также хорошее сочетание высокой вязкости с прочностью.

Изотермическая закалка так же, как и ступенчатая, производится в двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые или щелочные ванны) различна: она зависит от химического состава стали, но всегда (на 20—100° С) выше точки мартенситного превращения для данной стали. Выдерживая металл в щелочи до тех пор, пока аустенит полностью не распадется на бейнит. Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе. Преимущество метода в полном отсутствии внутренних напряжений. Данная закалка не требует отпуска. Метод пригоден для обработки сложных деталей, подверженных деформациям и трещинам.

Обработка холодом

В каждой стали мартенситное превращение начинается и заканчивается при определенной температуре (см. рис. 4). В углеродистых сталях, содержащих более 0,6% С, а в легированных сталях при еще меньшем его содержании мартенситное превращение заканчивается при температуре ниже 0°С. Чем ниже расположена точка Мк, тем больше остаточного аустенита в структуре закаленной стали. С целью уменьшения количества остаточного аустенита сталь после закалки охлаждают до отрицательных температур. В результате происходит возобновление мартенситного превращения.

Чем больше получается остаточного аустенита, тем больше повышается твердость при обработке холодом. В конструкционных углеродистых сталях (С <0,6 %) содержание остаточного аустенита после закалки обычно не превышает 5— 6%, поэтому их не подвергают обработке холодом. В инструментальных же сталях, имеющих более 1,0% С, содержание аустенита после закалки превышает 15—20%, и потому обработка холодом может дать вполне ощутимый эффект. Наиболее часто такой обработке подвергают легированные стали.

Охлаждение изделия до отрицательных температур производят в смеси твердой углекислоты (сухой лед) со спиртом, дающей охлаждение до —78,5° либо в жидком азоте (—196°). Кроме этого, применяют холодильные установки, позволяющие изменять температуру рабочей камеры в больших пределах.

Следует иметь в виду, что обработка холодом должна проводиться сразу же после закалки, так как с течением времени остаточный аустенит делается более устойчивым (стабилизируется) и при снижении температуры уже не переходит в мартенсит. Нельзя также проводить отпуск перед обработкой холодом, так как это тоже способствует стабилизации аустенита. Однако после обработки холодом отпуск для снятия внутренних напряжений является обязательной операцией.

Отпуск стали

Отпуск - процесс термической обработки, состоящий в нагреве закаленной на мартенсит стали до температуры ниже критической точки (см. рис 5), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, тростита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите.

Правильное выполнение отпуска в значительной степени определяет качество закаленной детали. Температура отпуска варьируется в широких пределах - от 150 до 700°С в зависимости от его цели. В зависимости от температуры отпуск стали делят на: низкий, средний и высокий.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300º) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяет решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в феррите и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях. Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей, после цементации и т. д.

Средний отпуск производится при температурах 300-500°С для получения структуры троостита отпуска. При среднем отпуске избыточный углерод в виде мельчайших частиц цементита практически полностью покидает решетку мартенсита. Решетка мартенсита обезуглероживается и превращается в ОЦК решетку феррита. Твердость сталей заметно понижается, вязкость увеличивается. Этот отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при достаточной вязкости.

Высокий отпуск выполняется при температурах 500-650°С. В процессе высокого отпуска мартенсит распадается с образованием структуры сорбита отпуска. При высоком отпуске изменений в фазовом составе (Ф+Ц) уже не происходит (см. рис. 2), но развиваются диффузионные процессы укрупнения и округления частиц цементита, что сопровождается дальнейшим снижением прочности и твердости, повышением пластичности и ударной вязкости. Закалку стали с последующим высоким отпуском называют улучшением.



Рисунок 6. Структура отпущенной стали С=0,6% (х500): а) мартенсит отпуска; b) тростит; с) сорбит