Тема 1.8. Термическая обработка железоуглеродных сплавов

Краткая характеристика структур, получаемых при различных скоростях охлаждения аустенита. Технология термической обработки. Общая характеристика видов термической обработки стали. Виды отжига. Сущность, назначение и применение. Нормализация стали. Влияние нормализации на структуру и механические свойства.

Закалка стали. Выбор температуры закалки и время выдержки при закалке. Закалочные среды и требования, предъявляемые к ним. Методы закалки.

Закаливаемость стали и факторы, влияющие на нее. Прокаливаемость стали. Обработка стали холодом.

Отпуск стали. Виды и назначения отпуска. Технология проведения отпуска.

Термомеханическая обработка стали. Поверхностная закалка, ее виды и область применения: закалка при индукционном нагреве, закалка при газопламенном нагреве. Дефекты, возникающие при закалке, меры их предупреждения и устранения.

Основное оборудование термических цехов. Механизация и автоматизация термической обработки.

Охрана окружающей среды и безопасность труда при проведении работ по термической обработке стали.

Литература: [2], с.29-54; [3], с.89-103

Практическая работа №1

Выбор вида и режима термической обработки для конкретной детали. Обоснование выбранной термической обработки.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Термическая обработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства деталей машин. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств металла (обрабатываемость давлением, резанием и др.), как окончательную операцию для придания металлу такого комплекса механических, физических и химических свойств, который обеспечивает необходимые характеристики изделия.

В результате изучения темы учащиеся должны научиться выбирать необходимый режим термической обработки стали в зависимости от требуемых свойств.

Изучать тему следует в такой последовательности:

1. Уяснить, что процессы термической обработки стали и чугуна основаны на явлении вторичной кристаллизации по линиям диаграммы "железо-цементит" (рис.1) GS, (Ас₃), SE (Ас_m) и PSK, и тщательно повторить превращения, происходящие в результате вторичной кристаллизации при нагреве и охлаждении.

2. Научиться по диаграмме "железо-цементит" определять значения критических точек при нагревании и охлаждении Ас₁, (Аr₁), Ас₃ (Ar₃), Ac_m (Ar_m) для различных по содержанию углерода сталей.

3. Подробно изучить этапы распада и структуры, получаемые при различных скоростях охлаждения аустенита.

4. Рассмотреть факторы, обеспечивающие правильное проведение термической обработки. К ним относятся: скорость и температура нагревания и охлаждения, продолжительность и температура выдержки.

5. Изучить виды термической обработки в последовательности, предусмотренной программой.

Выбор температуры при термической обработке углеродистых сталей производится по диаграмме "железо-цементит" в зависимости от содержания углерода.

Критические точки стали характеризуются линиями диаграммы "железо-цементит" (рис.2). Критические точки, лежащие на линии GS обозначают Ас₃ при нагревании и Аг₃ при охлаждении. Критические точки, лежащие на линии SE, обозначают Ас_m при нагревании и Аг_m при охлаждении.

Критические точки, лежащие на линии PSK обозначают Ас₁ при нагревании и Ar₁ при охлаждении.

Так, в соответствии с диаграммой (рис.2), критическая точка. Ас₃ для стали С =0,3% соответствует точке "а", лежащей на линии GS, а критическая точка Ас_m для стали С = 1% соответствует точке "б", лежащей на линии SE.

Фактические значения этих точек можно определить, если эти точки (а и б) спроектировать на ординату температур, для чего диаграмма должна быть вычерчена в масштабе.

Фактическое значение температуры точки Ас₁, для любого сплава будет =121° t (линия PSK).

Температуры закалки и отжига обычно назначают на 30-50° выше Ас₃ - для доэвтектоидной стали и на 30-50° выше Ac₁ - для заэвтэктоидной стали. Такое определение температур термической обработки возможно только для чистых железоуглеродистых сплавов, не имеющих значительного количества примесей кремния, марганца, серы и фосфора.

При увеличении в стали содержания марганца (свыше 0,8%) или кремния (свыше 0,6%) или при введении в нее других легирующих элементов (вольфрама, хрома, никеля и др.) положение критических точек стали значительно изменяется. Зависит оно от состава сплава, и определение их по диаграмме "железо-цементит" становится невозможным.

Рисунок 2

Каждая легированная сталь имеет свои критические точки, при которых происходит образование аустенита.

Вследствие отсутствия диаграмм ряда многокомпонентных систем, которые позволили бы определить влияние отдельных элементов стали на назначение режима термической обработки, проводят экспериментальное определение критических точек. Для широко используемых в промышленности углеродистых и легированных сталей критические точки определены и указаны в справочниках.

Переходя к изучению основных видов термической обработки стали, необходимо хорошо запомнить, что сюда относятся все процессы изменения внутренней структуры стали пои действием нагрева до определенной температуры и последующего охлаждения с той или иней скоростью, изменение структуры стали влечет за собой изменение ее физических и механических свойств; химический состав стали при этом остается неизменным. В зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения различают следующие виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Изучая процесс отжига, необходимо усвоить назначение и сущность отжига и практику его проведения. Надо ясно представить, что отжиг, как и всякий другой вид термической обработки, складывается из отдельных факторов, а именно: скорости нагрева, температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.

Необходимо также обратить внимание на явление перегрева и пережога металла как следствие неправильного ведения процесса.

Рассмотрим на примерах определение температур нагрева для полного отжига доэвтектоидной стали С = 0,4% и неполного отжига заэвтектоидной стали С = 1,2%. Положение этих сталей указано линиями I-I,II-II.

Так, в соответствии с диаграммой (рис.3) температура нагрева для полного отжига определится так: температура t= Ас₃ + (30-50°) = 830-850° (так как Ас₃, для этой стали = 800°).

Температура неполного отжига С=1,2% определится так: температура t = Ac₁ + (30...50°) = 757-777° (так как Ac₁ = 727°).

При изучении процесса нормализации стали надо установить различие между нормализацией и отжигом стали как в отношении методики проведения процесса, так и с точки зрения его назначения.

Рекомендуется учащимся сравнить структуры и свойства нормализованной и отожженной стали одного и того же химического состава. Известно, что несколько повышенная скорость охлаждения на спокойном воздухе (нормализация) делает сталь более прочной и твердой, чем при охлаждении в печи (отжиг).

Учащийся может уяснить это явление, анализируя структуры отсиженной и нормализованной стали.

Температурный режим определяется для доэвтектоидных сталей так; t = Ас₃ + (30... 50°), а для заэвтектокдной стали температуру нагрева под нормализацию можно определить: t=Acm + (30... 50°). На рис.3 для стали С = 1,2% показаны точками значения: Асm, Асm + 30° и Асm + 50°.

Закалка является одним из наиболее важных видов термической обработки металлов. При изучении процесса закалки необходимо усвоить ее назначение, а также явления, происходящие во время нагрева и охлаждения стали; необходимо хорошо усвоить практику проведения закалки, обратив при этом особое внимание на современные методы закалки (изотермическая, поверхностная закалка токами высокой частоты и т.д.).

При практическом проведении закалки необходимо также пользоваться диаграммой "железо-цементит" для определения температуры нагрева сталей.

Рассмотрим на конкретном примере закалку доэвтектоидной стали С = 0,4% (см. рис.4). Положение этой стали на диаграмме показано вертикальной линией I-I.

Рисунок 3

Очевидно, что нагрев этой стали (С = 0,4%) ниже точки Ac₁ например до точки I (рис.4), не может изменить структуру и повысить твердость. Не будет происходить изменения твердости и структуры при всяком нагреве до t ниже Ac₁, так как структура будет оставаться ферритоперлитной.

Однако твердость стали возрастает; если ее нагреть несколько выше Ac₁, например, до температуры, отвечающей точке 2 (рис.4), и затем закалить в воде. Структура в этом случае после нагрева изменятся и будет состоять из феррита + аустенит. При закалке аустенит превратится в мартенсит, феррит же останется без изменений в структуре (такую закалку называют неполной). Образование мартенсита даст повышение твердости (так как структура стала феррит + мартенсит).

Более высокий нагрев, например до точки 3, создаст после закалки еще большее увеличение твердости. Поскольку с повышением температуры нагрева в интервале температур Асі-Асз количество аустенита в стали возрастет, а количество феррита уменьшится, то в закаленной стали увеличится количество мартенсита, а следовательно, и ее твердость.

Структура стали будет состоять из мартенсита и феррита. Такое повышение твердости стали будет продолжаться до тех пор, пока при нагреве не будет достигнута температура Ас₃. В этом случае сталь при нагреве получает полностью аустенитную структуру, а при охлаждении - структуру мартенсита. Дальнейшее увеличение температуры закалки не изменит структуру стали и ее твердость после закалки.

Рисунок 4

Практически закалку производят при температурах на 30-50° выше критической Ас₃ для доэвтектоидной стали и на 30-50° выше Ac₁ для заэвтектоидной.

Температура закалки для стали С = 0,4% показана на рис.4: t – Ас₃ I (30... 50°) = 830°...850°. Нагрев заэвтектоидной стали выше Асm не нужен и даже вреден, так как сталь после закалки становится более хрупкой и не дает повышения твердости (так как нагрев выше Асm )ведет к перегреву, т.е. к образованию крупных зерен аустенита). Цементит - весьма твердая составляющая, поэтому, присутствуя в закаленной на мартенсит стали, он не понижает ее твердости, а, наоборот, даже увеличивает.

Пример определения температуры закалки заэвтектоидной стали С = 1,3% приведен на рис.4 (см. вертикаль II-II. Температура определяется так: t= Ac₁ + (30 ... 50°) = 757...777°.

Переходя к изучению процесса отпуска стали, необходимо запомнить, что назначением его является смягчение закалки, с одной стороны, и получение в изделии необходимой структуры и свойств, с другой стороны.

Учащимся следует рассмотреть отличие между структурами мартенсит, троостит, сорбит, получающимися после закалки и в результате отпуска.

При закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, а при отпуске он получается в форме зернышек или точек. Преимущества точечной структуры состоят в лучшем сочетании прочностных и пластичных свойств. Мартенсит закалки имеет искаженную кубическую решетку, а мартенсит отпуска - устойчивую кубическую решетку, а поэтому имеет меньшую хрупкость и менее напряжен.

Цель обработки холодом заключается в повышении твердости и износостойкости закаленных углеродистых сталей, содержащих углерод свыше 0,6%, и легированных (главным образом, быстрорежущих) сталей и стабилизации размеров закаленных деталей и инструментов.

В этих сталях после закалки наряду с мартенситом остается большое количество аустенита (остаточный аустенит), снижающего твердость закаленных деталей и инструментов; размеры дета­лей становятся нестабильными.

Объясняется это тем, что температура окончательного превращения аустенита в мартенсит (точка Мк) лежит у этих сталей ниже 0°. Большинство высоколегированных сталей заканчивают свое мартенситное превращение при минус 70-80°, низколегированные - при более высоких температурах.

В результате обработки холодом количество остаточного аустенита значительно уменьшается или он полностью устраняется.

Сущность обработки заключается в том, что стальное изделие сразу же после закалки охлаждают до отрицательных температур в специальных установках.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. В чем заключается сущность термической обработки?

2. Какие превращения происходят в аустените при медленном охлаждении стали?

3. Охарактеризуйте структуры, получаемые при различных скоростях охлаждения аустени-

4. Перечислите виды термической обработки стали.

5. Каково назначение и в чем сущность отжига?

6. Перечислите виды отжига, их назначение и сущность проведения.

7. Определите температуру нагрева стали с содержанием углерода 0,6% по диаграмме "железо-цементит" при полном отжиге и укажите, какую структуру будет иметь указанная сталь после отжига.

8. В чем заключается назначение и сущность нормализации? Чем отличается этот процесс от отжига?

9. Каково назначение и сущность закалки стали?

10. Как выбирается температура закалки стали?

11. До какой температуры следует нагревать перед закалкой стали, содержащие 0,4% С; 0,8% С ; 1,2% С?

12. Какие охлаждающие среды применяются при закалке?

13. Что называется критической скоростью закалки?

14. Чем характеризуется прокаливаемость стали и какое значение она имеет?

15. Кратко охарактеризуйте способы закалки в зависимости от приемов охлаждения: простая в одном охладителе, прерывистая, ступенчатая, изотермическая.

16. Кратко охарактеризуйте виды поверхностей закалки стали. В чем ее преимущества?

17. В чем заключается сущность и назначение отпуска?

18. Кратко охарактеризуйте виды отпуска, их назначение.

19. Чем отличаются по структуре и свойствам троостит и сорбит отпуска от троостита и сорбита закалки?

20. Перечислите дефекты, возникающие при закалке и отпуске. Каковы меры их предупре­ждения?