технология то

621.78(07)

И46

Ильин С.И., Корягин Ю.Д.

ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ

Учебное пособие

Страница 1

УДК [621.78:669.14](075.8)

И46

Одобрено учебно-методической комиссией физико-металлургического факультета

Рецензенты:

проф., д.т.н. А.В. Выдрин, проф., д.т.н. А.Н.Емелюшин

Ильин С.И.

И46 Технология термической обработки сталей: учебное пособие / С.И. Ильин, Ю.Д. Корягин. — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009.

—120 с.

Впособии рассмотрены основы технологии термической обработки и современные технологические процессы термической обработки основных видов металлопродукции на металлургических заводах, а также деталей и заготовок на машиностроительных предприятиях.

Пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения специальности 150105 «Металловедение и термическая обработка металлов».

УДК [621.78:669.14](075.8)

© Издательский центр ЮУрГУ, 2009.

Страница 2

ВВЕДЕНИЕ

Термическая обработка является наиболее рациональным способом воздействия на металлические изделия с целью получения заданных свойств путём формирования необходимой структуры.

Сама технология термической обработки представляет собой последовательность технологических операций, связанных с нагревом, выдержкой и охлаждением. Цель термической обработки состоит в получении нужных свойств без изменения основных размеров и формы деталей и заготовок.

Термическая обработка применялась уже в глубокой древности, как только наши предки установили взаимосвязь между свойствами материалов и предшествующим нагревом. Но в те времена термическая обработка была сродни искусству, которое базировалось на ряде тайных рецептов.

Развитие техники потребовало создания научных основ производства и обработки металлов, превращения термической обработки в научно обоснованный вид деятельности. Основной вклад в создание научных основ термической обработки внёс русский учёный Д.К. Чернов, открытие которым в середине XIX века критических точек в сталях послужило базисом для всего последующего развития термической обработки.

Основные технологические процессы термической обработки, применяемые в металлургии и машиностроении в настоящее время, разработаны и значительно усовершенствованы на научной основе в прошлом XX веке.

Современное состояние термической обработки характеризуется совершенствованием существующих и созданием новых технологических процессов и оборудования.

Развитие энергосберегающих и ресурсосберегающих технологий позволило путём применения рационально легированных сталей добиться значительного повышения качества металлопродукции. Совершенствование процессов объёмной и поверхностной термической обработки, развитие и усовершенствование процессов поверхностного легирования и упрочнения путём применения новых принципов концентрированного нагрева и вакуумных процессов позволило значительно повысить качество металлоизделий. Эти мероприятия усложняют собственно термическую обработку, но за счёт повышения качества обеспечивают необходимый экономический эффект.

Страница 3

Глава 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ КУРСА ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

1.1. Технология термической обработки как цикл производства

Технология термической обработки представляет собой совокупность технологических операций, связанных с нагревом, выдержкой и охлаждением, в виде совокупности последовательно или одновременно выполняемых технологических операций (вспомогательных, основных и дополнительных). Цель термической обработки состоит в изменении в нужном направлении механических, физикохимических и технологических свойств без изменения основных размеров и формы деталей и заготовок. Если рассматривать технологию термической обработки (ТТО) как технологическую дисциплину, то можно выделить следующие её аспекты. Она включает технологические аспекты:

1)технологические аспекты

– нагрев металла;

– охлаждение металла;

– возникающие напряжения;

– электронагрев;

– химико-термическую обработку.

2)Термообработку (Т.О.) на металлургическом предприятии:

–Т.О. слитков и непрерывно литых заготовок;

–Т.О. крупных поковок для валков горячей прокатки;

–Т.О. сортового проката общего назначения;

–Т.О. железнодорожных рельсов, колес;

–упрочняющая Т.О. проката;

–Т.О. листового проката;

–Т.О. труб;

–Т.О. проволоки.

3)Т.О. на машиностроительном предприятии:

–Т.О. валков холодной прокатки;

–Т.О. поковок для валов роторов турбогенераторов;

–Т.О. заготовок из конструкционных сталей;

–Т.О. коленчатых и распределительных валов;

–Т.О. деталей трансмиссии;

–Т.О. деталей подшипников;

–Т.О. пружин и рессор.

4)Т.О. на инструментальном заводе:

–Т.О. штампов для холодной штамповки;

–Т.О. штампов для горячей штамповки;

–Т.О. режущего инструмента.

Страница 4

1.2. Основы проектирования термических цехов, участков, отделений

Первым этапом является перспектива развития цеха, участка, где рассмотрены и представлены материалы проектирования, которые обосновывают:

1)целесообразность проектирования;

2)новое строительство;

3)реконструкцию;

4)расширение предприятия.

При этом определяется расчетная стоимость проекта и его технико– экономические показатели с учетом необходимых экологических предприятий.

Вторым этапом проектирования служит составление рабочего проекта и рабочей документации, которая может вестись в две стадии. Для предприятий, строительство которых ведется по повторным проектам или типовым, проектирование ведется в одну стадию. При строительстве предприятий с новым производством проектирование ведется в две стадии.

Сам проект включает в себя:

–исходные данные для проектирования;

–характеристику объекта;

–проектную мощность и номенклатуру изделий;

–технический уровень изделий;

–сырьевую базу;

–основные чертежи, план размещения участка, с указанием внешних коммуникаций и сетей;

–схему генерального плана для цеха с нанесением существующих зданий;

–вертикальный разрез здания.

Технологические решения содержат:

–производственную программу;

–характеристику и обоснование принятой технологии;

–трудоемкость изготовления продукции;

–механизацию и автоматизацию производства;

–принципиальные схемы технических комплексов (основное, вспомогательное оборудование);

–основные чертежи.

Подготовка производства бывает конструкторской и технологической. Для термиста главной является технологическая подготовка производства (ТПП). При разработке ТПП участие термиста заключается в подготовке маршрутной технологии, группировки деталей по режимам термической обработки, в проектировании технологических режимов изготовления и обработки, разработке контроля качества.

В ТПП входят также проектирование, изготовление и отладка средств автоматики, приспособлений, специальной оснастки и инструмента. Выходными документами ТПП являются:

1)перечень деталей;

2)карты группировки;

Страница 5

3)чертежи;

4)маршрутно-технологические карты;

5)необходимое оборудование и инструмент;

6)измерительные приборы;

7)объемы расхода материала и инструмента;

8)необходимые площади и персонал.

Совместно с конструкторами формулируются служебные свойства изделий и выбираются марки сталей. Определяются способы изготовления и упрочнения. На следующем этапе определяют размещение цехов или отделений с учетом связи со смежными производствами. Часто термические участки располагают непосредственно в основных цехах.

Глава 2. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЛИТКОВ И НЕПРЕРЫВНО ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК

Необходимость и характер термообработки слитков связаны со структурной неоднородностью, причем часто выделяют структурную, физическую и химическую неоднородности. Физическая неоднородность – это наличие пористости и усадочных раковин. Кроме того, нарушение сплошности металла может заключаться в появлении трещин, возникающих при охлаждении слитка. Химическая неоднородность или ликвация подразделяется на зонную и дендритную. Структурная неоднородность обусловлена наличием в стальном слитке трех основных зон, из которых наиболее важное значение имеют зона столбчатых и равноосных кристаллов.

Все виды неоднородностей приводят к неоднородности физико– механических свойств стали. На появление и развитие дефектов литой структуры оказывает влияние скорость кристаллизации, которая в первую очередь зависит от массы слитка. Кроме того, охлаждение слитков, особенно из легированных сталей, сопровождается развитием больших внутренних напряжений. Появление трещин внутри объема связано с тепловой усадкой. Также внутренние напряжения появляются и при фазовых превращениях, когда аустенит превращается в мартенсит, бейнит или перлит. Опасность появления внутренних напряжений в слитке возрастает в связи с тем, что литая структура имеет грубое крупнозернистое строение.

Характеристики слитков

Стальные слитки по массе подразделяются на:

–мелкие: менее 2 т;

–средние: 2...8 т;

–крупные: 8...50 т;

–очень крупные: 50...250 т.

Слитки высоколегированных сталей обычно имеют массу 0,2...1,1 т и редко до 3,5 т. Уменьшение массы слитка способствует снижению степени дендритной

Страница 6

неоднородности. В крупных слитках наряду с дендритной ликвацией образуется значительная зональная ликвация.

По назначению стальные слитки делятся на:

–кузнечную группу;

–прокатные;

–сортовые квадратного сечения;

–трубные круглого сечения;

–листовые прямоугольного сечения.

Термическая обработка слитков преследует следующие цели:

1)снижение внутренних напряжений для предупреждения образования трещин при хранении слитков на промежуточных складах и при перевозке в передельные цехи;

2)снижение твердости для обдирки слитков с целью устранения поверхностных дефектов;

3)уменьшение дендритной ликвации.

Слитки, предназначенные для передела на блюминге, обычно передают в печь для нагрева под прокатку в горячем состоянии, сразу после затвердевания в изложницах (горячий посад). При необходимости зачистки поверхности для устранения поверхностных дефектов или при перевозке слитков в другие цеха или заводы, горячий посад применить не удается. Такие слитки для предотвращения образования опасных внутренних напряжений подвергают либо замедленному охлаждению в неотапливаемых колодцах, либо охлаждают в изложнице с последующей специальной термообработкой.

Для термообработки слитков обычно используют печи колодцевого типа, либо с выходным подом, реже другие конструкции.

Для снижения твердости и снятия внутренних напряжений, слитки подвергают отжигу или высокому отпуску. С целью рационального использования оборудования и упрощения технологии, обрабатываемые стали объединяют в группы, имеющие близкие критические точки и одинаковую склонность к окислению и обезуглероживанию.

Конкретные режимы термообработки слитков определяются их массой, составом стали и оборудованием. Слитки из быстрорежущих высокохромистых сталей ледебуритного класса, из хромистых нержавеющих сталей и некоторые инструментальные стали подвергают полному отжигу, т.е. отжигу с фазовой перекристаллизацией. Эти стали содержат большое количество Cr, V, W, Mo и не склонны к перегреву. Но ввиду их низкой теплопроводности ограничивается скорость нагрева: она не должна превышать 60 ОС/ч. Слитки легированных конструкционных сталей перлитного, перлитно-мартенситного и мартенситного классов подвергают высокому отпуску. Высоколегированные стали такие как Cr–Ni, Cr–Ni– Mo, Cr–Ni–W (20Х2Н4А, 40Х2МА, 18Х2Н4ВА и др.) имеют такую высокую устойчивость переохлажденного аустенита, что даже при замедленном охлаждении в слитках образуется мартенситная или троосто-мартенситная структура. Поэтому отжиг этих сталей с фазовой перекристаллизацией не приведет к образованию перлита, т.е. к снижению твердости, и эти стали для снижения твердости доста-

Страница 7

точно подвергнуть отжигу ниже АС1. При высоком отпуске, наряду со снятием напряжений, происходит распад мартенсита с образованием сорбитной структуры, что является причиной снижения твердости.

Рассмотрим конкретные режимы отжига и высокого отпуска для основных групп сталей (рис.1).

Рис. 1. Режимы отжига (а–в) и высокого отпуска (г) слитков:

а – быстрорежущие стали Р6М5, Р6М3, Р9, Р18, Р6М5К5, Р9М4К8; б – инструментальные легированные стали 3Х2В8Ф, Х12, Х12М, 7Х3, ХВГ, 6ХВ2С, 9ХС, 4Х5МФС, 5Х3В3МФС, 5ХНВ, 5ХНМ; в – шарикоподшипниковые стали ШХ4, ШХ15, СГ; г – конструкционные и рессорно-пружинные стали 15Х, 20Х, 20ХН, 50ХН, 30ХН3А, 20Х2Н4А, 25Х4Н4ВА, 40Х2Н2МА, 30ХГТ, 30ХГА, 60Г, 70Г, 50С2, 60С2, 50ХФА, 55СМ5ФА, 50СВФА

Гомогенизирующему отжигу подвергают только слитки из высоколегированных сталей и сталей, предназначенных для высокоответственных изделий. Отжиг проводят как холодных, так и горячих слитков. Температуры нагрева при гомогенизирующем отжиге обычно выбирают в пределах 1100–1170 ОС. Скорость диффузии определяется как температурой, так и градиентом концентрации, который в процессе выравнивающей диффузии понижается и эффективность гомогенизации понижается. Наиболее значительное выравнивание химического состава происходит в первые 8–10 ч выдержки. Обычно продолжительность выдержки при этой температуре гомогенизирующего отжига составляет 8–15 ч, а затем производится охлаждение с печью до 800–820 ОС, после чего – на воздухе.

Поскольку максимальная температура при гомогенизации ограничивается опасностью плавления наиболее легкоплавких участков, которые находятся в межосных участках дендритов, проводят двухступенчатый отжиг. В процессе начальной гомогенизации происходит обеднение этих участков легкоплавкими примесями, что дает возможность повысить температуру отжига на следующей ступени. Таким образом, температура отжига на конечной ступени может быть значительно выше, чем при обычном одноступенчатом отжиге (рис.2). Это позволяет получить более однородную структуру, уменьшить карбидную неоднородность, улучшить технологическую пластичность стали и сократить общую продолжительность отжига.

Страница 8

Рис. 2. Режим ступенчатого отжига из стали ШХ15, совмещенного с нагревом под прокатку

При гомогенизирующем отжиге слитков наблюдается интенсивный рост зёрен, но поскольку в дальнейшем производится обработка давлением, то в результате рекристаллизационных процессов происходит измельчение зерна. Поэтому специальной обработки для устранения крупнозернистой структуры не проводится. Качество термической обработки контролируют по твердости и отсутствию трещин в процессе длительного хранения.

Глава 3. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМООБРАБОТКИ КРУПНЫХ ПОКОВОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВАЛКОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Общими требованиями к сталям для валков горячей прокатки являются разогрев поверхностного слоя валка деформируемым металлом, при этом поверхностный слой расширяется сильнее, чем внутренний, более холодный. Это приводит к появлению больших напряжений – сжимающих на поверхности и растягивающих в глубинных слоях. В момент завершения контакта поверхности валка с деформируемым металлом происходит быстрое охлаждение поверхностного объема и образуются напряжения сжатия. В результате чего возникают напряжения противоположного знака. Многократный, циклический быстрый нагрев поверхностного слоя с последующим быстрым охлаждением приводит к образованию сетки трещин (разгар).

Исследования показали, что в установившемся режиме прокатки поверхность нагревается до 750–800 ОС, в то время как на глубине 3–4 мм она не превышает 100 ОС. Термические и структурные напряжения, возникающие на поверхности валка, суммируются с напряжениями от действующих нагрузок и могут превысить предел прочности отдельных микрообъемов, что и приводит к образованию трещин. Длительный нагрев до высоких температур может привести к структурным изменениям. В сталях перлитного класса происходит сфероидизация

Страница 9

карбидов. Основным критерием работоспособности валков является термостойкость, износостойкость и усталостная прочность. Химический состав сталей не может однозначно определить качество валков горячей прокатки, поскольку сопротивление износу и зарождению трещин зависит от множества других факторов, определяемых и термической обработкой (табл.1).

Таблица 1 Химический состав (%) сталей для валков горячей прокатки (ГОСТ 9487–70 и 10207–70)

Содержание кремния 0,17–0,37%, серы и фосфора <0,040%.

В частности, при повышении дисперсности структурных составляющих повышается износостойкость валков, но снижается их стойкость против поломок.

3.1. Типовые режимы термообработки

Рассмотрим основные режимы термообработки заготовок, которые представлены на рис. 3.

Рис. 3. Режимы термической обработки поковок для производства валков горячей прокатки. Цифры обозначают продолжительность выдержки, ч

Страница

10

Термическая обработка валков, как правило, является окончательной термообработкой после ковки и состоит из нормализации и длительной выдержки при температуре высокого отпуска. Необходимость нормализации вызвана тем, что в процессе ковки температура различных частей поковки может изменяться в широких пределах. Степень деформации также широко изменяется по сечению заготовки. Цель нормализации заключается в снижении внутренних напряжений и измельчении зерна, что приводит к повышению механических свойств.

На рис. 3а представлена термообработка поковок из стали 60ХН. Причем изотермическая выдержка в субкритическом интервале температур определялась из расчета около 4 ч на 100 мм сечения. Второй режим (3б) соответствует изотермической выдержке до 7 ч на 100 мм. В третьем случае проводится двойная термообработка – предварительная и окончательная, общая продолжительность которой доходит до 20 суток. Поковки подвергают термической обработке в печах с выкатным подом, садка которых достигает 200–250 т. Поковки располагают в несколько ярусов, причем для прогрева изделий больших сечений необходима выдержка 2,5–3 ч на 100 мм. Только в этом случае будут выполнены необходимые условия для перекристаллизации, что обеспечит измельчение зерна, устранение внутренних напряжений и выравнивание механических свойств по всему сечению.

Заводы заинтересованы в сокращении продолжительности термообработки, но это может быть реализовано только в том случае, когда известны реальные скорости нагрева и охлаждения по всему сечению заготовок, а также, если известна кинетика распада переохлажденного аустенита, как в изотермических условиях, так и при непрерывном охлаждении. Нагрев под нормализацию должен обеспечить температуру выше критических точек во всем сечении заготовки, исходя из чего выбирают режим нагрева, т.е. скорость нагрева, температуру и длительность выдержки.

Для таких садок скорость нагрева составляет от 20–60 град/ч. Скорость охлаждения также находится в этих пределах. Поэтому из анализа термокинетической диаграммы распада переохлажденного аустенита следует, что при охлаждении поковок до температур 650–600 ОС в них полностью завершается перлитное превращение. Охлаждение необходимо проводить до тех пор, пока в центре поковки температура не достигнет 600 ОС. Но диаметр бочки валка приблизительно в 2–2,5 раза больше диаметра шейки, из-за чего скорость охлаждения шейки значительно выше, чем скорость охлаждения бочки. Поэтому в этих местах могут возникать флокены. Таким образом, при термообработке крупногабаритных поковок необходимо учитывать обеспечение замедленного охлаждения шеек.

Четвертый режим обеспечивает сокращение длительности термообработки на 20–30 часов при обеспечении необходимого качества. Качество поковок определяют по механическим свойствам на глубине, составляющей 1/3 радиуса от поверхности шейки на продольных образцах (см. рис. 4). Кроме того, проводится контроль по макроструктуре на флокены и ликвационную неоднородность.

Страница

11

Рис. 4. Схема отбора пробы металла в процессе контроля поковок для валков горячей прокатки

В состоянии поставки валки горячей прокатки должны иметь следующие свойства: В>800 МПа, 0,2>500 МПа, >8%, >33%, KCV 0,3 МДж/м2. Если в пробе выявляются флокены, то валки бракуются и подвергаются перековке. Обычно флокены наблюдаются на глубине от 1/3 до 2/3 R и не наблюдаются в поверхностной и центральной зонах, поскольку из поверхностной зоны водород успевает выделиться, а в центральной зоне имеются микронесплошности, в которые выделяется водород и не создает критического давления.

Глава 4. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМООБРАБОТКИ СОРТОВОГО ПРОКАТА ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Сортамент сортового проката представляет простые и фасонные профили общего и отраслевого назначения. К простым относят профили, которые имеют простую геометрическую форму (круг, квадрат, шестигранник, прямоугольник). К фасонным относят швеллер, уголок, двутавр. К профилям отраслевого назначения

относят арматуру и шахтную крепь.

Простые и сортовые профили являются наиболее массовым видом продукции и применяются для изготовления изделий в машиностроении. Сортовой прокат производят диаметром или стороной от 5 до 250 мм, длиной 1,5–6 м, или в бунтах различной массы. Сортовой прокат изготовляют из различных марок сталей. Для разных групп сталей применяются различные ГОСТы.

Страница

12

Термическую обработку сортового проката проводят либо с целью снижения твердости для последующей термообработки, либо с целью подготовки структуры к окончательной термообработке. Характер термообработки определяется составом стали и назначением проката. Основными видами термообработки являются отжиг и высокий отпуск. При этом одновременно происходит снижение внутренних напряжений, возникающих при прокатке. Термообработку сортового проката проводят в печах периодического действия (камерные или с выкатным подом) или непрерывного (роликовые).

Для наиболее рационального использования оборудования стали объединяют в группы с близкими критическими точками, одинаковым интервалом температур отжига, одинаковой склонности к окислению и обезуглероживанию и одинаковой устойчивостью переохлажденного аустенита.

Целесообразно группировать стали по их назначению:

1)углеродистые и инструментальные, близкие к эвтектоидному составу У8, У9;

2)углеродистые и инструментальные У10 и У15;

3)инструментальные легированные Х, ХВГ, ХС, 9ХС;

4)шарикоподшипниковые;

5)углеродистые конструкционные;

6)легированные конструкционные;

7)высоколегированные, т.е. жаростойкие, нержавеющие и т.д.

Качество термообработки, кроме соблюдения режима, зависит и от условий загрузки металла в печь. При обработке в печах периодического действия садку предварительно формируют и собирают в пакеты с помощью специальных скоб – бугелей (рис. 5).

Рис. 5. Схема укладки пакетов: а – схема обычной укладки пакетов; б – схема П – образной укладки пакетов

Страница

13

Выбор количества бугелей производят с учетом прогиба прутков под действием собственной массы при высокой температуре. При пакетировании садки, прокладки располагают на расстоянии ~ 0,5 м друг от друга. Количество рядов зависит от размера профиля и марки стали, причем прутки диаметром более 100 мм укладывают в один ряд, а диаметром от 100 до 50 мм – до двух рядов, а еще меньшим диаметром – в 5 рядов. При формировании садки из сталей различных марок необходимо помнить, что температура нагрева нижних слоев металла всегда ниже температуры верхних слоев. Поэтому в садке, которая формируется из различных марок сталей, в верхних слоях размещают сталь с более высокими критическими точками, а в нижних – стали с меньшими значениями критических точек. Кроме того, мелкие профили, нагрев которых происходит быстрее, лучше укладывать в среднюю часть пакета.

Длительность процессов термообработки сортового проката зависит от скорости нагрева, температуры процесса, скорости охлаждения, объема садки и используемого оборудования. Поскольку эти стали обладают хорошей теплопроводностью, то скорость нагрева определяется тепловой мощностью печи. Для ускорения нагрева на начальном этапе выдержки температуру устанавливают на 20– 40 ОС выше заданной. Такая температурная ступенька в течение 2–4 ч значительно ускоряет прогрев садки, что позволяет сократить общую длительность процесса.

Длительность отжига может быть сокращена и за счет повышения температуры выдержки, но при этом возрастает опасность обезуглероживания и окисления поверхности. Нормы выдержки представлены в таблице 2.

Таблица 2 Нормы выдержки при отжиге сортового проката в камерных печах с внешней механизацией

Режимы охлаждения при термообработке сортового проката зависят от марки стали и предъявляемых требований. Охлаждение проката после отжига обычно проводят на воздухе, исходя из необходимости получения перлитной структуры. Для сталей с повышенной устойчивостью аустенита охлаждение до температур 600–650 ОС проводится со скоростью равной 20–40 град/ч, а затем охлаждение на воздухе.

Страница

14

4.1. Термическая обработка сортового проката из углеродистых инструментальных сталей

После прокатки углеродистые инструментальные стали имеют структуру пластинчатого перлита различной дисперсности, которая зависит от диаметра профиля, а следовательно и разную твердость (табл.3). Пластинчатая форма перлита связана с тем, что прокатку проводят при температуре выше АС3 и при последующем охлаждении всегда образуется пластинчатый перлит. Такие стали имеют повышенную твердость и плохую обрабатываемость резанием.

Таблица 3 Структура и твердость проката из сталей после охлаждения на воздухе с температуры конца прокатки

Снижение твердости и улучшение обрабатываемости резанием достигается получением структуры зернистого перлита, который также является наиболее благоприятной структурой для последующей закалки, т.к. карбиды зернистой формы медленнее растворяются в аустените, замедляют рост аустенитного зерна и обеспечивают оптимальное сочетание прочности и вязкости за счет равномерного распределения карбидов в мартенсите. Для получения структуры зернистого перлита в углеродистых сталях температура нагрева при отжиге должна быть чуть выше АС1.

Оптимальная температура отжига этих сталей составляет АС1+(10–20 ОС). Нагрев до более высоких температур может привести к образованию пластинчатого перлита. При понижении температуры сохраняется большое количество нерастворившихся карбидов, приводящих к образованию мелкозернистой структуры, что в сочетании с повышенной скоростью охлаждения может приводить к образованию точечного перлита, имеющего повышенную твердость. Скорость охлаждения после отжига должна обеспечить распад аустенита в верхнем интервале температур (600–700 ОС). Охлаждение со скоростью 20–50 град/ч до 600 ОС способствует завершению распада аустенита в перлитной области и коагуляции карбидов.

Стали У7, У8, У9 имеют узкий интервал температур отжига АС1+(10–15 ОС), поскольку их состав близок к эвтектоидному. Поэтому и отжиг этих сталей наиболее сложен с точки зрения технологии, т.к. в больших садках практически невозможен равномерный нагрев всего объема. Отжиг этих сталей обычно проводят при температуре 745 ОС. Для ускорения нагрева профили большого сечения (450– 600 мм) нагревают до 760 ОС в течение двух часов, затем проводят отжиг по ука-

Страница

15

занному режиму. Стали У10, У13 имеют повышенный интервал температур отжига, и отжиг на зернистый перлит проводится легче. На результаты отжига влияет также исходная структура стали.

Заэвтектоидные углеродистые стали после охлаждения с температур конца прокатки (900–950 ОС) на воздухе имеют структуру пластинчатого перлита и цементитную сетку, которая последующим отжигом не устраняется, т.е. наличие сплошной цементитной сетки не допускается. Она должна быть разрушена либо прокаткой при температуре 800–750 ОС, либо применением ускоренного охлаждения водо–воздушной смесью на выходе из последней клети стана.

Заэвтектоидные углеродистые стали перед отжигом подвергают контролю на цементитную сетку. Для чего на двух образцах каждой плавки проверяют микроструктуру. И в случае наличия сплошной цементитной сетки сталь подвергают нормализации, т.е. нагревают до температуры 850 ОС и после прогрева подвергают ускоренному охлаждению путем обдува воздухом. Но нормализация приводит к дополнительному обезуглероживанию.

Температура отжига заэвтектоидных сталей составляет 770–780 ОС. В первые два часа температуру повышают до 790–860 ОС. Такой отжиг не приводит к заметному обезуглероживанию, но при нагреве под прокатку обезуглероживание может быть сильным. Глубина обезуглероженного слоя лимитируется размерами профиля и группой отделки поверхности. Если глубина обезуглероженного слоя больше допустимого, то такую сталь подвергают дополнительному окислительному отжигу в окислительной атмосфере, который называется исправительный. При таком отжиге происходит интенсивное окисление поверхности и превращение обезуглероженного слоя в окалину.

Твердость углеродистых и инструментальных сталей после отжига не должна превышать следующих значений:

Допустимая глубина (h) обезуглероживания сортового проката углеродистых инструментальных сталей следующая:

Страница

16

Режимы отжига сортового проката приведены на рис. 6.

Рис. 6. Режимы отжига сортового проката углеродистых инструментальных сталей:

а – У7, У8, У9; б – У10, У11,

У12, У13; в – “исправительный” отжиг сталей У7, У8, У9,

У10, У11, У12, У13 (масса садки 30 т); сплошная линия – профили диаметром до 40 мм; штриховая – диаметром более

40 мм

4.2.Термообработка сортового проката из легированных инструментальных сталей

Легированные инструментальные стали обычного охлаждения с температур конца прокатки имеют структуру мартенсита, троостита или сорбита, что исключает механическую обработку резанием. Структура и твердость легированных инструментальных сталей приведена в таблице 4.

Страница

17

Таблица 4 Структура и твердость легированных инструментальных сталей после охлаждения на воздухе с температур конца прокатки

Микроструктура сортового проката инструментальной стали должна соответствовать ГОСТ 5950–73, согласно которому в структуре недопустимо появление цементитной сетки и обезуглероживанного слоя выше нормы. Твердость этих сталей после отжига должна иметь следующие значения.

Отжиг сортового проката легированных инструментальных сталей имеет те же цели, что и отжиг инструментальных углеродистых сталей, но имеет ряд особенностей. Карбидообразующие легирующие элементы замедляют процесс превращения и повышают критические точки, поэтому отжиг легированных сталей проводят при более высоких температурах. Кроме того, легирующие элементы, повышая устойчивость переохлажденного аустенита, приводят к его распаду при более низких температурах и образованию более дисперсной структуры. Поэтому твердость легированных инструментальных сталей после отжига выше, чем углеродистых.

Из-за наличия термоустойчивых карбидов, эти стали при отжиге на зернистый перлит можно нагревать до более высоких температур и расширить температурный интервал отжига. Для проведения отжига сортового проката из легированных сталей, их объединяют в группы с близкими значениями критических точек. В тех случаях, когда целью термообработки является снижение твердости, смягчение стали может достигаться путем проведения высокотемпературного от-

Страница

18

пуска. При этом в структуре составляющих (мартенсите, троостите, сорбите) происходит интенсивная коагуляция карбидов.

Рис. 7. Режимы отжига (а, б) и отпуска (в) сортового проката легированных сталей:

а – 13Х, ХВГ, 9ХФ;

б – Х12, Х12М, Х12Ф, Р6М5, Р9, Р18; в – 7Х3, 8Х3, 4ХВ2С,

6ХВ2С – сплошная линия; для сталей 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХГМ – пунктирная линия (масса садки до 30 т).

4.3. Термообработка сортового проката из шарикоподшипниковых сталей

К шарикоподшипниковым сталям относят ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, которые поставляются в соответствии с ГОСТ 801–78. К этим сталям предъявляются особо высокие требования относительно чистоты по неметаллическим включениям, пористости, карбидной неоднородности и глубине обезуглероженного слоя. Наличие дефектов металлургического производства приводит к резкому снижению эксплуатационной стойкости подшипников. Одним из основных показателей качества шарикоподшипниковых сталей является карбидная неоднородность, которую подразделяют на три вида: карбидная ликвация, карбидная полосчатость, карбидная сетка.

Страница

19

Сортовой прокат шарикоподшипниковых сталей, который поставляется в отожженном состоянии в прутках диаметром до 60 мм, должен иметь структуру зернистого перлита. Твердость сталей ШХ4, ШХ15 должна составлять 179–200 НВ, а для сталей ШХ15СГ, ШХ20СГ – 179–217 НВ. В случае, когда карбидная сетка оказывается выше требуемого бала, проводят повторный отжиг. Иногда его называют “переотжиг” при температурах 760–780 ОС (рис.8). Этот повторный отжиг способствует коагуляции карбидов и уменьшению неоднородности по карбидной сетке. Для полного превращения переохлажденного аустенита, стали охлаждают в интервале температур 820–600 ОС со скоростью 20–30 град/ч. Иногда вместо замедленного охлаждения сталь быстро охлаждают до температур 660–680 ОС, переносят в другую печь и выдерживают 3–4 ч при этих температурах. Такой режим также снижает балл по карбидной сетке. Дальнейшее охлаждение проводят на воздухе.

Рис. 8. Режимы отжига сортового проката шарикоподшипниковых сталей:

а – обычный отжиг (сплошная линия – профили диаметром до 40 мм, штриховая – диаметром более 40 мм); б – “исправительный” отжиг

Если карбидная сетка после отжига превышает допустимую норму на 0,5 балла, сталь подвергают нормализации от температур 850–880 ОС. Но при нормализации всегда происходит обезуглероживание, которое не должно превышать требуемых норм, приведенных в таблице 6.

Таблица 6 Допустимая глубина обезуглероживания в горячекатанной шарикоподшипниковой стали (ГОСТ 801–78)

Страница

20