Термическая обработка стали.

Это очень важный технологический процесс. Только выполнив его, можно получить требуемые механические свойства стали. Принято различать 4 типовых группы термообработки.

I. Отжиг 1-го рода.

Проходит без фазовых превращений и не зависит от них.

Гомогенизирующий (диффузионный) отжиг.

Проводят для выравнивания химсостава, например, в слитках, уменьшения ликваций. Осуществляется нагревом до 1000-1200°С со скоростью 100- 150°С/час, выдержка и охлаждение в печи до 800- 820°С и далее на воздухе.

Рекристаллизационный отжиг.

Проводится после холодной деформации металла для устранения искажений кристаллической решетки, образования новых зерен, устранения остаточных напряжений. При первичной рекристаллизации плотность дислокаций уменьшается до первоначального уровня.

Так, отжиг калиброванных прутков из высокоуглеродистой стали проводят при Т= 680- 740°С в течение 0,5- 1,5 часа.

После выдержки охлаждение с печью.

Высокий отпуск.

Применяется после закалки на металлургических заводах для снижения твердости сортового проката при Т= 650- 700°С в течение 3- 15 час.

Отжиг для снятия остаточных напряжений.

Применяется при обработке отливок, сварных соединений, деталей после операций резания. Проводят при Т= 160- 700°С с последующим медленным охлаждением с печью; Т= 160- 180°С (2- 2,5 час.) после окончательной мех. обработки; Т= 650- 700°С после сварки.

II. Отжиг 2-го рода.

При такой термообработке происходит фазовая перекристаллизация, приводящая к фазовому равновесию. Эти превращения определяют целевое назначение отжига.

Изотермический отжиг.(см. рис 2.23,а)

Проводят для поковок и сортового проката из легированной цементуемой стали небольших размеров. Нагрев до температур выше точек А_с3 (доэвтектоидная сталь) и А_с1, А_сm(заэвтектоидная сталь), охлаждение до Т= 660- 680°С, т.е. ниже линии А_с1. Выдержка 3- 6 часов. Охлаждение с печью. Получается структура- перлит.

Полный отжиг (см. рис. 2.23,б).

Применяется при обработке горячедеформируемой стали, слитков, фасонных отливок для получения мелкозернистой структуры и обеспечения высокой вязкости и пластичности.

Полный отжиг доэвтектоидных сталей устраняет крупнозернистость.

Производится нагрев до Т» 850°С (немного выше точек А_с3), выдержка и последующее медленное охлаждение с печью.

Структурой перлитных сталей (сталь 40 и др.) после полного отжига является перлит, т.е. при медленном охлаждении таких сталей аустенит превращается в перлит.

Рис. 2. 23

Графики изменения температуры при: а) изотермическом отжиге; б) полном отжиге.

Неполный отжиг

Применяется для обработки заэвтектоидных и легированных сталей. Осуществляется нагревом до Т= 750- 770°С , т.е. между точками А_с1 и А_с3, А_сm, охлаждением со скоростью 30- 60°С/час до 600°С и последующим охлаждением на воздухе.

При обработке заэвтектоидных сталей в структуре получают зернистый перлит и устраняют крупнозернистость.

Отжиг нормализационный (нормализация) (см. рис.2.24).

Применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки, для низколегированных сталей- вместо обычного отжига. Осуществляется нагревом выше А_с3 для доэвтектоидных сталей (С< 0,8%) или выше А_cm для заэвтектоидных сталей (С> 0,81%), т.е выше кривой GSE, непродолжительной выдержкой с последующим охлаждением на воздухе.

К конструкционным улучшаемым сталям относятся стали с содержанием углерода 0,30%....0,50%.

Рис. 2.24

График изменения температуры

при нормализации

Она вызывает фазовую перекристаллизацию, устраняет крупные зерна, уменьшает анизотропию.

Структура среднеуглеродистой стали после нормализации- перлит.

Нормализация занимает меньше времени, чем отжиг, т.к. здесь выше скорость охлаждения. При отжиге низко- и среднеуглеродистые стали охлаждают обычно вместе с печью.

Отжиг, увеличивающий зерно.

Производят нагревом до Т= 950…1200°С. Подвергают ему трансфоматорную сталь, техническое железо для повышения магнитных свойств.

III. Закалка

Это процесс термообработки, заключающийся в нагреве стали выше критических А_с3 (для доэвтектоидных сталей), А_сm (для заэвтектоидных) сталей) точек или выше точек А_с1 для заэвтектоидных сталей (неполная закалка), выдержке при этой температуре и быстром охлаждении. Нагревом выше точек А_с3, А_сm осуществляется полная закалка.При этом для низкоуглеродистых и низколегированных сталей обеспечивается хорошая штампуемость, а при закалке углеродистых сталей получается структура- мартенсит. При закалке аустенитных сталей получается аустенит. В случае неполной закалки заэвтектоидных сталей повышается твердость. Инструментальные стали, например У13, закаливают при Т= 790…820°С. На рис. 2.25 зона нагрева обозначена пунктиром.

Охлаждение может осуществляться в масле, воде, водных растворах солей и др. После закалки для уменьшения хрупкости стали обязательно подвергают отпуску. Фактически после закалки получается неустойчивая структура.

Рис. 2.25

График изменения температуры при закалке и зона диаграмммы Fe- C.

Основная задача нагрева при закалке - перевод исходной структуры (феррит + цементит) в аустенит. Быстрое охлаждение (закалка) переохлаждает аустенит до 200- 300°С. Ниже этой температуры аустенит превращается в мартенсит, имеющий высокую твердость.

В металловедении различают критическую скорость закалки (v_зкр). Если v_з< v_зкр ,то материал не закаливается и в нем есть остаточный аустенит. При v_з= v_зкрвесь аустенит превращается в мартенсит. Критическая скорость закалки зависит от материала.

Если v_з< v_зкр,томожетобразоваться бейнит (структура из твердого раствора Fe_a и частиц карбидов, претерпевшего мартенситное превращение). Бейнитное превращение носит смешанный характер, т.е. имеет место диффузионный и бездиффузионный процессы.

Для получения бейнита производится изотермическая закалка.

При медленном охлаждении эвтектоидной стали аустенит превращается в перлит.

В случае сквозной закалки свойства по сечению одинаковы. Если деталь не прокаливается насквозь, то свойства по сечению будут разными.

Пример:

Сталь 45, Æ10 мм- прокаливается в воде насквозь. После отпуска при Т= 550°С получается структура сорбит. (s_вр= 800МПа, s_т= 650 МПа).

Сталь 45, Æ100 мм- закалка в воде. При этом в сердцевине v_з<v_зкр и образуется перлит+ феррит. Здесь s_вр= 700МПа, s_т= 450 МПа.

Прокаливаемость углеродистой стали при Æ15- 20 мм можно определить по виду излома или посредством измерения твердости по сечению.

Прокаливаемость даже в одной и той же стали может колебаться. Причина- неоднородность хим.состава, величина зерна, форма изделия ....

В таблице 2.5 приведены некоторые часто используемые охлаждающие среды и скорости охлаждения.

Энергичное охлаждение водой в мартенситном интервале температур вызывает трещины, коробление.....

Закалка в горячей воде из-за малой скорости охлаждения при высокой температуре и высокой скорости охлаждения при низкой температуре также может привести к образованию трещин.

Растворы NaCl, NaOH- хорошо зарекомендовали на практике.

Недостаток масла - повышенная воспламеняемость, недостаточная стабильность и низкая скорость охлаждения в зоне высоких температур.

Для закалки используют и другие среды- бишофит, среды азота, аргона...

Закаленная сталь находится в напряженном состоянии и имеет большую хрупкость. Для ее уменьшения и ослабления напряжений сталь подвергается отпуску.

При закалке инструментальных сталей основная цель- повышение твердости, а конструкционных- повышение прочности при сохранении достаточной вязкости.

Температура нагрева зависит от химического состава стали, а также от требований по твердости и величины зерна.

Табл. 2.5.

Перегрев стали при закалке нежелателен. Обычно D Т_з= 15- 50°С выше точек А_с3, А_с1. Для высоколегированных сталей D Т_з= 150- 250°С, необходимо для перевода карбидов в твердый раствор.

Общая продолжительность нагрева равна:

t_общ= t_сп + t_ив , где t_сп - продолжительность сквозного прогрева до заданной (конечной температуры), обусловленной формой, размером изделий, печью, составом стали и т.д.; t_ив - продолжительность изотермической выдержки определяется только составом и исходным состоянием стали.

Обычно значения составляющих времени равны:

t_сп = 45- 75 сек на 1мм сечения или толщины в электропечах для доэвтектоидных сталей;

15- 20 сек на 1мм сечения или толщины в соляной ванне;

t_ив= 50- 80 сек на 1 мм сечения для инструмента из углеродистой стали (0,7- -1,3%С) в электропечах;

70- 90 сек/мм- для инструментов из легированных сталей;

20- 25 сек/мм- в соляной ванне для инструмента из углеродистой стали;

25- 30 сек /мм - в соляной ванне для инструмента из легированных сталей.

На заводах существует различная практика. Так, например, на ОАО “ЗиО- Подольск” применяют выдержку t_ив= 120сек/мм, а t_сп определяют по цвету нагретого металла, хотя это не совсем правильно, т.к. более точно это можно сделать посредством термопары..

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение мартенсита в пределах заданного сечения и не должно вызывать закалочных дефектов- трещин, коробления и т.п. Обычно при Т= 400- 650°С нужна высокая скорость охлаждения, чтобы неустойчивый аустенит не разложился на цементит + перлит, в мартенситном интервале 200- 300°С желательно медленное охлаждение, снижающее остаточные напряжения, которые затем окончательно устраняются отпуском.

Дефекты закалки

1. Неполная закалка. Исправление- нормализация, затем более энергичная закалка.

2. Перегрев. Образуется крупноигольчатый мартенсит, приводящий к повышенной хрупкости. Исправление- отжиг (нормализация) и последующая нормальная закалка.

3. Пережог до Т= 1200- 1300°С в атмосфере. При этом металл окисляется по границам зерен и становится хрупким. Исправлению не подлежит.

4. Окисление и обезуглероживание (может приводить к уменьшению перлитной составляющей) стали (в печах без контролируемой атмосферы, при изготовлении труб). Приводит к снижению твердости и других показателей. Борьба- применение контролируемой атмосферы (нейтральной). Пример: смесь газов СО+ СО₂+Н₂+N₂.

5. Деформации, коробление, трещины.

Способы закалки:

1. Непрерывная в 1-м охладителе (самая массовая).

2. Прерывистая (в 2-х средах). Сначала в воде до Т= 300- 400°С, затем быстро опускается в масло или охлаждается на воздухе.

3. С самоотпуском. Охлаждение осуществляется в закалочной среде. Затем прерывают и температура внутри печи и снаружи выравнивается.

4. Ступенчатая.

5. Изотермическая. Длительная выдержка при Т=200- 300°С.

6. Поверхностная. Осуществляется токами высокой частоты (ТВЧ). При этом вследствие возникновения вихревых токов прогревается и закаливается только некоторый поверхностный слой, толщина которого определяется выражением

x= 4,46*10⁵[r/(mf)]^0,5, (2-25) где m - магнитная проницаемость; f - частота колебаний тока; r - плотность металла.

Частота f составляет обычно 10³- 10⁶Гц.

Сердцевина от такой закалки остается вязкой и хорошо воспринимает ударные нагрузки.

Такой закалке подвергают стали 45, 55П.

IV Отпуск

Это нагрев закаленной стали до температуры ниже линии PSK (точки А_с1), выдержка при этой температуры и последующее охлаждение с некоторой скоростью. Цель- приближение к равновесному состоянию.

Низкотемпературный (низкий) отпуск осуществляется при Т£ 250°С для режущего и мерительного инструмента из углеродистых и низколегированных сталей после ТВЧ и химико-термической обработки. Он немного улучшает вязкость, снижает закалочные напряжения. Инструментальные стали после закалки с целью сохранения твердости подвергаются низкому отпуску.

Среднетемпературный (средний) отпуск с нагревом до Т=300- 500°С применяется для обработки пружин, рессор. При этом получается структура троостит отпуска и высокие модуль упругости, предел выносливости, релаксационная стойкость. После отпуска - охлаждение в воде.

Высокотемпературный (высокий) отпуск с нагревом до Т=500- 680°С проводится для закаленных высоколегированных и углеродистых сталей, где есть много остаточного аустенита. После него получается структура- сорбит отпуска с наилучшим соотношением прочности и вязкости. Так, сталь 45 после закалки и высокого отпуска имеет структуру сорбит отпуска с зернистым строением цементита.

Улучшение (закалка + высокий отпуск) обеспечивает получение однородной дисперсной структуры сорбита, хорошее сочетание прочности, пластичности, ударной вязкости и др.. Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3- 0,5%С) конструкционные стали, к которым предъявляют высокие требования

Отпуск оказывает большое влияние на физико-механические свойства стали. Если после закалки электросопротивление и удельный объем возрастают (из-за наличия мартенсита), то при отпуске они уменьшаются. Чем выше температура отпуска, тем полнее снимаются остаточные напряжения.

Повышение температуры отпуска углеродистых сталей понижает прочность, а в инструментальных углеродистых сталях снижает твердость.

Быстрое охлаждение после отпуска может привести к появлению остаточных напряжений. Наиболее интенсивно напряжения снижаются при выдержке с Т» 550°С в течение 15- 30 мин. Например, выдержка 1,5 часа для стали 30 приводит к минимальным напряжениям.

Время выдержки при отпуске составляет 4- 6 мин на 1мм сечения. Температуру отпуска можно контролировать по цветам побежалости на поверхности.

В таблице 2.6 указаны некоторые режимы термообработки для получения требуемых механических свойств

Табл. 2.6.

Термомеханическая обработка (ТМО) стали.

В этой операция сочетают пластическую деформацию стали в аустенитном состоянии с закалкой. Различают два основных способа ТМО.

По первому способу, называемому высокотемпературной термомеханической обработкой (ВТМО), сталь деформируют при температуре выше линии GSE (рис.2.19), когда сталь имеет аустенитную структуру. Степень деформации- 20…30% (при более высокой деформации развивается рекристаллизация, снижающая механические свойства). После деформации следует немедленная закалка во избежание развития рекристаллизации.

По второму способу (менее распространенному), называемому низкотемпературной термомеханической обработкой (НТМО), сталь деформируют в температурной зоне существования устойчивого переохлажденного аустенита (400…600°С). Степень деформации составляет 75…95 %. Закалку осуществляют сразу после деформации.

ТМО позволяет получить высокую прочность (s_в до 3000МПа) при хорошей пластичности и вязкости.

Чугун

Это сплав железа (Fe) в основном с углеродом (C), содержание которого превышает 2, 14%. Температура плавления составляет 1147°С (см. рис. 2.19).

Присутствие эвтектики в структуре чугуна облегчает его использование как литейного сплава. Углерод здесь находится в виде цементита или графита, или того и другого. Чугун, у которого весь углерод при нормальных условиях химически связан в виде цементите, из-за светлого излома называется белым чугуном. Если у чугуна много графита, то такой сплав называют серым чугуном. У серого чугуна графит имеет форму пластинок. Имеются также высокопрочный чугун с графитом шаровидной (глобулярной) формы, ковкий чугун, у которого графит имеет форму хлопьев, и др.

Отличительной особенностью чугуна является наличие свободного углерода- графита и форма его включений, определяющих вид чугуна.

Графит- это мягкая непрочная неметаллическая фаза, слабо связанная с металлической основой. Поэтому включения графита нарушают сплошность металлической основы и ослабляют ее. Особенно сильное влияние оказывают пластинчатые включения, играющие роль как бы трещин и надрезов, т.е. концентраторов напряжений.

Благоприятная форма графита (шарообразная) достигается модифицированием чугуна, т.е. введением в расплав магния. Так получают высокопрочный чугун.

Ковкий чугун получают графитизирующим отжигом (томлением) отливок из белого доэвтектического чугуна с низким содержанием углерода (<2,5%С) и кремния.

В производственных условиях получают чугуны со следующими структурами:

1. Феррит+ перлит+ графит (серый ферритно- перлитный чугун).

2. Перлит+ графит (серый перлитный чугун).

3. Феррит+ графит (серый ферритный чугун)

4. Перлит+ цементит+ графит или перлит+ ледебурит+ графит. Такие чугуны называю половинчатыми.

На рис.2.26….2.30 показаны микроструктуры чугунов.

Рис. 2.26

Микроструктура перлитного серого чугуна – перлит + графит.

Рис. 2.27 Микроструктура ферритно- перлитного серого чугуна-

феррит+ перлит+ графит.

Рис.2.28

Микроструктура ферритного серого чугуна- феррит+ графит.

Рис. 2.29 Шаровидный графит Рис. 2.30 Хлопьевидный графит

Здесь светлое поле- соответствует ферриту, темные пластинки- графиту.

Другие элементы, добавленные в сплав, оказывают следующее влияние:

- Si, Ti, Ni, Cu, Al способствуют выделению графита и смягчению чугуна;

- Mn, Mo, S, Cr, V, W способствуют получению углерода в виде цементита в связанном состоянии;

- фосфор (Р) образует в чугуне тройную фосфовидную эвтектику, при которой выше твердость и хрупкость чугуна, но температура плавления снижается до 905°С. В обычном сером чугуне 0,3- 0,4%Р, в художественных отливках до 1%Р;

- сера (S) понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин. Обычно в чугуне 0,08- 1%S.

- графит уменьшает прочность.

Чугуны с добавками Al, Cu, Cr, Ni, Si >3,5%, Mn>1% называют легированными.

На структуру чугуна сильно влияет скорость охлаждения.

В белых чугунах весь углерод находится в связанном состоянии в форме цементита, Fe₃C. Из-за большого количества хрупкого цементита белый чугун хрупок и тверд. Вследствие высокой твердости он хорошо сопротивляется износу, но очень плохо обрабатывается резанием и поэтому ограниченно применяется в машиностроении.

Серый чугун распространен очень широко из-за дешевизны, высоких литейных свойств, хорошей обрабатываемости резанием и удовлетворительных механических свойств. Кроме того, он отличается хорошими антифрикционными свойствами и малой чувствительностью к надрезам.

Наибольшую прочность имеет чугун на перлитной основе.

Получение более прочных чугунов (высокопрочных) может быть достигнуто образованием в его структуре благоприятной формы графита. Это обеспечивается модифицированием чугуна, а именно добавкой в расплав перед заливкой в формы 0,4…0,6% магния. Свободный углерод остается в виде графита шаровидной формы.

Ковкий чугун получают графитизирующим отжигом (томлением) отливок из белого доэвтектического чугуна с низким содержанием углерода и кремния.

Марки чугунов.

Серые чугуны:

СЧ 10 ...СЧ 15- ферритные и ферритно-перлитные. Здесь цифры указывают на предел прочности в кГс/мм². Так, СЧ10 имеет s _вр= 10 кГс/мм²» 100МПа. Их применяют для малоответственных деталей при небольших нагрузках (станины, маховики, рамы).

СЧ 21...СЧ35- перлитные. Применяют для ответственных отливок деталей, работающих на износ.

Антифрикционные чугуны.

АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3. Антифрикционные свойства, т.е. сниженный коэффициент трения, определяются соотношением перлита и феррита, а также количеством и формой графита.

АЧВ-1- обычно работает при повышенных скоростях скольжения.

АЧВ-2- обычно работает в паре с сырым валом.

В структуре таких чугунов присутствует шаровидный графит.

АЧК-1; АЧК-2- ферритно-перлитные чугуны.

Высокопрочные чугуны.

ВЧ-45,... ВЧ-60,...ВЧ-120. У этих чугунов свойства литой углеродистой стали, но они сохраняют хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрацию, высокую износостойкость. ВЧ 45 имеет s_вр= 45 кГ/мм²» 450МПа, s_0,2= 220- 310 МПа, d= 2,8- 10%; HB140- 225.

Ковкий чугун.

КЧ 37- 12, ...КЧ 35- 10... выдерживают высокие статические и динамические нагрузки (редукторы, крюки, скобы...). В маркировке первая пара цифр соответствует пределу прочности, вторая - относительному удлинению, например КЧ 37- 12 имеет s_вр=37 кГ/мм²» »370МПа; d= 12%.

КЧ 30- 6, КЧ 33- 8- изготавливают головки, муфты, фланцы.

Специальные чугуны.

ЧС5...ЧС17- серые чугуны и чугуны с шаровидным графитом, легированные кремнием (при Si>13% коррозионностойки в H₂SO₄ );

ЧХ22...ЧХ32 - чугуны с шаровидным графитом, легированные хромом (жаростойкие, окалиностойкие, коррозионностойки в HNO₃);

ЧН15Д7- высоколегированный никелевый серый чугун;

ЧН15Д3Ш- высоколегированный никелевый чугун с шаровидным графитом (термостойкий, коррозионностойкий к щелочам);