Термическая обработка детали

Скорость охлаждения при  отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно, от состава стали. Чем больше устойчивость аустенита в области температур перлитного превращения, тем медленнее должно быть охлаждение. Поэтому легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждаются Значительно медленнее (чаще со скоростью 40—60 °С/ч), чем углеродистые, скорость охлаждения которых составляет 100—150 °С/ч.

После распада аустенита  в перлитной области дальнейшее охлаждение можно ускорять и выполнять даже на воздухе, Если отжиг предназначен и для снятия напряжений, например. в отливках сложной конфигурации, медленное охлаждение с не чью проводят почти до нормальной температуры.

Полному отжигу подвергают сортовой прокат из стали с 0.3 - 0,4%С, поковки и фасонные отливки.

Изотермический отжиг (рис. 4, а) состоит обычно в нагреве легированной стали, как и для полного отжига, и в сравнительно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки А1 (обычно 660—680 °С).

При этой температуре назначают изотермическую выдержку 3—6 ч, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.

Одно преимущество изотермического  отжига—в сокращении длительности процесса, особенно для легированных сталей, которые для заданного снижения твердости приходится охлаждать очень медленно. Для наибольшего ускорения процесса температуру изотермической выдержки выбирают близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области (рис. 4, б). Другое преимущество изотермического отжига заключается в получении более однородной ферритно-перлитной структуры; при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение по всему объему стали происходит при одинаковой степени переохлаждения. Для некоторого укрупнения зерна и улучшения обработки резанием температуру отжига принимают 930-950 °С.  Нагрев нередко осуществляют в проходных печах с контролируемой атмосферой.

Рис.4.Схема изотермического отжига стали (Q   — масса садки, т).

Изотермическому отжигу чаще подвергают поковки (штамповые заготовки) и сортовой прокат из легированной цементированной стали небольших размеров.

При отжиге больших садок (20—30 т и более) быстрое и равномерное охлаждение до температуры изотермической выдержки невозможно. Превращения в отдельных участках садки протекают при разных температурах, что приводит к неравномерной структуре и твердости в пределах одной садки, поэтому для таких садок изотермический отжиг обычно не применяется.

Пружинной (канатную) проволоку  из стали, содержащей 0,65-0,9%С, перед холодным волочением подвергают изотермический  обработке – патентированию. Для патентирования проволоку подвергают высокотемпературной  аустенитизации для получения однородного аустенита, а затем пропускают через расплавленную соль, температурой 450—550°С. В результате изотермического распада аустенита образуется тонкопластинчатый троостит или сорбит. Такая структура позволяет при холодной протяжке давать большие обжатия (более 75 %) без обрывов и после заключительного холодного волочения получить высокую прочность (σв == 2000—2250 МПа).

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки А1). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучшения обрабатываемости их резанием. При неполном отжиге, происходит частичная перекристаллизация стали — вследствие перехода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Такой отжиг конструкционных легированных сталей проводится при 750—770°С о последующим охлаждением со скоростью 30—60°С/ч (чем выше легированность стали, тем медленнее охлаждение) до 600 "С, далее на воздухе.

Неполный отжиг широко применяют для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. В этих сталях проводят нагрев до температуры лишь немного выше точки А1 (обычно на 10-30°С), что вызывает практически полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую (сфероидальную) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией. Частицы цементита, не растворившегося при нагреве, или области аустенита о повышенной концентрацией углерода за счет неполной его гомогенизации после растворения цементита служат центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении до температуры ниже точки А1 и принимающего в этом случае зернистую форму. В результате нагрева до температуры значительно выше точки А1 и растворения большей части цементита и более полной гомогенизации аустенита последующее выделение его ниже точки А1 происходит в пластинчатой форме. Если избыточный цементит находился в виде сетки, что является дефектом, то перед этим отжигом предварительно нужно провести нормализацию с нагревом, до температуры выше точки Аст для растворения сетки из вторичного цементита е последующим охлаждением на воздухе или в воздушной струе для предупреждения выделении этого цементита по границам аустенита. Нормализацию нередко проводят с прокатного (ковочного) нагрева.

Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий интервал температур нагрева (750-760°С) для отжига на зернистий цементит, для заэвтектоидных углеродистых сталей интервал расширяется до 770-790°С.  Легированные эаэвтектоидные стали для получения зернистых карбидов можно нагревать до более широких температур и в более широком интервале (770-820).

Охлаждение при сфероидизации медленное. Оно должно обеспечить распад аустенита на ферритно-карбидную структуру, сфероидизации н коагуляцию образовавшихся карбидов при охлаждении до 620-680 °С. Чаще применяют изотермический отжиг, требующий меньше времени. В этом случае сталь медленно охлаждают (30-50°С/ч) до 620-680 °С. Выдержка при постоянной температуре, необходимая для распада переохлажденного аустенита и коагуляции карбидов, составляет 1-3 ч в зависимости от массы отжигаемого металла. Последующее охлаждение проводят на воздухе.

Диаграмма рекристаллизационного отжига детали

HRC 30

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ. ЗАКАЛКА

 

Закалка — это термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше критической (А3 для доэвтектоидной и А1—для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую (рис. 5). Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Рис.5. Схема закалки доэвтектоидной стали:

а – схема закалки, б – изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита доэвтектоидной стали с указанием скорсти охлаждения при закалке V и критической скорости закалки V; А – аустенит, Б – бейбнит, Ф – феррит, М – мартенсит.

Инструментальную сталь  в основном подвергают закалке и  отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а  конструкционную сталь – для  повышения прочности, твердости, получения  достаточно высокой пластичности, а  для ряда деталей также высокой  износостойкости.

Выбор температуры закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30— 50°С выше точки Ас3 (рис. 5). В этом случае сталь с исходной структурой перлит+феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит, Закалку от температур, соответствующих межкритическому интервалу (Ас1—Ас3), применяют только для листовой низколегированной низкоуглеродистой стали для получения структуры феррита с небольшими участками мартенсита (20—30 %). обеспечивающей хорошие механические свойства и штампуемость. Во всех других случаях закалка доэвтектоидных сталей из межкритического интервала температур не применяется, так как механические свойства оказываются ниже, чем после закалки от температур выше точки А3.

Заэвтектоидные стали под закалку нагревают несколько выше температуры точки Ас1(рис. 6, а). При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью (рис. 6, б). Верхний предел температуры закалки для большинства заэвтектоидных сталей ограничивают, так как чрезмерное повышение температуры выше точки А1 связано с ростом зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению. Поэтому интервал колебания температур закалки большинства сталей невелик (15—20 °С). Закалка от температур выше точки Аст снижает твердость стали за счет увеличения количества остаточного аустенита (рис. 6, б).

Для многих высоколегированных сталей температура нагрева под  закалку значительно превышает  критические точки А1 и А3 (на 150—250 °С). что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита.

Это повышение температура  не ведет к заметному росту  зерна. так как нерастворенные частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.

Продолжительность нагрева  при аустенитизации стали должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали.

Общая  продолжительность  нагрева Vобщ. =Vс.п + Vи.в. в. где Vс.п —продолжительность сквозного прогрева до заданной (конечной) температуры, обусловленная формой и размерим изделий, их расположением, типом печи,

Рис. 6. Диаграмма состояния  Fe— Fe3C с нанесенным и температурами нагрева для закалки сталей  и зависимость твердости и количества остаточного аустенита стали после закалки с различных температур от содержания углерода; 1 — мартенсит; 2 — заэвтектондная сталь, закаленная от температуры А1+ (20— 30 °С); 3 — завввтектоидная сталь, закаленная от температуры Аст + (20—30 "С); 4 — количество   остаточного   ауотеннта (Аост ) после заколки от температуры А3 + (20—30 °С) (доэвтектоидной стали) н Аст + (20-.30 "С) (заэптектовдной стали).

составом и свойствами стали и т. д.; Vи.в — продолжительность изотермической выдержки при данной температуре, не зависящая от формы и размера изделия и определяемая только составом и исходным состоянием стали.

В настоящее время разработаны  инженерные методы расчета основных типовых параметров — продолжительности  нагрева, скорости нагрева, перепада температуры  по толщине металла и т. д. Но часто  пользуются опытными данными. На 1 мм сечения или толщины изделия из доэвтектоидных сталей продолжительность нагрева принимают в электропечах 45—75с, а в соляной ванне — 15—20с.

Величина Vи.в должна быть минимальной, но при этом обеспечивать завершение фазовых превращений в стали и необходимую концентрацию углерода и легирующих элементов в аустените.

Продолжительность изотермической выдержки при заданной температуре  для деталей машин часто принимают  равной 15—25% от продолжительности сквозного нагрева.

Выдержка в электрической  печи при температуре закалки  для инструмента из углеродистой стали (0,7—1,3%С) рекомендуется 50—80 с на 1 мм наименьшего сечения, а легированной стали 70—90 с; при нагреве в соляной ванне соответственно 20—25 с для углеродистой стали и 25—30 с для легированной.

Фасонный инструмент и  детали машин сложных форм при  нагреве под закалку для уменьшения деформации рекомендуется предварительно подогревать в печи при 400—600 °С.

Выбор среды для нагрева  при термической обработке. При нагреве в пламенных или электрических печах взаимодействие печной атмосферы с поверхностью нагреваемого изделия приводит к окислению и обезуглероживанию стали, которое снижает твердость, механические свойства и износостойкость. 

Для многих высоколегированных сталей температура нагрева под  закалку значительно превышает  критические точки А1 и А3 (на 150—250 °С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита.

Это повышение температура  не ведет к заметному росту  зерна. так как нерастворенные частицы  карбидов тормозят рост зерна аустенита.

Продолжительность нагрева при аустенитизации стали должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали.

Общая  продолжительность  нагрева Vобщ. =Vс.п + Vи.в. в. где Vс.п —продолжительность сквозного прогрева до заданной (конечной) температуры, обусловленная формой и размерим изделий, их расположением, типом печи, составом и свойствами стали и т. д.; Vи.в — продолжительность изотермической выдержки при данной температуре, не зависящая от формы и размера изделия и определяемая только составом и исходным состоянием стали.

В настоящее время разработаны  инженерные методы расчета основных типовых параметров — продолжительности  нагрева, скорости нагрева, перепада температуры  по толщине металла и т. д. Но часто  пользуются опытными данными. На 1 мм сечения или толщины изделия из доэвтектоидных сталей продолжительность нагрева принимают в электропечах 45—75с, а в соляной ванне — 15—20с.

Величина Vи.в должна быть минимальной, но при этом обеспечивать завершение фазовых превращений в стали и необходимую концентрацию углерода и легирующих элементов в аустените.