Термическая обработка детали

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 предохранения изделий  от окисления и обезуглероживания нередко в рабочее пространство печи вводят защитную газовую среду (контролируемые атмосферы). В качестве таких сред применяются следующие атмосферы:

1) эндотермическая (условное обозначение КГ—ВО), получаемая частичным сжиганием метана СН4 (природного газа) при коэффициенте избытка воздуха а = 0,25 в присутствии катализатора и содержащая 21 % СО, 40 % Н2, 2 % СН4, 37 % N2; состав эндотермической атмосферы можно регулировать таким образом, чтобы исключить окисление и обезуглероживание стали с любым содержанием углерода. Широко применяют и экзо-эндотермическую маловодородную атмосферу — 20 % СО, 20 % Н2 и 60 % N2;

2) экзотермическая, получаемая  частичным сжиганием природного газа при а = 0,6 без очистки и осушки (ПС—06) или с очисткой и осушкой (ПСО-06); атмосфера ПСО-06 содержит 10 % СО; 15—16% На; 0,05—1,5 % СН4 68—72 % N2„ а ПС-06, кроме того, — до 6 % СО2 и 2.3 % Н2О;

3) экзотермическая, получаемая  почти полным сжиганием природного газа при α = 0,9 без очистки и осушки (ПС-09) и с очисткой и осушкой (ПСО-09), в последнем случае эта атмосфера содержит 2 % СО, 2 % Н2, 96 % N2; в атмосфере (ПС-09) присутствуют 10 % СО2 и 2.3 % Н2О (за счет соответствующего уменьшения количества азота); эту атмосферу применяют при отжиге стали.

Охлаждающие среды для  закалки. Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия (определенную прокаливаемость) и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.

Наиболее желательна высокая  скорость охлаждения (выше критической  скорости закалки) в интервале температур А1 —Мн для подавления распада переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения Мн - Мк. Высокая скорость охлаждения в мартенситном интервале температур нежелательна, так как ведет к увеличению уровня остаточных напряжений и даже к образованию трещин. В то же время слишком медленное охлаждение в интервале температур Мн—Мк может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества остаточного аустенита вследствие его стабилизации, что снижает твердость стали.

Чаще для закалки используют кипящие жидкости — воду, водные растворы щелочей и солей, масла. 

При закалке в этих, средах различают три периода:

1) пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется cпаровая рубашка»; в этот период скорость охлаждения сравнительно невелика;

2) пузырьковое кипение,  наступающее при полном разрушении паровой пленки, наблюдаемое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период происходит быстрый отвод теплоты;

3) конвективный теплообмен, который отвечает температурам  ниже температуры кипения охлаждающей  жидкости; теплоотвод в этот период  происходит с наименьшей скоростью.

В табл. 1 приведены примерный температурный интервал пузырькового кипения и относительная интенсивность охлаждения Н в середине этого интервала для различных охлаждающих сред.

В табл. 1 приведены примерный температурный интервал пузырькового кипения и относительная интенсивность охлаждения Н в середине этого интервала для различных охлаждающих сред.

При закалке углеродистой и некоторых низколегированных  сталей, имеющих малую устойчивость переохлажденного аустенита, в качестве охлаждающей среды применяют  воду и водные растворы NaCl или NaOH.

При закалке углеродистой и некоторых низколегированных  сталей, имеющих малую устойчивость переохлажденного аустенита, в качестве охлаждающей среды применяют  воду и водные растворы NaCl или NaOH.

Вода как охлаждающая  среда имеет существенные недостатки. Высокая скорость охлаждения в области  температур мартенситного превращения  нередко приводит к образованию  закалочных дефектов; с повышением температуры воды резко ухудшаемся ее закалочная способность (см. табл. 1). При закалке изделии в

 

Таблица 1. Относительная  интенсивность охлаждения закалочных сред

Охлаждающая среда	Температура, °С		Относительная интенсивность  охлаждения в интервале температур пузырькового кипения Н
	Охлаждающей среды	Пузырько-вого кипения
Вода   10% раствор NaCl в хлоре Раствор NaOH в воде 10%-ный 50%-ный Масло минеральное	20 40 80 20   20 20 20-200	400-100 350-100 250-100 650-100   650-100 650-100 500-250	1,0 0,7 0,2 3,0   2,0 2,0 0,3

горячей воде вследствие их медленного охлаждения при высоких температурах и быстрого охлаждения при низких температурах тепловые напряжения получаются низкими, а наиболее опасные структурные — высокими, что и может вызвать образование трещин. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8-12%-ные водные растворы NаСl и МаОН, которые хороши зарекомендовали себя на практике.

При закалке в водных растворах  паровая рубашка разрушается  почти мгновенно, и охлаждение происходит более равномерно и в основном протекает на стадии пузырькового кипения. Увеличение охлаждающей способности достигается при использовании струйного или душевого охлаждения, широко применяемого, например, при поверхностной закалке.

Дальнейшим усовершенствованием  методов охлаждения явилось применение смесей воды с воздухом, подаваемых через форсунки. Водовоздушные среды применяют для охлаждения крупных поковок, рельсов и т. д.

Для легированных сталей, обладающих более высокой устойчивостью переохлажденного аустенита при закалке, применяют минеральное масло (чаще нефтяное).

Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов, и постоянство закаливающей способности в широком интервале температур среды (20-150°С). К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость (температура вспышки 165—300°С), недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, а также повышенную стоимость.

Температуру масла при  закалке поддерживают в пределах 60—90°С, когда его вязкость оказывается  минимальной.

Диаграмма закалки детали

HRC 65

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ. ОТПУСК

 

Отпуском называется операция нагрева закаленной стали для  уменьшения имеющихся в ней остаточных напряжений и придания ей комплекса  механических и других свойств, которые  необходимы для долголетней эксплуатации изделия.

При отпуске закаленной на мартенсит стали в ней происходят превращения, приводящие к распаду  мартенсита и образованию равновесного структурно-фазового состава. Интенсивность  и результат этих превращений  зависит от температуры отпуска.

 С целью недопущения  аллотропических превращений отпуск  производится при температурах  ниже точки Ас1. Однако поскольку  от температуры зависят степень  распада мартенсита и комплекс  получаемых при этом физико-механических  и других свойств, то температуру  отпуска выбирают в зависимости  от функционального эксплутационного назначения изделия.

В процессе многолетней эксплутационно-производственной практики сложились три основные группы изделий, требующие для их  успешной эксплуатации «своих» специфических комплексов вязкостно-прочностных и других свойств.

В первую группу входят режущий  и мерительный инструменты, а  также штампы для холодной штамповки. От их материала требуется высокая  твердость (свыше 58 HRC) и хотя бы небольшой запас вязкости.

Вторую группу составляют пружины, рессоры и другие изделия, от материала которых требуется  сочетание высокого предела упругости  с удовлетворительной вязкостью.

Третья группа изделий  включает большинство деталей машин, испытывающих статические и особенно динамические или циклические нагрузки. При длительной эксплуатации изделий  от их материала требуется сочетание  прочностных свойств с максимальными  показателями вязкости.

Следовательно, в зависимости  от температуры нагрева существует три вида отпуска: низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий). Отпуск преследует цель не просто устранить  внутренние напряжения в закаленной стали (этого можно добиться, применяя один единственный вид отпуска при  температуре несколько ниже точки  Ас1). Он является средством придания стали требуемого комплекса свойств. И ещё очень важно иметь  в виду: при увеличений температуры  отпуска возрастает степень диффузионного  распада мартенсита на ферритно-цементитную смесь, что обуславливает уменьшение прочностных свойств стали и повышение её вязкости.

Таким образом, при нагреве  и выдержке создаются условия  для протекания диффузионных процессов  в пресыщенной углеродом ОЦК  решетке мартенсита, превратившуюся в тетрагональную.

Низкотемпературный  (низкий) отпуск производится при 150-180°С, а для  легированных сталей – до 250°С. В  этом случае при низкой интенсивности  диффузионных процессов в мартенсите происходит только начальная стадия к его переходу в равновесное  состояние.

При низком отпуске мартенсит  лишь частично освобождается от пересыщающих его решетку атомов углерода. Поэтому  основу мартенсита отпуска составляет все ещё пересыщенный твердый  раствор углерода в a-Fe.

Однако в нем несколько  уменьшается число охрупчиваюших его трех-центровых ковалентных Fe-C-Fe - связей. Освобождающийся при этом углерод еще не может образовать стабильного карбида железа в виде частиц цементита Fe3C, обособившихся от кристаллической решетки мартенсита.

Поэтому в мартенсите отпуска  образуются лишь высокодисперсные частички карбидов промежуточного состава (Fe3C), когерентно связанные с его решеткой (такая связь означает, что пограничные атомы этих карбидных образований одновременно входят в состав ячеек матричной решетки мартенсита). Часть из освободившихся атомов углерода вместе с имеющимися в стали атомами азота образуют вокруг дислокации атмосферы Коттрелла.

Из вышеизложенного следует, что при низком отпуске наряду с процессами, обусловливающими разупрочнение мартенсита из-за частичного выхода из него атомов углерода (уменьшение числа ковалентных Fe—С—Fe-связей, частичное устранение искажений решетки и остаточных внутренних напряжений), происходят процессы и противоположного характера. К ним относятся образование стопоров в виде высокодисперсных карбидных включений и атмосфер Коттрелла, затрудняющих работу дислокационного механизма пластической деформации. При низком отпуске плотность дислокации снижается лишь незначительно, оставаясь на уровне 10 —10¹² см"² в зависимости от содержания углерода.

Таким образом, образующийся в результате низкого отпуска  отпущенный мартенсит Мo обладает более благоприятным комплексом механических свойств, сочетающим высокий уровень твердости с некоторым, хотя и небольшим, запасом вязкости и пластичности.

Среднетемпературный (средний) отпуск производится при температуре от 350 до 450°С (иногда до 470 °С). При таком нагреве завершается распад мартенсита, приводящий к образованию нормальных по составу и внутреннему строению феррита и цементита. Однако вследствие все еще недостаточной интенсивности диффузионных процессов размер зерен образующихся фаз оказывается очень малым.

Образующийся при среднем  отпуске продукт называется троститом отпуска То. В нем, в отличие от тростита закалки, цементит представлен не пластиночками, а в виде мельчайших зерен, что обусловливает его более высокую вязкость в сравнении с троститом закалки.

Вследствие происходящих в мартенсите при среднем отпуске диффузионных процессов почти устраняются ковалентные Fe—С—Fе-связи и искажения ОЦК решетки a-Fe, уменьшается плотность дислокации (до 10⁹—10'° см"²), ликвидируются («рассасываются») атмосферы Коттрелла, а также снижается уровень остаточных напряжений.

Сложившиеся у Т0 фазовая  и дислокационная структуры обеспечивают материалу изделий благоприятный для пружин, рессор и им подобных изделий комплекс механических свойств, т. е, высокий предел упругости, сочетающихся с вполне удовлетворительной для изделий этой группы вязкостью.

Высокотемпературный (высокий) отпуск осуществляется при 500-650 °С. При таких условиях нагрева при усилившихся диффузионных процессах происходит образование более крупных, чем у Т0, зерен феррита и цементита, сопровождающееся дальнейшим снижением плотности дислокации (до 10^8-10⁹ см"²) и практически полным устранением остаточных напряжений.

Получающийся при высоком  отпуске продукт распада мартенсита, называемый сорбитом отпуска С0, обладает максимальной для стали вязкостью, сочетающейся с удовлетворительными показателями прочности. Такой комплекс является идеальным для деталей машин, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам. Благодаря этому преимуществу термическую обработку, сочетающую закалку и высокий отпуск, издавна называют улучшением.