Отжиг 2 рода различаются главным образом способами охлаждения и степенью переохлаждения аустенита, а также положением температур нагрева относительно критических точек.
Основные разновидности отжига 2 рода: полный, изотермический, нормализационный, патентирование. Эти виды отжига характерны для доэвтектоидных сталей.
Заэвтектоидные стали подвергаются сфероидизирующему отжигу и нормализации (нормализационный отжиг).
Полный отжиг — нагрев на 30-50° выше точки Ac1, выдержка и охлаждение вместе с печью (график 2 на рис. 46) до 200-400°, дальнейшее охлаждение на воздухе (ускоряется технологический процесс). Чрезмерное повышение температуры недопустимо т. к.
вызывает рост аустенитного зерна и ухудшает свойства. Легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, следует охлаждать медленнее (10-100 град/час), чем углеродистые(150-200град/ час).
Структура после отжига доэвтектоидной стали Ф + П, зерно обычно измельчается.
Неполный отжиг — нагрев на 20-50° выше Ac1, выдержка и медленное охлаждение, для доэвтектоидных сталей применяют с целью улучшения обрабатываемости, при этом происходит только перекристаллизация перлита, для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг, который обеспечивает сфероидизацию цементита и высокие свойства, поэтому этот отжиг называют сфероидизирующим. Полный отжиг (с нагревом выше Аст) для заэвтектоидных сталей не используется, т. к. при медленном охлаждении образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства.
Изотермический отжиг — нагрев производится также как и для полного отжига, затем быстро охлаждают (переносят в другую печь) до температур лежащих на 100-150°, ниже A1 и делают изотермическую выдержку до полного распада аустенита после чего охлаждают на воздухе (график 5 на рис. 46). Преимущество уменьшение длительности процесса, особенно для легированных сталей, получение более однородной структуры.
Используется для заготовок и др. Изделий небольших размеров, т. к. при больших массах металла невозможно обеспечить равномерное охлаждение до температуры изотермической выдержки.
Нормализационный отжиг (нормализация) — нагрев на 30-50 выше температуры линии GSE , выдержка и охлаждение на воздухе. Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной структуры.
Это повышает на 10-15% прочность и твердость средне — и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок взамен закалки и отпуска.
Для низкоуглеродистьк сталей нормализацию применяют вместо полного отжига (быстрее, а свойства близкие). Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализация может быть конечной термической операцией.
Для заэвтектоидных сталей нормализация применяется для устранения цементитной сетки, если она разорвалась при предшествующей обработке.
Патентирование- для получения канатной, пружинной и рояльной проволоки применяют изотермическую обработку, называемую патентированием.
Проволоку из углеродистых сталей, содержащих от 0, 45 до 0, 85 % С нагревают в проходной печи до температуры на 150-200° выше Асз, пропускают через свинцовую или соляную ванну с температурой 450-550° и наматывают на приводной барабан. Распад аустенита происходит около изгиба С образных кривых.
Структура феррито-цементитная, с очень малым межпластинчатым расстоянием — троостит патентирования. Избыточных фаз нет. После такой термической обработки проволоку подвергают многократному холодному волочению. В результате она имеет предел прочности до 200 кг/мм 2 (возможно получить до 500 кг/мм2).
Нормализация (определение и режимы проведения).
Нормализация — это, по существу, процесс отжига. Стальное изделие нагревают до температуры несколько ниже температуры закалки, выдерживают сталь при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе.
В результате сталь получается более мелкозернистой, чем при отжиге, повышаются ее твердость, прочность, ударная вязкость по сравнению с отожженной сталью. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига.
При повышении твердости нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности. Для стали 20 нормализация проводится при температуре 900-920 °С.
В ряде случаев, когда от материала изделия не требуется повышенных прочностных свойств, нормализация заменяет закалку. Особенно это касается деталей из низкоуглеродистой стали, для которых применение закалки исключается из-за очень высокой критической скорости закалки.
При нормализации заэвтектоидных сталей из-за ускоренного выделения из аустенита избыточного (вторичного) цементита нежелательная цементитная сетка вокруг перлитных зерен не образуется. В связи с этим одной из целей нормализации является разрушение упомянутой сетки у заэвтектоидных сталей.
Одним из способов изменения параметров стали является термообработка. Она включает несколько методов, одним из которых является нормализация. Далее рассмотрены принципы и применение данной технологии, отличия ее от прочих методов этой группы.
Общие положения
Принцип большинства технологий термической обработки подразумевает нагрев и выдержку сталей и охлаждение, что изменяет их строение. Несмотря на один принцип и сходные цели, каждая из них имеет определенные температурные и временные режимы.
Термообработка может служить и в качестве промежуточного этапа, и выполнять роль окончательного технологического процесса.
В первом случае такие методы используются для подготовки материала к последующей обработке, а во втором данным способом придают новые свойства.
Нормализацией стали называют процесс нагрева, выдержки материала, его последующего охлаждения на воздухе.
В результате формируется нормализованная структура. Этим объясняется название данного способа обработки.
Нормализация применяется для разных сталей, а также отливок. К тому же данной операции подвергают для измельчения структуры материала сварные швы.
Принципы
Суть нормализации состоит в нагреве стали до температуры, превышающей верхние критические значения температуры на 30 — 50°С , выдержке и охлаждении.
Температуру подбирают на основе типа материала. Так, заэвтектоидные варианты следует нормализовать в температурном интервале между точками Ас1 и Ас3, в то время как для доэвтектоидной стали используют температуры более Ас3.
В результате все материалы первого типа приобретают одинаковую твердость ввиду того, что в раствор переходит одинаковое количество углерода, и фиксируется одинаковое количество аустенита.
Получается состоящая из мартенсита и цемента структура.
Второй компонент способствует повышению износостойкости и твердости материала. Нагрев высокоуглеродистой стали более Ас3 ведет к увеличению внутренних напряжений вследствие роста зерен аустенита и повышению его количества за счет возрастания концентрации углерода в нем, приводящей к снижению температуры мартенситного превращения. Из-за этого сокращаются твердость и прочность.
Что касается доэвтектоидной стали, при нагреве более Ас3 она получает повышенную вязкость.
Это обусловлено тем, что в низкоуглеродистой стали при этом образуется мелкозернистый аустенит, который после охлаждения переходит в мелкокристаллический мартенсит.
Температуры между Ас1 и Ас3 не используют для обработки таких материалов, так как структура доэвтектоидной стали в данном случае получает феррит, снижающий ее твердость после нормализации и механические свойства после отпуска.
Оптимальные температуры нагрева при различных видах термообработки
Время выдержки определяет степень гомогенизации структуры. Нормативным показателем считают час выдержки на 25 мм толщины.
Интенсивность охлаждения в существенной степени определяет количество перлита и размеры пластин.
Так, существует прямая зависимость между данными величинами. То есть с повышением интенсивности охлаждения формируется больше перлита, расстояние между пластинами и их толщина сокращаются. Это увеличивает твердость и прочность нормализованной стали. Следовательно, низкая интенсивность охлаждения способствует образованию материала меньшей прочности и твердости.
К тому же при обработке предметов с большими перепадами сечения стремятся снизить термические напряжения во избежание коробления, причем и при нагреве, и при охлаждении. Так, перед началом работ их нагревают в соляной ванне.
При снижении температуры обрабатываемого изделия до нижней критической точки допустимо ускорение охлаждения путем помещения его в масло или воду.
Назначение
Нормализацию используют в различных целях. Путем осуществления данных работ как повышают, так и наоборот снижают твердость стали, ударную вязкость и прочность. Это определяется термической и механической историей материала. Данную технологию применяют с целью сокращения остаточных напряжений либо улучшения степени обрабатываемости материала различными методами.
Стальные отливки подвергают такой обработке для гомогенизации структуры, повышения подверженности термическому упрочнению, сокращения остаточных напряжений.
Получаемые путем обработки давлением предметы нормализуют после ковки и прокатки для сокращения разнозернистости структуры и ее полосчатости соответственно.
Нормализация с отпуском служит в качестве замены закалки для предметов сложной формы либо с резкими перепадами по сечению. Данный способ позволяет избежать дефектов.
Кроме того, нормализацию используют с целью измельчения крупнозернистой структуры, улучшения структуры перед закалкой, повышения обрабатываемости резанием, устранения сетки вторичного цемента в заэвтектоидной стали, подготовки к завершающей термической обработке стали после нормализации.
Близкие процессы
Термическая обработка стали, помимо нормализации, включает отжиг, отпуск, закалку, криогенную обработку, дисперсионное твердение. Цель нормализации, как и принцип осуществления, совпадает с названными технологиями. Поэтому далее проведено сравнение данных процессов.
Отжиг дает более тонкую структуру перлита, так как подразумевает охлаждение в печи. Его применяют в целях снижения структурной неоднородности, напряжения после обработки литьем или давлением, придания мелкозернистой структуры, улучшения обработки резанием.
Принцип закалки аналогичен, за исключением больших температур, чем при нормализации, и повышенной скорости охлаждения, благодаря тому, что его производят в жидкостях. Закалка повышает прочность и твердость, как и нормализация. Однако полученные таким способом детали отличаются хрупкостью и пониженной ударной вязкостью.
Отпуск используется после закалки для сокращения хрупкости и напряжений. Для этого материал нагревают до меньшей температуры и охлаждают на воздухе. С ростом температуры падают предел прочности и твердость, и увеличивается ударная вязкость.
Дисперсионное твердение, относящееся также к окончательной обработке, подразумевает выделение дисперсных частиц в твердом растворе после закалки при меньшем нагреве с целью упрочнения.
Благодаря криогенной обработке материал получает равномерную структуру и твердость. Такая технология особо актуальна для закаленной углеродистой стали.
Применение
Выбор какого-либо из рассмотренных способов обработки определяется концентрацией в стали углерода. Для материалов с величиной данного показателя до 0,2% предпочтительнее использовать нормализацию. Стали с количеством углерода 0,3 — 0,4% обрабатывают и нормализацией, и отжигом. В таких случаях выбор способа осуществляют на основе требуемых свойств материала.
Так, нормализация стали придает ей мелкозернистую структуру, большие прочность и твердость в сравнении с отжигом. Кроме того, данная технология является более производительным процессом. Следовательно, при прочих равных условиях она более предпочтительна.
Закалке ее предпочитают ввиду хрупкости получаемых таким способом изделий и при обработке предметов с перепадами сечения во избежание дефектов.
Таким образом, нормализацию можно считать промежуточной технологией по отношению к ним: она дает материал большей твердости, чем отжиг, но менее хрупкий в сравнении с закалкой, улучшая структуру и сокращая напряжения. Ввиду этого нормализация получила в машиностроении более обширное распространение.
Отжиг 2 рода
- Отжиг для снятия внутренних напряжений.
- Отжиг 1 рода
- Технология термической обработки стали
Рекристаллизационный отжиг — нагрев холоднодеформированного металла выше температуры рекристаллизации, выдержка и медленное охлаждение для снятия наклепа.
Используется, как предварительная обработка перед холодной пластической деформацией, как промежуточная операция между операциями холодной деформации или как конечная операция после обработки давлением.
Температура отжига зависит от состава стали и для достижения рекристаллизации по всему объему превышает температурный порог рекристаллизации. Для стали, содержащей 0, 08-0, 20% С, чаще подогреваемой холодной пластической деформации, температура отжига 680-700°. Продолжительность нагрева 0, 5-1, 5 часа, время выдержки должно быть достаточным для завершения рекристаллизационных процессов.
Применяется для снятия остаточных напряжении, возникших в процессе предшествующих технологических операций (литье, сварка, обработка резаньем и т. д.). Температура отжига обычно 550-680°.
Время выдержки устанавливается экспериментально, охлаждение медленное до 200-300°.
В результате термической обработки повышаются допустимые внешние нагрузки, сопротивляемость усталости и ударным нагрузкам, снижается склонность к хрупкому разрушению, стабилизируются размеры и предотвращается коробление и поводка изделий.
Отжиг 2 рода различаются главным образом способами охлаждения и степенью переохлаждения аустенита, а также положением температур нагрева относительно критических точек.
Основные разновидности отжига 2 рода: полный, изотермический, нормализационный, патентирование. Эти виды отжига характерны для доэвтектоидных сталей.
Заэвтектоидные стали подвергаются сфероидизирующему отжигу и нормализации (нормализационный отжиг).
Полный отжиг — нагрев на 30-50° выше точки Ac1, выдержка и охлаждение вместе с печью (график 2 на рис. 46) до 200-400°, дальнейшее охлаждение на воздухе (ускоряется технологический процесс). Чрезмерное повышение температуры недопустимо т. к.
вызывает рост аустенитного зерна и ухудшает свойства. Легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, следует охлаждать медленнее (10-100 град/час), чем углеродистые(150-200град/ час).
Структура после отжига доэвтектоидной стали Ф + П, зерно обычно измельчается.
Неполный отжиг — нагрев на 20-50° выше Ac1, выдержка и медленное охлаждение, для доэвтектоидных сталей применяют с целью улучшения обрабатываемости, при этом происходит только перекристаллизация перлита, для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг, который обеспечивает сфероидизацию цементита и высокие свойства, поэтому этот отжиг называют сфероидизирующим. Полный отжиг (с нагревом выше Аст) для заэвтектоидных сталей не используется, т. к. при медленном охлаждении образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства.
Изотермический отжиг — нагрев производится также как и для полного отжига, затем быстро охлаждают (переносят в другую печь) до температур лежащих на 100-150°, ниже A1 и делают изотермическую выдержку до полного распада аустенита после чего охлаждают на воздухе (график 5 на рис. 46). Преимущество уменьшение длительности процесса, особенно для легированных сталей, получение более однородной структуры.
Используется для заготовок и др. Изделий небольших размеров, т. к. при больших массах металла невозможно обеспечить равномерное охлаждение до температуры изотермической выдержки.
Нормализационный отжиг (нормализация) — нагрев на 30-50 выше температуры линии GSE , выдержка и охлаждение на воздухе.
Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной структуры. Это повышает на 10-15% прочность и твердость средне — и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.
Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок взамен закалки и отпуска. Для низкоуглеродистьк сталей нормализацию применяют вместо полного отжига (быстрее, а свойства близкие).
Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализация может быть конечной термической операцией. Для заэвтектоидных сталей нормализация применяется для устранения цементитной сетки, если она разорвалась при предшествующей обработке.
Патентирование— для получения канатной, пружинной и рояльной проволоки применяют изотермическую обработку, называемую патентированием.
Проволоку из углеродистых сталей, содержащих от 0, 45 до 0, 85 % С нагревают в проходной печи до температуры на 150-200° выше Асз, пропускают через свинцовую или соляную ванну с температурой 450-550° и наматывают на приводной барабан. Распад аустенита происходит около изгиба С образных кривых.
Структура феррито-цементитная, с очень малым межпластинчатым расстоянием — троостит патентирования. Избыточных фаз нет. После такой термической обработки проволоку подвергают многократному холодному волочению. В результате она имеет предел прочности до 200 кг/мм 2 (возможно получить до 500 кг/мм2).
Отжиг второго рода
- При отжиге 2-го рода в металле или сплаве происходят качественные или количественные изменения фазового состава при нагревании и обратные изменения при охлаждении.
- Принципиальную возможность применения к сплаву отжига 2-го рода можно установить по диаграмме состояния.
- В твердом состоянии протекают разнообразные фазовые превращения: полиморфное, эвтектоидное, перитектоидное, растворение одной фазы в другой при нагревании и обратное выделение при охлаждении и др.
- Отжиг 2-го рода можно проводить с полным изменением фазового состава, когда фазы, существовавшие при комнатной температуре, исчезают при нагревании, а фазы, стабильные при повышенной температуре, исчезают при охлаждении.
Для этого металл или сплав следует нагреть выше критической точки, например сплавы Х1 нагревают до температуры t1 выше точки t0. Если сплавы Х1 на рисунке, а — в нагреть до температуры t2, которая ниже, чем t0, то фазовый состав неполностью изменится — при температуре отжига частично сохраняется низкотемпературная фаза α.
Системы с различными фазовыми превращениями
Системы с различными фазовыми превращениями в твердом состоянии.
Если изменение фазового состава связано только с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии (сплав Х2), то при термообработке вообще невозможна полная фазовая перекристаллизация, так как основная фаза а, в которой растворяется избыточная фаза β, стабильна и при низких, и при высоких температурах.
В сплавах этого типа при нагревании и охлаждении изменяется только количественное соотношение фаз (включая полное исчезновение одной из них при нагревании выше 0). Неполное изменение фазового состава при отжиге происходит и в сплаве Х3, так как в нем высокотемпературная фаза стабильна при комнатной температуре.
Отжиг 2-го рода принципиально применим к любым металлам и сплавам, в которых в зависимости от температуры в твердом состоянии качественно или количественно изменяется фазовый состав.
Практическая целесообразность отжига 2-го рода определяется тем, насколько сильно структурные изменения влияют на свойства металла или сплава. Основные параметры отжига 2-го рода: температура нагрева, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения.
Температура нагрева и время выдержки должны обеспечить необходимые структурные изменения, например полное растворение избыточной фазы.
Скорость охлаждения должна быть достаточно мала, чтобы при понижении температуры успели пройти обратные фазовые превращения, в основе которых лежит диффузия (или самодиффузия). Обычно при отжиге изделия охлаждают вместе с печью или на воздухе вне печи.
Так как отжиг 2-го рода основан на использовании фазовых превращений в твердом состоянии, то вначале рассмотрим общие закономерности таких превращений. Они необходимы и для анализа других видов термической обработки.
«Теория термической обработки металлов»,И.И.Новиков
Фазовая перекристаллизация, включающая полиморфное или эвтектоидное превращение, приводит к коренной перестройке структуры по всему объему сплава (рисунок Системы с различными фазовыми превращениями). Полиморфное превращение в металлах можно использовать для устранения…
Гетерогенизирующий отжиг применяют к сплавам, в которых из матричной фазы вследствие изменения равновесной растворимости при понижении температуры выделяется другая фаза или несколько фаз. В подавляющем большинстве сплавов матричной фазой является…
Если двухфазная структура с определенной степенью дисперсности и оптимальным распределением частиц избыточной фазы обеспечивает повышенную стойкость против коррозии, то такую структуру получают гетерогенизирующим отжигом. Например, максимальную стойкость против коррозии под…
В тонких сечениях отливок из серого чугуна и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом из-за ускоренного охлаждения кристаллизуется ледебурит, т. е. чугун получается белым. При литье в кокиль вся поверхность может…
Упрочняющая термическая обработка серого чугуна не получила такого широкого распространения, как термообработка стали. Это объясняется тем, что пластинчатый графит, действуя как внутренние надрезы, сильно снижает прочность и пластичность металлической основы….
Металлическая матрица ковкого чугуна формируется при эвтектоидном распаде аустенита. Для получения чисто ферритной матрицы охлаждение в интервале температур эвтектоидного распада должно быть медленным (смотрите рисунок График отжига белого чугуна на…
Для получения высокопрочной канатной, пружинной и рояльной проволоки применяют изотермическую обработку, которая известна с 70-годов XIX в. и получила название патентирования. Проволоку из углеродистых сталей, содержащих от 0,45 до 0,85%С,…
Графитизирующему отжигу подвергают белые, серые и высокопрочные (модифицированные) чугуны. Отжиг белого чугуна на ковкий Белый чугун тверд и очень хрупок из-за большого количества эвтектического цементита в его структуре. Современный способ…
Малая степень переохлаждения аустенита, необходимая при отжиге, может быть получена не только при непрерывном охлаждении стали с печью. Другой путь — ступенчатое охлаждение с изотермической выдержкой в интервале перлитного превращения…
При нормализации сталь нагревают до температур на 30 — 50 °С выше линии GSE и охлаждают на воздухе (смотрите рисунок Температура нагрева сталей для отжига 2-го рода). Ускоренное по сравнению…
Для режима сфероидизирующего отжига заэвтектоидных сталей характерен узкий температурный «интервал отжигаемости». Нижняя его граница должна находиться немного выше точки А1, чтобы образовалось большое число центров выделения карбида при последующем охлаждении….
Для заэвтектоидных сталей полный отжиг с нагревом выше Аст (линия ES) вообще не используют, так как при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические и…
Разновидности отжига стали. Отжиг I и 2 рода
| Заказать ✍️ написание работы |
Отжиг первого рода — процесс термической обработки, заключающийся в нагреве детали до температуры ниже фазовых превращений, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении с заданной скоростью.
Такой вид отжига применяется для снятия наклепа и внутренних напряжений у деталей, подвергнутых холодной деформации (холодная прокатка, холодная штамповка, волочение).
Температура рекристаллизационного отжига любого металла берется на 50—100° С выше температуры рекристаллизации данного металла. Температура рекристаллизации данного металла или сплава берется равной 0,4 температуры плавления (отсчитанной от абсолютного нуля).
Рекристаллизация заключается в том, что, начиная с некоторой температуры, при нагреве происходит интенсивное перемещение атомов в металле, что влечет за собой изменение формы и величины деформированных кристаллических зерен.
В процессе рекристаллизации происходят превращения, аналогичные тем, которые происходят при первичной кристаллизации и вторичной перекристаллизации, т. е. зарождаются новые центры кристаллов и происходит одновременно их рост. Взамен вытянутых, расплющенных зерен, образуются мелкие, сфероидальные зерна, повышаются пластические свойства, металлу возвращаются исходные свойства.
Температура рекристаллизационного отжига для разных металлов и сплавов различная: она зависит только от температуры рекристаллизации данного металла или сплава. Для всех сталей температура рекристаллизационного отжига всегда ниже температуры Аr1 (см. рис. 30).
Отжиг второго рода заключается в нагреве детали до температуры несколько выше критической, продолжительной выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении с заданной скоростью. Отжиг применяется с целью снятия внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости резанием, устранения структурной неоднородности и подготовки к последующей термической обработке.
- Отжиг второго рода по условиям нагрева и выдержки подразделяется на полный, неполный и диффузионный;
- по условиям охлаждения — на отжиг изотермический и нормализацию;
- по условиям воздействия внешних факторов —на отжиг светлый и по условиям изменения структуры — на отжиг сфероидизирующий.
Диффузионный отжиг применяется в основном для слитков и крупных отливок из легированной стали для выравнивания химической неоднородности и уменьшения ликвации. Отжиг осуществляется путем нагрева на 150—250° С выше точки Ас3, длительной выдержки при этой температуре и последующего охлаждения с заданной скоростью.
При диффузионном отжиге получается крупнозернистая структура. Для получения мелкозернистой структуры после диффузионного отжига приходится производить обычный полный отжиг.
Полный отжиг производят путем нагрева стали на 30—50° С выше критической точки Ас3, выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением до 400—500° С со скоростью 200° С в час углеродистых сталей, 100° С в час для низколегированных сталей и 50° С в час для высоколегированных сталей.
Структура стали после отжига равновесная, устойчивая.
Доэвтектоидная сталь имеет структуру: феррит и перлит. Эвтектоидная сталь имеет структуру перлит, а заэвтектоидная — перлит и цементит.
На конечную структуру стали оказывает большое влияние скорость охлаждения. Чем больше скорость охлаждения, тем мельче будут зерна перлита и тем меньше будет выделяться избыточного феррита или цементита.
Полному отжигу подвергают горячедеформируемую сталь — поковки, штампованные детали, прокат, а также слитки и фасонные отливки из простой и легированной стали.
Неполный отжиг производится путем нагрева стали до температуры, находящейся в интервале между точками Ас1 и Ac3. Условия охлаждения такие же, как и при полном отжиге.
Неполный отжиг применяют преимущественно для заэвтектоидной стали, а также сортового проката и поковок из доэвтектоидной стали перед их механической обработкой, для снижения внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием.
Сфероидизирующий отжиг (на зернистый перлит) заключается в нагреве стали выше критической температуры Ас1 на 20—30° С, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении (25— 30° С в час) до температуры 600° С.
Цель такого отжига — перевод пластинчатого перлита в зернистый (глобулярный).
Обычно сфероидизации подвергают эвтектоидные и заэвтектоидные стали, получая у них высокие значения относительного удлинения и относительного сужения.
Изотермический отжиг является разновидностью полного отжига. Он в основном применяется для легированных сталей. Экономически этот процесс очень выгоден, так как длительность обычного отжига 13—15 ч, а изотермического отжига 4—6 ч.
Процесс изотермического отжига заключается в следующем: деталь нагревают до температуры выше критической точки Ас3 на 30—50° С, выдерживают при этой температуре, после чего сравнительно быстро охлаждают до температуры 600—650° С. При этой температуре выдерживают, что необходимо для полного распада аустенита, после чего следует сравнительно быстрое охлаждение (рис. 32).
При всех видах отжига не допускается перегрев и пережог стали. Перегрев стали —брак исправимый: образовавшуюся крупнозернистую структуру при перегреве можно исправить повторным отжигом. Пережог стали —брак неисправимый, так как сильно окисленные границы кристаллических зерен теряют связь и деталь разрушается.
Закалка стали.
Закалка — распространенный процесс термической обработки стальных деталей. Она осуществляется путем нагрева деталей выше критической точки Ас3 (доэвтектоидной стали) или Ас1 (заэвтектоидной стали) на 30—50° С, выдержки при этой температуре и быстрого охлаждения. Основная цель закалки стали — получение высокой твердости, износостойкости и физико-механических свойств.
Резкое увеличение твердости и прочности в процессе закалки происходит из-за фазовых превращений структуры в процессе нагрева и охлаждения и образования неравновесных твердых структур—мартенсита, троостита и сорбита.
Качество закалки зависит от правильного выбора режима закалки (температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения). Температура нагрева под закалку зависит от химического состава стали. Для углеродистых сталей ее выбирают, пользуясь диаграммой состояния сплавов.
Нагрев деталей должен быть достаточно медленным, чтобы не возникли напряжения и трещины. Время нагрева зависит от химического состава стали, от формы и размеров деталей.
Если нагрев производится в соляных ваннах, то скорость нагрева рекомендуется 0,5 мин на 1 мм сечения, если деталь нагревают в электрических печах, то время нагрева рекомендуется 15—20 мин на 1 мм сечения образца.
Время выдержки должно быть достаточным, чтобы весь процесс превращения перлита в аустенит завершился полностью. Продолжительность выдержки обычно рекомендуют 25% общего времени нагрева.
Охлаждение детали является наиболее ответственным этапом операции. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы обеспечить получение нужной структуры —мартенсита, троостита или сорбита, т. е. обеспечить необходимые механические свойства обрабатываемой детали.
Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры —мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.
При скорости охлаждения меньше критической в структуре закаленной стали, наряду с мартенситом, будет находиться троостит, а при дальнейшем уменьшении скорости получаются структуры троостита или сорбита без мартенсита.
Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит до температуры начала мартенситного превращения данной стали путем быстрого охлаждения стали (температура наименьшей устойчивости аустенита 550— 650° С).
В зоне температур мартенситного превращения, т. е. ниже 300° С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как структурные напряжения успевают выравниваться, а твердость образовавшегося мартенсита при выдержке ниже точки Мк практически не снижается.
Для успешного проведения термической обработки правильный выбор закалочный среды имеет большое значение.
Для закалки среднеуглеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С, а для большинства остальных сталей — масло.
Способность стали закаливаться на определенную глубину называется прокаливаемостью. За глубину закалки принимают расстояние от поверхности закаленной детали до слоя с полумартенентной структурой (50% мартенсита и 50% троостита).
При охлаждении в процессе закалки в стали возникают внутренние напряжения —термические и структурные.
Термические напряжения возникают в результате неравномерного охлаждения, а структурные напряжения — при превращении аустенита в мартенсит, что сопровождается значительным увеличением объема.
В результате создания таких напряжений при закалке может возникать брак следующих видов: трещины, коробление, бочкообразность, изменение объема. Дефектами закалки являются также мягкие пятна, пониженные твердость и прочность стали, обезуглероживание, окисление, перегрев, пережог и др.
Правильное погружение деталей в закалочную среду помогает избежать образования некоторых дефектов (поводки, коробления,трещин и др.). При погружении деталей можно руководствоваться следующими положениями (рис. 33);:
- а) длинные детали (сверла, развертки, протяжки) погружать в строго вертикальном положении;
- б) детали, имеющие вогнутую поверхность, погружать в закалочную среду вогнутой поверхностью вверх, так как в противном случае образуется паровой мешок и в этом месте деталь не закалится;
- в) детали, имеющие толстую и тонкие части, погружать в закалочную среду толстой частью;
- г) тонкие и плоские детали погружать узкой стороной.
В зависимости от толщины закаленного слоя в деталях различают объемную и поверхностную закалку. В зависимости от скорости охлаждения различают закалку ступеньчатую и изотермическую, а в зависимости от метода нагрева —закалку с нагревом в печах, токами высокой частоты, газовым пламенем и в электрических печах.
Объемная закалка (полная) с непрерывным охлаждением применяется для углеродистых сталей (охлаждение в воде) и для легированных сталей (охлаждение в масле). Этот способ заключается в том, что нагретую деталь погружают в закалочную среду и держат до полного охлаждения.
Недостатком этого способа является возникновение больших термических напряжений из-за резкой разности температур нагретой детали и охлаждающей среды.
Ступенчатая закалка производится путем быстрого охлаждения последовательно в двух различных охлаждающих средах. Первой охлаждающей средой являются расплавленные соли или масло с температурой на 20—30° С выше температуры начала мартенситного превращения (точка Мн) для данной стали.
В горячей среде деталям дают кратковременную выдержку. Выдержка в расплавленных солях или масле должна обеспечить выравнивание температуры по сечению детали, но не вызывать распада аустенита. Второй охлаждающей средой является воздух. При этом аустенит переходит в мартенсит.
Достоинством такого способа закалки является уменьшение термических напряжений, а следовательно, трещин, поводки и коробления, а также хорошее сочетание высокой вязкости с прочностью.
Ступенчатую закалку применяют для мелких деталей (сечением 8—10 мм) из углеродистой стали и для деталей (сечением до 30 мм) из легированной стали.
Изотермическая закалка так же, как и ступенчатая, производится в двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые или щелочные ванны) различна: она зависит от химического состава стали, но всегда (на 20—100° С) выше точки мартенситного превращения для данной стали.
Время выдержки должно быть достаточным для полного превращения аустенита в игольчатый троостит. Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе.
Изотермическая закалка широко применяется для деталей из высоколегированных сталей. После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностные свойства, т. е. сочетание высокой вязкости с прочностью.
Светлая закалка стальных деталей при любой разновидности процесса закалки производится в специально оборудованных печах с применением защитных сред или в ваннах с расплавленными слоями. Ванны для нагрева деталей под закалку обычно делают из хлористого натрия при температуре на 30—50° С выше температуры точки Ас1_3.
Охлаждение деталей производят при температуре 180—200° С в ванне, состоящей из 75% едкого кали и 25% едкого натра, с добавлением 6—8% воды (от веса всей соли). Такая смесь обладает очень высокой закаливающей способностью.
После светлой закалки поверхности детали приобретают светлый серебристо-белый цвет. В этом случае отпадает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.
Закалка с самоотпуском имеет широкое применение в инструментальном производстве. Процесс состоит в том, что детали выдерживаются в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а в определенный момент извлекаются из нее с целью сохранения в сердцевине детали некоторого количества тепла, за счет которого производится последующий отпуск.
Мартенситное превращение.
Мартенситное превращение, полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов (или молекул) происходит путём их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с междуатомным расстоянием[1].
Перестройка кристаллической решётки в микрообластях обычно сводится к деформации её ячейки, и конечная фаза мартенситного превращения может рассматриваться как однородно деформированная исходная фаза.
Величина деформации мала (порядка 1—10 %) и соответственно мал, по сравнению с энергией связи в кристалле, энергетический барьер, препятствующий однородному переходу исходной фазы в конечную.
Необходимое условие мартенситного превращения, которое развивается путём образования и роста областей более стабильной фазы в метастабильной, — сохранение упорядоченного контакта между фазами. Упорядоченное строение межфазных границ при малости барьера для однородного фазового перехода обеспечивает их малую энергию и высокую подвижность.
Как следствие, избыточная энергия, необходимая для зарождения кристаллов новой фазы (мартенситных кристаллов), мала и при некотором отклонении от равновесия фаз становится сопоставимой с энергией дефектов, присутствующих в исходной фазе.
Поэтому зарождение мартенситных кристаллов происходит с большой скоростью и может не требовать тепловых флуктуаций. Вследствие воздействия образовавшейся фазы на исходную фазу энергетический барьер для перемещения границы фаз существенно меньше, чем для однородного перехода; при небольших отклонениях от равновесия он исчезает — кристалл растет со скоростью порядка звуковой и без тепловой активации (превращение возможно при температурах, близких к абсолютному нулю).
Мартенситные превращения обнаружены во многих кристаллических материалах: чистых металлах, многочисленных сплавах, ионных, ковалентных и молекулярных кристаллах. Наиболее полно изучены мартенситные превращения в сплавах на основе железа, в частности в связи с закалкой стали.
Большие перспективы практического применения имеют возможность большого обратимого формоизменения при мартенситных превращениях (например, создание «сверхупругих» сплавов и изделий, восстанавливающих первоначальную форму при нагреве после пластической деформации — «эффект памяти»), а также связь мартенситных превращений с появлением сверхпроводящих свойств в некоторых металлах. Мартенситные превращения (часто в сочетании с диффузионным перераспределением компонентов и изменением атомного порядка) составляют основу многочисленных структурных превращений, благодаря которым с помощью термической и механической обработки осуществляется направленное изменение свойств кристаллических материалов. Значительный вклад в изучение мартенситных превращений внесли работы советских учёных (Г. В. Курдюмов и его школа).
- Отпуск стали.
- Отпуск стали является завершающей операцией термической обработки, формирующей структуру, а следовательно, и свойства стали.
- Отпуск заключается в нагреве стали до различных температур (в зависимости от вида отпуска, но всегда ниже критической точки Ac1), выдержке при этой температуре и охлаждении с разными скоростями.
Назначение отпуска —снять внутренние напряжения, возникающие в процессе закалки, и получить необходимую структуру. В зависимости от вида отпуска структура стали может быть мартенсит, троостит или сорбит отпуска.
В зависимости от температуры нагрева стальной закаленной детали различают три вида отпуска: высокий, средний и низкий.
Высокий отпуск производится при температурах нагрева выше 350—600° С, но ниже критической точки Ас1. В деталях образуется структура — сорбит отпуска; такой отпуск применяется для конструкционных сталей.
Средний отпуск производится при температурах нагрева 350— 500° С. В деталях образуется структура троостит отпуска; такой отпуск широко применяется для пружинной и рессорной сталей.
Низкий отпуск производится при температурах 150—250° С. Твердость детали после закалки почти не изменяется. Структура металла—мартенсит отпуска; низкий отпуск применяется для углеродистых и легированных инструментальных сталей, для которых необходимы высокая твердость (HRC 59—63) и износостойкость.
Кроме температуры нагрева, основным фактором при отпуске является выдержка. Скорость охлаждения в большинстве случаев значения не имеет.
Воспользуйтесь поиском по сайту:
8.1.3 Виды отжига второго рода
В
зависимости от марки стали и предъявляемых
к изделию требований применяют различные
виды отжига.
Полным
отжигом
называется нагрев доэвтектоидной стали
на 30 — 50 °С выше точки АС3
и для заэвтектоидной стали выше АСcm,
выдержка для сквозного прогрева и
завершения фазовых превращений и
охлаждение вместе с печью. При этом виде
отжига происходит полная фазовая
перекристаллизация. Обычно такой отжиг
используют для доэвтектоидной стали.
-
Целью
полного отжига является: -
—
измельчение зерна и повышение механических
свойств по сравнению с полученными
после литья, ковки, прокатки ; -
—
снижение остаточных внутренних
напряжений, которые могут привести к
короблению изделий и появлению трещин; -
—
снижение твердости и улучшение
обрабатываемости металла резанием.
Скорость
нагрева при отжиге обычно составляет
100°/ч. Медленное охлаждение должно
обеспечить распад аустенита при малых
степенях переохлаждения в перлитной
области, чтобы не получить повышенной
твердости. Поэтому углеродистые стали
охлаждают со скоростью 100-150°/ч, а
легированные, отличающиеся повышенной
устойчивостью переохлажденного
аустенита, — со скоростью 10-50°/ч.
Неполный
отжиг
— это нагрев стали выше АС1,
но ниже АС3
или АСcm,
вследствие чего фазовая перекристаллизация
происходит только частично.
После
неполного отжига доэвтектоидной стали
на фоне мелкозернистой феррито-перлитной
структуры наблюдаются остатки грубой
ферритной сетки или крупных зерен
феррита, не растворившихся при нагреве.
Вследствие этого механические свойства
стали оказываются пониженными.
Этот
вид отжига применяют иногда для улучшения
обрабатываемости металла резанием, а
также для снятия напряжений, так как он
более экономичен по сравнению с полным
отжигом. В остальных случаях неполный
отжиг является браком.
Для
заэвтектоидной стали обычно делают
неполный отжиг, который способствует
получению структуры зернистого перлита.
Сфероидизирующим
отжигом (отжитом на зернистый перлит)
называется нагрев стали на 10-30°С выше
точка АС1
с последующим медленным 20 – 50 °С/ч охлаждением до 650°С. Часто применяется
изотермический режим охлаждения,
требующий меньше времени: охлаждение
со скоростью 20 — 50° С/ч до 620 – 680 °С,
выдержка при этой температуре 1-3 часа,
далее — охлаждение на воздухе.
При
указанных температурах нагрева в
аустените сохраняется большое количество
нерастворившихся частиц цементита,
которые служат центрами образования
цементита во время распада аустенита
на феррито -цементитную смесь. Медленное
охлаждение должно обеспечить сфероидизацию
и коагуляцию образующегося цементита
(в легированных сталях – специальных
карбидов). В результате получается
структура зернистого перлита.
Сфероидизирующему
отжигу подвергаются углеродистые и
легированные инструментальные и
шарикоподшипниковые стали для снижения
твердости, улучшения обрабатываемости
резанием, снижения внутренних напряжений.
Кроме того, зернистый перлит является
оптимальной исходной структурой перед
закалкой — выше однородность, меньше
склонность аустенита к росту зерна,
меньше деформация изделий и опасность
появления трещин, выше прочность и
вязкость в закаленном состояния.
Этому
виду отжига подвергают также листы и
прутки из низко- и среднеуглеродистых
сталей перед холодной штамповкой или
волочением для повышения пластичности.
Изотермический
отжиг —
это нагрев на 30 – 50 °С выше точки АС3
для доэвтектоидной или точки АС1
для заэвтектоидной стали,. ускоренное
охлаждение до температуры 600 – 650 °С,
выдержка до полного распада аустенита
и охлаждение на воздухе.
Цели
изотермического отжига те же, что и
полного.
Преимущество изотермического
отжига состоят в уменьшении длительности
процесса, особенно для легированных
сталей, которые приходится очень медленно
охлаждать для требуемого снижения
твердости.
Кроме того, структура и
свойства получаются более однородными,
так как превращение по всему объему
изделия происходит при одинаковой
степени переохлаждения.
Нормализационный
отжиг(нормализация).
Нагрев производится на 50 – 60 °С выше
точки АС3
или АСсm
(рис. 9.3), охлаждение — на спокойном
воздухе.
Цели
нормализации те же, что и полного отжига.
Микроструктура нормализованной стали
по сравнению с отожженной более
мелкозернистая, строение перлита более
дисперстное, количество его в доэвтектоидных
сталях увеличено, так как распад аустенита
происходит при большем переохлаждении.
Поэтому твердость и прочность
нормализованной стали несколько выше,
чем после отжига.
Нормализация
более экономична и производительна по
сравнению с отжигом и широко применяется
в термических цехах для низкоуглеродистых
нелегированных сталей. Для среднеуглеродистых
сталей (0.3 — 0.
5 %С) различие в свойствах
нормализованной и отожженной стали
более значительно; в этом случае
нормализация не может заменить отжига.
Высокоуглеродистые и легированные
стали при охлаждении на воздухе
приобретают повышенную или высокую
твердость, вследствие чего она подвергается
только нагреву.
Нормализация
чаще всего является операцией одновременно
предварительной и окончательной
термообработкой. Для заэвтектоидной
стали нормализацию применяют с целью
устранения цементитной сетки перед
сфероидизирующим отжигом.
Загрузка...
