Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

период охлаждения изделий на

воздухе

после извлечения их из закалоч-

ной

среды.

Ступенчатая закалка углеродистых сталей может быть применена лишь

для изделий диаметром не более 8-10 мм. Скорость охлаждения более

крупных изделий в среде с температурой выше точки М

оказывается ниже

критической

скорости закалки, и аустенит претерпевает распад при высо-

ких температурах.

Изотермическая

закалка. Закалку по этому способу (рис. 135, б) выпол-

няют в основном так же, как и ступенчатую, но в данном

случае

предусма-

тривается более длительная выдержка выше точки М

. При такой выдерж~

ке

происходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита. Для

углеродистых сталей изотермическая закалка не

дает

существенного повы-

шения

механических свойств по сравнению с получаемыми обычной закал-

кой

и отпуском.

У большинства легированных сталей распад аустенита в промежуточ-

ной

области не идет до конца. Если аустенит, не распавшийся при изотер-

мической

выдержке, не претерпевает мартенситного превращения при

дальнейшем охлаждении, то сталь получает

структуру

бейнит + 10

—

20%

остаточного аустенита, обогащенного углеродом. При такой

структуре

до-

стигается высокая прочноств при достаточной вязкости. Для многих ста-

лей изотермическая закалка, обеспечивает значительное повышение кон-

структивной прочности, т. е. прочности образцов сложной формы.

Если

же большая часть аустенита, не распавшегося после окончания

промежуточного превращения, при последующем охлаждении претерпевает

мартенситное превращение, то изотермической закалкой нельзя получить

высокие

механические свойства, В этом

случае

резко снижается пластичность.

Конструкционные

легированные стали (0,3

—

0,5% С) приобретают опти-

мальные механические свойства в результате изотермической закалки

выдержкой в нижней части промежуточной зоны изотермического распа-

да аустенита (несколько выше точки Мн). Продолжительность выдержки

закалочной среде зависит от устойчивости аустенита при температурах

выше точки М

, определяемых диаграммой изотермического распада ау-

стенита для данной стали.

В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической за-

калке

чаще применяют расплавленные соли в интервале температур

15О-50О°С,

например 55%

KNO

и 45%

NaNO

(или

NaNO

а также рас-

плавленные щелочи (20% NaOH и 80% КОН). Чем ниже температура соли

(щелочи),

тем выше скорость охлаждения в ней. Поскольку расплавленные

соли охлаждаются только вследствие теплоотдачи, то охлаждающая спо-

собность их возрастает при перемешивании. Добавление воды (3 — 5%)

расплавы едких щелочей (с помощью специального приспособления) при

погружении в них нагретого для закалки изделия вызывает кипение и уве-

личение скорости охлаждения в области температур перлитного превраще-

ния.

Скорость охлаждения возрастает при 400

—450°С

в 4-5 раз, а при

300°С

- в 2 раза.

Охлаждение в расплавах едких щелочей, если предварительно детали

нагревались в жидких солях (т. е. солях, не вызывающих окисления), позво-

ляет получить чистую поверхность светло-серого цвета. Закалку по этому

способу называют

светлой.

211

Обработка стали холодом. В закаленной стали, особенно содержащей

более

0,4-0,5%

С, у которой точка М

лежит ниже нуля (см. рис. 115), всег-

да присутствует остаточный аустенит.

Аустенит

понижает твердость,

изно-

состойкость и нередко приводит к изменению размеров деталей, работаю-

щих при низких температурах, в результате самопроизвольного превраще-

ния

его в мартенсит.

Для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали

применяют

обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закален-

ной

стали до температур ниже нуля.

Понижение

температуры до точки М

(— 30 н—

70°С)

С для большинства

сталей вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит, что по-

вышает твердость сталей с 0,8-1,1% С на HRC 1-3. Однако одновремен-

но

возрастают напряжения, поэтому изделия

охлаждают

медленно и сразу

после обработки холодом выполняют отпуск.

Выдержка стали после закалки при комнатной температуре более

3 — 6 ч стабилизует аустенит, и поэтому он менее полно превращается

мартенсит при дальнейшем охлаждении и уменьшает эффект обработки

холодом. В данном

случае

обработку холодом выполняют сразу после

закалки.

Обработку холодом используют главным образом для измерительных

инструментов, для пружин и деталей из цементируемых высоколегиро-

ванных сталей, сохраняющих много аустенита после закалки.

4. ОТПУСК

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас

1г

выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с опреде-

ленной

скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической

обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические

свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутрен-

ние

напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются

тем полнее, чем выше температура отпуска. Так, например, осевые напря-

жения

в цилиндрическом образце из стали, содержащей 0,3% С, в результа-

те отпуска при

550°С

уменьшаются с 60 до 8 кгс/мм

. Так же сильно

уменьшаются тангенциальные и радиальные напряжения.

Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки

при

55О

С в течение 15 — 30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряже-

ния

снижаются до минимальной величины, которая может быть достигну-

та отпуском при данной температуре.

Скорость

охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние

на

величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем

меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение от

600°С

создает

новые

тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы во

• избежание их коробления после отпуска при высоких температурах

следует

охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обра-

тимой

отпускной хрупкости, после отпуска при 500

—650°С

во всех случаях

следует

охлаждать быстро.

Основное

влияние на свойства стали оказывает температура отпуска.

Различают три вида отпуска.

212

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до

150

—

200°С,

реже до

240-250°С.

При этом снижаются внутренние напря-

жения,

мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повы-

шается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения

твердости. Закаленная сталь (0,5-1,3% С) после низкого отпуска сохраняет

твердость в пределах HRC 58-63, а следовательно, высокую износостой-

кость.

Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не вы-

держивает значительных динамических нагрузок.

Низкотемпературному отпуску подвергают поэтому режущий и изме-

рительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей,

а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию,

циани-

рование

или нитроцементацию. Продолжительность отпуска обычно

—

2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов

назначают более длительный отпуск.

Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при

35О-5О0°С

применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штам-

пов.

Такой отпуск обеспечивает высокие предел упругости, предел вынос-

ливости и релаксационную стойкость. Структура стали (0,45

—

0,8% С) по-

сле среднего отпуска — троостит отпуска или троостомартенсит с твер-

достью HRC 40

—

50. Температуру отпуска надо выбирать таким образом,

чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости.

Охлаждение после отпуска при

400-450°С

следует

проводить в воде,

что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных

напряжений,

которые увеличивают предел выносливости пружин.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500

—680°С.

Структура стали после высокого отпуска — сорбит отпуска. Высокий от-

пуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.

Закалка

с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или

отожженным состоянием одновременно повышает пределы прочности

текучести, относительное сужение, и особенно

ударную

вязкость (табл. 4).

Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, назы-

вают

улучшением.

Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3-0,5% С) конструк-

ционные

стали, к которым предъявляются высокие требования к пределу

текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостой-

Таб.шца

Влияние

термической обработки на механические свойства углеродистой стали

0,42% С*

'Термическая

оораоотка

Отжиг при 880 С

Закалка

с 880 С (охлаждение в воде)

отпуек:

при

300 С

при

600 С

Заготовка диаметром 12 мм.

°в

КГС;

130

ст

ПО

а„.

кгс

-м

;

см-

213

кость улучшенной стали вследствие ее пониженной твердости не является

высокой.

Улучшение значительно повышает конструктивную прочность

стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличи-

вая работу пластической деформации при движении трещины (работу раз-

вития трещины) и снижая температуру верхнего и нижнего порога

хладноломкости.

Отпуск при 550

—

600°С

в течение 1

—

2 ч почти полностью снимает

остаточные напряжения, возникшие при закалке. Чаще длительность высо-

кого отпуска составляет 1,0

—

6 ч - в зависимости от габаритных размеров

изделия.

5. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Термомеханическая обработка (ТМО) является методом обработки стали,,

позволяющим повысить механические свойства по сравнению с полу-

ченными

при обычной закалке и отпуске.

Термомеханическая обработка заключается в сочетании пластической

деформации стали в аустенитном состоянии с ее закалкой. Формирование

структуры закаленной стали при ТМО происходит в условиях повышенной

плотности дислокаций, обусловленных наклепом. Различают два основных

способа термомеханической обработки.

По

первому способу, называемому высокотемпературной термомехани-

ческой обработкой (ВТМО), сталь деформируют при температуре выше

точки А

(рис. 136, а), при которой сталь имеет аустенитную

структуру.

Степень деформации составляет 20

—

30%. После деформации

следует

не-

медленная закалка во избежание развития процесса рекристаллизации.

По

второму способу, называемому низкотемпературной термомехани-

ческой обработкой

(НТМО),

сталь деформируют в температурной зоне су-

ществования переохлажденного аустенита в области его относительной

устойчивости (400

—600°С);

температура деформации должна быть выше

точки М

, но ниже температуры рекристаллизации (рис. 136,6). Степень де-

формации

обычно составляет 75-95%. Закалку осуществляют сразу после

деформации. После закалки в обоих случаях

следует

низкотемпературный

отпуск (100

—300°С).

Такая комбинированная ТМО позволяет получить

очень высокую прочность: а

220-^300

кгс/мм

, при хорошей пластично-

сти и вязкости: 8 = 6ч-8% и а

= 5-н6 кгс-м/см

После обычной закалки и низкого отпуска предел прочности не превы-

шает

200-220

кгс/мм

и 5 = 3 ч- 4%.

Очень важно, что одновременно с повышением прочности после ТМО'

возрастает пластичность.

Наибольшее упрочнение а

= 260

-4-

300 кгс/мм

достигается при дефор-

мации

переохлажденного аустенита (см. рис. 136,6), т. е. при обработке

НТМО.

Деформация в области высоких температур (ВТМО) не создает

столь высокого предела прочности (а

= 220 + 240 кгс/мм

). Это, видимо,

объясняется тем, что при высоких температурах невозможно избежать хо-

тя бы частичной рекристаллизации. Низкотемпературную термомеханиче-

скую обработку можно рассматривать как холодную обработку давле-

нием,

так как она проводится ниже температуры рекристаллизации.

Однако ВТО обеспечивает большой запас пластичности и

лучшую

кон-

214

втмо

-Деформация

Рис.

136. Схема термомеханической обработки стали:

а-ВТМО; б-НТМО

структивную прочность. ВТМО повышает

ударную

вязкость при комнат-

ной

и низких

температурах,

понижает порог хладноломкости и чувстви-

тельность к отпускной хрупкости. Кроме того, деформация при высоких

температурах

протекает при меньших усилиях и является поэтому более

технологической операцией.

Высокие механические свойства после термической обработки объяс-

няются большой плотностью дислокаций в мартенсите, дроблением его

кристаллов на отдельные фрагменты величиной в доли микрона со взаим-

ной

разориентировкой до

10—15°.

Дислокационная

структура,

формирую-

щаяся

в аустените при деформации,

«наследуется»

после закалки мартенси-

том. После деформации аустенита последующая закалка приводит

образованию плотных скоплений дислокаций, сочленяющих сильно раз-

ориентированные фрагменты мартенсита. Повышение пластичности, ве-

роятно,

связано с уменьшением напряжений II рода.

215

6. ДЕФЕКТЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ЗАКАЛКЕ

основным дефектам, которые

могут

возникнуть при закалке стали, отно-

сятся трещины в изделии — внутренние или наружные, деформации

коробление.

Трещины.

При закалке трещины возникают в тех

случаях,

когда вну-

тренние растягивающие напряжения I рода превышают сопротивление ста-

ли отрыву. Трещины образуются при

температурах

ниже точки М„, чаще

после охлаждения. Склонность к образованию трещин возрастает с увели-

чением в стали содержания

углерода,

повышением температуры закалки

увеличением скорости охлаждения в температурном интервале мартен-

ситного превращения.

Другой

причиной образования трещин является наличие в изделии кон-

центраторов напряжений (резкое изменение сечения изделия или местные

вырезки,

углубления, выступы и т. д.).

Трещины — неисправимый дефект. Для предупреждения их образования

рекомендуется при конструировании изделий избегать резких выступов, за-

остренных

углов,

резких переходов от

толстых

сечений к тонким и т. д.;

проводить закалку с возможно более низких температур; осуществлять

медленное охлаждение в мартенситном интервале температур

путем

закал-

ки

двух

средах,

ступенчатой закалки или применять изотермическую за-

калку; отпуск выполнять немедленно после закалки.

Деформация

коробление.

Деформация, т. е. изменение размеров

формы изделий, происходит при термической обработке в

результате

термических и структурных напряжений под действием неоднородных

объемных изменений, вызванных неравномерным охлаждением и фазовы-

ми

превращениями.

Несимметричную деформацию изделий в практике часто называют ко-

роблением (поводкой). Оно чаще наблюдается при неравномерном и чрез-

мерно высоком нагреве под закалку, неправильном положении детали при

погружении в закалочную

среду

и высокой скорости охлаждения в мартен-

ситном интервале температур. Устранение этих причин значительно умень-

шает коробление.

Размеры изделий после закалки

даже

при отсутствии коробления не

совпадают с исходными значениями. Вызываемую этими изменениями де-

формацию можно уменьшить подбором соответствующего состава стали

условий термической обработки (в частности, применением ступенчатой

изотермической закалки).

7. ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ

ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ

Оборудование термических цехов машиностроительных заводов делится

на

три группы:

1. Основное оборудование (печи, охлаждающие устройства, закалочные

прессы, оборудование для обработки холодом и т. д.).

2. Дополнительное оборудование (правильные прессы, моечные ма-

шины,

травильные ванны, пескоструйные и дробеструйные аппараты

т. д.).

216

Кnpufopy

^теплового

Т контроля

гпраксформа-

Подача

защитного

газа

печь

Подача

горючего

газа

поименной

завесе

тору

Рис.

137. Камерная электропечь типа СЮ:

1 —

нагревательные

элементы;

—

газопровод;

—

футеровка;

—

дверца

для

загрузки;

—

ме-

ханизм

подъема

дверцы;

—кожух;

—

газопровод

3. Вспомогательное оборудование (установки

для

получения контроли-

руемых атмосфер, устройства

для

охлаждения закалочных жидкостей,

мо-

стовые

поворотные краны, всевозможные транспортные устройства

и т.

д.).

Рассмотрим основное технологическое оборудование, необходимое

для

осуществления процессов отжига, нормализации, закалки

отпуска.

Термические печи работают

на

электроэнергии, газообразном

и,

реже,

жидком топливе (мазуте).

В отечественной промышленности создана единая классификация

ос-

новного

вспомогательного термического оборудования,

котором

принято

буквенно-цифровое обозначение видов оборудования. Первой

бук-

вой обозначается

вид

нагрева

(Г

— газовый,

— электрический — сопроти-

вление,

— пламенная,

— индукционный), второй буквой — основной

конструктивный признак

(К

— конвейерная,

— камерная, Ш — шахтная,

В — ванна,-

— выдвижной

под и т. д.),

третьей буквой — характер среды

(А — азот,

— вакуум,

— защитная атмосфера,

— окислительная атмос-

фера,

С -

соль,

Ц —

цементационный

газ) и

четвертой буквой — агрегат-

ность

другие

дополнительные признаки

(А

— агрегат,

— лабораторная,

вертикальная,

М -

механизированная,

— непрерывного действия,

— периодического действия). Следует иметь

виду,

что в

индексации

га-

зовых печей первая буква обозначает назначение печи:

— термическая

пламенная,

— нагревательная пламенная

(для

кузнечных цехов). Цифра-

ми

обозначают основные размеры

в дм

(ширина, длина, высота

или диа-

метр

высота)

максимально допустимая рабочая температура

сотнях

(в

знаменателе).

Для нагрева

под

закалку, нормализацию

отжиг мелких

средних

де-

талей

термических

цехах

единичного

мелкосерийного производства

применяют камерные печи

защитной атмосферой

(СНЗ) (рис. 137)

без

защитной атмосферы

(СНО).

Эти печи выпускают

как с

металлическим нагревателем (максимальная

температура

1000°С),

так и с

карундовыми нагревателями (1250— 1300

С).

Размеры рабочего пространства

зависимости

от

типа печи: ширина

300

—

800

мм,

длина

600—1600

мм и

высота 200

—

500

мм.

Масса

одну,

садку

от 0,1 до 0,8 т.

217

В электропечах типа СНЗ предусмотрена пламенная завеса (трубчатая

горелка), равномерно перекрывающая загрузочный проем во время откры-

вания

дверцы. Защитный газ подается в печь от газолриготовительнрй

установки через

трубу

в задней торцовой стенке. Контроль температуры

производится термопарами и автоматическими самопишущими потенцио-

метрами.

Для отжига и нормализации широко применяют камерные печи с вы-

движным подом. На рис. 138 показана топливная печь с выдвижным по-

дом типа ТДО (Т — термическая пламенная, Д — с выдвижным подом,

О — без защитной атмосферы) с максимальной температурой нагрева

1100°С.

Для нагрева деталей большой длины применяют шахтные печи типа

СШО

и СШЗ (рис. 139). Рабочая температура печи до

1000°С,

масса садки

0,6—1,2

т, диаметр рабочего пространства

600—1000

м и высота

600-3000

м.

При

организации поточного производства в термических

цехах

широко

применяют высокомеханизированные закалочно-отпускные агрегаты,

имеющие как универсальное, так и специальное назначение.

Механизация трудоемких процессов на загрузочно-разгрузочных опера-

циях позволяет уменьшить количество обслуживающего персонала, облег-

чить

труд,

улучшить

использование оборудования, сэкономить электроэ-

нергию, повысить производительность и качество термической обработки.

Повышение

производительности

труда

во многом определяется сте-

пенью механизации и автоматизации оборудования. Простейшая механи-

зация

термических печей сводится к применению подъемных устройств,

загрузочных машин и т. д. Более сложная механизация предусматривает

перемещение деталей в печи, разгрузку печи, передачу деталей на

следую-

щие операции и т. д. Механизированная камерная печь с защитной атмос-

ферой

приведена на рис. 140. Поддон с деталями устанавливается в зака-

лочную камеру 2 и затем передвигается в нагревательную камеру печи.

После нагрева поддон перемещают в закалочную камеру и вместе

со столиком 3

погружают

в бак с маслом. После закалки столик подни-

мается и поддон разгружается.

В последнее время наметилась тенденция замены электропечей садоч-

ного типа методическими печами, наиболее отвечающими требованиям

повышения

уровня механизации. На рис. 141 представлен закалочно-от-

пускной конвейерный

агрегат

(типа СКЗА), предназначенный для закалки

высокого отпуска деталей массой до 3 кг, размерами от 10 х 10 х 10 до

100 х 150 х 150 мм в

среде

защитного газа.

Агрегат

включает электропечь

для нагрева деталей под закалку в контролируемой атмосфере 3, конвей-

ерный

бак для закалки 6, моечную машину /0 и электропечь для отпуска 12

с вентиляторами для обеспечения циркуляции атмосферы в рабочем

пространстве.

Изделия

подаются в

рабочую

камеру закалочной печи пульсатором,

а через печь транспортируются конвейерной лентой. Сброс деталей в зака-

лочный бак производится через разгрузочный лоток. Изделия через бак

транспортируются конвейерной лентой. В конвейерной моечной машине

очистка деталей от масла производится горячим моющим раствором.

Создание автоматизированных и механизированных агрегатов и повы-

218

Рис.

138. Топливная

печь

выдвижным

подом типа ТДО:

/-дверца; 2 - электролебедка для подъема дверцы (заслонки); 3 - под печи; 4 - сварная рама; 5 - катки для перемещения пода

Уровень

пола

цеха

±0,00

Рис.

139. Электропечь СШО:

—

кожух;

2 — футеровка; 3 — нагреватель; 4 — на-

правляющая;

J —крышка; 6 — механизм подъема

шение эффективности применяемого

оборудования является основной тенден-

цией

сегодняшнего термического произ-

водства.

В термических

цехах

все шире при-

меняют вакуумные печи. Достигаемый

вакуум

в печах 10"

- 10~

мм рт. ст.

На

рис. 142 представлена камерная ваку-

умная печь с выкатным подом. Шахтные

вакуумные печи (СНВ) имеют графит-

ную изоляцию и графитные нагреватель-

ные стержни, что позволяет достигать

высоких температур:

2000

—ЗООО°С.

Для нагрева под закалку и отпуск

широко

применяют печи-ванны. Жидкие

среды, чаще расплавленные хлористые

соли (70% ВаС1

+ 30% NaCl. и др.),

обеспечивают высокую скорость нагрева,

предохраняют металл от окисления и

позволяют осуществить местный на-

грев

. Нагрев в ваннах имеет и недо-

, статки: тигли, в которых расплавля-

При

нагреве в углекислых солях - возможно окисление и обезуглероживание стали.

Рис.

140. Механизированная камерная электропечь (типа США):

— закалочный бак; 2 — закалочная камера; .? — сюл для загрузки и выгрузки деталей;

4 — вентилятор; J — Нагревательная камера; 6 — цепной механизм для передвижения под-

дона с деталями

220