Перебоева А.А. Технология термической обработки металлов

Подождите немного. Документ загружается.

1. Ферритная и перлитная структуры с грубыми карбидными частица-

ми приводит к быстрому изнашиванию режущего инструмента;

2. Значительное количество феррита снижает износостойкость инст-

румента и повышает склонность к налипанию стружки на него;

3. Чисто перлитная структура снижает производительность при обра-

ботке резанием;

4. Грубые частицы графита способствуют выкрашиванию и ускорен-

ному

износу инструмента;

5. Оптимальная структура должна содержать регламентированные по

форме и размеру включения графита и карбидов, оговоренное количество

феррита.

Оценка обрабатываемости по твердости, пределу текучести или преде-

лу прочности показала, что для сталей с содержанием углерода до 0,2% ре-

комендуется проведение нормализации с ускоренным охлаждением обдувом

сжатым воздухом; при 0,2-0,4% С – нормализация

с охлаждением на спокой-

ном воздухе; с 0,4-0,6% С – изотермический отжиг. Трудность в определении

оптимального режима ПТО заключается в том, что для различных операций

резания оптимальными являются разные структуры. Так для точения наибо-

лее благоприятны сфероидизированные структуры, а для протягивания, свер-

ления, расточки – структура мелкопластинчатого перлита.

ПТО для улучшения обработки давлением проводится

с целью под-

готовки структуры для холодной листовой или объемной штамповки в усло-

виях двухосного и трехосного напряженного состояния и значительной де-

формации >50 %. Особенности пластической деформации при этих обработ-

ках предъявляют к структуре материала дополнительные требования. Во-

первых, резко возрастает роль макроструктуры, она должна быть с высокой

степенью однородности, не

иметь металлургических дефектов (пористость,

рыхлоты, расслоения, ликвационные зоны) содержать минимальное количе-

ство неметаллических включений, желательно сферической формы. Во-

вторых, микроструктура должны быть однородной, мелкозернистой, с рав-

номерным распределением избыточных сфероидизированных фаз, без выде-

ления их по границам зерен матричной фазы, особенно в виде непрерывной

сетки.

В стальных деталях решающее значение для

улучшения штампуемости

имеет сфероидизация цементита. Для особо сложной объемной штамповки

количество сфероидизированного цементита от его общего содержания

должно быть >80%. От ПТО в этом случае требуется решить две задачи - по-

лучить максимальную гомогенизацию матрицы и наибольшую вероятность

сфероидизации частиц второй фазы, что достигается двойной термической

обработкой. Первой является гомогенизационный отжиг или

отжиг-

нормализация, второй - изотермический или сфероидизирующий отжиг.

ПТО для повышения точности размеров готовых деталей выполня-

ется с целью уменьшения коробления и деформации в процессе изготовления

деталей. Причинами, приводящими к изменению размеров, являются напря-

жения, возникающие в изделиях в процессе упругой и пластической дефор-

мации во время всего цикла обработки. Они складываются из термических

напряжений, образующихся при нагреве и охлаждении; напряжений от

структурных и фазовых превращений; напряжений, возникающих в садке под

собственным весом деталей, и внутренних напряжений, наследованных от

предыдущих операций обработки (литье, резание, обработка давлением и

т.д.). Различают равномерное изменение размеров (геометрическая форма

изделий сохраняется), равномерно-постоянное коробление (равномерная ко-

нусность кольцевых тел) и неравномерное (переменное) коробление.

Снизить и стабилизировать все виды коробления можно варьированием

и стабилизацией прокаливаемости стали. Например, для доэвтектоидной низ-

колегированной стали 40ХНМ наилучшие результаты из трех видов ПТО:

отжиг на пластинчатый перлит, отжиг на зернистый перлит, нормализация

дает нормализация.

Стабилизация возможна и путем регулирования размера

и количества трудно растворимых карбидов и нитридов. Так в стали 25 в ре-

зультате ПТО на мелкое зерно прокаливаемость и деформация уменьшаются

более чем в 1,5 раза. Оптимальный режим ПТО большинства конструкцион-

ных сталей включает ускоренное охлаждение от температуры конца горячей

деформации до 700-500 °С, изотермическую выдержку при

600-680 °С, 3 ч,

замедленное охлаждение до 400-200 °С и дальнейшее охлаждение на воздухе

(25ХГМ, 20ХГМАЮ, 25ХГТ, 30ХГТ и др.).

Еще один путь уменьшения изменения линейных размеров можно

осуществлять в процессе α→γ→α превращения. При этом сущность стабили-

зации размеров заключается в том, что при определенных условиях холодной

пластической деформации в α -фазе к

моменту начала ее перехода в аустенит

создается сильно развитая субструктура с разориентировкой субзерен близ-

кой к большеугловой, на которых также, как и на межфазных границах, фор-

мируются устойчивые зародыши γ -фазы. Поэтому значительно, на несколько

порядков, возрастает число зародышей аустенита и создаются предпосылки

для равномерных объемных изменений α→γ и γ→α

превращений. Техноло-

гически это достигается за счет предварительной пластической деформации

(волочение) и последующей перекристаллизации или осадка со степенью де-

формации ~30 % и последующей нитроцементации, что приводит почти к

двух кратному уменьшению изменения размеров.

ПТО для улучшения свойств готовых деталей выполняется с целью

получения мелкого и сверхмелкого зерна. Получение такой структуры в

ста-

ли возможно при скоростном нагреве после предварительной подготовки

структуры операциями улучшение, термоциклическая обработка при печном

или электронагреве. Так закаленная сталь 40 после повторного нагрева под

закалку со скоростью 500 °С⁄с и окончательного низкого отпуска при ~150

имеет на 15% больший предел прочности при незначительном понижении

пластичности.

Рациональными режимами ПТО для средне- и высокоуглеродистых

сталей является закалка с высоким отпуском или нормализация с высоким

отпуском. Цементуемые и легированные стали с целью повышения свойств в

готовых изделиях рекомендуется ускоренно охлаждать с температуры конца

горячей деформации. Для наследственно крупнозернистых сталей (стали 25,

45) проведение двойной закалки: закалка с объемного печного нагрева и от-

пуск, затем повторная закалка с высокой скоростью нагрева токами высокой

частоты и низкий отпуск. Такие различные виды ПТО могут повысить ко-

нечные свойства деталей на 10-30%.

Высокоуглеродистую сталь 110Г13Л перед закалкой рекомендуется

отжигать

при ~550

С с целью значительного измельчения зерна аустенита.

Предварительная нормализация из межкритического интервала температур

(А

-А

) чугунов повышает комплекс механических свойств после оконча-

тельной термической обработки. Различные виды термомеханической обра-

ботки позволяют формировать в металлических материалах устойчивую до

высоких температур субструктуру. Элементы такой субструктуры оказывают

значительное влияние на окончательно формируемые структуру и свойства.

Универсальным способом повышения конструктивной прочности

сплавов является ПТО, формирующая оптимальные размеры избыточных фаз

и равномерное их распределение в матрице. Это приводит к снижению кон-

центрации легирующих компонентов в матричном твердом растворе и как

следствие к понижению внутренних напряжений и повышению пластично-

сти. Для получения мелкого зерна аустенита при высокотемпературных на-

гревах целесообразно использовать стали легированные Ti, V, Nb, Al и дру-

гими элементами, образующими в структуре труднорастворимые карбиды

нитриды.

5.1 Маршрутные технологии получения заготовок. Виды отжига

Производственный цикл получения заготовок и полуфабрикатов до

этапа первичной (предварительной) термической обработки можно предста-

вить в виде двух схем:

1. Приготовление расплава; литье слитков; термическая обработка

слитков, которая может отсутствовать; горячая деформация; ПТО.

2. Приготовление расплава; литье отливок; обработка отливок; ПТО.

Виды предварительной термической обработки – это чаще всего раз-

личные отжиги

: диффузионный (гомогенизационный), полный, неполный,

изотермический, сфероидизирующий, нормализационный, до- или рекри-

сталлизационный, низкий для снятия напряжений, противофлокеновый.

Диффузионный отжиг применяется для выравнивания химического со-

става, то есть устранения дендритной (внутрикристаллитной) ликвации, по-

нижения твердости слитков из легированных сталей при температурах 1100-

200

С, выдержке при этой температуре 12-15 ч, что приводит к росту зерна.

Этот недостаток микроструктуры устраняется горячей обработкой давлением

(ковка, прокатка, прессование). Массивные заготовки из легированных ста-

лей после ковки проходят противофлокеновый отжиг, а затем для устранения

неоднородности в структуре полный, неполный, изотермический отжиг или

нормализацию с высоким отпуском или без

него. Выбор вида ПТО определя-

ется требуемыми свойствами поковки и характером последующей термиче-

ской обработки.

Чаще всего отливки имеют крупнозернистую неравновесную структуру

с неоднородным распределением избыточных фаз. В сталях это, как правило,

видманштеттовое строение феррита, сетка феррита или цементита. Поэтому

они проходят ПТО в виде диффузионного или полного отжига, нормализации

с отпуском или без него. Полуфабрикаты

после холодной обработки давле-

нием проходят до- или рекристаллизационный отжиг. Такая ПТО позволяет

устранить наклеп и восстановить пластичность материала.

Сфероидизирующий отжиг проходят полуфабрикаты из заэвтектоид-

ных сталей. Низкотемпературный отжиг применяется для снижения твердо-

сти и снятия остаточных напряжений легированных сталей, в которых отсут-

ствует перлитное превращение (стали аустенитного, ферритного класса).

Контрольные вопросы

1. К технологическим задачам предварительной термической обработ-

ки (ПТО) относят…

2. Перечислите способы предварительной термической обработки

(ПТО) для повышения свойств готовых изделий.

3. Предложите способ ПТО, повышающей свойства готовых изделий

из стали 40Х, с указанием причины.

4.Зарисуйте две схемы производственного цикла получения заготовок

и полуфабрикатов до ПТО.

5. Назовите

виды предварительной термической обработки (отжиги) и

кратко охарактеризуйте каждый из них.

Лекция 6. Технология закалки сталей

План лекции

1. Закалка стали

2. Способы нагрева и охлаждения

3. Закалочные среды: вода, масло, растворы, гетерофазные среды

4. Выбор и технологические расчеты охлаждения по данным о прокали-

ваемости сталей

Закалка стали – это в большинстве

случаев получение мартенсита с

максимальной прочностью и твердостью. Она включает в себя нагрев до

температуры выше А

с1

или А

с3

, выдержку при этой температуре для завер-

шения структурных и фазовых превращений и последующее ускоренное ох-

лаждение. При объемном (печном) нагреве различают следующие способы

нагрева: с максимально возможной скоростью, когда температура в печи

равна или выше температуры закалки, одно или двух ступенчатый нагрев для

изделий, склонных к короблению или с низкой

теплопроводностью. Первая

ступень нагрева (первый подогрев) выполняется при температуре 500–600

°С, когда сталь приобретает повышенную пластичность. Этот подогрев по-

зволяет снизить уровень термических напряжений. Вторая ступень (второй

подогрев) проводится при температуре ~850

С, цель его снизить термиче-

ские, фазовые и структурные напряжения, а также сократить время выдержки

при окончательном высокотемпературном нагреве под закалку.

Время нагрева изделий до температуры закалки рассчитывают по про-

граммам, разработанным кафедрой МиТОМ ИЦМиЗ. Температуру нагрева

под закалку для каждой марки стали определяют, исходя из ее химического

состава. Так для

углеродистых доэвтектоидных сталей нагрев ведется выше

критической температуры точки А

с3

, для эвтектоидной и заэвтектоидных –

выше точки А

с1

; стали, склонные к росту зерна аустенита, перегреваются

выше критических точек

на 30-50 °С, не склонные к росту зерна - на 50-150

°С. Определив температуры нагрева под закалку расчетом, проверяют ее пра-

вильность по справочникам. Время выдержки при температуре закалки зави-

сит от химического состава стали, размера садки, среды нагрева, определя-

ется по справочным данным или экспериментальным путем.

Основными способами охлаждения при закалке являются:

охлаждение

в одном охладителе (непрерывная закалка), в двух средах или окунанием

(прерывистая закалка); охлаждение с подстуживанием; а также ступенчатое

или изотермическое. Все способы охлаждения должны обеспечить охлажде-

ние сталей со скоростью выше критической, для предупреждения распада ау-

стенита на феррито-карбидную смесь.

Критическая скорость закалки (V

КР

) – это наименьшая скорость охла-

ждения, при которой происходит распад аустенита только на мартенсит. Она

рассчитывается, исходя из кинетических С -кривых распада аустенита, по

следующим формулам:

КР

= A

−

min

/ τ

min

,[°С/с] - для термокинетических С -кривых; (1),

КР

= A

−

min

/ 1,5·τ

min

[°С/с] -

для изотермических С -кривых; (2),

где A

- температура критической точки стали А

°С;

min

– температура минимальной устойчивости переохлажденного ау-

стенита °С;

min

– время минимальной устойчивости переохлажденного аустени-

та, с.

Для обеспечения требуемой скорости закалки в практике термической

обработки используются различные закалочные среды, которые должны от-

вечать следующим требованиям:

1. Охлаждать со скоростью выше критической;

2. Стабильность свойств при работе в требуемом интервале темпера-

тур и при хранении;

3. Инертность – отсутствие или весьма

малое химическое взаимодей-

ствие с поверхностью охлаждаемых изделий;

4. Легкая удаляемость с поверхности изделий при промывке или очи-

стке;

5. Небольшая вязкость, которая не затрудняет перекачку среды насо-

сами от мест хранения к охлаждающим устройствам;

6. Безвредность и безопасность при работе, недефицитность, невысо-

кая стоимость.

Идеальная закалочная среда должна обеспечить высокую скорость ох-

лаждения в интервале температур минимальной устойчивости аустенита

(450-550 °С) и медленное охлаждение в период мартенситного превращения

для

предупреждения образования закалочных трещин. По характеру охлаж-

дения закалочные среды делятся на два вида:

1. Не испытывающие изменений агрегатного состояния во всем диапа-

зоне температур охлаждения изделий;

2. Претерпевающие изменение агрегатного состояния в связи с кипе-

нием среды на поверхности закаливаемых изделий.

К первым относятся газовые среды (воздух, азот, инертные газы

, ваку-

ум), расплавы солей, щелочей и металлов, «кипящий» слой, металлические

плиты. Наиболее широко при закалке применяют расплавы солей, щелочей,

воздух. Например, 55% KNO

+45% NaNO

(температура плавления – 137 °С,

температура применения 155-550 °С), 35% NaOН+65% KOН (температура

плавления – 155 °С, температура применения – 180-350 °С) и т.д. Охлаж-

дающая способность солей при температуре ~200 °С примерно равна охлаж-

дающей способности масла при 20 °С.

Ко второму виду закалочных сред относятся вода, водные растворы со-

лей, щелочей, полимеров, низкомолекулярных органических соединений, во-

до-

воздушная смесь, различные марки масел. В этих средах в связи с их ки-

пением интенсивность охлаждения изменяется с понижением температуры

поверхности изделий. В них при закалке изделий различают три периода ох-

лаждения.

В первый (начальный) период охлаждения жидкость кипит, при этом

интенсивность образования пузырьков пара (газа) превышает скорость их

удаления с

поверхности закаливаемого изделия – это стадия пленочного ки-

пения. При этом на поверхности детали образуется сплошная паровая пленка,

скорость охлаждения на данном этапе небольшая. Во второй период при

снижении температуры поверхности изделий скорость удаления пузырьков

начинает превышать скорость их образования, пленка разрушается, и ско-

рость охлаждения возрастает. Это стадия пузырькового кипения.

Третий пе-

риод наступает тогда, когда температура поверхности охлаждаемого изделия

становится равной температуре кипения закалочной жидкости, кипение пре-

кращается, и скорость охлаждения резко падает. Дальнейший теплоотвод

осуществляется конвекцией, это - стадия конвективного теплообмена (рис.

3).

Вода применяется для закалки изделий из углеродистых сталей и ино-

гда низколегированных, но всегда есть опасность образования

закалочных

трещин. Это связано с тем, что первая стадия при охлаждении в воде наблю-

дается в интервале 800-400 °С, вторая – 400-100 °С, третья – <100 °С, эти ин-

тервалы даны для спокойной воды при ее температуре равной 20 °С. С по-

вышением температуры воды скорость охлаждения уменьшается на первой

стадии, но не изменяется на второй и третьей. Повышает скорость охлажде-

ния циркуляция воды или интенсивное ее перемешивание, но только на пер-

вой стадии.

Охлаждение в масле является

основным способом при закалке из-

делий из легированных сталей. Про-

цесс охлаждения в масле характери

зуется теми же стадиями, что и в во-

де (см. рис. 3), только вместо паро-

вой пленки образуется газовая. Пе-

реход от пленочного к пузырьковому

кипению проходит при температурах

500-400 °С, а температура начала

конвективного теплообмена лежит в

пределах 400-200 °С в зависимости

от марки масла. При температуре

изделий 200 °С скорость охлаждения

масле в ~25 раз меньше скорости охлаждения в воде, то есть в интервале

мартенситного превращения в масле идет медленное охлаждение и трещины,

как правило, не образуются. Охлаждающая способность масел почти не зави-

сит от их температуры. Марки масел и их свойства представлены в табл. 7 .

Основным недостатком масла является медленное охлаждение в

верх-

нем перлитном интервале температур 700-500 °С, что не обеспечивает ско-

рость охлаждения выше критической для углеродистых и низколегирован-

ных сталей, исключение составляют тонкие менее 5-8 мм изделия. Кроме то-

го масло имеет более высокую стоимость, чем вода, пожароопасно, повыша-

ет загазованность помещений (дым при закалке), требует обязательной про-

мывки деталей после закалки

перед отпуском.

При работе масло окисляется, густеет и при повышении вязкости более

чем на 40% от первоначального значения масло следует заменить. Долговеч-

ность масел в обычных условиях составляет 400-1 000 ч в зависимости от

массы закаливаемых изделий. Лучшие сорта масел закалочные модифициро-

ванные (МЗМ) марок: МЗМ-16, МЗМ-26, МЗМ-120, ВЗ-вакуумное, закалоч-

ное, МГЗ – (

горячее, закалочное) для ступенчатой закалки при 160-180 °С в

агрегатах.

В настоящее время ведутся исследования по поиску закалочных сред,

которые бы заменили масло. К ним относятся водные растворы органических

полимеров, среди которых наиболее известны ЗСП-1, ЗСП-2, ЗСП-3, ПК-2 и

др. Закалочные среды типа ЗСП – это водные растворы полиакриламида, а

ПК-2 1-2% раствор полимера

– железосодержащей полиакриловой кислоты.

Все эти жидкие охладители дешевле масла, не требуют последующей очист-

ки, пожаробезопасны, не токсичны, Однако их закаливающая способность

очень сильно зависит от температуры, концентрации, и они не являются та-

кими универсальными как масло.

Рис. 3. Фазы теплового обмена в жидких

закаливающих средах: 1 – пленочного ки-

пения – «паровая рубашка»; 2 – пузырча-

того кипения; 3 – конвективного теплооб-

мена

Механизм охлаждения в растворах полимеров основан на их влиянии,

на вязкость воды, а также на повышение или снижение растворимости поли-

меров при изменении температуры среды в контакте с охлаждаемым метал-

лом. На поверхности стали с понижением ее температуры в процессе охлаж-

дения образуется пленка полимера, которая стабилизирует паровую рубашку,

а в

конце охлаждения оседает на детали, замедляя охлаждение в нижнем ин-

тервале температур мартенситного превращения. Такое охлаждение способ-

ствует понижению структурных и фазовых напряжений при закалке сталей.

6.1 Закаливаемость и прокаливаемость сталей

Закаливаемость – это способность сталей повышать поверхностную

твердость, что возможно при закалке на мартенсит. Данная характеристика

измеряется в единицах прироста

твердости для закаленных сталей по сравне-

нию с отожженным состоянием, определяется обычно твердость по Роквел-

лу. Закаливаемость зависит от содержания углерода в сталях (рис. 4), усло-

вий охлаждения. Повышение концентрации углерода до ~0,8% ведет к росту

твердости до 60-62 HRC. Практически на закаливаемость не влияет содер-

жание легирующих элементов в сталях.

Прокаливаемость – глубина проникновения

закаленного слоя, то есть

имеющего структуру мартенсита. Определяется по торцевой пробе согласно

ГОСТ 5657-90, показателем глубины закаленного слоя является расстояние

от поверхности вглубь до слоя со структурой ~90% мартенсита (сквозная за-

калка) или слоя со структурой 50% мартенсита + 50% троостита (полумар-

тенситная зона). Твердость полумартенситной зоны при различном содержа-

нии углерода в сталях представлена

в табл. 8 .Сквозная прокаливаемость не-

обходима для таких изделий, как пружины, рессоры, тормозные колодки, ин-

струмент, шарики и ролики подшипников.

Таблица 8

Влияние углерода на твердость полумартенситной зоны

Содержание углерода, % 0,18-0,22 0,23-027 0,28-0,32 0,33-0,42 0,43-0,52 0,53-0,62

Твердость,HRC 25 30 35 40 45 50

Прокаливаемость - технологическая характеристика материала измеряется,

как правило, в миллиметрах. Она опреде-

ляет технологичность изделий, технологию

их производства и эксплуатационные свой-

ства. По этой причине ее следует учиты-

вать при выборе сталей как конструкцион-

ных материалов. Путем выбора стали с оп-

тимальной прокаливаемостью, соответст-

вующей технологии термической обработ-

ки можно при сравнительно

малых затра-

тах повысить эксплуатационную надеж-

ность и долговечность изделий.

Для характеристики прокаливаемо-

сти введено понятие критический диаметр,

которое позволяет устранить влияние раз-

меров изделий на глубину прокаливаемо-

сти. Критический диаметр – это макси-

мальное сечение цилиндра, который зака-

ливается насквозь при охлаждении в данной закалочной среде. Связь между

результатами торцевой

закалки, размерами деталей простой геометрической

формы и критической скоростью закалки отражена в номограммах для опре-

деления сквозной прокаливаемости. По номограмме можно установить: про-

каливаемость при заданной критической скорости закалки, критическую ско-

рость закалки для определенной формы детали, прокаливаемость по данным

торцевой закалки.

Справочной характеристикой прокаливаемости сталей являются поло-

сы прокаливаемости (рис

. 5), которые характеризует изменение твердости в

зависимости от расстояния с поверхности вглубь детали, или связь значений

твердости со средой закалки, глубиной слоя или количеством мартенсита за-

калки (табл. 9).

Таблица 9

Прокаливаемость стали 40, ГОСТ 1050-74

(Закалка с температуры 850

С)

Количество мартенсита,

Критический диаметр, мм

в воде в масле

15-25

10-15

8-15

5-9,5

Рис. 4. Твердость стали в зависимо-

сти от содержания углерода и тем-

пература нагрева под закалку: а –

нагрев выше критической точки А

с1

;

б – нагрев до аустенитного состоя-

ния

Рис. 5. Полоса прокаливаемости конструкционной углеродистой стали марки 45

Контрольные вопросы

1. Различают несколько способов нагрева при закалке. Приведите кон-

кретные примеры применения этих способов.

2. Укажите способы закалки с высокоскоростным нагревом и зависи-

мость температуры нагрева под закалку от скорости нагрева.

3. Укажите причины различного подхода к назначению температуры

закалки до- и заэвтектоидных сталей.

4. Укажите конкретные примеры практического применения

трех раз-

личных способов охлаждения при закалке (сталь- деталь- среда охлаждения).

5. На какие два вида делятся закалочные среды по характеру охлажде-

ния, примеры.

6. Приведите примеры использования различных видов закалочных

сред для деталей из одной марки стали.

7. Перечислите факторы, определяющие выбор марки закалочного

масла.

8. Понятия закаливаемость, прокаливаемость стали.

Лекция 7.

Термические и структурные напряжения, деформация

и коробление изделий при термической обработке

План лекции

1. Способы предупреждения коробления и деформации

2. Технология механической правки

3. Закалочные трещины

Причиной деформации и коробления изделий являются внутренние на-

пряжения, которые в зависимости от происхождения делятся на: усадочные