Технологія термічної обробки сталі

Реферат на тему

Технологія термічної обробки сталі

ЗМІСТ

1. Відпал сталі

2. Гартування сталі

3. Відпуск сталі

Використана література

Термічна обробка підрозділяється на власне термічну і термомеханічну. Власне термічна обробка - термічна дія на сталь, термомеханічна – поєднання - термічної дії і пластичної деформації.

Власне термічна обробка залежно від структурного стану, що отримується в результаті її застосування, підрозділяється на відпал (першого і другого роду), гарт і відпустку.

Відпал сталі

Відпалом називається процес термічної обробки, що полягає в нагріві стали до визначеної температури, витримці і подальшому, як правило, повільному охолоджуванні (у печі) з метою отримання більш рівноважної структури.

Для відпалу застосовують печі, а також спеціальні агрегати.

Відпал першого роду . Це відпал, при якому, як правило не відбувається фазових перетворень (перекристалізації), а якщо вони мають місце, то не роблять впливу на кінцеві результати. Розрізняють наступні різновиди відпалу першого роду: гомогенізація, рекристалізація і зменшує напругу.

відпал гомогенізації , або гомогенізація , застосовується для вирівнювання хімічної неоднорідності (за рахунок дифузії) зерен твердого розчину, тобто зменшення мікроліквації у фасонних відливаннях і в злитках головним чином з легованої сталі.

В процесі гомогенізації злитки нагрівають до 1100-1200°С, витримують при цій температурі 8-15 ч, а потім поволі охолоджують до 200-250 °С. Тривалість відпалу 80 - 110 годин.

відпалу рекристалізації піддають сталь, деформовану в холодному стані. Наклеп може виявитися таким великим, що сталь стає мало пластичною і подальша деформація стає неможливою. Для повернення сталі пластичності і можливості подальшої деформації виробу проводять рекристалізаційний відпал.

При нагріві холоднодеформованої сталі до температури 400-450 °С змін в будові сталі не відбувається, механічні властивості змінюються трохи і лише знімається велика частина внутрішньої напруги. При подальшому нагріві механічні властивості сталі різко змінюються: твердість і міцність знижуються, а пластичність підвищується.

Це відбувається в результаті зміни будови сталі. Витягнуті в результаті деформації зерна стають рівноосними.

Рекристалізація починається з появи зародків на межах деформованих зерен. Надалі зародки ростуть за рахунок деформованих зерен, у зв’язку з чим відбувається утворення нових зерен, поки деформованих зерен зовсім не залишиться.

Під температурою рекристалізації розуміють температура, при якій в металах підданих деформації в холодному стані, починається утворення нових зерен .

А.А. Бочвар встановив залежність між температурою рекристалізація температурою плавлення чистих металів: Т рекр = 0,4 Т пл

де Т рекр і Т пл - відповідно температури рекристалізації і плавлення в кельвінах за термодинамічною шкалою.

Температури рекристалізації для деяких металів такі:

Молібден___ 900 °С Мідь___270 °С

Залізо_____ 450 °С Свинець__-30°С

У зв’язку з тим що при температурі рекристалізації процес утворення нових зерен відбувається дуже повільно, для прискорення процесу холоднодеформовані метали і сплави нагрівають до вищої температури, наприклад вуглецеву сталь до 600 - 700 °С, мідь до 500-700 °С. Ці температури і є температурами відпалу рекристалізації.

Залежно від ступеня деформації розмір зерна сталі після рекристалізації виходить різний. При певному ступені деформації (для сталі 7-15 %) після рекристалізації виходять дуже великі зерна. Такий ступінь деформації називається критичним ступенем деформації.

Щоб уникнути сильного зростання зерна при рекристалізації деформацію сталі закінчують із ступенем обжимання, більш ніж критичний ступінь деформації, або проводять відпал з повною фазовою перекристалізацією.

Відпал, що зменшує напругу .відбувається при нагріванні сталі до температури 200-700 °С (частіше до 350-600 °С) і подальше охолоджування з метою зменшення внутрішньої напруги після технологічних операцій (литво, зварка, обробка різанням і ін.)

Відпал другого роду . Це відпал, при якому фазові перетворень (перекристалізація) визначають його цільове призначення. Розрізняють наступні різновиди відпалу другого роду: повний, неповний, ізотермічний, нормалізаційний (нормалізація).

Повному відпалу піддають доевтектоїдную сталь з метою створення дрібнозернистої структури, пониження твердості і підвищення пластичності, зняття внутрішньої напруги.

При повному відпалі доевтектоїдную сталь нагрівають до температури на 20-30 °С вище за критичну точку Ас3 , тобто на 20-30 °С вище за лінію GS діаграми залізо-цементит.

При нагріві до такої температури крупна початкова феритно-перлітна структура перетворюється на дрібну структуру аустеніту.

При подальшому повільному охолоджуванні (у печі із швидкістю 100-200 ˚С в годину до 500 °С і далі на повітрі) з дрібнозернистого аустеніту утворюється дрібна феритно-перлітна структура. При повному відпалі відбувається подрібнення феритно-цементитних зерен доевтектоїдной стали.

Заевтектоїдную сталь повному відпалу з нагрівом вище критичної точки Аст (лінія SE ) не піддають, оскільки при повільному охолоджуванні цементит розташовується у вигляді сітки по межах зерен перліту погіршуючи, механічні і інші властивості.

Неповному відпалу піддають доевтектоїдную і заевтектоїдную сталь з метою перетворення пластинчастого перліту і сітки цементиту на структуру зернистого перліту. Заевтектоїдная сталь із структурою зернистого перліту володіє кращою оброблюваною здатністю до різання завдяки нижчій твердості.

сталь термічний відпал гартування відпуск

( Для сталі із зернистим перлітом твердість НВ 160-180, для сталі з пластинчастим перлітом - НВ 180-250.

Для отримання зернистого перліту заевтектоїдную сталь нагрівають до температури небагато вище за точку Аст - до 740- 780 °С. При нагріві до такої температури відбувається перетворення на аустеніт тільки перліту, а цементит залишається і утворюється структура цементит + аустеніт.

При подальшому повільному охолоджуванні (у печі із швидкістю 20-60 °С у годину до 700-650 °С з подальшим охолоджуванням на повітрі) з аустеніту утворюється феритно-цементитна. структура із зернистою формою цементиту - зернистий перліт.

Рис. 1. Мікроструктура перліту (Х 1000): а - пластинчастий; б і, в - пластинчастий, такий, що частково перетворився на зернистий; г - зернистий.

У зв’язку з тим, що при цьому виді відпалу виходить зерниста (сфероїдальна) форма цементиту.

Для полегшення утворення зернистого перліту нагріваючи ( до 740 - 780 °С) і охолоджування (до 700-650 °С) повторюють кілька разів. Такий відпал називають маятниковим або циклічним . При цьому зерна цементиту, що утворилися, під час першого охолоджування є додатковими центрами кристалізації при другому охолоджуванні і т.д.

Доевтектоїдні сталі неповному відпалу піддають рідко. Це пояснюється тим, що у зв’язку з неповною перекристалізацією (тільки одного перліту) не відбувається подрібнення всієї структури (ферит не піддається перекристалізації), і в результаті структура і властивості сталі виходять гірше, ніж після повного відпалу.

Для доевтектоїдних сталей неповний відпал застосовують для поліпшення оброблюваної різанням завдяки зниженню твердості.

Ізотермічний відпал . Характерною особливістю ізотермічного відпалу є утворення феритно-перлітної структури з аустеніту при постійній температурі, а не при охолоджуванні, як при повному відпалі.

Тому на відміну від повного відпалу доевтектоїдну сталь, наприклад, нагрівають до температури Ас3 + (20-30 °С) і після витримки швидко охолоджують до температури небагато нижче за критичну точку (до 700-680 °С). При цій температурі сталь витримують протягом часу, необхідного для повного розпаду аустеніту і утворення феритно-перлітової структури. Потім сталь охолоджують на повітрі.

Ізотермічний відпал має переваги в порівнянні з повним відпалом: скорочується час відпалу і виходить одно рідніша структура (але тільки при обробці малих об’ємів металу).

Нормалізаційний відпал (нормалізація ) полягає в нагріві до температури вище за точку Ас3 для доевтектоїдной або точок Аст для заевтектоїдной сталі з подальшим охолоджуванням на повітрі.

При нагріві до температури нормалізації низьковуглецевих сталей відбуваються ті ж процеси, що і при повному відпалі, тобто подрібнення зерен. Но крім того, внаслідок швидшого охолоджування і переохолодження, що виходить при цьому, будова перліту виходить тоншою (дисперсним), а його кількість великим, Механічні властивості при цьому виявляються вищими.

Нормалізація в порівнянні з повним і неповним відпалом - економічніша операція, оскільки не вимагає охолоджування разом з піччю. У зв’язку з вказаними перевагами нормалізація отримала широке застосування замість повного відпалу низьковуглецевих і навіть середньовуглецевих сталей. Нормалізація застосовується також для усунення цементитної сітки в заевтектоїдних сталях.

При нагріві заевтектоїдной сталі вищими за критичну точку Аст утворюється структура аустеніту. Якщо після такого нагріву при повільному охолоджуванні (при відпалі) цементит виділяється у вигляді сітки, то прискорене охолоджування на повітрі (нормалізація) перешкоджає виділенню цементиту по межах зерен і утворюється дрібна феритно-цементитна суміш.

2. Гартування сталі

Гартування - нагрівання вуглецевих або легованих сталей до певної температури і швидке охолодження. У результаті цього змінюється кристалічна структура металу - він стає твердішим і більш антикорозійним. Маловуглецеві сталі з вмістом вуглецю до 0,3 % не гартуються.

Залежно від марки сталь нагрівають до певної температури. Так, сталі У7, У7А нагрівають до 770 - 790°; У8 – У13А - до 760 - 780; Р9 - Р18К5Ф2 - до 1235 - 1280 °С. При нагріванні вище цієї температури сталь втрачає свої властивості. Це також стосується відпалювання та відпускання.

Дрібні вироби, щоб не перепалити, краще нагрівати на попередньо нагрітій металевій підставці (наприклад, штабі). Температура нагрівання її є температурою нагрівання виробу.

Швидке охолодження призводить до твердого загартування, внаслідок чого можуть виникнути великі внутрішні напруження і навіть тріщини. Повільне охолодження може не дати потрібного по твердості загартування.

Охолодними середовищами можуть бути вода (звичайної температури і нагріта до температури 50 - 70 °С), водні розчини, масло і повітря. Кухонна сіль, їдкий натр або селітра, що добавляють до охолодників, прискорюють охолодження. Для зменшення швидкості охолодження до води додають розчин мила, масляну емульсію, рідке скло, вапняне молоко тощо.

Надмірно швидке охолодження водою часто призводить до дефектів (внутрішні напруження, тріщини, згинання), а також різко зменшує гартувальні здатності з підвищенням її температури. Тому при послідовному загартуванні кількох деталей, щоб вони мали однаковий гарт, воду часто замінюють або наливають у велику посудину.

Рівномірно і досить швидко сталь охолоджується у водному розчині кухонної солі або їдкого натру при температурі 20 °С. Деякі сталі для кращого загартування охолоджують у 30%-ному розчині їдкого натру.

Як охолодне середовище можна застосовувати розплавлені солі калієвої або натрієвої селітри.

Нагрівання масла до 60 - 90 °С не зменшує швидкості охолодження, тобто його гартувальна здатність не зменшується.

Охолодним середовищем для сталей може бути повітря (для тонких деталей) або повітря під тиском (від вентилятора, компресора). Деякі плоскі деталі (ножі) з нержавіючої сталі охолоджують між двома металевими штаба.

3. Відпуск сталі

Відпуск сталей – операція термічної обробки, яка полягає в нагріванні загартованих сталей до температур, що не перевищують температури утворення аустеніту (Ас1), витримуванні при цих температурах для перетворення мартенситу гартування у рівноважніші структури та наступного охолодження.

На відміну від продуктів розкладання переохолодженого аустеніту (сорбіт, троостит), які мають пластинчасту форму цементиту, продукти розкладання мартенситу під час нагрівання (сорбіт відпуску, троостит відпуску) мають зернисту форму цементиту, тому за інших рівних умов вони характеризуються більшими ударною в’язкістю й тривкістю до втомного руйнування.

Головним параметром режиму відпуску, який визначає структуру, а отже, властивості сталі й застосування відпуску, є температура. За температурою нагрівання розрізняють такі види відпуску:

• низькотемпературний (низький) відпуск, який проводять в інтервалі температур 150...250 ºС для отримання структури мартенситу відпуску й часткового усунення гартувальних внутрішніх напружень. Після низькотемпературного відпуску дещо підвищується в’язкість сталі без помітного зменшення твердості (58–63 HRC для сталей з вмістом Карбону 0,6–1,3 %) і зносотривкості. Застосовується для різального, вимірювального інструменту, штампів холодного деформування, підшипників кочення, виробів після поверхневого гартування, цементації;

• середньотемпературний (середній) відпуск проводять в інтервалі температур 350...450 ºС для усунення гартівних напружень і утворення структури троститу відпуску, яка має високу пружність, витривалість, релаксаційну стійкість і твердість в межах 40–50 HRC. Його застосовують для ресор, пружин, штампів гарячого деформування;

• високотемпературний (високий) відпуск проводять в інтервалі температур 500...650 ºС для майже повного усунення гартівних внутрішніх напружень та утворення структури сорбіту відпуску, що забезпечує найкраще поєднання високої ударної в’язкості, границі витривалості із задовільною міцністю й твердістю (близько 25 HRC). Гартування з високим відпуском називають поліпшенням (покращанням). Поліпшення застосовують для конструкційних сталей, з яких виготовляють деталі, котрі працюють в умовах дії значних динамічних і змінних навантажень.

Тривалість витримування при відпуску залежить насамперед від температури відпуску й габаритів виробів. Вона збільшується зі збільшенням розмірів виробів та зниженням температури відпуску й змінюється переважно в межах від 1 до 5 годин.

Швидкість охолодження передусім впливає на внутрішні напруження. Тому в процесі відпуску вироби, особливо складної форми, з легованих сталей, переважно охолоджують повільно – на повітрі, щоб зменшити внутрішні напруження та уникнути небезпеки їх жолоблення. Проте в окремих випадках деякі вироби необхідно охолоджувати швидко, як-от:

• пружини, ресори охолоджують у воді, щоб збільшити в поверхневому шарі напруження стискання, які підвищують границю витривалості, протидіючи утворенню та поширенню втомних тріщин;

• деталі з легованих сталей, схильних до зворотної відпускної крихкості, під час високотемпературного відпуску охолоджують швидко, щоб загальмувати розвиток відпускної крихкості й уникнути окрихчення.

Використана література

Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапое и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова.—2-е изд., испр. и доп.— М.: Машиностроение, 1986.—384 с, ил.

Баженов В.К., Милых Т.И. Материаловедение.Учебное пособие - Москва: РГОТУПС, 2003.- 101 с.

Портной В.К. Материаловедение. Лабораторный практикум - Москва: МИСиС, 2007.- 45 с.

В. Попович, А. Кондир, Е. Плешаков та ін. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство: Практикум: Навч. посібник. — Львів: Світ, 2009. — 552 с.

Гірничий енциклопедичний словник: в 3 т. / За ред. В.С. Білецького. — Донецьк: Східний видавничий дім, 2001—2004