Отжигом называется операция термической обработки, связанная с нагревом стали, выдержкой и медленным охлаждением (с печью).

Отжиг - операция предварительная или промежуточная. Основное назначение - снятие внутренних напряжений и улучшение или исправление структуры металла (измельчение зерна, устранение ликвации, снижение твердости, повышение пластичности, улучшение обрабатываемости).

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа (после холодной пластической деформации), восстановления пластичности и ударной вязкости стали.

Рекристаллизационный отжиг углеродистых и низколегированных сталей проводится при температуре 550-700^оС с выдержкой после прогрева от 30 до 60 мин в зависимости от состава стали.

Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой. В металле искажается кристаллическая решетка и образуется определенная ориентировка зерен - текстура. Зерна деформируются, сплющиваются и из равноосных превращаются в неравноосные (в виде лепешки, блина). При отжиге происходит рекристаллизация - рост новых равноосных зерен за счет исходных деформированных. После завершения рекристаллизации строение металла и его свойства становятся прежними (которые он имел до деформации).

Низкотемпературный отжиг проводят для снятия внутренних остаточных напряжений при температуре 650-700^оС в течение нескольких часов.

Этому отжигу подвергают отливки, поковки, сварные изделия и детали, в которых из-за неравномерного охлаждения и по другим причинам возникли внутренние напряжения. Эти напряжения, если их не устранить, могут вызвать коробление и появление трещин.

Полный отжиг, или отжиг на мелкое зерно, проводится только для доэвтектоидных сталей при температуре на 30-50^оС выше точки Ас₃ [1].

Назначение отжига - измельчение зерна, исправление структуры, максимальное снижение твердости и повышение пластичности, снятие внутренних напряжений.

При этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация. Медленное охлаждение обеспечивает распад аустенита при малых степенях переохлаждения, получение высокой пластичности и минимальной твердости. Мелкое начальное зерно аустенита способствует получению при охлаждении мелкозернистой структуры с равномерным распределением феррита и перлита.

Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат, поковки и фасонные отливки.

Неполный отжиг используют для снижения твердости стали и улучшения обрабатываемости резанием. Заэвтектоидные стали полному отжигу с полной перекристаллизацией подвергать нельзя, так как при медленном охлаждении из аустенитного состояния вторичный цементит выделяется по границам зерен в виде сетки и сталь становится хрупкой (теряет пластичность). Заэвтектоидные стали подвергают только неполному отжигу с нагревом до 750-770^оС (несколько выше Ас₁), выдерживают до прогрева по сечению и охлаждают.

В результате образуется структура зернистого перлита. Этот отжиг часто называют отжигом на зернистый перлит, или сфероидизацией.

Сталь со структурой зернистого перлита обладает наименьшей твердостью, наилучшей обрабатываемостью резанием и менее склонна к перегреву при закалке, поэтому инструментальные стали, как более твердые, должны поставляться со структурой зернистого перлита.

1.1.2 Нормализация

Нормализацией называется операция термической обработки, при которой сталь нагревают до аустенитного состояния, выдерживают и охлаждают на воздухе. По сравнению с отжигом она более производительна и экономична.

Нормализация связана с полной перекристаллизацией и у горячекатаной стали измельчает структуру, повышает циклическую прочность, понижает порог хладноломкости.

Нормализация как промежуточная обработка аналогична отжигу. Ее часто используют для общего измельчения структуры перед закалкой.

Исправить структуру заэвтектоидной стали можно только нормализацией. Она измельчает зерно, и при ускоренном охлаждении на воздухе цементит вторичный не успевает образовать грубую сетку по границам зерен. Иногда нормализацию используют как окончательную обработку для получения структуры сорбита.

1.2 Порядок выполнения работы

1) Изучить назначение каждого вида отжига и нормализации, режимы их проведения.

2) По три образца из среднеуглеродистой стали подвергнуть полному отжигу и нормализации для испытаний на ударный изгиб.

3) На маятниковом копре провести ударные испытания подготовленных образцов, замерить их твердость методом Бринелля.

4) Сравнить значения ударной вязкости и твердости образцов стали после отжига и нормализации. Обсудить результаты испытаний.

1.3 Содержание отчета

1) График в координатах «температура - время» с указанием названия, назначения и температурного режима каждого вида отжига.

2) Описание назначения нормализации для доэвтектоидной и заэвтектоидной стали (указать, как изменяется ударная вязкость в зависимости от твердости стали).

2. Закалка и отпуск стали

Цель работы: изучить назначение, виды и способы закалки стали. Уяснить цель проведения отпуска и его влияние на структуру и свойства стали.

2.1 Краткие теоретические сведения

2.1.1 Закалка

Закалкой называется термическая операция, связанная с нагревом стали выше температуры фазовых превращений, с выдержкой и последующим быстрым охлаждением (в каком-либо охладителе). Цель закалки - придание стали высокой твердости и прочности путем образования неравновесной структуры: мартенсита или бейнита (игольчатого троостита).

Выбор температуры нагрева при объемной закалке углеродистых сталей производится по диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов [1]. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30-50^оС выше критической точки А₃, т.е. выше линии GS диаграммы. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит, происходит полная перекристаллизация стали. Охлаждение со скоростью больше критической приводит к мартенситному превращению (АМ). Такая закалка называется полной.

Эвтектоидные и заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, т.е. нагревают до температуры на 30-50^оС выше критической точки А₁ (линия РSК диаграммы). Эта температура постоянная, интервал температуры для закалки - 760-780^оС.

Скорость охлаждения после нагрева и выдержки оказывает решающее влияние на результат закалки. Режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали большие напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Эти напряжения складываются из термических и структурных.

При закалке углеродистых и некоторых низколегированных сталей в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы. Холодная вода - самый дешевый и быстрый охладитель. К недостаткам этого охладителя относится образование «паровой рубашки». Кроме того, с повышением температуры воды резко снижается ее охлаждающая способность.

Увеличение охлаждающей способности воды достигается при использовании струйного или душевого (спрейерного) охлаждения. Для крупных изделий (рельсов, труб и т.п.) применяется водовоздушная среда - смесь воды с воздухом, подаваемая в камеру под давлением через форсунки (водяной туман).

Для легированных сталей при закалке применяют минеральное масло. Оно не изменяет охлаждающую способность при нагреве (20-150^оС), не образует «паровую рубашку». Перепад температуры между поверхностью и центром изделия при закалке в масле меньше, чем при охлаждении в воде, следовательно, меньше и термические напряжения. Недостатками масла как охладителя при закалке являются образование пригара на поверхности изделия, потеря с течением времени закаливающей способности (загустевшее масло требует замены), легкая загораемость. Применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения.

Закалка в одном охладителе. Изделия из печи по конвейеру (транспортеру) поступают в закалочный бак с охлаждающей средой, где и находятся до полного охлаждения.

Этот способ применяется для изделий простых форм из углеродистых (охлаждение - в воде) и легированных (охлаждение - в масле) сталей и является простым и наиболее распространенным способом, как в единичном, так и в массовом производстве. Недостатком его является то, что в результате большой разницы температуры нагретого металла и охлаждающей среды в закаленной стали наряду со структурными возникают большие термические напряжения, вызывающие коробление и появление трещин.

Прерывистая закалка в двух охладителях. Изделие сначала охлаждают до 400-300^оС в воде, а затем для окончательного охлаждения переносят в масло - «через воду - в масло». В мартенситном интервале (300-100^оС) сталь охлаждается более медленно, что способствует уменьшению закалочных напряжений.

Ступенчатая закалка. Нагретое изделие охлаждается погружением в ванну с температурой закалочной среды (расплавленные соли, селитры, щелочи) немного выше температуры начала мартенситного превращения (на 20-30^оС выше точки М_н) для данной стали. После выдержки, необходимой для выравнивания температуры по сечению, изделие охлаждают на воздухе. Продолжительность выдержки строго контролируется, чтобы не произошло промежуточного превращения аустенита.

Изотермическая выдержка для выравнивания температуры по сечению способствует снижению термических напряжений, а охлаждение на воздухе - структурных. Основное достоинство ступенчатой закалки - получение мартенситной структуры при минимальных закалочных напряжениях.

Закалка с самоотпуском. Охлаждение изделия, нагретого под закалку, ведут не до конца и извлекают из охладителя. За счет тепла внутренних слоев верхний охлажденный слой разогревается до 200-250^оС, в результате чего происходит самоотпуск. Закалку с самоотпуском применяют для деталей ударного слесарного и кузнечного инструмента, который должен иметь достаточно высокую твердость на поверхности и сравнительно вязкую сердцевину. Температуру отпуска определяют по цветам побежалости (цвет слоя окисла поверхности зависит от его толщины). Старый (точнее - древний) способ с самоотпуском нашел применение в механизированном поточном производстве.

2.1.2 Отпуск закаленной стали

Отпуск - операция термической обработки, связанная с нагревом закаленной стали ниже температуры фазовых превращений, выдержкой и охлаждением.

Цель отпуска - снятие или снижение внутренних напряжений, возникших при закалке, и получение структуры с заданными свойствами (прочностью, твердостью, пластичностью и вязкостью).

Отпуск необходимо проводить непосредственно после закалки, так как закалочные напряжения через некоторое время могут вызвать появление трещин. Низкая пластичность и значительные внутренние напряжения при закалке стали на мартенсит не позволяют использовать ее без проведения отпуска. При нагреве вследствие диффузионных процессов в структуре закаленной стали происходят фазовые превращения, которые зависят от температуры отпуска и определяют его назначение.

Твердость и прочность стали с повышением температуры отпуска снижаются, а пластичность и вязкость - повышаются. При некоторых условиях отпуска закаленных сталей происходит их «охрупчивание» - потеря пластичности (отпускная хрупкость).

Отпускная хрупкость появляется при температуре 300^оС у всех сталей независимо от их состава и скорости охлаждения при отпуске. Для предупреждения охрупчивания необходимо избегать интервал температуры отпускной хрупкости 250-350^оС.

В зависимости от температуры различают несколько видов отпуска.

Низкотемпературный (низкий) отпуск. Температура нагрева - 150-200^оС, выдержка - 1-1,5 ч. Снижаются внутренние напряжения. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Этот отпуск обеспечивает максимальную твердость стали и некоторое повышение прочности и вязкости. Твердость (60-65 НRС) зависит от содержания углерода в стали. Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали после поверхностной закалки или химико-термической обработки и закалки (цементация, нитроцементация).

Среднетемпературный (средний) отпуск. Температура нагрева - 350-500^оС (чаще 380-420^оС), выдержка - от 1-2 до 3-5 ч. Значительно снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переходит в троостит отпуска, твердость - 40-45 НRС. Обеспечивается наилучшее сочетание предела упругости с пределом выносливости (усталостной прочностью).

Этот отпуск проводят в основном для пружин, рессор, мембран и подобных деталей, а также для штампового инструмента. Охлаждение после отпуска рекомендуется проводить в воде, что способствует образованию на поверхности изделий сжимающих остаточных напряжений, повышающих усталостную прочность.

Высокотемпературный (высокий) отпуск. Температура нагрева - 500-680^оС, выдержка - 1-8 ч. Полностью снимаются внутренние напряжения. Структура стали - сорбит отпуска, твердость - 25-35 НRС. Создается наилучшее соотношение прочности, пластичности и вязкости стали.

Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением (термическим). Проводится она для деталей, которые должны обладать повышенной конструктивной прочностью. Улучшению подвергаются детали, выполненные в основном из среднеуглеродистых конструкционных сталей.

2.2 Порядок выполнения работы

1) Провести отпуск предварительно закаленных образцов из среднеуглеродистой стали для испытаний на ударный изгиб. Температура отпуска - 180, 400, 600^оС, продолжительность его - 30 мин.

2) После ударных испытаний измерить твердость и сравнить характеристики механических свойств стали в зависимости от температуры отпуска. Обсудить результаты испытаний.

2.3 Содержание отчета

1) График в координатах «температура - время», на котором должны быть указаны режимы основных способов закалки. Описание их особенностей и назначение способов закалки.

2) Краткое описание режимов трех видов отпуска закаленной стали (низкого, среднего, высокого), получаемых структур и свойств, их назначение.

3) График в координатах «свойства - температура отпуска» с указанием изменений значений ударной вязкости и твердости стали.

3. Поверхностное упрочнение стальных деталей

Цель работы: изучить способы поверхностного упрочнения стальных деталей.

3.1 Краткие теоретические сведения

термообработка сталь отжиг закалка

Многие детали машин работают в условиях трения и подвергаются действию ударных и изгибающих нагрузок. Такие детали должны быть твердыми, износостойкими, прочными и одновременно вязкими, пластичными. Это достигается поверхностным упрочнением.

Назначение поверхностного упрочнения - повышение прочности, твердости, износостойкости поверхностных слоев деталей при сохранении вязкой, пластичной сердцевины для восприятия ударных нагрузок.

У деталей машин, работающих при динамических и циклических нагрузках, трещины усталости возникают в поверхностных слоях под влиянием растягивающих напряжений. Если на поверхности создать остаточные напряжения сжатия, то растягивающие напряжения от нагрузок в эксплуатации будут меньше и увеличится предел выносливости (усталости). Создание в поверхностных слоях деталей напряжений сжатия - второе назначение поверхностного упрочнения.

Основные методы поверхностного упрочнения можно разделить на три группы:

механические - пластическое деформирование поверхностных слоев, создание наклепа (нагартовки);

термические - поверхностная закалка;

химико-термическая обработка - цементация, азотирование, хромирование и др.

3.1.1 Механическое упрочнение поверхности

Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой. При этом изменяется строение металла: искажается кристаллическая решетка и деформируются зерна, т.е. из равноосных они превращаются в неравноосные (в виде лепешки, блина). Это сопровождается увеличением твердости и прочности в 1,5-3 раза. Возникающие в наклепанном слое напряжения сжатия повышают сопротивление усталости. Упрочнение поверхности пластическим деформированием повышает надежность работы деталей, снижает чувствительность к концентраторам напряжений, повышает сопротивление изнашиванию и коррозионную стойкость, устраняет следы предыдущей обработки.

Накатка роликами и шариками - операция, при которой стальной закаленный ролик (шарик), обкатывая упрочняемую поверхность при заданной нагрузке (нажатии), деформирует, т.е. сминает поверхностный слой металла на определенную глубину. Происходит упрочнение - наклеп. Глубина упрочненного слоя - 0,5-2,0 мм.

Дробеструйная обработка - операция, при которой частицы твердого металла (дробь), вылетая из дробемета с большой скоростью (90-150 м/с), ударяют по упрочняемой поверхности, происходит ее наклеп. Прочность, твердость и предел усталости повышаются. Толщина упрочненного слоя составляет 0,2-0,4 мм. Дробеструйному наклепу подвергают пружины, рессоры, зубчатые колеса, валы торсионные и т.п. Например, рессорные листы после термообработки перед сборкой в пакет подвергают дробеструйному наклепу, что значительно увеличивает срок службы рессоры (в 5-6 раз). Дробеструйная обработка является конечной технологической операцией для деталей после механической и термической обработки. Оборудованием являются дробеметы.

Эти методы упрочнения наиболее распространены в машиностроении. Кроме них используются алмазное выглаживание, вибронакатывание, калибровка отверстий и т.п.

3.1.2 Термическое упрочнение - поверхностная закалка

Сущность поверхностной закалки состоит в том, что верхние слои детали быстро нагреваются выше температуры критических точек и создается резкий перепад температуры по сечению от поверхности к сердцевине. Если нагрев прервать и деталь быстро охладить, то закалку получит только ее поверхность, а сердцевина останется незакаленной.

Закалка с индукционным нагревом током высокой частоты (закалка ТВЧ) - операция, при которой деталь для нагрева помещают в индуктор (соленоид), представляющий собой один или несколько витков медной трубки, охлаждаемой проточной водой. Переменный ток высокой частоты, протекая по индуктору, создает переменное магнитное поле. В результате индукции в поверхностном слое детали возникают вихревые токи, и выделяется джоулево тепло. Происходит быстрый нагрев поверхности до температуры закалки. Время нагрева - 20-50 с.

Охлаждение нагретой для закалки детали производится либо в баке (с водой, эмульсией или маслом), либо душевым устройством - спрейером. Глубина закаленного слоя в зависимости от условий работы детали составляет 1,5-4,0 мм, твердость - 63-65 HRC. После закалки ТВЧ деталь подвергают низкому отпуску или самоотпуску. Поверхностную индукционную закалку чаще применяют для углеродистых сталей (0,4-0,5% С) и значительно реже - для легированных.

Индукционный нагрев позволяет сократить длительность термической обработки и повысить производительность труда, получить поверхность без окалины, уменьшить деформацию и коробление деталей при закалке.

Закалка с индукционным нагревом широко применяется во всех отраслях промышленности для упрочнения коленчатых и шлицевых валов, распределительных валиков, зубьев шестерен, тормозных шкивов, шпинделей, борштанг и других деталей.

Закалка с газопламенным нагревом применяется в основном для крупных деталей, толщина закаленного слоя - не менее 20 - 40 мм при твердости 55-58 HRC.

Поверхность детали нагревают газовым пламенем, имеющим температуру 2400-3150^оС. Для нагрева используют одно- и многопламенные горелки. Вследствие подвода большого количества тепла поверхность детали быстро нагревается до температуры выше фазовых превращений. Последующее спрейерное охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя.

Кроме индукционного и газопламенного нагрева для поверхностной закалки деталей используют установки электроконтактного нагрева и лазерного излучения.

3.1.3 Химико-термическая обработка (ХТО)

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали каким-либо химическим элементом (углеродом, азотом, бором и т.п.) путем его диффузии из внешней среды. Изделие помещают в среду, богатую элементом, и нагревают. Происходит его диффузия вглубь изделия.

При химико-термической обработке в стали протекают фазовые превращения, связанные с нагревом и охлаждением, и изменяется химический состав поверхностных слоев, что в широких пределах изменяет их структуру и свойства.

Цементация стали - операция диффузионного насыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали углеродом при нагревании в соответствующей среде - карбюризаторе.

При науглероживании, а затем при закалке поверхностный слой приобретает высокую твердость, износостойкость, в нем образуются остаточные напряжения сжатия. Сердцевина изделия (углерода менее 0,3%) закалку не воспримет (останется мягкой, пластичной).

Цементации подвергают конструкционные углеродистые и легированные стали. Этот процесс широко применяется при изготовлении деталей используемых в автотракторостроении, станкостроении, инструментальном производстве и т.п.

Цементованные стали после закалки обязательно подвергают низкому отпуску при температуре 160-180^оС. Структура поверхностного слоя - мартенсит с небольшим количеством вторичных карбидов, твердость до 63 HRC.

Азотирование - операция диффузного насыщения поверхностного слоя стали азотом, которая повышает твердость до 70 HRC и износостойкость поверхностного слоя, предел выносливости и сопротивление коррозии.

Твердость азотированного слоя выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до температуры 450-500^оС, тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200-225^оС.

Износостойкость и предел выносливости азотированной стали выше, чем цементованной и закаленной. После азотирования проводят шлифование и доводку деталей.

Нитроцементация - операция диффузионного насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака.

После нитроцементации следует закалка с низким отпуском. Твердость слоя после закалки и отпуска - 58-64 HRC.

Нитроцементацию проводят для деталей сложной формы, склонных к короблению, и по сравнению с газовой цементацией она имеет преимущество: более низкую температуру процесса и меньшее коробление изделий. У деталей, подвергнутых нитроцементации, выше сопротивление износу и коррозии. Например, на Волжском автомобильном заводе 95% деталей, проходящих ХТО, подвергают нитроцементации.

Борирование - операция насыщения поверхностного слоя стали бором. Она обеспечивает высокую твердость (70-72 HRC), износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах.

Хромирование - операция насыщения поверхностного слоя стали хромом для повышения коррозионной стойкости, жаростойкости, а у средне- и высокоуглеродистых сталей при этом значительно повышаются твердость и износостойкость. Твердость среднеуглеродистых сталей - до 70-72 HRC.

Кроме перечисленных операций к химико-термической обработке относятся алетирование, силицирование и др.

3.2 Порядок выполнения работы

1) Два цилиндрических образца из сталей марок 20 и 45 накатать роликом на токарно-винторезном станке. Определить степень деформации по разности диаметров образцов до и после накатки. Сравнить твердость накатанной и неупрочненной поверхностей образцов в единицах HRC.

2) Три образца из стали марки 45 нагреть на установке ТВЧ до температуры закалки и охладить на воздухе, в масле и в воде. Измерить твердость в единицах HRC. Обсудить результаты исследований.

3) Исследовать под микроскопом структуру цементованной и хромированной стали.

3.3 Содержание отчета

1) Цели поверхностного упрочнения деталей.

2) Описание возможных способов упрочнения холодной пластической деформацией.

3) Сравнительная характеристика двух способов поверхностной закалки деталей (ТВЧ и газопламенной).

4) Описание двух операций ХТО (по указанию преподавателя)

Библиографический список

1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов / Ю.М. Лахтин. М.: Металлургия, 1977. 411 с.

2. Гуляев А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 1977. 645 с.

3. Основы металловедения / Под ред. И.И. Сидорина. М.: Машиностроение, 1976. 439 с.

4. Технология конструкционных материалов / Под ред. А.М. Дальского. М.: Машиностроение, 1985. 447 с.

Размещено на Allbest.ru