Порядок выполнения задания

ИНСТРУКЦИЯ

К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ № 3

 

ТЕМА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ ОТЖИГА, ЗАКАЛКИ И ОТПУСКА СТАЛИ (термическая обработка сталей).

Цель: рассмотреть механизм и процессы, протекающие в структуре сталей при их термической обработке.

Задание: подобрать оптимальный режим термической обработки заданной марки стали для получения заданных свойств.

Теоретическое введение

Термическую обработку стали можно определить как процесс теплового воздействия на сталь, направленный на изменение ее структуры и свойств.

Научные основы термической обработки были заложены великим русским металлургом Д.К. Черновым, открывшим в 1868 г. структурные превращения в стали. Режимы термической обработки стали связаны с критическими точками. Температуру, соответствующую линии PК на диаграмме состояния Fe-Fe₃C, обозначают точкой А₁. Температуры, соответствующие линии GS, обозначают точкой А₃, а линии SE – точкой А_m.

Из-за теплового гистерезиса превращения при нагреве стали начинаются при температурах выше точек А₁, А₃, А_m, а при охлаждении – ниже этих точек. Для обозначения температур превращения при нагревании у буквы А внизу ставят индекс с, а при охлаждении r (например, А_c1, А_сm, А_r1).

Структура термически обработанной стали данного состава, а следовательно и ее свойства, определяется тремя основными факторами – температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и скоростью охлаждения.

Термическую обработку можно разделить на несколько основных видов, исходя из сущности происходящих в металле процессов. Такими основными видами являются: отжиг, закалка и отпуск.

Во всех процессах на сплав оказывается только тепловое воздействие.

Рассмотрим на примере эвтектоидной и доэвтектоидной стали структуры, которые получаются при отжиге, закалке, отпуске и химико-термической обработке.

Отжиг

Различают отжиг первого и второго рода. Отжиг первого рода имеет целью снятие напряжений, осуществление рекристаллизации и гомогенизации. Применительно к углеродистым сталям отжиг для снятия напряжений производится при 400 – 600 С. Рекристаллизационный отжиг осуществляется при 680 – 700 С, т.е. ниже превращения А_c1. Гомогенизационный отжиг для устранения дендритной ликвации в литой стали производится в аустенитной области при температуре 1100 – 1200 С в течение 10 – 20 ч. За это время в металле может заметно вырасти аустенитное зерно, что приводит к пониженным механическим свойствам. Поэтому после гомогенизационного отжига сталь всегда подвергают отжигу второго рода – фазовой перекристаллизации с целью измельчения аустенитного зерна.

Для отжига с полной фазовой перекристаллизацией стали (отжига второго рода) необходимо выполнить два условия.

Во-первых, необходимо нагреть сталь до такой температуры, при которой она находится в аустенитном состоянии, и выдержать при этой температуре до полной аустенизации. Из-за очень сильного развитой поверхности кристаллов феррита и цементита количество зародышей аустенита столь велико, что сразу же по окончании фазового превращения выше А_c3 сталь имеет мелкозернистое строение. Однако зерна аустенита могут быстро укрупняться. Одна из причин этого заключается в том, что превращение феррит – аустенит происходит с уменьшением объема на 1 %, которое вызывает пластическую деформацию. Пластическая деформация обуславливает рост зерна в твердом металле. Температура нагрева должна быть выше точки А_с3 для доэвтектоидной стали и выше А_сm для заэвтектоидной.

Во-вторых, необходимо охладить сталь с относительно небольшой скоростью, чтобы произошло фазовое превращение с образованием из аустенита феррито-цементитной смеси. Для обсуждения явлений, происходящих в структуре сталей при отжиге второго рода и при закалке, необходимо обратиться к диаграмме изотермического распада аустенита. На рис. 20 изображена такая диаграмма для эвтектоидной стали с 0,8 %С.

На этом рисунке кривая Н показывает начало распада аустенита, кривая К – его конец. По диаграмме ниже 727 С слева от кривой Н структура стали состоит из переохлажденного аустенита А_п. Выдержка переохлажденного аустенита при температурах от 700 до 450 С приводит к обычному распаду на эвтектоидную смесь феррита и цементита.

Эвтекоидная смесь феррита с цементитом растет в виде колоний из отдельных центров в аустенитных зернах. Чем больше скорость охлаждения стали, тем сильнее переохлаждается аустенит ниже 727 С и более тонкое внутреннее строение имеют колонии эвтектоидной смеси. В зависимости от дисперсности пластинчатой феррито-цементитной смеси различают перлит, сорбит и троостит. Перлит образуется при небольших степенях переохладения аустенита (охлаждение с печью со скоростью в несколько градусов в минуту), и двухфазное строение его колоний хорошо видно при увеличении 300. Твердость перлита 200 – 250 НВ. Сорбит образуется при несколько больших степенях переохлаждения аустенита (охлаждение на воздухе со скоростью в несколько десятков градусов в минуту). Поэтому он более дисперсен и его внутреннее строение можно различить при большем увеличении. Сорбит обладает твердостью 300 НВ. Троостит (400 НВ) образуется при еще больших степенях переохлаждения аустенита (охлаждение в масле со скоростью в несколько десятков градусов в секунду). Изучение троостита под электронным микроскопом показывает, что он отличается от перлита и сорбита только меньшей толщиной пластинок цементита. Благодаря большей дисперсности, троостит сильно растравливается, и в световой микроскоп виден сплошной темный фон шлифа.

Рис. 1. Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали (0,8 %С)

На использовании фазовой перекристааллизации основаны разные виды отжига. Из них наиболее важен полный отжиг и нормализационный отжиг. Цель отжигов состоит в повышении пластических свойств металла и улучшении обрабатываемости резанием. Полному отжигу обычно подвергают доэвтектоидные стали, при этом нагрев ведут выше А_с3 на 30 – 50 С, выдерживают и медленно, обычно вместе с печью охлаждают. В результате полного отжига в структуре стали появляется перлит. Неполный отжиг применяется для заэвтектоидной стали, нагрев при этом ведут выше А_с1, но ниже А_cm. При этих температурах в структуре исчезает феррит и вместо него появляется аустенит, но сохраняется вторичный цементит. Во время выдержки при указанных температурах происходит сфероидизация пластинчатых выделений цементита.

Обычно после отжига второго рода сталь охлаждают медленно с печью (скорость охлаждения 30 град/ч). Если после нагрева выше А_с3 или А_cm сталь охладить на спокойном воздухе (скорость охлаждения 1,6 град/ч), то появляющийся перлит приобретает более тонкое строение, чем после охлаждения с печью. Это приводит к повышению прочности и пластичности стали. Данная разновидность термообработки называется нормализацией.

При полном отжиге доэвтектоидной стали из аустенита выделяется весь избыточный феррит и образуется эвтектоид перлит. Увеличение скорости охлаждения доэвтектоидной стали с температуры выше А_c3 приводит не только к увеличению дисперсности эвтектоида, но и к изменению избыточных выделений феррита. При нормализации, а также при охлаждении в масле, избыточный феррит не успевает полностью структурно обособиться. Не успевший выделиться в виде самостоятельной структурной составляющей избыточный феррит входит в эвтектоид. Такой эвтектоид с повышенным содержанием феррита имеет меньше 0,8 %С, и поэтому он был назван квазиэвтектоидом. В зависимости от степени дисперсности, квазиэвтектоид в доэвтектоидной стали, так же как и эвтектоид в чисто эвтектоидной стали, называют сорбитом и трооститом.

Чем больше скорость охлаждения, тем меньше успевает выделиться из аустенита структурно-свободного избыточного феррита. При достаточно быстром охлаждении выделение структурно свободного избыточного феррита может быть полностью подавлено, а вся масса доэвтектоидной стали в этом случае имеет квазиэвтектоидную структуру. Это лишний раз указывает на то, что содержание углерода можно оценивать по микроструктуре только для хорошо отожженных сталей, приведенных в равновесное состояние.

Кроме скорости охлаждения, на структуру стали сильно влияет температура нагрева в аустенитной области. Чем выше температура нагрева, тем более крупным вырастает аустенитное зерно и тем крупнее получаются выделения избыточного феррита и колонии эвтектоида. Если при полном отжиге доэвтекторидную сталь сильно перегреть выше точки А_c3, то образуется характерная видманштеттова структура. Из крупных зерен аустенита образуются крупные колонии перлита, а избыточный феррит выделяется в виде ориентированных пластин. В сечении шлифа эти пластины представляют собой крупные иглы. При такой структуре сталь обладает пониженной ударной вязкостью. Поэтому при полном отжиге и нормализации температура нагрева стали не должна значительно превышать точку А_с3.

Ради экономии времени и затрат энергии сталь подвергают изотермическому отжигу, который состоит в том, что сначала сталь переводят в аустенитное состояние, а затем быстро охлаждают до температур на 50 – 100 град ниже А_c1 и выдерживают здесь столько времени, чтобы завершился переход переохлажденного аустенита в перлит. После этого изделие охлаждают на спокойном воздухе. Изотермический отжиг позволяет получать более однородные свойства в разных участках объема металла, так как превращение везде идет примерно с одинаковой скоростью, тогда как при нормализации условия охлаждения на поверхности и в толще металла существенно различаются. Условия изотермического отжига изображены на рис. 20 линией 2.

Если необходимо получать несколько большую твердость, чем при нормализации, и нежелательно проводить закалку с последующим отпуском, иногда применяют одинарнуютермообработку, которую называют также патентированием или сорбитизацией. При этом распад аустенита совершается при 500 – 550 С в области изгиба С-кривых (кривая 3 на рис. 1). В результате этой разновидности термообработки эвтектоид в стали приобретает сорбитную структуру. Практически одинарная термообработка проводится путем погружения изделий в жидкий свинец, соль, обрызгиванием водой, обдувкой воздухом. Применяется она для рельсов и проволоки.

Закалка

Феррит и цементит отличаются по химическому составу от исходного аустенита. Распад аустенита с образованием феррита и цементита – диффузионный процесс, связанный с перераспределением углерода, т.е. с диффузионным перемещением атомов на значительные расстояния, на много превышающие период решетки аустенита. При охлаждении углеродистой стали с достаточно большой скоростью, например в холодной воде (сотни градусов в секунду), аустенит настолько сильно переохлаждается ниже 727 С, что не распадается на смесь двух стабильных фаз, т.к. подвижность атомов при сильном переохлаждении слишком мала.

При больших переохлаждениях в условиях малой подвижности атомов происходит бездиффузионное полиморфное превращение   : аустенит - раствор внедрения углерода в  -Fe с ГЦК решеткой превращается в мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в  -Fe. Мартенсит – совершенно новая, метастабильная фаза. Он появляется в переохлажденном аустените при 230 С. Это отражено на диаграмме (рис. 20) горизонтальной линией (М_н).

Растворимость углерода в  -Fe при комнатной температуре в равновесных условиях мала. В мартенсите же сохраняются все то количество углерода, которое было в исходном аустените. Поэтому мартенсит является метастабильным пересыщенным раствором углерода в  -Fe. Избыточные атомы углерода делают ОЦК решетку тетрагональной.

Для полной закалки доэвтектоидную углеродистую сталь необходимо нагреть выше линии GS, выдержать до завершения аустенизации и охладить в воде. После такой обработки структура закаленной стали будет состоять из мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита.

Мартенсит имеет больший объем, чем исходный аустенит, из-за чего непревращенный аустенит испытывает сильное сжатие, а пластины мартенсита располагаются по определенным кристаллографическим плоскостям. На шлифах пластины мартенсита выглядят как иглы, часто расположенные под углом 60 и 120 друг к другу. Начавшееся при 230  С мартенситное превращение идет дальше только по мере снижения температуры. Появление новых количеств мартенсита продолжается до –80 С. При этой температуре в структуре остается несколько процентов аустенита (А_ост.). Температура – 80 С считается концом мартенситного превращения, и на диаграмме это отражено горизонтальной линией, (М_к). Мартенсит резко отличается по свойствам от аустенита. Он ферромагнитен и очень тверд – твердость по Роквеллу HRC 65.

Чем выше температура нагрева под закалку, тем крупнее вырастает аустенитное зерно и тем крупнее образуются в нем пластины мартенсита. В правильно закаленной стали мартенсит не имеет под микроскопом типичного игольчатого строения и называется “бесструктурным”. Температура закалки доэвтектоидной стали не должна превышать точку Ас₃ более чем на 30 – 50 C. Свойства мартенсита сталей зависят от количества растворенного в нем углерода – чем больше углерода, тем выше твердость.

Закалка доэвтектоидной стали с температуры выше линии PS но ниже GS (рис. 2) называется неполной. В этом случае при температуре закалки в стали, кроме аустенита, находится также избыточный феррит. При закалке аустенит переходит в мартенсит, а феррит остается в виде мягких светлых включений на фоне мартенсита. Неполная закалка доэвтектоидной стали – это, как правило, брак термической обработки.

Рис.2. Фрагмент диаграммы состояния “Fe - Fe₃C”: заштрихован оптимальный интервал температур закалки

 

Если сталь при нагревании полностью переведена в аустенитное состояние, но охлаждена с недостаточно большой скоростью, то часть аустенита успевает претерпеть распад с образованием троостита, а остальная часть аустенита превращается в мартенсит. Получающуюся при этом структуру называют троостомартенситной.

Заэвтектоидные стали нагревают выше А_cm с тем, чтобы сохранить в структуре твердые включения вторичного цементита, которые за время выдержки успевают приобрести округлую форму.

Закалка очень часто производится в воду. Водные растворы едкого натра или поваренной соли обладают большей охлаждающей способностью.

Разные сорта и марки стали имеют различную закаливаемость, т.е. способность воспринимать закалку. Закаливаемость оценивается по наибольшей твердости, получаемой в результате закалки. Как уже отмечалось, стали, содержащие менее 0,25 %С, не обладают закаливаемостью. С ростом содержания углерода закаливаемость быстро растет, достигает наибольшей величины при 0,8 %С и затем почти не меняется.

Важнейшим свойством стали является прокаливаемость, которая определяется как глубина закаленного слоя в данных условиях охлаждения.

Простейший вид закалки – закалка в одной среде (режим 4 рис. 2). Недостаток этого способа заключается в возникновении больших напряжений в изделии из-за высокой скорости охлаждения. Закалка в двух средах (режим 5 рис. 1) осуществляется путем погружения изделия вначале в воду, а затем в масло. Первоначальное охлаждение в воде позволяет быстро пройти область наименьшей устойчивости аустенита и достичь температур, при которых он более устойчив. Дальнейшее более замедленное охлаждение в масле позволяет несколько выровнять перепад температур по сечению изделия. При этом виде закалки требуется очень точно выбрать время смены закалочных сред.

Ступенчатая закалка (режим 6 рис. 2) состоит в том, что нагретое изделие быстро помещают в среду, имеющую температуру 200 – 250 С, т.е. на 30 – 50 град выше точки начала появления мартенсита, и выдерживают некоторое время для выравнивания температуры во всем объеме, однако не больше, чем необходимо для начала превращения аустенита в бейнит. Охлаждающей средой служат расплавы селитры и щелочей. Затем изделие извлекают из соляной ванны и охлаждают на воздухе, при этом происходит образование мартенсита. В начале охлаждения до образования мартенсита сталь сохраняет аустенитную структуру и поэтому возможна правка покоробившихся изделий. Способ ступенчатой закалки применим лишь для небольших по размеру изделий, так как во внутренних слоях, где охлаждение идет с меньшей скоростью, может произойти обычный распад аустенита с образованием троостита или сорбита.

Изотермическая закалка осуществляется порежиму 7 на рис. 2. Ее также проводят в соляной ванне, имеющей температуру 250 – 300 С. Изотермическая закалка позволяет получать сталь с меньшей твердостью, чем после обычной закалки, но с большей вязкостью.

Закалка с самоотпуском заключается в том, что изделие извлекают из охлаждающей среды прежде, чем температура в средних слоях достигла 400 – 500 С. Наружные слои в это время успевают охладиться до 150 – 200 С. В извлеченном из охлаждающей среды изделии за счет тепла центральных слоев наружные слои, где успел появиться мартенсит, прогреваются до 300 – 400 С и в них происходит отпуск мартенсита. В результате изделие приобретает твердую корку с вязкой сердцевиной. Для закалки с самоотпуском решающее значение имеет определение температуры поверхности по цветам побежалости, появляющимся на чистой поверхность из-за возникновения слоя окислов разной толщины. Желтый цвет соответствует 220 – 240, оранжевый 240 – 260, красно-фиолетовый 260 –280, синий 280 – 300 С.

Поверхностная закалка проводится путем нагрева поверхностных слоев изделия на глубину 2 –3 мм и соответствующего охлаждения. Нагрев осуществляется в индукторе токами высокой частоты. Таким образом обрабатывают шейки стальных коленчатых валов, шестерни. Нагрев поверхности больших изделий (прокатных валов, крупных валов) осуществляется с помощью газовых или керосиновых горелок. Поверхностная закалка позволяет получить структуру мартенсита в поверхностном слое до 2 – 4 мм. Структура свойства сердцевины изделия при этом не меняются, они определяются предварительной общей термообработкой всего изделия.

 

Индивидуальное задание

Таблица 11

Варианты задания

№ варианта	Марка материала детали	Вид детали		№ варианта	Марка материала детали	Вид детали
	У7	шабер			рессора
		вал			полуось
		шестерня			распред. вал
		пружина			кулачная шайба
	У12	резец		У8А	кернер
		ось			шатунный болт
		молоток			зубчатое колесо
	У8	зубило			червячное колесо
	У13	напильник		У7А	отвертка
		шатун		У10А	сверло
		шпонка		У12А	плашка
		шкив тормозной			линейка к малке
		рычаг			малка
		шпиндель станка			чертилка
	У10	надфиль		У10	развертка

Порядок выполнения задания

1. Задать способ изготовления заготовки детали. (Заготовка литая, кованая, катаная и др. варианты).

2. Описать процесс термической обработки заготовки перед механической обработкой, с указанием температурных режимов, графиков термической обработки (в координатах температура-время) и изображением макро- и микроструктуры заготовки до и после предварительной термической обработки.

3. Описать процесс термической обработки заданной детали для придания ей оптимальных эксплуатационных свойств.

4. Представить график заключительной термической обработки и указать на нем температуры термической обработки и вид охлаждения.

5. Схематически изобразить микроструктуру детали на разных этапах термической обработки.

 

Контрольные вопросы

1. В каких координатах представляют графики термической обработки?

2. При какой температуре отпуска образуется в закаленной стали структура сорбит отпуска?

3. От чего зависит закаливаемость стали?

4. От чего зависит прокаливаемость стали?

5. Какие стали практически не закаливаются?

6. Как обозначается критическая точка превращения аустенита в перлит?

7. Какая структура формируется из аустенита при малых степенях его переохлаждения?

8. Какой вид отжига назначают для устранения дендритной ликвации слитков стали?

9. Что называют термическим улучшением стали?

10. Какой вид термической обработки приводит сталь в равновесное состояние?

11. После закалки стали 45 получена структура “мартенсит+феррит”. В чем причина брака?

12. Назовите закалочную среду, обеспечивающую высокую скорость охлаждения.

13. Какой термической обработке подвергают детали после цементации?

14. Как называют мельчайшую феррито-цементитную смесь?

15. От чего зависит твердость феррито-цементитной смеси?

16. Чем отличается сорбит от троостита отпуска?

17. В каких случаях отжиг целесообразно заменять нормализацией?

18. Сталь какой марки чувствительнее к закалочным напряжениям?

19. Какие стали обычно подвергают цементации?

20. В каких случаях назначают среднетемпературный отпуск детали?