Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация)

Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас3 или Ас1 выдержке и последующем, как правило, медленном охлаждении, в результате которого протекающие фазовые превращения приближают сталь к практически равновесному структурному состоянию; феррит + перлит в доэвтектоидных сталях; перлит в эвтектоидной стали, перлит + вторичный цементит в заэвтектоидных сталях. После отжига сталь обладает низкой твердостью и прочностью при достаточной пластичности. Фазовая перекристаллизация, происходящая при отжиге, измельчает зерно и устраняет строчечность, которая образуется при окончании горячей деформации и другие неблагоприятные (с точки зрения уровня механических свойств) структуры стали.

Отжиг в промышленности в большинстве случаев является подготовительной термической обработкой. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат. Понижая прочность и твердость, отжиг улучшает обработку резанием средне- и высокоуглеродистой стали. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способствует повышению пластичности и вязкости по сравнению с полученной после литья, ковки и прокатки. Отжиг для многих крупных отливок является окончательной термической обработкой, так как при этом в изделиях практически отсутствуют остаточные напряжения и их деформация оказывается минимальной.

Различают следующие виды отжига: полный, изотермический, неполный, сфероидизирующий и низкий.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоиднои стали на 30—50 °С выше температуры, соответствующей точке Ас3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении.

Полному отжигу подвергаются только доэвтектоидные стали, так как полный отжиг заэвтектоидных сталей вызывает образование грубой цементитной сетки. Это приводит к резкому снижению механических свойств стали и ухудшению ее обрабатываемости.

При этом отжиге происходит полная фазовая рекристаллизация стали. При нагреве выше точки Ас3 образуется аустенит характеризующийся мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность и получение высоких свойств после окончательной термической обработки

Если отжиг предназначается и для снятия напряжений (например, в отливках сложной конфигурации), медленное охлаждение с печью проводят почти до комнатной температуры.

Охлаждение деформированных легированных сталей, склонных к образованию флокенов, следует проводить особенно медленно и часто по сложным (ступенчатым) режимам.

Полному отжигу подвергают сортовой прокат, поковки и фасонные отливки.

Изотермический отжиг. В этом случае cталь, обычно легированную, нагревают до точки Ас3 + (50—70 °С) и сравнительно быстро охлаждают (обычно переносом в другую печь) до температуры, лежащей ниже точки Аc1 на 100—150 °С, в зависимости от характера кривой изотермического распада аустенита. При этой температуре назначают изотермическую выдержку, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.

Преимущество изотермического отжига состоит в уменьшении длительности процесса, особенно для легированных сталей, которые приходится очень медленно охлаждать для требуемого снижения твердости. Для наибольшего ускорения этого типа отжига температуру изотермической выдержки выбирают близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области. Другое преимущество изотермического отжига заключается в получении более однородной структуры, так как при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение по всему объему стали происходит при одинаковой степени переохлаждения. После отжига при температуре до 930— 950 °С укрупняется зерно аустенита, улучшается обрабатываемость резанием и повышается чистота поверхности.

Изотермическому отжигу подвергают штамповки, заготовки инструмента и других изделий небольших размеров.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки Ac1). При неполном отжиге доэвтектоидной стали происходит частичная перекристаллизация стали, а именно лишь переход перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит, поэтому значительная его часть не подвергается перекристаллизации. Для доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется лишь тогда, когда отсутствует перегрев, ферритная полосчатость, а требуется только снижение твердости. Заэвтектоидные стали подвергают только неполному отжигу. В этих сталях нагрев несколько выше точки Ас1 (обычно на 10—30 °С) вызывает практически полную перекристаллизацию металлической матрицы.

Высокий отпуск («низкий отжиг»). После горячей механической обработки сталь чаще имеет мелкое зерно и удовлетворительную микроструктуру, поэтому не требуется фазовой перекристаллизации (отжига). Но вследствие ускоренного охлаждения после прокатки или другой горячей обработки легированные стали имеют неравновесную структуру: сорбит, троостит, бейнит или мартенсит и, как следствие этого, высокую твердость. Для снижения твердости на металлургических заводах сортовой прокат подвергают высокому отпуску при 650—680 °С (несколько ниже точки А1). При нагреве до указанных температур происходят процессы распада мартенсита и (или) бейнита, коагуляция карбидов в троостите и в итоге снижается твердость. Углеродистые стали подвергают высокому отпуску в тех случаях, когда они предназначаются для обработки резанием, холодной высадки или волочения. После высокотемпературного отпуска доэвтектоидная сталь лучше обрабатывается резанием, чем после полного отжига, когда структура — обособленные участки феррита и перлита. Структурно свободный феррит налипает на кромку инструмента, ухудшает качество поверхности изделия, снижает теплоотдачу, и поэтому снижает скорость резания и стойкость инструмента. Для высоколегированных сталей, у которых практически не отмечается перлитного превращения , высокий отпуск является единственной термической обработкой, позволяющей понизить их твердость.

Отжиг нормализационный (нормализация). Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3 на 50 °С, заэвтектоидной выше Аст также на 50 °С непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе (рис. 1, режим 3). Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска,

По сравнению с печью ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной структуры и увеличивает количество перлита. Это на 10—15 % повышает прочность и твердость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной. Нормализация горячекатаной стали (по сравнению с отжигом) повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, снижая порог хладноломкости и повышая работу развития трещины. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. Нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска. Механические свойства в этом случае будут ниже, но изделия будут подвергнуты меньшей деформации по сравнению с получаемой при закалке, и вероятность появления трещин практически исключается.

Цель нормализации — получение мелкозернистой структуры, выравнивание структурной неоднородности (в поковках, отливках или деталях после цементации), улучшение обрабатываемости резанием (для низкоуглеродистой стали), повышение твёрдости и механических свойств, устранение наклёпа после обработки резанием и подготовка структуры к последующей термообработке (закалке).

Закалка

Закалка заключается в нагреве стали на 30—50 °С выше Ас3 для доэвтектоидных сталей или на 30—50 °С выше Ас1 для заэвтектоидных сталей, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Для углеродистых сталей это охлаждение проводят чаще в воде, а для легированных — в масле или других средах. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки подвергают отпуску.

Цель закалки с последующим отпуском — обеспечение работоспособности, длительной эксплуатационной стойкости изделий (получение высоких характеристик механических свойств, высокой износоустойчивости и коррозиеустойчивости) или изменение физических свойств (электрических и магнитных).

Инструментальную сталь подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь — для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности, вязкости (параметров вязкости разрушения), а для ряда деталей также и получения высокой износостойкости.

Охлаждающие жидкости.

Вода как охлаждающая среда имеет некоторые существенные недостатки:

1) высокая скорость охлаждения в области температур мартенсит-ного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов;

2) с повышением температуры резко ухудшается закалочная способность . При температуре воды 80—90 °С пленочное кипение распространяется на большую область температур и занимает до 95 % всего периода охлаждения.

Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8—12 %-ные водные растворы NaCl и NaOH, которые хорошо зарекомендовали себя на практике. Для стали с низкой критической скоростью закалки рекомендуются растворы NaOH повышенной концентрации (30—50 %).

Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита при закалке, применяют минеральное масло (чаще нефтяное).

Масло как закалочная среда имеет ряд преимуществ: неоольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов, постоянство закаливающей способности в широком интервале температур среды (20—150 °С). Перепад температур между поверхностью и центром изделия при закалке в масле меньше, чем при охлаждении в воде. К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость (температура вспышки 165—300 °С), недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, образование пригара на поверхности изделий, а также повышенную стоимость.

Закаливаемость и прокаливаемость стали.

Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в результате закалки. Закаливаемость стали в первую очередь содержанием в стали углерода. Чем больше в мартенсите углерода тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое влияние на закаливаемость

Способы закалки

Наиболее широкое применение получила закалка в одном охладителе. Такую закалку называют непрерывной. Во многих случаях, особенно для изделий сложной формы и при необходимости уменьшения деформаций, применяют и другие способы закалки.

Прерывистая закалка (в двух средах). Изделие, закаливаемое по этому способу, сначала быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше точки Мн, а затем быстро переносят в менее интенсивный охладитель (например, в масло или на воздух), в котором оно охлаждается до 20 °С. В результате охлаждения во второй закалочной среде уменьшаются внутренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаждении в одной среде (воде), в том числе и в области температур мартенситного превращения.

Закалка с самоотпуском. В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде прерывают с тем, чтобы в сердцевине изделия сохранилось еще некоторое количество тепла. Под действием теплообмена температура в более сильно охладившихся поверхностных слоях повышается и сравнивается с температурой сердцевины — происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск). Нередко в сердцевине остается больший запас тепла, чем это требуется для самоотпуска. Тогда во избежание излишнего разогрева поверхности изделие вновь погружают в закалочную среду. Сердцевина в случае закалки с самоотпуском имеет более низкую твердость, чем поверхностные слои.

Ступенчатая закалка. При выполнении закалки по этому способу (рис 137 а) сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки Мн (обычно 180—250 °С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время Затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе В результате выдержки в закалочной среде достигается выравнивание температуры по всему сечению изделия, но эта выдержка должна быть ограничена и не должна вызывать превращения аустенита с образованием бейнита.

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 Мн оказывается ниже критической скорости закалки, и аустенит претерпевает распад на не мартенситные продукты превращения.

Отпуск при температуре 150—240 °С называется низкотемпературным, при температурах от 400 °С до Ас1 — высокотемпературным. С повышением температуры отпуска закалённых изделий понижаются значения σ_в, Нв и повышаются значения δ, ψ.

Двойная термическая обработка стали, состоящая из закалки (или нормализации) и последующего высокотемпературного отпуска (при 500—670 °С), называется улучшением.

Цель улучшения — измельчение структуры, подготовка структуры к последующей окончательной термообработке и повышение вязкости.
Улучшение применяется главным образом для изделий из легированной стали в качестве предварительной и окончательной термообработки.

Нагрев стали до температуры выше Ас3. выдержка при этой температуре с последующим среднезамедленным охлаждением (в расплавленных металлах, расплавленных солях, обдувкой паровоздушной смесью или воздухом) называются одинарной термической обработкой (рис. 2, режим 2). После одинарной термической обработки сталь приобретает структуру троостита, троосто-сорбита или сорбита

Цель одинарной термической обработки — получение минимальных деформаций, избежание трещин и повышение твёрдости и износоустойчивости изделий. Одинарную термическую обработку, применяемую при протяжке проволоки в качестве промежуточной операции с целью восстановления её пластических свойств, называют патентированием. Патентирование проволоки производится между операциями протяжки и заключается в нагреве до 850— 900 °С с последующим охлаждением в свинцовой ванне температурой 450—500 °С; при этом проволока получает сорбитовую структуру.

Нагрев стали (как и при обычной закалке) до температуры выше точки Ас3, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение в закалочной среде температурой 180—350 °С, с выдержкой в этой среде в течение времени, необходимого для окончания изотермического превращения аустенита, называются изотермической закалкой (рис. 2, режим 4).

Цель изотермической закалки — получение минимальных внутренних напряжений, минимальных деформаций и высокой вязкости.

Отпуск

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ac1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которого сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Так, осевые напряжения в цилиндрическом образце из стали, содержащей 0,3 % С, в результате отпуска при 550 °С уменьшаются с 600 до 80 МПа.

Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 600 °С в течение 15—30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.

Скорость охлаждения после отпуска оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение в воде от 600 °С создает новые тепловые напряжения. Охлаждение после отпуска на воздухе дает напряжения на поверхности изделия в 7 раз меньшие, а в масле в 2,5 раза меньшиепосравнениюснапряжени-ями при охлаждении в воде. 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 обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500—650 °С во всех случаях следует охлаждать быстро.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят при нагреве до 250 С. При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,6—1,3 % С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58— 63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.

Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Продолжительность отпуска составляет обычно 1—2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск.

Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350—500 °С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали после среднего отпуска — троостит отпуска или троостомартенсит; твердость стали HRC 40—50. Температуру от пуска 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 производят при 500—680 °С. Структура стали после высокого отпуска — сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.

Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) весьма сильно одновременно повышает временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называютулучшением.

Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3—0,5 % С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу развития трещин и снижая температуру порога хладноломкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие ее пониженной твердости не высокая.

Поверхностная закалка

Ряд деталей машин и механизмов, работающих на износ, подвергают поверхностной закалке, осуществляемой различными методами. Поверхностная закалка позволяет применять менее легированную сталь, заменяет в ряде случаев трудоёмкие операции химико-термической обработки (цементация, азотирование) и значительно упрочняет поверхностный слой деталей, работающих, кроме трения, в условиях знакопеременных нагрузок.

Наиболее широко подвергаются поверхностной закалке детали из углеродистой стали марок 40, 45, 50, а также низколегированной марганцем или хромом среднеуглеродистой стали.

Наиболее совершенным методом поверхностной закалки является нагрез деталей токами высокой частоты до температуры выше Ас3 последующая закалка водой при помощи спрейера. Время нагрева (3-6 сек.) зависит от размеров закаливаемой поверхности, требуемой глубины закалённого слоя, частоты. тока и мощности установки. Во многих случаях целесообразно прекращение подачи охлаждающей воды до момента полного остывания закаливаемой детали. Это приводит к самоотпуску и освобождает от необходимости проведения специальной операции отпуска.

Тяжелонагружённые детали, требующие, кроме высокой поверхностной твёрдости, также и высоких механических свойств сердцевины, перед высокочастотной поверхностной закалкой подвергаются закалке и отпуску или нормализации и отпуску.

Высокочастотная поверхностная закалка применяется для весьма обширной номенклатуры деталей (шейки коленчатых валов, кулачки распределительных валов, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, зубья различных шестерён, валики, пальцы гусеничных траков, шпиндели и направляющие различных станков и многие другие детали).

Закалённый поверхностный слой получается глубиной до 5 мм поверхностной твёрдостью до НRC =62—64 (после закалки).

Нагрев поверхностного слоя электротоком при помощи специальных токонесущих электродов роликов, соприкасающихся с закаливаемой поверхностью, с последующим охлаждением водой (или воздухом) называется контактным методом поверхностной закалки. Этот метод разработан проф. Н. В. Гевелингом и нашёл применение для закалки деталей с простыми конструктивными формами (тела вращения—шейки шпинделей станков, валы; плоские поверхности — направляющие станков, головки рельсов).Глубина закалки 3—6мм; поверхностная твёрдость HRC = 60.

Для поверхностной закалки используется также нагрев кислородно-газовым пламенем (ацетилен или светильный газ) с последующим охлаждением водой при помощи спрейера. Этот метод успешно применяется для поверхностной закалки ряда ответственных деталей (шейки коленчатых валов танковых и тракторных двигателей, зубья различных шестерён, опорные кольца, бронедетали, паровозные параллели и т. п.)

Метод поверхностной закалки со сквозным (объёмным) прогревом детали выше Ac3 и последующим охлаждением в резко закаливающем охладителе с выдержкой в нём в течение незначительного времени применяется в массовом производстве для деталей цилиндрической формы из стали марок 40,45,50 (коленчатые я распределительные валы автомобильных моторов, задние полуоси, промежуточные и карданные валы автомобилей)*. Глубина закалённого слоя 3—5 мм (при выдержке 10—40 сек. в охладителе — 10%-ный водный раствор NaOH температурой 30—35 °С). Поверхностная твёрдость Н%с =48—50. Непосредственно после закалки должен следовать отпуск деталей во избежание образования трещин.

Метод поверхностной закалки с поверхностным нагревом выше Ac3 слоя требуемой глубины нашёл применение для закалки шестерён. При этом методе применяется легированная хромом и никелем сталь, содержащая около 0,75 — 0,85% углерода. Процесс заключается в следующем: деталь нагревается полностью в соляной ванне до температуры ниже Ас3, затем переносится на короткое время в свинцовую ванну, имеющую температуру значительно выше Ас3 где прогревается с поверхности до температуры закалки, после чего погружается в закалочную среду. Глубина закалённого слоя 0,5—1,0 мм.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: