Основы термической обработки (ТО)

Лекция ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ (ТО) Термическая обработка (ТО) – процессы теплового воздействия по определенным режимам, с целью изменения структуры и свойств сплава. ТО основана на свойствах металлов и сплавов изменять свою структуру при нагревании и охлаждении. ТО заключается в нагревании изделия до определенной температуры, выдержки при этой температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Режим нагрева, выдержки, охлаждения зависит от вида ТО, цели ТО, марки металла, формы и размеров изделия. Виды ТО: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, обработка холодом (Схема 1). ОТЖИГ Отжиг – операция ТО, предусматривающая нагрев изделия до определенной температуры, выдержку при этой температуре и медленное последующем охлаждение (вместе с печью). Отжиг улучшает обрабатываемость стали, способствует снятию внутренних напряжений, выравнивает химический состав, снижает твердость, повышает пластичность, следовательно улучшается обрабатываемость сплава. Выбор температуры отжига зависит от марки стали, формы и размеров детали. Для полного завершения всех изменений в структуре стали изделие выдерживают при температуре отжига , время выдержки 20-40% от времени нагрева. Чем больше в стали углерода, тем медленнее охлаждение. Виды отжига 1. Полный отжиг – выполняют для улучшения структуры сплава, а следовательно для улучшения обрабатываемости. Нагрев производится до температуры на 30-500 выше линии GSK (ДС), после чего выдержка и охлаждение вместе с печью. Сталь становится мягкой, зерно измельчается. 2. Неполный отжиг –производится после горячей обработки давлением, для облегчения обрабатываемости резанием. Нагрев производится до температуры на 30-400 выше линии РSK (ДС), после чего выдержка и охлаждение вместе с печью. 3. Рекристаллизационный отжиг –производится для повышения пластичности, ударной вязкости, снятия внутренних напряжений. Нагрев производится до температуры 680-7000, после чего небольшая выдержка при этой температуре и охлаждение на воздухе. 4. Диффузионный отжиг – применяют для устранения ликвации. Ликвация- неравномерное распределение химических элементов по объему изделия при затвердевании. Нагрев производится до температуры 1000-15000 в течении 10 часов, после выдержка при этой температуре и охлаждение. Входящие в сталь элементы перемещаются из мест с высокой концентрацией в места с низкой концентрацией, в результате химический состав выравнивается. 1 НОРМАЛИЗАЦИЯ Нормализация - операция ТО, предусматривающая нагрев изделия до определенной температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение на воздухе. Нормализация способствует повышения прочности, твердости, уменьшает пластичность. После нормализации сталь мелкозернистую структуру. Инструментальные стали после нормализации принимают структуру, при которой более благоприятно происходит закалка. ЗАКАЛКА Закалка - операция ТО, предусматривающая нагрев изделия до определенной температуры, выдержку при этой температуре и быстрое последующем охлаждение. При закалке происходит фиксация высокотемпературных составляющих стали при более низкой температуре. Закалка способствует повышению прочности и твердости. При быстром охлаждении аустенит не успевает превратиться в перлит, следовательно, после закалки сталь имеет структуру мартенсита. Факторы, влияющие на результат закалки: - время нагрева до наибольшей температуры закалки; - наибольшая температура нагрева; - время выдержки при наибольшей температуре; скорость охлаждения (чем больше в стали углерода, тем медленнее охлаждение для избежания возникновения трещин и корабления). Температура нагрева при закалке стали с содержанием углерода до 0,8% нагрев производят до температуры на 30-500 выше линии GS (ДС), если углерода в стали более 0,8% нагрев производят до температуры линии SК (ДС). Виды охлаждающих сред -вода – при охлаждении в воде образуется структура мартенсит. Температура воды 200С; - воздух - при охлаждении на воздухе образуется структура сорбит. Температура воздуха 20-230С; -масло - при охлаждении в масле образуется структура троостит. Масло смешивают с водой, температура масла 400С , воды 200С). Все углеродистые стали с содержанием углерода более 0,25% (среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали) закаливают в масле, стали с содержанием углерода менее 0,25% (низкоуглеродистые стали) закалке не подвергают, так как изменения в структуре незначительны. Легированные стали закаливают в масле. Поверхностная закалка – придает изделию повышенную прочность при сохранении вязкости в средних слоях (для зубчатых слоев, шестрни и др.). Изделие кратковременно нагревают на определенную глубину. Способность стали закаливаться на большую или меньшую глубину называется прокаливаемостью. ОТПУСК 2 Отпуск - операция ТО, предусматривающая нагрев изделия до температуры ниже линии PSK, выдержку при этой температуре и последующем охлаждение. Отпуск всегда следует за закалкой. Назначение: уменьшение хрупкости, повышение вязкости, уменьшение внутренних напряжений. При отпуске в зависимости от температуры нагрева мартенсит превращается в троостит либо в сорбит. Виды отпуска - низкий отпуск – температура нагрева 150-2200С. Мартенсит изменяет строение, что способствует уменьшению хрупкости металла. Твердость закаленного слоя уменьшается незначительно. Применяется для режущего инструмента; - средний отпуск - температура нагрева 300-5000С. Мартенсит превращается в троостит. Уменьшается твердость, увеличивается вязкость. Применяется для деталей машин и инструментов; - высокий отпуск - температура нагрева 500-6000С. Мартенсит превращается в сорбит. Увеличивается прочность, вязкость и упругость. Применяется для деталей машин из конструкционных сталей. ТО состоящая из закалки с последующим высоким отпуском называется термическим улучшением. ОБРАБОТКА ХОЛОДОМ При закалке некоторых сталей весь аустенит не успевает превратиться в мартенсит, образуя остаточный аустенит. Для его преобразования производят обработку холодом при температуре от -200 до -1000 в течении 1,5 ч. В Качестве охлаждающих жидкостей используют азот, жидкий воздух и др. Назначение обработки холодом: повышение твердости, повышение изноустойчивости, улучшение режущих свойств сплавов. После обработки холодом производят отпуск. ДЕФЕКТЫ ТО Недогрев стали возникает в том случае, когда сталь во время обработки нагревается до температуры ниже критической. В результате этого, к примеру, часть феррита может не превратиться в аустенит. После охлаждения аустенит остаётся в закалённой стали, в результате этого образуется особая структура. Исправление: повторный нагрев. Перегрев возникает, когда сталь перегревается до температуры намного выше критической, или же в случае, когда температура находилось в норме, но была слишком долгая выдержка. Перегрев приводит к росту зерен, а при очень сильном перегреве образуется видманштеттова структура, где пластинчатая форма ферритных участков расположены под углом друг другу, в результате чего образуются треугольники. Механические свойства стали находятся на крайне низком уровне. 3 Исправление: перегрев можно исправить путём повторного уже нормального отжига с соблюдением всех норм процесса; повторная закалка или нормвлизация. Пережог возникает в случае, когда сталь была нагрета до температуры, которая близка к температуре плавления, в результате чего по границам зерна происходит окисление, что делает сталь достаточно хрупкой. Неисправимый брак. Обезуглероживание и окисление стали во время нагрева является результатом взаимодействия с газами, которые находятся в печах. В результате данного взаимодействия на поверхности стали образуется окалина (при окислении), а в результате обезуглероживания происходит выгорание углерода, что приводит к образованию структуры феррита. Образование окалины приводят к неравномерности твёрдости металла, вызывает необходимость дополнительной его обработки, а так же дополнительной потери металла. Результатом действия обезуглероживания является резкое снижение твёрдости и выносливости на поверхностях металла. Для предотвращения данных неблагоприятных последствий, необходимо использовать печи с контролируемой атмосферой. Закалочные трещины возникают при резком нагреве или охлаждении метала. Предотвращения данных дефектов достаточно просто, достаточно придерживаться правильной технологии нагрева и охлаждения стали. Неисправимый брак. Коробление возникает в результате неравномерного охлаждения отдельных частей детали (мест), в результате этого процесса происходит изменение внешней формы. На данный процесс большое значение оказывает, как форма детали, так и способ погружения для охлаждения. Предотвратить образование данного дефекта возможно путём правильного режима закалки. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ХТО) Химико-термическая обработка (ХТО) - называется процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев и металла посредством их насыщения какими-либо веществами. Такая обработка применима к деталям, от которых требуется твердая и износоустойчивая поверхность при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины, высокая коррозионная стойкость, высокое сопротивление усталости. Химико-термическая обработка стали основана на диффузии (проникновении) в атомно-кристаллическую решетку железа атомов различных химических элементов при нагреве стальных деталей в среде, богатой этими элементами. Цементация — процесс поверхностного насыщения стальных деталей углеродом. Цель цементации получить детали с вязкой сердцевиной и твердой поверхностью. Такие детали во время работы не разрушаются от 4 ударов и хорошо сопротивляются истиранию. Цементации подвергают детали из углеродистой и легированной стали с содержанием углерода от 0,08 до 0,35%. Богатые углеродом смеси, применяемые для цементации, — карбюризаторы — могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Цементация в твердом карбюризаторе производится путем нагрева деталей, упакованных в железные ящики вместе с карбюризатором. Карбюризатор представляет собой порошкообразную смесь, состоящую из древесного угля (70%), углекислого бария ВаСO3 (20—25%) и углекислого кальция СаСO3 (3—5%). Температуру цементации принимают на 20—50° выше точки АC3 (ДС). Температура до 920—930° С позволяет почти в два раза сократить длительность процесса без ухудшения механических свойств стали. Насыщение стали углеродом происходит путем непосредственного соприкосновения частиц угля с поверхностью стальных деталей в газовой среде, которая служит передатчиком углерода. При правильном подборе карбюризатора содержание углерода в поверхностном слое не превышает 1,0—1,10%, что можно считать нормальным. Продолжительность цементации — от 5 до 15 и более часов в зависимости от глубины науглероживания и марки стали. Для цементации могут быть использованы самые разнообразные печи — камерные, непрерывного действия, с вращающейся ретортой, обо-греваемые мазутом, газом или электрические. Азотирование- процесс насыщение поверхности стали азотом. Сущность азотирования заключается в том, что аммиак при температуре 500—750° С разлагается на азот и водород, и активные атомы азота (атомарный азот), диффундируя в поверхностный слой, сообщают поверхности стали большую твердость, не влияя на механические свойства сердцевины деталей. После окончательной механической обработки детали закаливают от температуры 960° С с охлаждением в воде или в масле и подвергают отпуску при 600° С также с охлаждением в воде или в масле. Затем детали азотируют. Продолжительность азотирования от 12 до 60 и даже до 90 часов в зависимости от требуемой толщины азотированного слоя и характера процесса. Длительность выдержки деталей в потоке аммиака в печи влияет на глубину азотированного слоя. В среднем при 500° С азот за каждые 10 часов диффундирует на глубину 0,1 мм. На практике для сокращения времени азотирования процесс ведут путем ступенчатого нагрева: вначале в течение 12-15 часов при температуре 500- 520° С; затем температуру поднимают до 550—600° С и дают выдержку 15—20 часов. При таком режиме длительность процесса удается сократить в 2,0—2,5 раза. В результате азотирования твердость стали достигает НВ 1000—1100; последующей термической обработки не требуется. Азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией: она дает незначительное изменение размеров деталей, обеспечивает бо-лее высокую твердость и износоустойчивость (при нагреве до тем-пературы 500—550° С твердость азотированных деталей не снижа-ется); сообщает деталям 5 хорошую сопротивляемость действию пе-ременных нагрузок, высокий предел выносливости и коррози-онную стойкость. Недостаток азотирования - длительность процесса. Азотирование применяют в машиностроении для получения вы-сокого качества дизельной аппаратуры, измерительного инстру-мента, зубчатых колес и др. Цианирование - процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом для придания ей высокой твердости, сопротивляемости истиранию и коррозионной стойкости. Одновременное присутствие в среде углерода и азота ускоряет их совместную диффузию в поверхностные слои стали. Такими средами могут быть расплавленные цианистые соли (жидкостное цианирова-ние), науглероживающие и азотирующие газы (газовое цианирование), твердые порошки и пасты (твердое цианирование). Цианированию подвергают углеродистые и легированные стали. Существует два вида цианирования: высокотемпературное и низкотемпературное. Алитированием называется процесс насыщения поверхности стальных и чугунных деталей алюминием с целью повышения их жаростойкости. Алитированию подвергают главным образом малоуглеродистые стали. Процесс алитирования может происходить в твердой, жидкой и газообразной средах. После алитирования детали подвергаются диффузионному отжигу при температуре около 1000° С с выдержкой 4-6 часов. В результате отжига содержание алюминия в поверхностном слое снижается, что уменьшает хрупкость алитированного слоя. Алитирование способствует повышению жаростойкости сплавов. Хромирование- процесс насыщения поверхности стали хромом. Хромирование может производиться в твердых, газовых и жидких средах. Хромированию подвергают различные детали и инструменты, от которых требуются высокая износоустойчивость, коррозионная стойкость и жаропрочность,—такие, как сверла, калибры, клапаны компрессоров и т. д. Жаростойкость хромированных сталей состав-ляет 800—850° С. 6