Основы термической и химико-термической обработки металлов

Сущность термической обработки

Термической обработкой называется процесс нагре­ва, выдержки и охлаждения полуфабрикатов или изделий из метал­лов для придания им определенных механических, физических, хи­мических и технологических свойств. Химический состав сплавов при этом не изменяется.

Измеряя скорость охлаждения сплава, нагретого до определен­ной температуры, можно получить различные структуры и свойства, т. е. произвести различную термообработку.

Разовые превращения в железоуглеродистых сплавах при нагреве и охлаждении наблюдаются при определенных температурах, называемых критическими точками, как уже указывалось на (рис.1).

Термическая обработка широко применяется в промышленности и имеет различное назначение. Полуфабрикаты (поковки и отлив­ки) подвергают термической обработке для снятия внутренних на­пряжений и улучшения обрабатываемости, готовые изделия — для повышения твердости, износостойкости, прочности, упругости и т.д.

В зависимости от температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения термическая обработка делится на следующие операции: отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Эти операции являются общими для черных и цветных металлов.

Качество термической обработки в значительной степени зави­сит от нагрева, выдержки и охлаждения. Нагрев должен вестись так, чтобы изделие прогревалось равномерно, а температура была постоянной. При этом нельзя допустить перегрева, коробления и трещин. Температура нагрева зависит от химического состава де­талей и вида термической обработки, а скорость — от химического состава, формы и сечения деталей. Чем выше содержание углерода, больше сечение и сложнее форма деталей, тем медленнее нагрева­ется деталь.

Выдержка изделий при температуре нагрева способствует на­греву деталей по сечению и завершает структурные и фазовые пре­вращения в них. Продолжительность выдержки зависит от темпе­ратуры нагрева и сечения детали. Чем выше температура, тем меньше выдержка.

Обычно при нагреве стали до температур, значительно превы­шающих значения, соответствующие линии GSE (рис.9), на­блюдается быстрый рост размеров зерен, вызванный перегревом. В этом случае структурные составляющие стали (феррит и перлит) располагаются по правильным геометрическим плоскостям, соот­ветствующим граням кристаллической решетки. Такая структура называется видманштеттовой (названа по имени австрийского аст­ронома А. Видманштеттена, открывшего эту структуру в метеори­тах в 1808 г.). Сталь с видманштеттовой структурой обладает повы­шенной хрупкостью, плохо выдерживает нагрузки и непригодна для изготовления деталей. Однако такой брак можно исправить после­дующим отжигом или нормализацией.

Более сильный перегрев (до температуры, близкой к температу­ре плавления) в окислительной среде ведет к пережогу стали. Пе­режженную сталь исправить невозможно. Неравномерный нагрев и охлаждение, неправильное ведение процесса термической обра­ботки — причины возникновения коробления и трещин в деталях. Этот брак во многих случаях исправить не удается.

Отжиг и нормализация

Для снижения твердости и повышения вязкости стали, устране­ния химической и структурной неоднородности, уменьшения внут­ренних напряжений, улучшения обрабатываемости и получения мелкозернистой структуры проводят ее отжиг или нормализацию. Существуют различные виды отжига, характеризующиеся режима­ми нагрева и охлаждения.

Рис. 9. Температуры нагрева стали при различных видах термообработки: 1 — отжиг для уменьшения напряжения;

2 — рекристаллизационный отжиг; 3 — неполный отжиг; 4 — полный отжиг; 5 — диффузионный отжиг;

Нормализация

Полный отжиг характеризуется нагревом стали на 30-50 °С выше температуры Ас₃ (рис. 9) с последующим медленным охлаждением. При таком отжиге про­исходит значительное снижение твердости и устранение структур­ной неоднородности стали в ре­зультате фазовой перекристалли­зации, изменения формы и разме­ров зерна структурных составля­ющих — сталь становится мелко­зернистой. Полный отжиг приме­няют главным образом для доэвтектоидных сталей.

Неполный отжиг характеризу­ется, нагревом стали до темпера­тур в интервале превращений Ас₁ — Ас₃ (доэвтектоидные стали) и Ас₁ — Ас_т (заэвтектоидные ста­ли) и последующим медленным охлаждением. При таком отжиге снижается твердость, что улучшает обрабатываемость стали, снимаются внутренние напряжения и структура становится более однородной.

Изотермический отжиг, применяемый для легированных сталей, состоит из нагрева их на 20-30 °С свыше Ас₃, выдержки и относи­тельно быстрого охлаждения до температуры 630-700 °С. При этой температуре сталь выдерживают до полного распада аустенита, затем охлаждают на воздухе.

После изотермического отжига сталь приобретает такие же механические свойства, как и после полного отжига. Изотермический отжиг по сравнению с обычным, сокраща­ет время обработки вдвое.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) состоит из нагрева ста­ли до 1050-1150°С, длительной выдержки (10-15 ч) и последую­щего медленного охлаждения. Цель диффузионного отжига — вы­равнивание химической неоднородности стали, т. е. уменьшение ликвации в слитках, отливках, заготовках. Поэтому диффузион­ный отжиг называют также гомогенизацией (получение однородно­го по составу сплава). Диффузионный отжиг приводит к образова­нию крупнозернистой структуры. Этот дефект можно устранить по­следующей горячей обработкой давлением или проведением полного отжига.

Рекристаллизационный (низкий) отжиг состоит из нагрева ста­ли ниже Ас₁ на 5О...1ОО°С, выдержки при этой температуре и после­дующего охлаждения на воздухе. После рекристаллиза-ционного отжига образуется однородная мелкозернистая структура с не­большой твердостью и значительной вязкостью.

Нормализация — более экономичный термический процесс, чем отжиг. Она более производительна и дает лучшие результаты. При нормализации измельчается зерно перлита разрушается сетка цементита в заэвтектоидных сталях и повышаются механические свойства стали. Некоторые специальные стали после нормализации, приобретают механические свойства, которыми они должны обла­дать в условиях эксплуатации. В этих случаях нормализация слу­жит окончательной операцией термической обработки.

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: