Содержание
Нагревательные печи. Для термической обработки применяемые печи в термических цехах подразделяются следующим образом.
1. По технологическим признакам, универсальные для отжига, нормализации и высокого отпуска, специального назначения для нагрева однотипных деталей.
2. По принимаемой температуре: низкотемпературные (до 600°С), среднетемпературные (до 1000°С ) и высокотемпературные (свыше 1000°С).
3. По характеру загрузки и выгрузки: печи с неподвижным подом, с выдвижным подом, элеваторные, колпаковые, многокамерные.
4. По источнику получения тепла: мазутные, газовые, электрические В последнее время получили распространение газовые и электрические печи.
5. Печи-ванны, свинцовые, соляные и другие. Нагрев деталей в свинцовых и соляных ваннах является равномерным и быстрым, чем в печах.
6. Нагревательные установки: для нагрева деталей ТВЧ, для электро- контактного нагрева и др.
7. По зависимости от среды, в которой нагреваются детали, различаются печи с воздушной атмосферой (окислительные) и с контролируемой или защитной атмосферой (безокислительные). Контролируемые атмосферы – это газовые смеси, у которых газы во время нагрева нейтрализуют друг друга и тем самым предотвращают окисление деталей.
Температура нагрева играет главенствующую роль и для каждого вида термообработки в зависимости от химического состава определяется по диаграмме состояния железо – цементит (рис. 6.3). Практически температуры нагрева выбирают из таблиц справочников.
Время нагрева (скорость нагревания) зависит от многих факторов: химического состава стали, величины и формы изделий, взаимного расположения изделия в печи и др.
Чем больше в стали углерода и легирующих элементов, а также чем сложнее конфигурация изделия, тем медленнее должно быть нагревание При быстром нагревании из-за большого интервала температур поверхности и сердцевины в изделии возникают большие внутренние напряжения, которые могут вызвать коробление детали и трещины.
Обычно изделия загружают в печь, разогретую до заданной температуры. В этом случае время нагрева может быть определено по формуле проф. А.П. Гуляева:
где D – минимальный размер максимального сечения в мм;
К1 – коэффициент формы, имеющий следующие значения: для шара -1, для цилиндра -2, параллелепипеда – 2,5, пластины – 4;
К2 – коэффициент среды, который при нагреве в соли равен 1, в свинце – 0,5, в газовой среде – 2,
К3 – коэффициент равномерности нагревания (табл. 6.1)
Рис.6.3. Температурные зоны для различных видов термообработки
Время выдержки. При любом виде термической обработки, после достижения изделием заданной температуры, необходима выдержка, чтобы полностью произошли структурные изменения. Время выдержки зависит от размеров деталей, способа нагрева, марки стали и вида термообработки. В таблице 6.2 приведены данные по определению времени выдержки для углеродистых сталей.
Полное время нагрева будет определяться по формуле:
где τН – время нагрева в мин; τВ – время выдержки в мин.
Кроме расчетного метода часто пользуются опытными данными Так на 1 мм сечения или толщины изделия из доэвтектоидных сталей продолжительность нагрева в электропечах принимают τН = 45-75 с. Продолжительность выдержки при заданной температуре часто принимают τВ = (0,15+0,25)τН. Для инструмента из углеродистой стали (0,7-1,3 % С) рекомендуется на 1 мм наименьшего сечения τВ =50-80 с, а из легированной стали τВ =70-90 с.
Скорость охлаждения. В каждом виде термообработки конечной целью является получение соответствующей структуры. Это достигается скоростью охлаждения, которая определяется видом термообработки. В таблице 6.3 приведены данные скорости охлаждения для различных видов термообработки.
Значения коэффициента K3 в зависимости от расположения изделий в нагревательной печи
Расположение заготовок | Значение коэффициента К3 | Расположение заготовок | Значение коэффициента К3 |
![]() ![]() ![]() |
![]() ![]() ![]() |
||
![]() ![]() |
1,4 | ![]() ![]() |
|
![]() ![]() ![]() ![]() |
![]() ![]() ![]() ![]() |
||
H |
Время выдержки при термообработке
№ п/п | Вид термообработки | Время выдержки |
Полный отжиг | 0,5-1 ч на 1т садки | |
Неполный отжиг | То же | |
Отжиг изотермический | Определяется по диаграмме изотермического распада аустенита | |
Отжиг на зернистый цементит (сфероидирующий) | 0,5-1 на 1 т садки | |
Отжиг диффузионный | То же | |
Отжиг рекристаллизационный | До 1 часа | |
Нормализация | 1,5-2 мин на 1 мм диаметра или наименьшего сечения заготовки (детали) | |
Закалка | То же | |
Отпуск | От 1 до 2 ч для деталей небольшого сечения |
Скорости охлаждения при различных видах термообработки для углеродистых сталей
№ п/п | Вид термообработки | Скорость охлаждения | Охлаждение |
Полный отжиг | 150-200°С/ч | Терморегулятором печи | |
Неполный отжиг | То же | То же | |
Отжиг диффузионный | 30-50°С/ч | Охлаждение вместе с печью до 800°С, затем охлаждение на воздухе | |
Отжиг изотермический | 30-50°С/ч до 650°С, выдержка при этой температуре 1-3 часа с последующим охлаждением на воздухе | Вместе с печью | |
Отжиг на зернистый цементит | 30-50°С/ч до 500-600°С, дальше на воздухе | То же | |
Отжиг рекристаллизационный | 25-30°С/ч | Терморегулятором печи | |
Нормализация | – | Охлаждение на воздухе | |
Закалка | Для мартенситной структуры 150°С/с | Охлаждение в воде | |
Отпуск | Медленное 30-50°С/ч. Ускоренное для легированных сталей | На воздухе. В воде или масле |
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: Студент – человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10179 – | 7217 –
или читать все.
Зака́лка — вид термической обработки материалов (металлы, сплавы металлов, стекло), заключающийся в их нагреве выше критической точки (температуры изменения типа кристаллической решетки, то есть полиморфного превращения, либо температуры, при которой в матрице растворяются фазы, существующие при низкой температуре), с последующим быстрым охлаждением. Закалку металла для получения избытка вакансий не следует смешивать с обычной закалкой, для проведения которой необходимо, чтобы были возможные фазовые превращения в сплаве. Чаще всего охлаждение осуществляется в воде или масле, но существуют и другие способы охлаждения: в псевдокипящем слое твёрдого теплоносителя, струёй сжатого воздуха, водяным туманом, в жидкую полимерную закалочную среду и тд. Материал, подвергшийся закалке, приобретает бо́льшую твёрдость, но становится хрупким, менее пластичным и менее вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твёрдости и прочности материала [1] .
Внутренние напряжения снимаются отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.
Существенный вклад в развитие способов закалки внёс Чернов Дмитрий Константинович. Он обосновал и экспериментально доказал, что для получения стали высокого качества решающим фактором является не ковка, как это предполагалось ранее, а термическая обработка. Он определил влияние термической обработки стали на её структуру и свойства. В 1868 году Чернов открыл критические точки фазовых превращений стали, названные точками Чернова. В 1885 году он открыл, что закалку можно производить не только в воде и масле, но и в горячих средах. Это открытие послужило началом применения ступенчатой закалки, а затем исследованию изотермического превращения аустенита [2] .
Содержание
Типы закалок [ править | править код ]
По полиморфному превращению
- Закалка с полиморфным превращением, для сталей
- Закалка без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов.
По температуре нагрева Полная — материал нагревают на 30 — 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK , в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. Неполная — производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей.
Закалочные среды [ править | править код ]
При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650—400 °C, то есть в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в ферритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.
Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда, а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.
Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения — стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.
Способы закалки [ править | править код ]
- Закалка в одном охладителе — нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.
- Прерывистая закалка в двух средах — этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).
- Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.
- Ступенчатая закалка — закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.
- Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.
- Лазерная закалка. Термическое упрочнение металлов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. В отличие от других известных процессов термоупрочнения (закалкой токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами) нагрев при лазерной закалке является не объёмным, а поверхностным процессом.
- Закалка ТВЧ (индукционная) — закалка токами высокой частоты — деталь помещают в индуктор и разогревают за счет наведения в ней токов высокой частоты.
Дефекты [ править | править код ]
Дефекты, возникающие при закалке стали. [3]
- Недостаточная твердость закаленной детали — следствие низкой температуры нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения. Исправление дефекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; применение более энергичной закалочной среды.
- Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали. Исправление дефекта: отжиг (нормализация) и последующая закалка с необходимой температурой.
- Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.
- Окисление и обезуглероживание стали характеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности деталей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосферой.
- Коробление и трещины — следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных превращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема до 3%). Разновременность превращения по объему закаливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних напряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.
Охлаждение – заключительный этап термической обработки-закалки и поэтому наиболее важный. От скорости охлаждения зависит образование структуры, а значит, и свойства образца.
Если раньше переменным фактором была температура нагрева под закалку, то теперь скорость охлаждения будет разная (в воде, в соленой воде, на воздухе, в масле и с печью).
С увеличением скорости охлаждения растет и степень переохлаждения аустенита, понижается температура распада аустенита, число зародышей увеличивается, но вместе с тем замедляется диффузия углерода. Поэтому феррито-цементитная смесь становится более дисперсной, а твердость и прочность повышаются. При медленном охлаждении (с печью) получается грубая смесь Ф+Ц, т.е. перлит, это отжиг второго рода, с фазовой перекристаллизацией. При ускоренном охлаждении (на воздухе) – более тонкая смесь Ф+Ц – сорбит. Такая обработка называется нормализацией.
Закалка в масле дает тростит – высокодисперсную смесь Ф+Ц.
Твердость этих структур растет с дисперсностью смеси (НВ=2000÷4000 МПа). Эти структуры можно получить и способом изотермической закалки.
Рассматривая термокинетическую диаграмму, т.е. диаграмму изотермического распада аустенита вместе с векторами скоростей охлаждения, видим, что увеличивая скорость охлаждения, можно получить тростит вместе с мартенситом закалки. Если скорость охлаждения больше критической, получим мартенсит закалки и остаточный аустенит, избавиться от которого можно, если охладить сталь до температуры ниже линии окончания мартенситного превращения (Мк).
У мартенсита объем больше, чем у аустенита, поэтому при закалке на мартенсит появляются не только термические, но и структурные напряжения. Форма детали может исказиться, в ней могут появиться микро- и макротрещины. Коробление и трещины неисправимый брак, поэтому сразу же после закалки на мартенсит следует производить нагрев детали для снятия напряжений и стабилизации структуры, такая операция термической обработки называется отпуском.
После закалки образцов, изучения микроструктур и определения твердости строятся графики зависимости твердости от содержания углерода. Чем больше углерода в аустените стали перед закалкой, тем более искаженной получается решетка мартенсита (с большей степенью тетрагональности) и поэтому выше твердость
Сталь с содержанием 0,2%С не принимает закалку, так как кривые изотермического распада аустенита вплотную приближаются к оси ординат. Даже очень большая скорость охлаждения не дает мартенсита, так как аустенит начнет раньше распадаться на смесь Ф+Ц. Поэтому сталь закаливают, если углерода более 0,3%С, поскольку углерод сдвигает вправо кривые изотермического распада аустенита, уменьшая тем самым критическую скорость закалки.
Определение свойств и структуры стали после отпуска
Полученный после закалки мартенсит обладает большой твердостью и прочностью, но низкой пластичностью и вязкостью. Это объясняется большими внутренними напряжениями, которые бывают термическими (перепад температуры, резкое охлаждение) и структурными (объем мартенсита больше, чем аустенита, сорбита, тростита и перлита). После закалки необходимо сразу производить отпуск, т.е. нагрев до определенных температур, выдержку и охлаждение. При этом снижаются напряжения, меняется структура и свойства стали. Температура отпуска выбирается ниже Ас1,чтобы сохранить эффект упрочнения при закалке. Различаются низкий отпуск (150-200 0 С), средний (350-450 0 С) и высокий (500-650 0 С).
Если при низком отпуске снижаются напряжения, уменьшается искаженность (тетрагональность) решетки мартенсита и она снова становится кубической, остаточной аустенит переходит в мартенсит кубический, то при среднем и высоком отпуске происходит распад мартенсита на смесь Ф+Ц.
После низкого отпуска твердость и прочность остаются на высоком уровне (НRC 58-63). Режущий и измерительный инструмент, детали после химико-термической обработки (цементации) подвергают низкому отпуску.
1. Определение наилучшей температуры закалки для стали с содержанием 0,4% углерода – доэвтектоидная сталь – и с содержанием 1,0% углерода – заэвтектоидная сталь.
Протокол испытаний на твердость после закалки в воду