Термическая обработка стали отпуск

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Изменение структуры металла при термообработке

Назначение термической обработки

Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам . Здесь происходит:

  • вторичная кристаллизация сплава;
  • переход гамма железа в состояние альфа железа;
  • переход крупных частиц в пластинки.

Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.

Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения

Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

  • В готовых изделиях:
    1. прочности;
    2. износостойкости;
    3. коррозионностойкость;
    4. термостойкости.
    • В заготовках:
      1. снятие внутренних напряжений после
      • литья;
      • штамповки (горячей, холодной);
      • глубокой вытяжки;
    • увеличение пластичности;
    • облегчение обработки резанием.
    • Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

      1. Углеродистым и легированным.
      2. С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
      3. Конструкционным, специальным, инструментальным.
      4. Любого качества.

      Классификация и виды термообработки

      Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:

      • время нагревания (скорость);
      • температура нагревания;
      • длительность выдерживания при заданной температуре;
      • время охлаждения (интенсивность).

      Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.

      Виды термической обработки стали:

      • Отжиг
        1. I – рода:
        • гомогенизация;
        • рекристаллизация;
        • изотермический;
        • снятие внутренних и остаточных напряжений;
      • II – рода:
        • полный;
        • неполный;
          • Закалка;
          • Отпуск:
            1. низкий;
            2. средний;
            3. высокий.
            • Нормализация.

            Температура нагрева стали при термообработке

            Отпуск

            Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

            1. Отпуск низкий

            Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

            • Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
            • выдерживание — полтора часа;
            • остывание – воздух, масло.

            2. Средний отпуск

            Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:

            • нагревание до температуры – от 340°С, но не выше 500°С;
            • охлаждение – воздух.

            3. Высокий отпуск

            При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.

            Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.

            Отжиг

            Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:

            • нагревание до температуры чуть выше критической точки в зависимости от марки стали;
            • выдержка с постоянным поддержанием температуры;
            • медленное охлаждение (обычно остывание происходит совместно с печью).

            1. Гомогенизация

            Гомогенизация, по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:

            • нагревание до температуры – от 1000°С, но не выше 1150°С;
            • выдержка – 8-15 часов;
            • охлаждение:
            • печь – до 8 часов, снижение температуры до 800°С;
            • воздух.

            2. Рекристаллизация

            Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:

            • нагревание до температуры – выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
            • выдерживание — ½ — 2 часа;
            • остывание – медленное.

            3. Изотермический отжиг

            Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:

            • нагревание до температуры – на 20°С — 30°С выше точки ;
            • выдерживание;
            • остывание:
            • быстрое – не ниже 630°С;
            • медленное – при положительных температурах.

            4. Отжиг для устранения напряжений

            Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:

            • нагревание до температуры – 727°С;
            • выдерживание – до 20 часов при температуре 600°С — 700°С;
            • остывание — медленное.

            5. Отжиг полный

            Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.

            Читайте также:  Как подключить однофазный генератор к сети дома

            Полный отжиг стали

            • температура нагрева – на 30°С-50°С выше точки ;
            • выдержка;
            • охлаждение до 500°С:
            • сталь углеродистая – снижение температуры за час не более 150°С;
            • сталь легированная – снижение температуры за час не более 50°С.

            6. Неполный отжиг

            При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.

            • нагревание до температуры – выше точки или , выше 700°С на 40°С — 50°С;
            • выдерживание – порядка 20 часов;
            • охлаждение — медленное.

            Закалка

            Закалку сталей применяют для:

            • Повышения:
              1. твердости;
              2. прочности;
              3. износоустойчивости;
              4. предела упругости;
              • Снижения:
                1. пластичности;
                2. модуля сдвига;
                3. предела на сжатие.

                Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.

                Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.

                Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).

                Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:

                • вода;
                • соляные растворы на основе воды;
                • техническое масло;
                • инертные газы.

                Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.

                Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.

                Чтобы полностью избавиться от аустенита, из-за которого у стали наблюдается высокая хрупкость, изделия подвергаются дополнительному охлаждению при температурах от — 40°С и до -100°С в специальной камере. Также можно использовать углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка повышает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.

                Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.

                Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.

                Нормализация

                Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:

                • сопротивление излому;
                • производительность обработки;
                • прочность;
                • вязкость.

                Процесс нормализации стали

                • происходит нагрев до температуры – на 30°С-50°С выше точки ;
                • выдерживание в данном температурном коридоре;
                • охлаждение – на открытом воздухе.

                Преимущества термообработки

                Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

                Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.

                В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.

                Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

                Раздел: Материаловедение. Металловедение.

                Отпуск является окончательной термической обработкой. Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей (см. Закалка стали). С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.

                Термическая обработка металла. Термическая обработка металлов и сплавов. Виды термической обработки металлов. Виды термообработки.

                Различают три вида отпуска:

                1. Низкий отпуск с температурой нагрева Тн = 150…300 o С.

                В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру – мартенсит отпуска.
                Проводят для инструментальных сталей после закалки токами высокой частоты или после цементации.

                2. Средний отпуск с температурой нагрева Тн = 300…450 o С.

                Получают структуру – троостит отпуска, сочетающую высокую твердость 40…45HRC c хорошей упругостью и вязкостью.
                Используется для изделий типа пружин, рессор.

                3. Высокий отпуск с температурой нагрева Тн = 450…650 o С..

                Получают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание свойств) – сорбит отпуска.
                Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки.
                Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением.

                Способы закалки. Способы закалки стали. Виды закалки стали. Технология закалки стали. Режимы закалки сталей.
                Закалка стали. Закалка металла. Виды закалки. Температура закалки. Закаливаемость. Прокаливаемость. Критический диаметр.

                Читайте также:  Лучшие сварочные аппараты для полипропиленовых труб

                Отпускная хрупкость

                Обычно с повышением температуры отпуска ударная вязкость увеличивается, а скорость охлаждения не влияет на свойства. Но для некоторых сталей наблюдается снижение ударной вязкости. Этот дефект называется отпускной хрупкостью.

                Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска

                Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске в области температур около 300 o С. Она не зависит от скорости охлаждения. Это явление связано с неравномерностьюпревращения отпущенного мартенсита (см. Мартенсит. Мартенситное превращение.). Процесс протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри зерна. У границ наблюдается концентрация напряжений, поэтому границы хрупкие.

                Отпускная хрупкость I рода “необратима“, то есть при повторных нагревах тех же деталей не наблюдается.

                Нормализация стали. Температура нормализации стали. Процесс нормализации стали.

                Отпускная хрупкость II рода наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области 450…650 o С. При высоком отпуске по границам зерен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Приграничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит диффузия фосфора к границам зерна. Приграничные зоны обогащаются фосфором, снижаются прочность и ударная вязкость. Этому деекту способствуют хром, марганец и фосфор. Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам, а также быстрое охлаждение после отпуска.

                Отжиг стали. Отжиг второго рода. Полный отжиг. Неполный отжиг. Полный и неполный отжиг. Изотермический отжиг.Отжиг стали. Отжиг первого рода. Диффузионный отжиг. Отжиг рекристаллизационный. Отжиг для снятия напряжений.

                Отпускная хрупкость II рода “обратима“, то есть при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур дефект может повториться.

                Стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650 o С без последующего быстрого охлаждения.

                Улучшаемые стали

                Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3–05 % С), подвергаемые закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Углеродистые улучшаемые стали (стали 35, 40, 45 и 50) обладают небольшой прокаливаемостью (до 10 мм), поэтому механические свойства с увеличением сечения изделия понижаются. Для мелких деталей после термической обработки получают sв=600¸700 МПа и КСU=0,4–0,5 МДж/м2. Если от деталей требуется более высокая поверхностная твердость (шпиндели, валы, оси и т.д.), то после закалки их подвергают отпуску на твердость НRС 40–50. Для получения высокой поверхностной твердости используют закалку ТВЧ (шестерни, коленчатые валы, поршневые пальцы и т.д.).
                Для получения высоких механических свойств в деталях сечением более 25–30 мм применяют легированные стали, которые обладают большей прокаливаемостью, более мелким зерном, их критическая скорость закалки меньше, следовательно, меньше закалочные напряжения, выше устойчивость против отпуска. Отсюда их основное преимущество перед углеродистыми конструкционными сталями–лучший комплекс механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости.
                Большинство легированных конструкционных сталей относится к перлитному классу.
                При создании легированных сталей всегда учитывают стоимость легирующего элемента и его дефицитность.
                Основным легирующим элементом в конструкционных сталях является хром, содержание которого обычно составляет 0,8–1,1 %; марганца в сталях до 1,5 %; кремния 0,9–1,2 %; молибдена 0,15–0,45 %; никеля 1–4,5 %. Общая сумма легирующих элементов не превышает 3–5 %.
                Все перечисленные элементы, кроме никеля, увеличивая прочность стали, понижают ее пластичность и вязкость. Никель является исключением–он оказывает особенно положительное влияние на свойства стали, увеличивая ее прочность, не понижая пластичность и вязкость. Кроме того, никель понижает порог хладноломкости. Поэтому стали, содержащие никель, особенно ценны как конструкционный материал.
                Кроме названных элементов, в конструкционные стали для деталей машин вводят около 0,1 % V, Тi, Nb, Zr для измельчения зерна. Введение 0,002–0,003 % В увеличивает прокаливаемость.
                Улучшаемые стали можно условно разделить на несколько групп. Широко применяют стали, легированные хромом, особенно стали марок 40Х, 45Х. Для увеличения прокаливаемости в них иногда добавляют бор (сталь 40ХР). Увеличение прокаливаемости (в сечении до 40 мм) достигается и добавлением в хромистые стали около 1 % Мn: 30ХГ, 40ХГ, 40ХГР и др. Для уменьшения склонности хромистых сталей к отпускной хрупкости II рода вводят 0,15–0,25 % Мо.
                Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль, легированы хромом, кремнием и марганцем, т.е. не содержат дефицитных легирующих элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемостью и прочностью, например, сталь 30ХГС после термической обработки имеет sв=1650 МПа при КСU=0,4 МДж/м2. Недостаток этих сталей склонность к отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.
                Чем больше размер детали, сложнее ее конфигурация, выше напряжения, возникающие в ней в процессе работы, тем с большим количеством никеля применяют сталь для ее изготовления: 40ХНМ, 30ХН2МФ, 38ХНЗМФ и т.д.
                Молибден и волъфрам вводят в состав сталей также для уменьшении склонности к отпускной хрупкости. На рис.3 приведена диаграмма, позволяющая выбрать нужную марку стали, в зависимости от заданных прочности и размеров сечения.
                Рис. 3.Диаграмма для выбора марок конструкционной стали в зависимости от заданной прочности и размера сечения детали:
                1 – 30ХН3М; 2 – 30ХН3; 3 – 34ХМА; 4 – 33ХСА;
                5 – 30Н3; 6 – 35ХА; 7 – 35СГ; 8 – сталь 30

                Читайте также:  Дробилка для дерева своими руками изготовить видео

                Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

                Под химико-термической обработкой стали подразумевается целый набор технологий направленных на улучшение эксплуатационных характеристик металлических изделий.

                Общие принципы

                Результат химико-термической обработки изделий из стали – изменение химического состава и физической структуры поверхностных слоёв металлического изделия. При этом, в подавляющем большинстве случаев, металл в сердцевине изделия сохраняет изначальную вязкость, что позволяет изделию лучше выдерживать нагрузки на удар и излом.

                Как несложно догадаться по названию, изменения структуры металла изделия в процессе химической и термической обработки стали происходят под воздействием высоких температур и химических веществ. Должная обработка стальных изделий достигается путём нагрева и удержания изделий в химически активной среде. В зависимости от технологии химико-технической обработки стали изделий в роли активной среды могут выступать:

                Также, в зависимости от технологии обработки, источником нагрева изделия могут быть:

                токи высокой частоты;

                Изменение химического состава стальных изделий возможно благодаря законам физики. Три основополагающих кита процесса обработки:

                Если упростить, в процессе насыщения поверхности стального изделия:

                сначала происходит диссоциация (отделение) атомов насыщающего элемента;

                затем поглощение атомов поверхность изделия;

                и диффузия, в ходе которой происходит непосредственно насыщение поверхностного слоя изделия.

                Всё это происходит в условиях крайне высоких температур: термообработка изделий призвана ускорить процесс насыщения. Завершающим этапом обработки являются закалка и отпуск/нормализация изделия, производимые для улучшения показателей твердости и износостойкости металлических изделий.

                Виды химико-термической обработки

                Химическая тепловая обработка изделий имеет солидную разветвлённую классификацию. Изначально обработку сталей изделия делят на насыщение:

                металлами и неметаллами.

                Первые два типа бывают одно- и многокомпонентными, третий – только многокомпонентным.

                В ходе однокомпонентной обработки стальных изделий, поглощается атомы одного конкретного вещества. Так, в процессе:

                силицирование – кремний и так далее.

                Многокомпонентная обработка стальных изделий – специфический процесс, на практике применяемый реже, чем однокомпонентная обработка изделий. Здесь изделие насыщается атомами разных веществ, например, при

                нитроцементации – углеродом и азотом;

                хромосилицировании – хромом и кремнием;

                хромоалитировании – хромом и аллюминием и так далее.

                Наиболее распространёнными в современном производстве считаются: цианирование, азотирование, нитроцементация, цементация изделий. Остальные методы также практикуются в металлургии, но значительно реже.

                В общих чертах, основы технологий сходны: изделие выдерживают в насыщающей среде в течение определенного количества времени, поддерживая необходимую температуру. Отличия становятся ясно видны при изучении изделий. Так, среда может иметь не только разный химический состав, но и разные агрегатные состояния.

                В качестве примера разнообразия агрегатных состояний сред можно рассмотреть цементацию изделий. Карбюризатор (среда) при цементации может служить:

                древесный уголь с добавками;

                синтин или керосин;

                Также на ряде производств практикуется химико-термическая обработка изделий в плазме тлеющего разряда и пастах.

                В зависимости от среды меняется предельно допустимая толщина обрабатываемого слоя изделия и продолжительность процесса.

                Помимо перечисленных выше классов, методы обработки изделий делят на подвиды в зависимости от температуры при которой протекает процесс: высоко- и низкотемпературные.

                Чтобы лучше представить структуру классификации химико-термической обработки металлов, можно свести все типы в одну таблицу.

                Цементация стали

                Цементацию можно назвать одной из наиболее распространённых технологий химико-термической обработки изделий [тут ссылка на опубликованный материал про ц.]. Услуги по такой обработке металлических изделий, в том числе, предлагает компания Терморесурс.

                В процессе обработки, поверхность изделия принудительно насыщается атомами углерода. В силу этого, она показана для работы с низкоуглеродистыми сталями. Насыщение при обработке позволяет значительно улучшить такие эксплуатационные качества поверхности изделия как:

                За счёт того, что внутренняя часть изделия сохраняет изначальную вязкость, изделие способно с честью выдерживать эксплуатационные нагрузки в виде ударов, изломов, сгибаний.

                В зависимости от типа карбюризатора (среды насыщения), цементацию изделия делят на жидкую, плотную или газовую.

                Преимущества газовой цементации изделий стоит привести отдельным списком:

                регулирование степени насыщения углеродом и размеров слоя;

                термообработка изделий сразу по завершении цементации;

                частичная автоматизация процесса.

                Обработку изделий проводят в специальных цементационных печах, где в роли окислителя, в зависимости от типа печи и применяемого карбюризатора, используют воздух или воду. По причине высоких рабочих температур, обработку изделия очень удобно совмещать с закаливанием изделия. И вполне логично, что по окончании процесса, изделие подвергается нормализации и отпуску.

                Отпуск стали

                Интенсивность нагрева изделия в процессе термобработки задаёт такие важные параметры как эластичность, прочность. Контроль температуры нагревания изделия и времени остывания называют отпуском. В зависимости от показателя нагрева, он бывает:

                высоким (от 680 градусов по Цельсию);

                средним (от 350 до 500 градусов);

                низким (до 250 градусов).

                Высокий отпуск гарантирует высокую вязкость и пластичность изделия, низкий – повышенную износостойкость, но уязвимость к динамическим нагрузкам, средний – упругость и выносливость изделия к нагрузкам.

                Нормализация

                Нормализация стали призвана заменить собой отжиг и закаливание. Изделие прогревают до экстремально высокой температуры (850-950 градусов), короткое время поддерживают полученную температуру, а затем охлаждают с помощью воздуха.

                Ссылка на основную публикацию
                Adblock
                detector