Высокодисперсная смесь цементита и феррита именуется троостит отпуска;
При нагреве выше 400oС изменение фазового состава не происходит, изменяется лишь микроструктура. Имеет место рост и сфероидизация цементита. Отмечается растворение небольших и рост больших карбидных частиц.
При температуре 550…600oС имеем сорбит отпуска. Карбиды имеют зернистое строение. Постоянно совершенствуются свойства стали.
При температуре 650…700oС приобретают более неотёсанную ферритно- цементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит).
особенности отжига и Технологические возможности, нормализации, отпуска и закалки
При разработке разработки нужно установить:
- режим нагрева подробностей (время и температуру нагрева);
- темперамент среды, где осуществляется ее влияние и нагрев на материал стали;
- условия охлаждения.
Режимы термической обработки назначают в соответствии с диаграммой и диаграммами состояния изотермического распада аустенита.
Нагрев может осуществляться в нагревательных печах, топливных либо электрических, в соляных ваннах либо в ваннах с расплавленным металлом, пропусканием через изделие электрического тока либо в следствии индукционного нагрева.
С позиций производительности, нагрев с большой скоростью сокращает окалинообразование, рост и обезуглероживание аустенитного зерна. Но нужно учитывать перепад температур по сечению, что ведет к происхождению термических напряжений. В случае, если растягивающие напряжения превысят предел прочности либо предел текучести, то допустимо коробление либо образование трещин.
Рис. 13. 4. Левый угол диаграммы состояния железо – температурные области и цементит нагрева при термической обработке сталей
Скорость нагрева тем выше,чем менее легирована сталь, однороднее ее структура, несложнее конфигурация.
Скорость нагрева принимается 0,8…1 мин на 1 мм сечения. Время выдержки принимается около 20 % от времени нагрева.
Среда нагрева при нагреве в печи с газовой средой.
Составляющие смогут оказывать на сталь разное воздействие:
- окисляющее (О2, СО2, Н2О);
- восстанавливающее (СО, СН4);
- обезуглероживающее (О2, Н2);
- науглероживающее (СО, СН4);
- нейтральное (N2, инертные газы).
Окисление с образованием окалины , мешает получению высокой и равномерной твердости при закалке, ведет к трансформации размеров, требует повышения припусков на механическую обработку.
Обезуглероживание (выгорание углерода в поверхностном слое металла) содействует появлению мягких пятен при возникновению и закалке растягивающих напряжений в поверхностном слое, снижающих усталостную прочность.
На рис. 13.4 продемонстрированы температурные области нагрева при термической обработке сталей.
нормализация и Отжиг. режимы и Назначение
Отжиг, снижая твердость и повышая вязкость и пластичность за счет получения равновесной мелкозернистой структуры, разрешает:
- улучшить обрабатываемость заготовок резанием и давлением;
- исправить структуру сварных швов, перегретой при обработке давлением и литье стали;
- подготовить структуру к последующей термической обработке.
Характерно медленное охлаждение со скоростью 30…100oС/ч.
Отжиг первого рода.
1. Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг. Используется для устранения ликвации, выравнивания состава сплава.
В его основе – диффузия. В следствии нагрева выравнивается состав, растворяются избыточные карбиды. Используется, по большей части, для легированных сталей.
Температура нагрева зависит от температуры плавления, ТН = 0,8 Тпл.
Длительность выдержки: часов.
2. Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия напряжений по окончании холодной пластической деформации.
Температура нагрева связана с температурой плавления: ТН = 0,4 Тпл.
Длительность зависит от габаритов изделия.
3. Отжиг для снятия напряжений по окончании тёплой обработки (литья, сварки, обработки резанием, в то время, когда требуется высокая точность размеров).
Температура нагрева выбирается в зависимости от назначения, находится в широком диапазоне: ТН = 160……700oС.
Длительность зависит от габаритов изделия.
Подробности прецизионных станков (ходовые винты, высоконагруженные шестеренки, червяки) отжигают по окончании главной механической обработки при температуре 570…600oС в течение 2…3 часов, а по окончании окончательной механической обработки, для снятия шлифовочных напряжений – при температуре 160…180oС в течение 2…2,5 часов.
Отжиг второго рода рекомендован для трансформации фазового состава.
время выдержки и Температура нагрева снабжают необходимые структурные превращения. Скорость охлаждения должна быть таковой, дабы успели случиться обратные диффузионные фазовые превращения.
есть подготовительной операцией, которой подвергают отливки, поковки, прокат. Отжиг снижает прочность и твёрдость, усиливает обрабатываемость резанием средне- и высокоуглеродистых сталей. Измельчая зерно, снижая внутренние напряженияи уменьшая структурную неоднородность содействует вязкости и повышению пластичности.
В зависимости от температуры нагрева различают отжиг:
1. полный, с температурой нагрева на 30…50 oС выше критической температуры А3
Проводится для доэвтектоидных сталей для исправления структуры.
При таковой температуре нагрева аустенит получается мелкозернистый, и по окончании охлаждения сталь имеет кроме этого мелкозернистую структуру.
2. неполный, с температурой нагрева на 30…50oС выше критической температуры А1
Используется для заэвтектоидных сталей. При таком нагреве в структуре сохраняется цементит вторичный, в следствии отжига цементит получает сферическую форму (сфероидизация). Получению зернистого цементита содействует предшествующая отжигу тёплая пластическая деформация, при которой дробится цементитная сетка.Структура с зернистым цементитом лучше обрабатываются и имеют лучшую структуру по окончании закалки. Неполный отжиг есть необходимым для инструментальных сталей.
Время от времени неполный отжиг используют для доэвтектоидных сталей, если не требуется исправление структуры (сталь мелкозернистая), а нужно лишь понизить твердость для улучшения обрабатываемости резанием.
3. циклический либо маятниковый отжиг используют, в случае, если по окончании проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым. В этом случае по окончании нагрева выше температуры А1 направляться охлаждение до 680 oС, после этого опять нагрев до температуры 750…760) oС и охлаждение. В следствии приобретают зернистый цементит.
4. изотермический отжиг – по окончании нагрева до требуемой температуры, изделие скоро охлаждают до температуры на 50…100oС ниже критической температуры А1 и выдерживают до полного превращения аустенита в перлит, после этого охлаждают на спокойном воздухе (рис. 13.5). Температура изотермической выдержки близка к температуре минимальной устойчивости аустенита.
В следствии приобретают более однородную структуру, поскольку превращение происходит при однообразной степени переохлаждения. Существенно уменьшается продолжительность процесса. Используют для легированных сталей.
Рис. 13.5. Режимы изотермического отжига
5. Нормализация. – разновидность отжига.
Термическая обработка, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния, на 30…50 oС выше А3 либо Аст с последующим охлаждением на воздухе.
либо
В следствии нормализации приобретают более узкое строение эвтектоида (узкий перлит либо сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в ходе предшествующей обработки. прочность и Твёрдость немного выше чем по окончании отжига.
В заэвтектоидных сталях нормализация ликвидирует неотёсанную сетку вторичного цементита.
Нормализацию чаще используют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Время от времени выполняют как окончательную обработку, к примеру, при изготовлении сортового проката.
Для низкоуглеродистых сталей нормализацию используют вместо отжига.
Для среднеуглеродистых сталей нормализацию либо нормализацию с высоким отпуском используют вместо закалки с высоким отпуском. В этом случае механические особенности немного ниже, но изделие подвергается меньшей деформации, исключаются трещины.
возможности закалки и Технологические особенности и отпуска
Закалка
Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для твёрдости и повышения прочности, получения высокой пластичности, вязкости и высокой износостойкости, а инструментальные – для увеличения твердости и износостойкости.
Верхний предел температур нагрева для заэвтектоидных сталей ограничивается, поскольку ведет к росту зерна, что снижает сопротивление и прочность хрупкому разрушению.
Главными параметрами являются скорость охлаждения и температура нагрева. Длительность нагрева зависит от нагревательного устройства, по умелым данным на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1,5…2 мин.; в пламенной печи – 1 мин.; в соляной ванне – 0,5 мин.; в свинцовой ванне – 0,1…0,15 мин.
По температуре нагрева различают виды закалки:
– полная, с температурой нагрева на 30…50oС выше критической температуры А3
.
Используют ее для доэвтектоидных сталей. Трансформации структуры стали при охлаждении и нагреве происходят по схеме:
.
Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, поскольку в структуре остается мягкий феррит. Трансформации структуры стали при охлаждении и нагреве происходят по схеме:
– неполная с температурой нагрева на 30…50 oС выше критической температуры А1
Используется для заэвтектоидных сталей. Трансформации структуры стали при охлаждении и нагреве происходят по схеме:
.
По окончании охлаждения в структуре остается вторичный цементит, что повышает твердость и износостойкость режущего инструмента.
По окончании полной закалки заэвтектоидных сталей приобретают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита.
Заэвтектоидные стали перед закалкой непременно подвергают отжигу – сфероидизации, дабы цементит имел зернистую форму.
Охлаждение при закалке.
Для получения требуемой структуры изделия охлаждают с разной скоростью, которая в громадной степени определяется охлаждающей средой, теплопроводностью стали и формой изделия.
Режим охлаждения обязан исключить происхождение громадных закалочных напряжений. При высоких скоростях охлаждения при закалке появляются внутренние напряжения, способные привести к растрескиванию и короблению.
Внутренние напряжения, уравновешиваемые в пределах макроскопических частей тела, именуются напряжениями I рода. Они важны за искажение формы (коробление) и образование трещин при термообработке. Обстоятельствами происхождения напряжений являются:
- различие температуры по сечению изделия при охлаждении;
- разновременное протекание фазовых превращений в различных участках изделия.
Для предупреждения образования трещин нужно избегать растягивающих напряжений в поверхностных слоях изделия. На темперамент распределения напряжений при закалке, кроме режима охлаждения, влияет и температура нагрева под закалку. Перегрев содействует образованию закалочных трещин, увеличивает деформации.
Режим охлаждения обязан кроме этого обеспечить нужную глубину закаленного слоя.
Оптимальный режим охлаждения: большая скорость охлаждения в промежутке температур А1 – MН, для предотвращения распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения, и минимальная скорость охлаждения в промежутке температур мартенситного превращения MН – MК, с целью понижения остаточных возможности и напряжений образования трещин. Весьма медленное охлаждение может привести к увеличению количества и частичному отпуску мартенсита аустенита остаточного, а следовательно к понижению твердости.
В качестве охлаждающих сред при закалке применяют воду при разных температурах, технические масла, растворы щелочей и солей, расплавленные металлы.
Вода имеет значительный недочёт: высокая скорость охлаждения в промежутке мартенситного превращения ведет к образованию закалочных недостатков. С увеличением температуры воды ухудшается ее закалочная свойство.
самая высокой и равномерной охлаждающей свойством отличаются холодные 8…12 %-ные водные растворы NaCl и NaOH. Они мгновенно разрушают охлаждение и паровую рубашку происходит более равномерно и на стадии пузырькового кипения.
Повышения охлаждающей свойстве достигают при применении струйного либо душевого охлаждения, к примеру, при поверхностной закалке.
Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита применяют минеральное масло (нефтяное). Снабжающее маленькую скорость охлаждения в промежутке температур мартенситного превращения и постоянство закаливающей свойстве. Недочётами минеральных масел являются повышенная воспламеняемость, низкая охлаждающая свойство в промежутке температур перлитного превращения, большая цена.
При выборе охлаждающей среды нужно учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.
Закаливаемость – свойство стали приобретать высокую твердость при закалке.
Закаливаемость определяется содержанием углерода. Стали с содержанием углерода менее 0,20 % не закаливаются.
Прокаливаемость – свойство приобретать закаленный слой с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, владеющей высокой твердостью, на определенную глубину.
За глубину закаленной территории принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре однообразные количества мартенсита и троостита.
Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость. Укрупнение зерен повышает прокаливаемость.
В случае, если скорость охлаждения в сердцевине изделия превышает критическую то сталь имеет сквозную прокаливаемость.
неоднородность аустенита и Нерастворимые частицы уменьшают прокаливаемость.
Чёртом прокаливаемости есть критический диаметр.
Критический диаметр – большое сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.
С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость возрастают (особенно бор и молибден, кобальт – напротив).
Методы закалки
В зависимости от формы изделия, марки нужного комплекса и стали особенностей используют разные методы охлаждения (рис. 14.1)
Рис.14.1. Режимы закалки
1. Закалка в одном охладителе (V1).
Нагретую до нужной температуры подробность переносят в охладитель и абсолютно охлаждают. В качестве охлаждающей среды применяют:
- воду – для больших изделий из углеродистых сталей;
- масло – для маленьких подробностей несложной формы из изделий и углеродистых сталей из легированных сталей.
Главный недочёт – большие закалочные напряжения.
2. Закалка в двух сферах либо прерывистая (V2).
Нагретое изделие предварительно охлаждают в более резком охладителе (вода) до температуры ~ 3000C и после этого переносят в более мягкий охладитель (масло).
Прерывистая закалка снабжает большое приближение к оптимальному режиму охлаждения.
Используется по большей части для закалки инструментов.
Недочёт: сложность определения момента переноса изделия из одной среды в другую.
3. Ступенчатая закалка (V3).
Нагретое до требуемой температуры изделие помещают в охлаждающую среду, температура которой на 30 – 50oС выше точки МН и выдерживают в течении времени, нужного для выравнивания температуры по всему сечению. Время изотермической выдержки не превышает периода устойчивости аустенита при заданной температуре.
В качестве охлаждающей среды применяют расплавленные соли либо металлы. По окончании изотермической выдержки подробность охлаждают с низкой скоростью.
Метод употребляется для небольших и средних изделий.
4. Изотермическая закалка (V4).
Отличается от ступенчатой закалки длительностью выдержки при температуре выше МН, в области промежуточного превращения. Изотермическая выдержка снабжает полное превращение переохлажденного аустенита в бейнит.При промежуточном превращении легированных сталей не считая бейнита в структуре сохраняется аустенит остаточный. Появившаяся структура характеризуется сочетанием большой прочности, вязкости и пластичности. Вместе с этим понижается деформация из-за закалочных напряжений, уменьшаются и фазовые напряжения.
В качестве охлаждающей среды применяют расплавленные щёлочи и соли.
Используются для легированных сталей.
5. Закалка с самоотпуском.
Нагретые изделия помещают в охлаждающую среду и выдерживают до неполного охлаждения. По окончании извлечения изделия, его поверхностные слои повторно нагреваются за счет внутренней теплоты до требуемой температуры, другими словами осуществляется самоотпуск. Используется для изделий, каковые должны сочетать высокую твердость на поверхности и высокую вязкость в сердцевине (инструменты ударного действия: мототки, зубила).
Отпуск
Отпуск окончательна термической обработкой.
Целью отпуска есть пластичности и повышение вязкости, уменьшение и снижение твёрдости внутренних напряжений закаленных сталей.
С увеличением температуры нагрева прочность в большинстве случаев понижается, а вязкость и пластичность растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной подробности.
Различают три вида отпуска:
1. Низкий отпуск с температурой нагрева Тн = 150…300oС.
В следствии его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Приобретают структуру – мартенсит отпуска.
Выполняют для инструментальных сталей; по окончании закалки токами высокой частоты; по окончании цементации.
2. Средний отпуск с температурой нагрева Тн = 300…450oС.
Приобретают структуру – троостит отпуска, сочетающую высокую твердость 40…45HRC c вязкостью и хорошей упругостью.
Употребляется для изделий типа пружин, рессор.
3. Большой отпуск с температурой нагрева Тн = 450…650oС..
Приобретают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание особенностей) – сорбит отпуска.
Употребляется для подробностей автомобилей, испытывающих ударные нагрузки.
Комплекс термической обработки, включающий высокий отпуск и закалку, именуется улучшением.
Отпускная хрупкость
В большинстве случаев с увеличением температуры отпуска ударная вязкость возрастает, а скорость охлаждения не воздействует на особенности. Но для некоторых сталей отмечается понижение ударной вязкости. Данный недостаток именуется отпускной хрупкостью (рис. 14.2).
Рис.14.2. Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска
Отпускная хрупкость I рода отмечается при отпуске в области температур около 300oС. Она не зависит от скорости охлаждения.
Это явление связано с неравномерностьюпревращения оппущенного мартенсита. Процесс протекает стремительнее вблизи границ зерен если сравнивать с количествами в зерна. У границ отмечается концентрация напряжений, исходя из этого границы хрупкие.
Отпускная хрупкость I рода “необратима“, другими словами при повторных нагревах тех же подробностей не отмечается.
Отпускная хрупкость II рода отмечается у легированных сталей при медленном охлаждении по окончании отпуска в области 450…650oС.
При высоком отпуске по границам зерен происходит выделение и образование дисперсных включений карбидов. Приграничная территория обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит диффузия фосфора к границам зерна. Приграничные территории обогащаются фосфором, понижаются ударная вязкость и прочность. Этому деекту содействуют хром, фосфор и марганец. Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода вольфрам и молибден, и стремительное охлаждение по окончании отпуска.
Отпускная хрупкость II рода “обратима“, другими словами при медленном охлаждении и повторных нагревах тех же сталей в страшном промежутке температур недостаток может повториться.
Стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650oС без последующего стремительного охлаждения.
Химико-термическая обработка стали: цементация, азотирование, нитроцементация и диффузионная металлизация
Химико-термическая обработка стали
Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс трансформации состава, свойств и микроструктуры поверхностного слоя подробности.
Изменение состава поверхностных слоев достигается в следствии их сотрудничества с окружающей средой (жёсткой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.
В следствии трансформации состава поверхностного слоя изменяются его микроструктура и фазовый состав,
Главными параметрами химико-термической обработки являются продолжительность выдержки и температура нагрева.
В базе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.
Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в следствии химических реакций, и испарения.
К примеру,
Адсорбция – захват поверхностью подробности атомов насыщающего элемента.
Адсорбция – в любой момент экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.
Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.
Для диффузии процессов и осуществления адсорбции нужно, дабы насыщающий элемент взаимодействовал с главным металлом, образуя жёсткие растворы либо химические соединения.
Химико-термическая обработка есть главным методом поверхностного упрочнения подробностей.
Главными разновидностями химико-термической обработки являются:
- цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);
- азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);
- нитроцементация либо цианирование (насыщение поверхностного слоя в один момент азотом и углеродом);
- диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя разными металлами).
технология и Назначение видов химико-термической обработки: цементации, азотирования нитроцементации и диффузионной металлизации
Цементация
Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 oС.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).
Нагрев изделий реализовывают в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.
Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины территории, где в структуре имеются однообразные количества перлита и феррита ( h. = 1…2 мм).
Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (в большинстве случаев, не более 1,2 %).
Более высокое содержание углерода ведет к образованию больших количеств цементита вторичного, информирующего слою повышенную хрупкость.
На практике используют цементацию в жёстком и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).
Участки подробностей, каковые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим методом) либо глиняной смесью.
Цементация в жёстком карбюризаторе.
Практически готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в железные коробки и пересыпают жёстким карбюризатором. Употребляется древесный уголь с добавками углекислых солей ВаСО3, Na2CO3 числом 10…40 %. Закрытые коробки укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950 oС.
За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода по реакции:
Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.
Недочётами данного метода являются:
- большие затраты времени (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час);
- низкая производительность процесса;
- громоздкое оборудование;
- сложность автоматизации процесса.
Метод используется в мелкосерийном производстве.
Газовая цементация.
Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором.
Воздух углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, каковые образуют газ-носитель, и окись углерода, другие углеводороды и метан, каковые являются активными газами.
Глубина цементации определяется временем выдержки и температурой нагрева.
Преимущества метода:
- возможность получения заданной концентрации углерода в слое (возможно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих воздух газов);
- сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;
- возможность автоматизации процесса и полной механизации.
Метод используется в серийном и массовом производстве.
Структура цементованного слоя
Структура цементованного слоя представлена на рис. 15.1.
Рис. 15.1. Структура цементованного слоя
На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, складывающийся из цементита и перлита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода понижается и следующая территория состоит лишь из перлита. После этого появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности возрастает. И, наконец, структура делается отвечающей исходному составу.
Термическая обработка по окончании цементации
В следствии цементации достигается лишь удачное распределение углерода по сечению. Совсем формирует свойства цементованной подробности последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. По окончании закалки цементованное изделие получает высокую твердость и износостойкость, увеличивается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.
Комплекс термической обработки зависит от назначения и материала изделия.
Графики разных комплексов термической обработки представлены на рис. 15.2.
Рис. 15.2. Режимы термической обработки цементованных изделий
В случае, если сталь наследственно мелкозернистая либо изделия неответственного назначения, то выполняют однократную закалку с температуры 820…850oС (рис. 15.2 б). Наряду с этим обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементованном слое, и измельчение зерна и частичная перекристаллизация сердцевины.