Термообработка стали

Термообработка стали дает возможность придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком шаге в технологичном процессе изготовления проводилась термообработка, у заготовок увеличивается обрабатываемость, с деталей убираются остаточные напряжения, а у деталей повышаются рабочие качества.

Технология термообработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения структуры находящейся внутри металла или сплава. При этом состав не меняется.

Так, молекулярная решётка углеродистой стали при температуре не больше 910°С из себя представляет куб объемно-центрированный. При нагреве более 910°С до 1400°С решётка принимает форму гране-центрированного куба. Последующий нагрев воплощает куб в объемно-центрированный.

Сущность термообработки сталей – это изменение размера зерна структуры находящейся внутри стали. Неукоснительное соблюдение режима температур, времени и скорости на всех стадиях, которые напрямую зависят от численности углерода, легирующих компонентов и примесей, уменьшающих качество материала. Во время нагрева происходят изменения структуры, которые при охлаждении протекают в обратной очередности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термообработки.

Изменение структуры металла при термической обработке

Назначение термообработки

Термообработка стали проходит при температуре, приближеных к критическим точкам . Тут происходит:

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

Внутренняя структура двухфазной смеси влияет напрямую на рабочие качества и простота отделки.

Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения

Главное назначение термообработки — это придание сталям:

• В готовых изделиях:
  1. прочности;
  2. стойкости к износу;
  3. коррозионностойкость;
  4. термической устойчивости.

• В заготовках:
  1. снятие внутренних стрессов после
     • литья;
     • штамповки (горячей, холодной);
     • глубокой вытяжки;
  2. увеличение пластичности;
  3. смягчение обработки резанием.

Термообработка применяется к следующим типам сталей:

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

Классификация и виды термические обработки

Основополагающими параметрами, которые влияют на качество термические обработки считаются:

• время нагревания (скорость);
• температура нагревания;
• продолжительность выдерживания при установленной температуре;
• время охлаждения (интенсивность).

Меняя данные режимы можно получить несколько вариантов термические обработки.

Виды термообработки стали:

• Отжиг
  1. I – рода:
     • гомогенизация;
     • рекристаллизация;
     • изотермический;
     • снятие внутренних и остаточных стрессов;
  2. II – рода:
     • полный;
     • неполный;

• Закалка;
• Отпуск:
  1. невысокий;
  2. усредненный;
  3. большой.

• Нормализация.

Температура нагрева стали при термической обработке

Отпуск в автомобилестроении используется Для снижения силы внутренних стрессов, которые появляются во время закалки. Высокая твердость выполняет изделия хрупкими, по этому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

1. Отпуск невысокий

Для невысокого отпуска специфична внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости увеличивает вязкость. Этой термической обработке подвержены измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

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

2. Усредненный отпуск

Для среднего отпуска переустройство мартенсита в тростит. Твердость уменьшается до 400 НВ. Вязкость увеличивается. Данному отпуску подвержены детали, работающие с существенными упругими нагрузками. Режимы обработки:

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

3. Большой отпуск

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

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

Использование отжига дает возможность получить гомогенную внутреннюю структуру без стрессов кристаллической решётки. Процесс проводят в следующей очередности:

• нагревание до температуры немного больше критичной точки в зависимости от марки стали;
• выдержка с постоянным поддержанием температуры;
• медлительное охлаждение (в большинстве случаев остывание происходит одновременно с печью).

1. Гомогенизация

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

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

2. Рекристаллизация

Рекристаллизация, по-иному невысокий отжиг, применяется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счёт изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:

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

3. Изотермический отжиг

Изотермическому отжигу подвержены легированные стали, для того чтобы случился распад аустенита. Режимы термические обработки:

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

4. Отжиг для устранения стрессов

Снятие внутренних и остаточных стрессов отжигом применяется после работ по сварке, литья, обработки механическим способом. С наложением рабочих нагрузок детали подвержены разрушению. Режимы обработки:

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

5. Отжиг полный

Отжиг полный дает возможность получить внутреннюю структуру с очень маленьким зерном, в ее составе феррит с перлитовым песком. Полный отжиг применяют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в последующем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.

Полный отжиг стали

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

6. Неполный отжиг

При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлитовый песок превращается в ферритно-цементитную структуру зерен, что нужно для швов, полученных электродуговой сваркой, а еще инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна структуры находящейся внутри.

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

Закалку сталей используют для:

• Увеличения:
  1. твердости;
  2. прочности;
  3. устойчивости к износу;
  4. предела упругости;

• Снижения:
  1. пластичности;
  2. модуля сдвига;
  3. предела на сжатие.

Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в самых разнообразных средах. Каление выполняется с полиморфными изменением и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых есть компоненты которые способны к преобразованию.

Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решётка полиморфного элемента терпит изменения, благодаря чему возрастает растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решётка изменяет структуру из-за излишка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.

Невозможность полиморфных изменений при калении вызвано ограниченной растворимостью одного компонента в ином при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии не хватает времени. В конце концов выходит раствор с избытком нерастворившегося компонента (метастабильтный).

Для увеличения скорости охлаждения стали применяются такие среды как:

• вода;
• соляные растворы на воде;
• техническое масло;
• благородные газы.

Сравнивая скоростной режим охлаждения изделий из стали на воздухе, то охлаждение в водной массе с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли увеличивают закаливающую способность. Минусом водоиспользования считается образование трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло применяется для закалки легирующих сплавов, но оно подгорает к поверхности.

Металлы, применяющиеся во время изготовления изделий медицинской направленности не должны содержать пленки из оксидов, по этому охлаждение происходит в обстановке разряженного воздуха.

Чтобы избавиться полностью от аустенита, в результате которого у стали встречается большая хрупкость, изделия подвержены добавочному охлаждению при температуре от — 40°С и до -100°С в специализированной камере. Также можно применять углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка увеличивает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.

Если деталям не требуется объемная термическая обработка, проходит каление только слоя поверхности на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термические обработки может составлять от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В конце концов верхний слой становится устойчивым к износу, а середина вязкая.

Процесс закалки предусматривает нагревание и выдержку изделий из стали при температуре, достигающей порядка 900°С. При подобной температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при дальнейшей термической обработке перейдет в требуемую структуру с возникновением необходимых качеств.

Нормализация

Нормализация сформировывает структуру с очень маленьким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвержены горячекатаные стали. При этом у них возрастает:

• сопротивление излому;
• продуктивность обработки;
• крепость;
• вязкость.

Процесс нормализации стали

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

Преимущества термические обработки

Термическая обработка стали – это тех. процесс, который стал непременным шагом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого дает возможность добиться широкое разнообразие режимов и вармантов термического влияния. Термическую обработку применяют не только касательно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

Стали без термические обработки применяются лишь для строительства металлических конструкций и изготовления неответственных деталей, их рабочий срок невысокий. К ним не предъявляют дополнительные требования. Каждодневная же работа наоборот диктует усиление требований, собственно поэтому использование термические обработки предпочтительно.

В термически необделанных сталях абразивный износ высок и пропорционален своей твердости, которая зависит от состава элементов химии. Так, незакаленные матрицы штампов отлично комбинируют во время работы с калеными пуансонами.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.