Термическая и химико-термическая обработка металла: закалка и отжиг стали

Термическая и химико-термическая обработка металла: закалка и отжиг стали

Цементация стали — воздействие подогревом для улучшения технических параметров и структуры поверхности. Ее используют по отношению к деталям из разнообразных сплавов. Процесс включает многократный нагрев, выдержку и охлаждение. По окончании процедуры изделие становится тверже, прочнее, улучшаются характеристики. Рассмотрим подробнее, с какой целью производят закалку, отжиг, какие есть виды, их описание.

Закалка

Методика актуальна для создания неравномерной структуры стали заготовки. Это увеличивает твердость, но также повышает хрупкость конструкции. Выбор температуры воздействия зависит от химического состава. Также важными являются скорость охлаждения и периодичность повторения процедуры.

При выборе технологии закаливания учитывают следующие факторы:

    Температура обработки. Если она не превышает критическое значение – закалка относится к категории неполной. Для обработки всей структуры заготовки термическое воздействие должно быть выше точки Асз на 30-40°. Охлаждение. Оно может выполняться быстро или медленно. В первом случае твердость неравномерная, ближе к поверхности. При медленном охлаждении напряжение структуры выравнивается. Выбор среды для закалки. Чаще всего используют соляную ванную или масло с добавлением специальных веществ. Периодичность. Она влияет на распределение жесткости в структуре стали.

Способы закалки рассчитываются индивидуально для каждого типа изделия. О том, как закаливать и делать отпуск металла в домашних условиях, читайте здесь.

Отжиг

После отжига значительно уменьшается твердость стали, но возрастает ее пластичность и ковкость. Такой обработке подвергается материал, предназначенный для последующей штамповки или раскатки. Нормализация технологически повторяет процесс отжига, только после нагрева сплав остывает не непосредственно в печи, а на открытом воздухе. Это позволяет добиться хороших показателей ковкости и пластичности без существенного снижения твердости.

Отжиг второго рода (ΙΙ-го рода)

Отжиг ΙΙ рода основан на использовании фазовых превращений сплавов и состоит в нагреве выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого структурного состояния сплавов.

Полный отжиг

Полный отжиг производится для доэвтектоидных сталей. Для этого стальную деталь нагревают выше критической точки А3 на 30–50°С и после прогрева проводят медленное охлаждение. Как правило, детали охлаждают вместе с печью со скоростью 30–100°С/час. Структура доэвтектоидной стали после отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

Основные цели полного отжига:

— устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячая деформация, сварка, термообработка), – крупнозернистости и видманштеттовой структуры;

— смягчение стали перед обработкой резанием – получение крупнозернистости для улучшения качества поверхности и большей ломкости стружки низкоуглеродистых сталей;

Неполный отжиг

Неполный отжиг отличается от полного тем, что нагрев производится на 30–50 °С выше критической точки А1 (линия РSК на диаграмме «Железо – цементит»). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей проводят для улучшения обрабатываемости резанием. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали — вследствие перехода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Такой отжиг проводится при температуре 770 — 750°С с последующим охлаждением со скоростью 30 — 60°С/с до 600°С, далее на воздухе.

Неполный отжиг широко применяется для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. Нагрев этих сталей на 10 — 30°С выше Ас1 вызывает практически полную перекристаллизацию сплава и позволяет получить зернистую (сферическую) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией. Частицы цементита, не растворившегося при нагреве, или области аустенита с повышенной концентрацией углерода за счет неполной его гомогенизации после растворения цементита, служат центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении до температуры ниже А1 и принимающего в этом случае зернистую форму. В результате нагрева до температуры значительно выше А1 и растворения большей части цементита и более полной гомогенизации аустенита последующее выделение цементита ниже А1 происходит в пластинчатой форме. Если избыточный цементит находился в виде сетки, то перед этим отжигом нужно сделать нормализацию с нагревом выше Асm (желательно с охлаждением в направленном потоке воздуха).

Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий температурный интервал нагрева (750 — 760°С) для отжига на зернистый цементит, для заэвтектоидных сталей интервал рсширяется до 770 — 790°С. Легированные заэвтектоидные стали можно нагревать до более высоких температур 770 — 820°С. Охлаждение и сфероидизация цементита происходит медленно. Охлаждение должно обеспечить распад аустенита на феррито-карбидную структуру, сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов до 620 — 680°С.

Отжиг на зернистый перлит (маятниковый отжиг)

Для получения зернистого перлита применяют отжиг с различными вариациями термоциклирования в надкритическом и межкритическом интервале температур, маятниковые виды отжига с различными выдержками и количеством циклов.

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость, временное сопротивление разрыву и соответственно более высокие значения характеристик пластичности. Например эвтектоидная сталь с пластинчатым перлитом имеет твердость 228НВ, а с зернистым 163НВ и соответственно временное сопротивление 820 и 630МПа, относительное удлинение 15 и 20%.

Микроструктура стали после отжига на зернистый перлит (ОЗП) выглядит следующим образом

После отжига на зернистый перлит стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, при этом достигается более высокая чистота поверхности. В ряде случаев, отжиг на зернистый перлит является обязательной предварительной операцией. Например для избежания трещинообразования при высадке болтов и заклепок.

Изотермический отжиг

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали до температуры Ас3 + (30–50°С), последующего ускоренного охлаждения до температуры изотермической выдержки ниже точки А1 и дальнейшего охлаждения на спокойном воздухе. Изотермический отжиг по сравнению с обычным отжигом имеет два преимущества:

— больший выигрыш во времени, т. к. суммарное время ускоренного охлаждения, выдержки и последующего охлаждения может быть меньше медленного охлаждения изделия вместе с печью;

— получение более однородной структуры по сечению изделий, т. к. при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения.

Патентирование

Патентирование — операция отжига, как правило назначаемая для пружинной проволоки, с содержанием углерода 0,65 — 0,9%, перед волочением. Процесс заключается в аустенитизации металла и последующим пропускании его через расплав солей с температурой 450 — 550°С (на ДИПА это температуры изотермической выдержки в области минимальной устойчивости аустенита). Это приводит к образованию тонкопластинчатого троостита или сорбита, который позволяет получать степени обжатия более 75% для волочения и окончательное временное сопротивление 2000 — 2250МПа после ХПД.

Нормализационный отжиг (нормализация стали)

Нормализационный отжиг или нормализацию стали применяют как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием и для общего улучшения ее структуры перед закалкой. При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают до температур Ас3 + (30–50°С), заэвтектоидную до Асм + (30–50°С) и после выдержки охлаждают на спокойном воздухе.

Ускоренное охлаждение по сравнению с отжигом обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита, поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит) и более мелкое эвтектоидное зерно.

Читайте также  Камин из кирпича своими руками

Прочность стали после нормализации несколько выше, чем после отжига. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. При нагреве выше точки Асм вторичный цементит растворяется, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали. В доэвтектоидной стали, как говорилось выше, нормализация позволяет устранить крупное зерно после перегрева и видманштетт после нарушения цикла ГПД.

Преимущества технологии закалки стали

Закаливание стали необходимо для изменения свойств изделий. Правильное выполнение всех процессов позволяет:

  • Увеличить твердость поверхностного слоя.
  • Повысить прочностные показатели.
  • Снизить пластичность до нужного значения, повысив сопротивление на изгиб.
  • Уменьшить вес продукции, сохраняя ее прочность и твердость.

Термообработка стали – основные технологические этапы

2 2 род – создание структурного равновесия в металле

В отличии от процесса первого рода, в данном случае удается добиться полного изменения структурных свойств металлического сплава. При этом специалисты в термообработке различают два вида отжига второго рода – полный и частичный. Закалка – вид термической обработки, при котором сплав получает неравновесную структуру и максимально прочные свойства. При закалке происходит равномерное нагревание до высоких температур, затем обработка стали при этих же температурах и резкое, почти мгновенное охлаждение металла. Закалка может также быть двух видов – с полиморфным превращением и без такового.

В первом случае металл при обработке нагревается до температуры, при которой происходит замена типа кристаллической решетки на нужную в одном из основных легирующих элементов сплава. Во втором обработке подвергается металлический сплав с органическим сочетанием легирующих элементов одного в другом. Иногда подобный процесс также называется старением, и необходим он для получения равновесия в структуре сплава и необходимого уровня свойств.

Отпуск металлического сплава – еще один вид термообработки, который направлен на уменьшение напряжения с полиморфным превращением. Этот процесс необходим для придания металлу оптимального сочетания свойств пластичности и прочности. Различают четыре этапа в процессе отпуска, которые направлены на создание естественного или искусственного старения металла. Эти факторы напрямую влияют на характеристики прочности и твердости.

Цели отжига стали

Основными целями отжига стали являются перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений. Отжиг, как и нормализация, является первоначальной операцией термической обработки. Цель отжига – устранить дефекты предыдущих металлургических операций (литья, прокатки, ковки) или подготовить сталь к последующим технологическим операциям, например, обработке резанием или закалке. Часто отжиг является заключительной термической операцией, когда свойства стали после отжига удовлетворяют требованиям к детали или изделию.

Устранить структурную неоднородность отливок, поковок, листового и фасонного металлопроката;

снять остаточные напряжения и наклёп после пластической деформации;

улучшить свойства металла шва и различных участков зоны термического влияния;

снять остаточные напряжения в сварных конструкциях;

сохранени ть размеры и форму изделия при механической обработке и эксплуатации;

обеспечить стойкость против межкристаллитной коррозии высоколегированных коррозионностойких сталей при эксплуатации в агрессивных средах;

повысить жаропрочность и стойкость против локальных разрушений при эксплуатации в условиях высоких температур.

Кто заказывает наши услуги?

Военные, Химические, Нефтехимические, Машиностроительные, Котельные, Металлургические, Трубопроводные предприятия.

Когда применяется термическое улучшение сталей:
В результате закалки сталь обычно приобретает микроструктуру мартенсита (с некоторым количеством остаточного аустенита). Иногда в стали после закалки может получаться структура сорбита (См. Сорбит, сорбитизация), троостита или бейнита. Так как мартенсит обладает высокой твёрдостью и прочностью, имеет низкую пластичность, то механическая обработка его затруднена, к тому же вероятно разрушение из-за хрупкости. В процессе термического улучшения стали отпуск приводит к распаду мартенсита закалки и образованию сорбита отпуска, вследствие чего уменьшаются внутренние внутренние напряжения в стали. В результате термообработки — улучшения — повышаются пластичность и ударная вязкость стали, при этом прочность и твёрдость металла сохраняют хорошие показатели.

Улучшаемая сталь


Примеры улучшаемых сталей:

Углеродистые улучшаемые стали: сталь 30, сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 50.

Легированные улучшаемые стали: 40Х, 45Х, 40ХР, 40ХН, 40ХНА, 40ХНМА, 30Х2Н4МА, 38ХН3МА, 38Х2НМА, 30ХГСА, 30ХГС-Ш.

Некоторые улучшаемые стали пригодны для поверхностной закалки (плазменной и индукционной), в частности — сталь 45.

Основным свойством улучшаемых сталей является прокаливаемость, которая зависит от химического состава стали. Изделие должно полностью прокаливаться насквозь (сквозное улучшение). Стали с малой способностью к сквозному улучшению пригодны для изделий с небольшим поперечным сечением. Другое важное свойство улучшаемых сталей — предел текучести (после улучшения стали), требования к которому предъявляются в зависимости от марки стали и диаметра изделия. [2]

После улучшения гарантируются следующие свойства сталей: временное сопротивление σВ от 55 до 150 кгс*мм -2 , удлинение δ 5 от 6 до 50%, поперечное сужение ψ=30-60% (по данным [2]). Изменение значений этих свойств в зависимости от температуры отпуска иллюстрируется «диаграммами улучшения» (пример на рисунке).

Термическая обработка. Улучшаемые стали поставляются потребителю в горячекатанном или нормализованном состоянии. После механической обработки до окончательных размеров и получения деталей проводятся улучшение сталей или поверхностная закалка.

Улучшение стали 45

Углеродистая улучшаемая сталь 45 имеет низкую прокаливаемость и после термического улучшения предназначается для изготовления деталей небольшого сечения (до 15 мм). Режим термообработки, в частности, термического улучшения, стали 45 подбирается в зависимости от размеров, вида изделия (прокат, поковки..) и его назначения. Режимы термообработки — закалки и отпуска при улучшения стали 45 для различных сечений приводятся в стандарте ГОСТ 1050-88. Сталь качественная и высококачественная. [3]

Механические свойства стали 45, в свою очередь, зависят от технологического режима улучшения. Например, сталь 45 после улучшения с закалкой при 830-850°C и отпуском при 550° имеет свойства: σВ=900-1000 МПа, σ0,2=750-850 МПа, δ=12-8%, ψ=65-55%, KCU=1,2-1,1 МДж/м 2 , HB=255-269 [4]. При повышении температуры отпуска значения σВ, σ0,2 и HB уменьшаются, а значения δ, ψ и KCU увеличиваются, и наоборот.

Автор: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Лит.:

  1. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990.
  2. Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справ изд. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1982. 480 с.
  3. ГОСТ 1050-88. Сталь качественная и высококачественная. Сортовой и фасонный прокат, калиброванная сталь.
  4. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. изд. — 3-е изд., перераб. и доп. В 3-х т. Т II. Основы термической обработки/ Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1983. 368 с.

Конкурс «Я и моя профессия: металловед, технолог литейного производства». Узнать, участвовать >>> —>