Закаливаемость и прокаливаемость стали

Закалка

Нормализация

Отжиг

ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

ЛЕКЦИЯ № 68

Различают следующие виды термической обработки стали.

Отжиг и нормализация - предварительные виды термической обработки стали. Применяются для подготовки металла к последующей обработке резанием, давлением, сваркой.

Закалка и отпуск - окончательные виды термической обработки. Предназначены для приданию металлу свойств, которыми должна обладать готовая деталь.

Отжиг включает три этапа:

1. Нагрев металла до определенной температуры.

2. Выдержка при температуре нагрева с целью прогрева детали по всему сечению и завершения фазовых превращений.

3. Медленное охлаждение, например, вместе с печью.

Виды отжига (рис. 86.1):

Acm Ac 3 Ac 1
Рис. 86.1. Температуры отжига и нормализации стали: 1 – полный отжиг, 2 – неполный отжиг, 3 – низкий отжиг, 4 – нормализация, 5 - гомогенизация

1. Гомогенизация или диффузионный отжиг; включает нагрев стали до t = 1000 – 1100 °C, выдержку и медленное охлаждение. Применяется для устранения химической неоднородности (зональной и дендридной ликвации) слитков и деталей, полученных методом литья.

Зональная ликвация – химическая неоднородность слитка или детали в различных частях.

Дендридная ликвация – химическая неоднородность стали в пределах одного зерна.

2. Полный отжиг.

Применяется для доэвтектоидных сталей. Температура нагрева t = Ас ₃ + (30 – 50 °C); процесс сопровождается полной фазовой перекристаллизацией:

(α + Fе₃С) + α → γ → (α + Fе₃С) + α.

Цель полного отжига – уменьшение размера зерна и снятие внутренних напряжений. Применяется для деталей, полученных методом литья, ковки, штамповки, имеющих крупнозернистую структуру с низкой ударной вязкостью.

Различают следующие виды внутренних напряжений:

Первого рода – возникают между отдельными частями детали вследствие неодинаковой скорости охлаждения. Вызывают деформацию деталей, образование трещин.

Второго рода (структурные напряжения) – возникают внутри отдельного зерна, между соседними зернами, между фазами вследствие разных коэффициентов объемного расширения.

Третьего рода – напряжения внутри объема порядка нескольких элементарных кристаллических ячеек (например, инородный атом в твердом растворе создает упругие искажения кристаллической решетки).

Остаточные напряжения – напряжения, остающиеся в детали после ее охлаждения. Являются результатом действия вышеперечисленных трех видов внутренних напряжений.

3. Неполный отжиг.

Для доэвтектоидных сталей применяется вместо полного отжига, как более дешевая операция. Для заэвтектоидных инструментальных сталей - как вторая стадия процесса сфероидизации.

Температура нагрева t = Ас ₁ + (30 – 50 °C); процесс сопровождается неполной фазовой перекристаллизацией:

- для доэвтектоидных сталей:

(α + Fе₃С) + α → γ + α → (α + Fе₃С) + α;

- для заэвтектоидных сталей:

(α + Fе₃С) + Fе₃С → γ + Fе₃С → (α + Fе₃С) + Fе₃С.

4. Низкий или рекристаллизационный отжиг.

Температура нагрева t _н < Ас ₁; процесс не сопровождается фазовой перекристаллизацией. Цель – снятие внутренних напряжений, устранение последствий наклепа. Подвергают заготовки перед обработкой резанием или давлением.

Нормализация (рис. 8.1) включает три этапа:

1. Нагрев доэвтектоидной стали до t = Ас ₃ + (30 – 50 °C), заэвтектоидной стали до t = Ас _m + (30 – 50 °C).

2. Выдержка при температуре нагрева для прогрева детали по всему сечению и завершения фазовых превращений.

3. Охлаждение на спокойном воздухе.

Изменение структуры доэвтектоидной стали в процессе нормализации:

(α + Fе₃С) + α → γ → сорбит закалки;

- заэвтектоидной стали:

(α + Fе₃С) + Fе₃С → γ → сорбит закалки;

Цель - для малоуглеродистых сталей (С < 0,3 %) нормализация применяется вместо полоногополного отжига для измельчения зерна и уменьшения внутренних напряжений, для среднеуглеродистых (С = 0,3 - 07 %) – вместо операции термического улучшения (закалка + высокий отпуск), для высокоуглеродистых сталей (С > 07 %) – является первой стадией процесса сфероидизации.

Сфероидизация – двухстадийная операция, применяется для заэвтектоидных инструментальных сталей для улучшения обрабатываемости резанием. Операция включает нормализацию и неполный отжиг. Образуется структура зернистого перлита (рис. 86. 2).

Нормализация является более дешевой операцией по сравнению с отжигом и термическим улучшением.

Закалка (рис. 86.3) включает три этапа:

1. Нагрев стали выше температуры фазового превращения.

2. Выдержка при данной температуре.

3. Быстрое охлаждение с целью фиксирования мартенситной структуры.

α

Fe₃C

Рис. 86.2. Структура зернистого перлита

Рис. 86.3. Температуры закалки и отпуска стали

Цель закалки – увеличение прочности и твердости стали.

Выбор температуры нагрева

Рассмотрим изменение структуры доэвтектоидной стали при нагреве выше Ас ₁ и охлаждении в воде:

(α + Fе₃С) + α → γ + α → М + α,

а также при нагреве выше Ас₃ и аналогичном охлаждении:

(α + Fе₃С) + α → γ → М.

Твердость мартенсита больше твердости структуры (М + α) поэтому доэвтектоидную сталь при закалке нагревают до температуры t ₃ = Ас ₃ + (30 – 50 °C).

Изменение структуры заэвтектоидной стали при нагреве выше Ас ₁ и охлаждении в воде:

(α + Fе₃С) + Fе₃С → γ + Fе₃С → М + Fе₃С + γ_ост,

где γ_ост – остаточный аустенит; при нагреве выше Ас ₃ и охлаждении в воде:

(α + Fе₃С) + Fе₃С → γ → М + γ_ост,

Твердость структуры (М + Fе₃С + γ_ост) больше твердости структуры (М + γ_ост) поэтому заэвтектоидную сталь при закалке нагревают до температуры t ₃ = Ас ₁ + (30 - 50 °C).

Определение времени нагрева детали

Общее время нагрева τ_общ:

τ_общ = τ _н + τ _в,

где τ_н – время нагрева до заданной температуры; τ_в время выдержки при заданной температуре.

τ_н = 0,1 D k ₁ k ₂ k ₃,

где D – характерный размер детали в мм – минимальный размер максимального сечения детали, k ₁ – коэффициент влияния нагревающей среды (газ - k ₁ = 2, соль - k ₁ = 1, металл - k ₁ = 0,5), k ₂ - коэффициент формы детали (шар - k ₂ = 1, цилиндр - k ₂ = 2, параллелепипед - k ₂ = 2,5, пластина - k ₂ = 4), k ₃ – коэффициент равномерности нагрева (для одностороннего нагрева k ₃ = 4, для всестороннего нагрева k ₃ = 1).

Для углеродистых сталей τ_в = 1 мин., для легированных - 2 мин.

Закаливаемость - способность стали повышать твердость в процессе закалки.

Закаливаемость стали зависит от содержания в ней углерода. Чем больше углерода содержит сталь, тем большую твердость имеет мартенсит, образующийся в процессе ее закалки (рис.8.4). Введение в углеродистую сталь легирующих элементов лишь незначительно увеличивает твердость мартенсита.

Прокаливаемость – способность стальной детали получать в результате закалки закаленный слой некоторой толщины с мартенситной структурой.

Рис. 86.4. Твердость мартенсита в зависимости от содержания углерода

и легирующих элементов: 1 - углеродистая сталь; 2 – легированная сталь

Прокаливаемость детали зависит от соотношения критической скорости закалки стали(V _кр), из которой она изготовлена, и реальной скорости охлаждения детали(V _охл). Деталь будет прокаливаться с получением мартенситной структуры на ту глубину, где выполняется условие: V _охл³ V _{кр .} (рис. 86. 5).

V

r

V _кр

V _охл

V _охл > V _кр

V _охл< V _кр

Рис. 86.5. К понятию «прокаливаемость» стали

В поверхностном слое детали, где соблюдается условие V _охл³ V _кр образуется мартенситная структура, то есть происходит закалка стали, внутри детали V _охл< V _кр и сталь не закаливается.

Чем меньше критическая скорость закалки стали, тем больше ее прокаливаемость.

На критическую скорость закалки стали влияют следующие факторы:

а) содержание углерода - стали с содержанием углерода 0,6 – 1,2% имеют V _кр 200 – 300 ºС/c, а стали с меньшим или большим содержанием углерода – до 800 – 1000 ºС/c и более (рис. 86.6);

б) содержание легирующих элементов - все химические элементы растворимые в аустените (Cr, Ni, Mn, Cu, Mo, Si и др.), за исключением кобальта, стабилизируют аустенит и уменьшают V _кр, поэтому легированные стали имеют большую прокаливаемость, чем углеродистые.

Скорость охлаждения детали определяется охлаждающей способностью закаливающей среды и формой детали. Скорость охлаждения в сердцевине детали простой формы может быть определена по выражению:

, (8.1)

где с, n – коэффициенты, характеризующие охлаждающую способность закаливающей среды; S – площадь поверхности детали; W – объем детали.

Значения коэффициентов с и n приведены в табл. 86.1.

Рис. 86.6. Критическая скорость закалки углеродистых сталей в зависимости от содержания углерода

Из (86.1) видно, что чем больше значения коэффициентов n и с (больше охлаждающая способность среды) и больше параметр S/W, тем выше скорость охлаждения детали.

Характеристикой прокаливаемости служит критический диаметр закалки.

Критический диаметр закалки – это максимальный диаметр стальной цилиндрической детали, прокаливающейся насквозь в данном охладителе с получением в сердцевине мартенситной структуры (рис. 86.7).

Таблица 86.1

Коэффициенты с и n для некоторых охлаждающих сред

Охлаждающая среда	n	с
10 % -ый раствор NaСl в воде	3,5	4,5
Вода (20 ºС)	1,7	4,0
Минеральное масло	1,5	3,0
Воздух	1,2	0,3

Рис. 86.7. К понятию "критический диаметр закалки":

d ₁ > d ₂ > d ₃ > d ₄ > d ₅, d ₄ – критический диаметр закалки

Дата добавления: 2017-01-13