Теоретична частина. Термічна обробка (ТО) служить для зміни структури і властивостей сталі

Термічна обробка (ТО) служить для зміни структури і властивостей сталі. Вона грунтується на теорії фазових перетворень, які відбуваються при нагріванні та охолодженні сплавів. Режими ТО для конкретних деталей визначаються за довідниками.

Відпалювання. В залежності від того, нагрівають сталь нижче чи вище температур фазових перетворень у твердому стані, розрізняють відпалювання першого роду (рекристалізаційне, для зняття внутрішніх залишкових напруг, дифузійне) і другого роду (повне чи неповне).

Рекристалізаційне відпалювання застосовують для зняття наклепу сталі після її холодної обробки тиском (прокатування, волочіння, штампування). Сталь нагрівають вище температури рекристалізації, витримують при цій температурі і потім охолоджують на повітрі.

Відпалювання для зняття внутрішніх залишкових напруг, призначене для зменшення або зняття у виробах шкідливих напруг розтягу, проводиться при невисокій температурі, тому його іноді називають низькотемпературним. Воно виконується після різних технологічних операцій (зварювання, лиття тощо). Дифузійне (гомогенізаційне) відпалювання застосовують для злитків і фасонних виливків великих розмірів з легованих сталей для усунення в них дендритної ліквації. Сталь нагрівають до температури 1000... 1150 °С, витримують при ній 12... 15 год і повільно охолоджують у печі. Висока температура нагрівання і тривала витримка потрібні для повного протікання дифузійних процесів у сталі. При цьому відбувається збільшення зерна.

Повне відпалювання служить для отримання дрібнозернистої структури в доевтектоїдній сталі. Температуру нагрівання вибирають, користуючись діаграмою стану Ре - БеЗС. Сталь повільно нагрівають до температури вище точки Асз на ЗО...50 °С. При цьому у ній утворюється дрібнозернистий аустеніт. При повільному охолодженні разом з піччю відбувається розпад аустеніту з утворенням дрібнозернистої структури перліту і фериту. Повне відпалювання підвищує пластичність і в'язкість сталі.

При проведенні повного відпалювання через тривале перебуванням деталей у печі можливе зневуглецьовування й окислювання поверхні металу. Тому вироби, які відпалюються, упаковують у контейнери, заповнені піском, чавунною стружкою чи вугіллям. Часто застосовують відпалювання у печах з контрольованою захисною атмосферою або в печах з вакуумом, після чого деталі мають світлу і чисту поверхню. Неповне відпалювання застосовують для отримання дрібнозернистої структури в заевтектоїдній сталі. Сталь нагрівають до температури, на 30...50 °С вище точки Асі, а потім повільно охолоджують. При цьому відбувається перетворення аустеніту в перліт, а вторинний цементит залишається без зміни. Такий режим відпалювання застосовують тільки тоді, коли в структурі сталі вторинний цементит не утворює сітки навколо зерен перліту. Якщо ж у структурі є цементитна сітка, потрібно нагріти сталь вище точки Асш і охолодити на повітрі, щоб розчинити сітку цементита і не дати йому виділитися, а потім зробити повторне нагрівання вище точки Асі з наступним повільним охолодженням. Неповне відпалювання застосовують і для поліпшення оброблюваності різанням доевтектоїдної сталі, яка при цьому отримує структуру пластинчастого перліту.

Для отримання структури зернистого цементита заевтектоїдну сталь піддають сфероутворюючому відпалюванню. Сталь нагрівають трохи вище точки Ас і, витримують і потім повільно охолоджують - спочатку до температури точки Ас_ь а потім на повітрі. Внаслідок невисокої температури нагрівання, у сталі, поряд з аустенітом, зберігається велике число часток, які не розчинилися, що сприяє утворенню зернистої форми перліта (цементита). На розмір зерен впливає швидкість охолодження - з її зменшенням розмір зерна збільшується. Відпалена сталь з структурою зернистого цементита в порівнянні з відпаленою сталлю зі структурою пластинчастого перліту, має меншу твердість, більшу в'язкість і кращу оброблюваність різанням. Розглянуті види відпалювання проводять з безперервним повільним охолодженням. При відпалюванні з витримкою при постійній температурі (ізотермічне відпалювання) сталь нагрівають, як і при звичайному відпалюванні (доевтектоїдну - вище точки Асз, заевтектоїдну - вище точки Асі на 20...ЗО °С), потім швидко охолоджують до температури нижче точки Асі на 20... 100 °С і витримують при ній; при цьому відбувається перетворення аустеніта в перліт. Після цього сталь охолоджують на повітрі. Ізотермічне відпалювання виконують в одній печі, іноді - у двох: в одній печі виріб нагрівають вище температури фазового перетворення, а потім переносять в іншу піч, нагріту до температури нижче точки Асі і витримують при цій температурі. Перевагами ізотермічного відпалювання є менша тривалість процесу завдяки прискоренню охолодження (4...7 год замість 15...30 год) і однорідніша структура, яка покращує оброблюваність сталі різанням.

Нормалізація служить для отримання дрібнозернистої структури в доевтектоїдних сталях, зняття внутрішніх залишкових напруг і наклепу, отримання однорідної структури перед завершальною термічною обробкою, холодним штампуванням або обробкою різанням, знищення сітки вторинного цементита в заевтектоїдних сталях. Нормалізують фасонні виливки, поковки і штамповки, а також деталі, які цементуються.

Для низьковуглецевих сталей нормалізація часто замінює повне відпалювання (після неї сталь має структуру перліта і ферита, як і після відпалювання, але більш дрібнозернисту, а механічні властивості дещо вищі в порівнянні з відпаленою), для середньовуглецевих і легованих сталей - гартування з наступним відпусканням (сталі отримують структуру сорбіта, тому їхня твердість і міцність у порівнянні з відпаленими вищі). Іноді нормалізація заміняє гартування і високе відпускання, проте в цьому випадку нормалізована сталь має меншу в’язкість, ніж загартована і відпущена, і для відповідальних деталей машин і конструкцій не застосовується.

При нормалізації доевтектоїдну сталь нагрівають до температури вище точки Асз, а заевтектоїдну - вище точки Ас і на ЗО...50 °С, а потім охолоджують на повітрі.

Гартування служить для надання металу високої твердості і міцності шляхом утворення нерівноважної структури - мартенсита.

Є кілька різновидів гартування. В залежності від товщини загартованого шару розрізняють об'ємне і поверхневе гартування. Об'ємне гартування провадиться в печах і ванних, а поверхнева - струмами високої, підвищеної і промислової частоти, газовим полум'ям і в електролітах. В залежності від режиму охолодження буває об'ємне, гартування з безперервним охолодженням і з переривчастим охолодженням (ізотермічне, ступінчасте). В залежності від середовища, у якому нагрівають сталь, розрізняють гартування звичайне і з застосуванням захисної атмосфери (світле).

Температуру нагрівання під гартування для вуглецевих сталей вибирають, використовуючи діаграму стану Бе - РезС. Доевтектоїдну сталь нагрівають до температур вище точки Асз, а заевтектоїдну - вище точки Ас і на 30... 50 °С. Час витримки при нагріванні вибирають у залежності від розмірів виробів й об’єму металу, який завантажується в піч. Після нагрівання і витримки вироби охолоджують у різноманітних гартівних середовищах, які забезпечують необхідну швидкість охолодження. Гартувальними середовищами є вода, мінеральні масла, розчин їдкого натрію, розплавлені солі, луги і метали, емульсії тощо. Основна вимога до них - висока охолоджувальна спроможність в інтервалі температур 650...550 °С і низька охолоджувальна спроможність при 300...200 °С (уповільнене охолодження в інтервалі температур 300...200 °С необхідне для зменшення внутрішніх термічних і структурних напруг). Охолоджувальну спроможність гартувальних середовищ підвищують інтенсивним перемішуванням.

Основними технологічними властивостями при гартуванні сталі є загартовуваність (здатність сталі до підвищення твердості при гартуванні) і прогартовуваність (здатність гартуватися на визначену глибину). Поверхневі шари деталей, які стикаються з гартувальним середовищем, охолоджуються швидше, ніж внутрішні; тому не завжди вдається досягти прогартовуваності по всьому перерізу (наскрізна прогартовуваність). А при нескрізній прогартовуваності структура поверхневих шарів виробу після гартування - мартенсит, а структура внутрішніх шарів - троостит. За глибину загартування приймають віддаль від поверхні виробу до шару з напівмартенситною структурою (50% мартенситу і 50% грооститу). Крім швидкості охолодження, прогартовуваність залежить від ряду інших чинників: складу сталі, вихідної структури, діаметра виробу, температури нагрівання під гартування тощо.

При швидкому охолодженні у сталі виникають внутрішні напруги - термічні і структурні, пов'язані з перебудовою ГЦК- ґратки аустеніта в гратку мартенсита і зміною об’єму сталі. В результаті дії цих напруг у сталі з'являються тріщини і деформації. Дефектами гартування є також м'які плями, знижені твердість і міцність, зневуглецьовування, окислювання тощо. Уникнути цих дефектів або в значній мірі зменшити їх можна застосуванням різних видів гартування і правильним вибором їх режимів.

Є кілька різновидів об'ємного гартування. При гартуванні в одному охолоджувальному середовищі нагріті до температури гартування вироби занурюють у гартувальне середовище (найчастіше - у воду або масло), де вони і знаходяться до повного охолодження. Таке гартування застосовують як для вуглецевої сталі (охолодження у воді), так і для легованої сталі (охолодження в маслі). Його недоліком є те, що в результаті великої різниці температур нагрітого металу й охолоджувального середовища у сталях виникають великі термічні напруги, які ведуть до утворення дефектів.

Для зменшення термічних напруг застосовують гартування з підстужуванням, коли нагрітий виріб перед зануренням у гартувальне середовище певний час витримують на повітрі (підстужують). Застосовують також гартування у двох середовищах: деталі спочатку охолоджують до 300...400 °С у воді, а потім - у маслі. Таке гартування (переривчасте) застосовується для високовуглецевої інструментальної сталі.

При ступінчастому гартуванні сталь охолоджують поетапно, у двох різних середовищах. Першим є розплав солі чи масло, нагріті до температури на 20...30 °С вище точки Мп для даної сталі. У цьому середовищі деталям дають короткочасну витримку (до початку розпаду аустеніта) для вирівнювання температури по всьому об'єму виробів (ванна має постійну температуру). Після витримки в гарячому середовищі сталь має структуру аустеніта. Другим середовищем є повітря, при охолодженні на якому відбувається перетворення аустеніта в мартенсит. Основною перевагою ступінчастого гартування є можливість зменшення термічних напруг (а отже - і дефектів), досягнення сприятливого поєднання високої в’язкості, міцності та твердості (НЛС 55... 60).

Прогресивним методом гартування, яке забезпечує поєднання високої міцності, пластичності і в’язкості, є ізотермічне, при якому сталь охолоджують у гарячому середовищі (соляних або лужних ванних). Температура нагрівання середовища різна в залежності від складу сталі. Перетворення аустеніта в нижній бейніт відбувається під

час ізотермічного витримування сталі, після чого її охолоджують на повітрі. Твердість після ізотермічного гартування становить НЯС 45...55.

Після гартування твердість сталі підвищується - тим більше, чим більше в ній вуглецю. Проте одночасно у сталі збільшується вміст залишкового аустеніта, що помітно знижує її твердість. Поряд з високими твердістю і міцністю загартована сталь характеризується і зниженими пластичністю і в’язкістю.

Змінюються і фізичні властивості: електричний опір і коерцитивна сила після гартування підвищуються, а магнітна проникність і залишкова індукція знижуються.

Відпускання служить для зняття внутрішніх залишкових напруг, які виникли в загартованій сталі, і одержання необхідних структур і механічних властивостей. Цей вид термообробки є найважливішою операцією, яка формує структуру і властивості сталі і визначає її подальшу експлуатацію. При відпусканні виконується нагрівання сталі нижче точки Асі,витримка й охолодження. Розрізняють низьке, середнє і високе відпускання. Низьке відпускання (температура нагрівання 150..,250 °С) застосовується для вуглецевих і легованих інструментальних сталей, для яких необхідні високі твердість (НЯС 59...63) і зносостійкість. Після низького відпускання сталь має структуру відпущеного мартенсита. Середнє відпускання (температура нагрівання 350...500 °С) застосовують для пружинних і ресорних сталей. Сталь отримує структуру троостита відпускання, яка має достатньо високу твердість (НКС 44...54) при високій пружності. Високе відпускання характеризується температурою нагрівання 500...680 оС і структурою сорбіта відпускання. Подвійна термічна обробка, яка складається з гартування і високого відпускання сталі, називається поліпшенням, тому що сталь після такої обробки отримує найбільш сприятливе поєднання механічних властивостей - високі в'язкість і пластичність поряд із достатньою міцністю. Крім температури нагрівання, важливим чинником є час витримки - чим вища температура відпускання, тим час витримки менший. А ось швидкість охолодження при відпусканні вуглецевої сталі великого значення не має.

Хід роботи

1. Вивчити і зарисувати структури сталі до та після термообробки.

2. Виміряти твердість кожного зразка до та після термообробки.

3. Заповнити таблицю 3.1. «Результати досліджень».

4. Оформити звіт, зробити висновки.

5. Відповісти на контрольні запитання.

Контрольні запитання

1. Які види термічної обробки ви знаєте?

2. Які види ТО відносяться до зміцнювальної, а які до знеміцнювальної обробки? Поясніть різницю

3. Що таке відпалювання, мета його проведення?

4. Що таке гартування, мета його проведення?

5. Що таке відпускання, мета його проведення?

6. Що таке нормалізація, мета його проведення?

7. Поясніть сутність впливу ТО на структуру та властивості сталей і чавунів?

Поиск по сайту: