Технология термической обработки стали и чугуна

Технология термической обработки стали и чугуна

Технологией термической обработки предусматривается выбор операций и режимов термической обработки в соответствии с усло­виями обработки и работы деталей машин, конструкций, инстру­ментов, а также требованиями, предъявляемыми к структуре и свойствам материалов ГОСТами и техническими условиями. Техно­логические процессы термической обработки стали (выбор операций и режимов) основываются на теории фазовых превращений при на­греве и охлаждении, изложенной в предыдущей главе. Режимы тер­мической обработки для конкретных деталей выбирают по соответ­ствующим справочникам.

 

Оборудование для термической обработки металла

 

Необходимое для термической об­работки оборудование подразделяют на основное, дополнительное и вспомогательное.

  • К основному относят оборудование для нагрева (нагревательные печи, ванны, аппараты и установки), для охлаждения после закалки (закалочные баки, машины и прессы) и для обработки холодом (холодильные установки);
  • к вспомогательному — установки для приготовления защитных ат­мосфер и охлаждения закалочного масла;
  • к дополнитель­ному — установки для очистки от соли, масла или окалины (мо­ечные машины, травильные установки, дробеструйные аппараты) и устройства для правки и гибки (правильные и гибочные прессы и машины).

В термических цехах массового и крупносерийного производства оборудование для термической обработки устанавливают в одну линию в порядке последовательности технологических операций. Такую установку называют агрегатом для термической обработки (рис. 66). В агрегатах широко используют приборы и механизмы для автоматического измерения различных рабочих параметров, регулирования и управления технологическими процессами. Ав­томатизированное и механизированное оборудование является наи­более совершенным видом термического оборудования. Перспек­тивна установка агрегатов для термической обработки непосредст­венно в потоке механических, кузнечных, штамповочных, прокат­ных и других цехов.

Схема агрегата для термической обработки

Схема агрегата для термической обработки

Одной из основных задач при выборе режима является ускорение процессов термической обработки (при получении необходимых структуры и свойств материалов). Сокращение длительности тер­мической обработки может быть достигнуто в основном путем умень­шения времени нагрева.

Общее время нагрева изделий при термической обработке состо­ит из времени нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре. При нагреве стали происходят обезуглеро­живание и окисление поверхности металла под воздействием печ­ных газов, а также рост зерна аустенита. Для устранения этих де­фектов скорость нагрева должна быть наибольшей. Однако скорость нагрева зависит и от других факторов, главным образом от химичес­кого состава сплавов, предыдущей обработки, размеров и формы из­делий, а также способа их расположения в печи. Например, чем крупнее изделие и сложнее его форма, тем меньше должна быть ско­рость нагрева во избежание появления внутренних термических напряжений. Внутренние напряжения при нагреве возникают из- за разности температур на поверхности и в сердцевине изделий. Температура на поверхности изделия выше, чем в его сердцевине, в результате чего поверхностные слои металла стремятся расши­риться, а внутренние препятствуют этому расширению. На поверх­ности изделия образуются внутренние напряжения сжатия, а в сердцевине — напряжения растяжения. Эти напряжения, сумми­руясь с напряжениями, возникшими при предыдущих технологи­ческих обработках, могут привести к образованию трещин и раз­рушению металла.

Время выдержки при нагреве в отличие от времени нагрева оп­ределяется структурными превращениями, протекающими в стали, и не зависит от других факторов.

Скоростным способом нагрева является нагрев изделий в печи, имеющей температуру выше заданной. Разность температур по се­чению изделия при этом способе наибольшая. Распространен также способ нагрева путем загрузки изделий в печь, имеющую заданную температуру. При этом способе разность температур по сечению не­сколько меньше, но длительность нагрева увеличивается. Наконец, слитки и крупные изделия из высоколегированных сталей для пре­дупреждения появления трещин при нагреве загружают в холодную или нагретую до невысокой температуры печь, в которой происходит их медленный нагрев до заданной температуры. При этом способе разность температур по сечению изделия наименьшая, следователь­но, и внутренние термические напряжения ниже.

Перспективно использование остаточного тепла нагрева слитков, литых, кованых и штампованных изделий при последующей терми­ческой обработке, что ускоряет процесс термической обработки и уменьшает расход топлива.

 

Отжиг и нормализация стали

В зависимости от того, производят нагрев стали ниже или выше температур фазовых превращений в твердом состоянии, различают отжиг рекристаллизационный, для снятия внутренних остаточных напряжений или диффузионный (первого рода) и полный или непол­ный (второго рода). В зависимости от среды, в которой производит­ся нагрев стали, отжиг может быть обычный и светлый (с примене­нием защитной атмосферы). В зависимости от условий охлаждения различают отжиг с непрерывным охлаждением и с выдержкой при постоянной температуре.

 

Отжиг первого рода

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа и внутренних остаточных напряжений в стали пос­ле ее холодной обработки давлением (прокатки, волочения, штампов­ки). Сталь нагревают выше температуры рекристаллизации, дают небольшую выдержку при этой температуре и затем охлаждают на воздухе. Рекристаллизационный отжиг применяют и как промежу­точную операцию: для повышения пластичности и предупреждения появления трещин в стали при ее холодной обработке давлением (например, при волочении проволоки).

Отжиг для снятия внутренних остаточ­ных напряжений предназначен для уменьшения или сня­тия в изделиях вредных растягивающих напряжений. Он произво­дится обычно при невысокой температуре, почему этот вид отжига иногда и называют низкотемпературным. Отжигу для снятия внут­ренних напряжений подвергают черные и цветные металлы и спла­вы после различных технологических операций (отливка, обработ­ка давлением, сварка, термическая обработка, обработка реза­нием и др.).

Диффузионный (гомогенизационный) от­жиг применяют для слитков и фасонных отливок крупных сече­ний, обычно из легированных сталей с целью устранения в них ден­дритной ликвации. При диффузионном отжиге сталь нагревают до высокой температуры — порядка 1000-1150° С, выдерживают при этой температуре значительное время (12-15 ч) и затем медленно охлаждают в печи. Высокая температура нагрева и длительная вы­держка нужны для полного протекания диффузионных процессов в стали. При этом виде отжига вследствие большого времени вы­держки происходит увеличение зерна, что не опасно для слитков, подлежащих в дальнейшем горячей обработке давлением. Что ка­сается фасонных отливок, то для получения мелкозернистой струк­туры после диффузионного отжига их подвергают полному отжигу. Диффузионный отжиг — длительная операция. Для сокращения ее проводят отжиг не полностью остывших слитков, что значительно сокращает время нагрева.

 

Отжиг второго рода

Цель полного отжига — получение мелкозернистой структуры главным образом в литой доэвтектоидной стали, а также после горячей обработки давлением для устранения крупнозернистости и видманштеттовой структуры (образовавшейся в ней вслед­ствие неправильно выбранной высокой температуры начала горячей обработки давлением) или полосчатой структуры — при низкой тем­пературе конца обработки. Температуру нагрева при полном отжиге выбирают, пользуясь диаграммой состояния Fe — Fe3С (см. рис. 40). Доэвтектоидную сталь медленно нагревают до температуры выше точки Ас3 (линия GS) на 30-50°. При этом, как было изложено в предыдущей главе, в стали происходит образование мелкозерни­стого аустенита. Время выдержки при нагреве должно быть доста­точным для прогрева изделий по всему сечению. При последующем медленном охлаждении обычно вместе с печью происходит распад аустенита с образованием мелкозернистой структуры перлита и феррита.

Структурная диаграмма состояния сплавов железо - цементит

Структурная диаграмма состояния сплавов железо — цементит

На рис. 67 приведены микроструктуры литой и горячекатанной доэвтектоидной стали до полного отжига и после него.

Микроструктуры сталей

Микроструктуры сталей

При проведении обычного полного отжига в связи с дли­тельностью пребывания деталей в печи возможно обезуглерожива­ние и окисление их поверхности. Поэтому изделия, подвергаемые отжигу, для предохранения от обезуглероживания и окисления упа­ковывают в ящики, трубы или реторты, заполненные сверху пес­ком, чугунной стружкой или углем. В настоящее время для преду­преждения обезуглероживания и окисления все большее примене­ние находит отжиг в печах с контролируемой защитной атмосферой (или в печах с вакуумом), после которого детали имеют светлую и чистую поверхность. Такой вид отжига получил название свет­лого.

Полный отжиг повышает прочность, пластичность и вязкость литой стали; прочность горячеобработанной стали после отжига несколько снижается.

Неполный отжиг применяют для получения мелкозер­нистой структуры в литой и горячеобработанной заэвтектоидной стали. При проведении неполного отжига сталь нагревают до тем­пературы выше точки Ас1 (линия PSK), а затем медленно охлажда­ют. При этом происходит превращение аустенита в перлит, в то время как вторичный цементит остается без изменения. Такой режим отжига применяют только в том случае, если в структуре ста­ли вторичный цементит не образует сетки вокруг зерен перлита. Если же в структуре имеется цементитная сетка, необходимо на­греть сталь выше точки Аст и охладить на воздухе (нормализация), чтобы растворить сетку цементита и не дать ему выделиться, а за­тем произвести вторичный нагрев выше точки Ас1 с последующим медленным охлаждением.

Неполный отжиг применяют также для улучшения обрабаты­ваемости резанием горячеобработанной доэвтектоидной стали.

При проведении полного и неполного отжига по описанной техно­логии получают сталь со структурой пластинчатого перлита (це­ментита).

Схема отжига и закалки

Схема отжига и закалки

Для получения структуры зернистого цементита заэвтектоидную сталь подвергают сфероидизирующему отжигу. При сфероидизирующем отжиге сталь нагревают немного выше точ­ки Аc1, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаж­дают сначала до температуры, соответствующей точке Аr1 а затем на воздухе. Вследствие невысокой температуры нагрева, в стали, наряду с аустенитом, сохраняется боль­шое число нерастворившихся частиц, которые способствуют образованию зер­нистой формы перлита (цементита). На величину зерен цементита оказывает влияние скорость охлаждения; с умень­шением скорости охлаждения величина зерна увеличивается. Отожженная сталь со структурой зернистого цементита по сравнению с отожженной сталью со структурой пластинчатого перлита, имеет меньшую твердость, большую вязкость и лучшую обрабатываемость резанием.

Чтобы облегчить образование зер­нистого перлита, нагрев выше точки Аc1 и охлаждение ниже точки Аr1 пов­торяют несколько раз. Такой отжиг называют маятниковым, или циклическим. При наличии в стали цементитной сетки сфероидизирующему отжигу должна предшествовать операция нормализации.

Все рассмотренные виды отжига проводят с непрерывным мед­ленным охлаждением. При отжиге с выдержкой при постоянной температуре (изотермический отжиг) сталь нагревают, как и при обычном отжиге: доэвтектоидную — выше точки Аc3, а заэвтектоидную — выше точки Аc1 на 20-30°. Затем быстро ох­лаждают до температуры ниже точки Аr1 на 30-100° и выдерживают при этой температуре; во время выдержки происходит превраще­ние аустенита в перлит. После этого сталь охлаждают обычно на воз­духе. Время изотермической выдержки должно быть больше вре­мени изотермического превращения аустенита, определяемого по С-образным кривым. При этом варианте изотермический отжиг про­изводят в одной печи.

Иногда изотермический отжиг производят в двух печах. В од­ной печи изделия нагревают выше температуры фазового превра­щения, а затем переносят в другую печь, нагретую до температуры ниже точки Аr1, и выдерживают при этой температуре. Схема изо­термического и обычного отжига приведена на рис. 68 (кривые 1 и 2).

Возможен и другой вариант, когда изделия после нагрева в печи пе­реносят в соляную ванну, нагретую до 600-650° С, и выдерживают при этой температуре в течение нескольких часов. Последние два способа более экономичны.

Преимуществами изотермического отжига по сравнению с обыч­ным являются меньшая длительность процесса благодаря ускоре­нию охлаждения (4-7 ч вместо 15-30 ч) и более однородная струк­тура, что улучшает обрабатываемость стали резанием.

Изотермическому отжигу в основном подвергают легированные стали, в которых, он, кроме снижения твердости перед обработкой резанием, понижает чувствительность к образованию флокенов и трещин.

 

Нормализация

При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают обычно до температуры выше точки Ас3, а заэвтектоидную — выше точки Ас1 на 30-50°, а затем охлаждают на воздухе. Нормализация по­лучает все большее распространение в практике термической обра­ботки и для низкоуглеродистых сталей часто заменяет длитель­ную операцию полного отжига, а для среднеуглеродистых (С = 0,25-0,6%) и легированных сталей — закалку с последующим отпуском.

Основной целью нормализации является получение мелкозер­нистой структуры в доэвтектоидных сталях, снятие внутренних ос­таточных напряжений и наклепа, получение однородной структуры перед окончательной термической обработкой, холодной штампов­кой или обработкой резанием, уничтожение сетки вторичного це­ментита в заэвтектоидных сталях.

Нормализации подвергают фасонные отливки, поковки и штам­повки, а также цементируемые детали, о чем сказано в записи (см. Методы поверхностного упрочнения стали). После нормализации доэвтектоидная низкоугле­родистая сталь имеет структуру перлита и феррита, как и после от­жига, но более мелкозернистую. Механические свойства нормализо­ванной стали несколько выше по сравнению с отожженной. Средне- углеродистая и низколегированная стали после нормализации по­лучают структуру сорбита и поэтому твердость и прочность их по сравнению с отожженной сталью выше. Иногда нормализация заме­няет закалку и высокий отпуск, однако в этом случае нормали­зованная сталь обладает меньшей вязкостью, чем закаленная и от­пущенная, и для ответственных деталей машин и конструкций не применяется.

Отжиг и нормализацию стали производят в печах периодичес­кого и непрерывного действия. Иногда печи для отжига устанавли­вают в поточные непрерывные линии (например, при прокатке листовой стали в рулонах).

 

Закалка, отпуск и обработка стали холодом

Закалка

Закалка является распространенной операцией термической об­работки деталей машин и инструментов. Цель закалки стали — при­дание ей высокой твердости и прочности путем образования нерав­новесных структур — мартенсита, троостита, сорбита, а также игольчатого троостита.

Существует несколько разновидностей закалки стали. В за­висимости от толщины закаленного слоя различают объемную и поверхностную закалку. Объемная закалка произво­дится в печах и ваннах, а поверхностная — токами высокой, по­вышенной и промышленной частоты, газовым пламенем и в электро­литах. В зависимости от скорости охлаждения бывает объемная за­калка с непрерывным охлаждением и с преры­вистым охлаждением (изотермическая, ступенчатая). В зависимости от среды, в которой нагревают сталь, различают за­калку обычную и с применением защитной атмосферы — светлую.

Температуру нагрева под закалку для углеродистых сталей выбирают, пользуясь диаграммой состояния сплавов Fe-Fe3C (см. рис. 40). Доэвтектоидную углеродистую сталь нагревают до температур выше точки Ас3 (линия GS), а заэвтектоидную — выше точки Ас1 (линия PSК) на 30-50°. Нагрев заэвтектоидной стали выше точки Ас1 производят в основном, чтобы сохранить в структуре за­каленной стали цементит, являющийся еще более твердой составляю­щей, чем мартенсит. Таким образом, в то время как температура на­грева под закалку доэвтектоидной стали понижается с изменением содержания в стали углерода, температура нагрева заэвтектоидных сталей постоянна и составляет 760-780° С. Время выдержки при нагреве выбирают в зависимости от размеров изделий и объема за­гружаемого в печь металла (массы садки).

После нагрева и выдержки изделия охлаждают в различных за­калочных средах, обеспечивающих необходимую скорость охлажде­ния. Наиболее распространенными закалочными средами являются: вода, минеральное масло, раствор едкого натрия, расплавленные соли, щелочи и металлы, эмульсии и др. (табл. 2). В последнее время в качестве охлаждающей среды применяют сильвинит, рас­твор марганцовистого калия и др.

Основное требование, предъявляемое к закалочным средам,- высокая охлаждающая способность в интервале температур 650- 550° С (температуры наименьшей устойчивости аустенита на С-образной кривой) и пониженная охлаждающая способность при 300-200° С (в области мартенситного превращения), когда аустенит относительно устойчив. Замедленное охлаждение в интервале температур 300-200° С необходимо для уменьшения внутренних термических напряжений»

При изотермической и ступенчатой закалке охлаждение стали производится в горячих средах — в ваннах с расплавленными метал­лами, солями или щелочами.

Охлаждающую способность закалочных сред повышают интенсив­ным перемешиванием, осуществляемым различными способами,- механическим, при помощи ультразвуковых колебаний и др.

Основными технологическими свойствами при закалке стали яв­ляются закаливаемость и прокаливаемость. Способность стали к по­вышению твердости при закалке называют закаливаемостью, а способность закаливаться на определенную глубину — прокаливаемостью. Поверхностные слои деталей машин и инстру­ментов, соприкасающиеся с закалочной средой, охлаждаются бы­стрее, чем внутренние; поэтому не всегда удается достичь прокаливаемости по всему сечению (сквозной прокаливаемости). При несквоз­ной прокаливаемости структура поверхностных слоев изделия после закалки представляет мартенсит, а структура внутренних слоев — троостит. Следовательно, твердость на поверхности изделия выше, чем в сердцевине. За глубину закалки принимают расстояние от поверхности изделия до слоя с полумартенситной структурой (50% мартенсита и 50% троостита).

Основным методом определения прокаливаемости является тор­цовая закалка по ГОСТ 5657-51. Посредством этого метода можно построить для стали каждой марки диаграмму прокаливаемости в координатах твердость — расстояние от охлаждаемого торца. Полученные кривые прокаливаемости, определенные для разных плавок стали одной марки, образуют полосу прокаливаемости. По виду этой полосы можно судить о прокаливаемости стали данной марки. У стали с глубокой прокаливаемостью твердость снижается медленно, а с неглубокой наблюдается резкое ее падение по мере удаления от поверхности.

О прокаливаемости стали при термической обработке можно су­дить также по диаграмме изотермического превращения аустенита. Чем более устойчив аустенит, чем правее расположена С-образная кривая, тем меньше критическая скорость закалки и больше прокаливаемость стали. Поэтому прокаливаемость углеродистых сталей, у которых критическая скорость охлаждения при закалке выше, хуже, чем легированных; это является основным недостатком угле­родистых сталей.

Кроме скорости охлаждения, прокаливаемость зависит от ряда других факторов: состава стали, исходной структуры, диаметра изде­лий, температуры нагрева под закалку и др. Прокаливаемость, на­ряду с другими технологическими свойствами, является одним из основных при выборе марки стали и вида ее термической обработки.

При охлаждении стали в процессе закалки возникают внутрен­ние напряжения — термические и структурные, связанные с пере­стройкой гранецентрированной решетки аустенита в решетку мар­тенсита и изменением объема стали. В результате внутренних на­пряжений в стали после закалки появляются трещины, коробления, деформации (изменения размеров). Дефектами закалки являются также мягкие пятна, пониженные твердость и прочность, обезугле­роживание, окисление и др. Применение различных видов закалки и правильный выбор ее режимов дают возможность избежать этих дефектов или в значительной степени уменьшить их.

Имеется несколько разновидностей объемной закалки. При за­калке в одном охладителе нагретые до температуры закалки изделия погружают в закалочную среду (чаще всего в воду или масло), где они и находятся до полного охлаждения. Закалку этого вида при­меняют как для углеродистой стали (охлаждение в воде), так и для легированной стали (охлаждение в масле). Недостатком такого способа закалки является то, что в результате большой разницы температур нагретого металла и охлаждающей среды в закаленной стали, наряду со структурными, возникают большие термические напряжения, ведущие к образованию трещин, короблений и дру­гих дефектов.

Для уменьшения термических напряжений применяют закал­ку с подстуживанием, когда нагретое изделие перед по­гружением в закалочную среду некоторое время выдерживают на воздухе (подстуживают). При этом необходимо, чтобы температура изделий не опускалась ниже точки Ar3 для доэвтектоидной стали и ниже точки Ar1 — для заэвтектоидной.

Применяют также закалку в двух средах: детали сначала охлаж­дают до 300-400° С в воде, а затем в масле. Такая закалка носит наз­вание прерывистой и применяется в основном для высокоугле­родистой инструментальной стали. Другим видом закалки является ступенчатая закалка, предложенная Д. К. Черновым. При ступенчатой закалке сталь охлаждают ступенями — в двух раз­личных средах. Первой охлаждающей средой являются расплавлен­ные соли или масло, нагретые до температуры на 20-30° выше точки Мн для данной стали. В горячей среде деталям дают кратковремен­ную выдержку (до начала распада аустенита) для выравнивания температуры по всему объему изделий. Ванны, в которых произво­дят охлаждение изделий, имеют постоянную заданную температуру, автоматически регулируемую в узких пределах. После выдержки в горячей среде сталь имеет структуру аустенита. Второй охлаждаю­щей средой является воздух. При охлаждении стали на воздухе про­исходит превращение аустенита в мартенсит.

Основным преимуществом ступенчатой закалки является воз­можность уменьшения термических напряжений, и следовательно, трещин и коробления изделий. При ступенчатой закалке достигает­ся также благоприятное сочетание высокой вязкости и прочности. Твердость стали после ступенчатой закалки соответствует твердости мартенсита и составляет HRC 42-52. Пластичность понижается вследствие протекания процесса отпускной хрупкости первого рода.

Применение ступенчатой закалки ограничено размерами изде­лий. Горячие, и следовательно, медленно охлаждающие среды не позволяют получить критическую скорость охлаждения для круп­ных изделий. Поэтому ступенчатой закалке подвергают, как правило, изделия малых сечений, изготовляемые из углеродистой стали. Изде­лия из легированных сталей, в которых критическая скорость ох­лаждения меньше, могут иметь более крупное сечение. Например, наибольшее сечение, в котором достигается сквозная прокаливаемость, для изделий из углеродистых сталей равно 8-10 мм, а для изделий из легированной стали — до 30 мм.

Наложение кривых охлаждения на кривую изотермического распада аустенита

Наложение кривых охлаждения на кривую изотермического распада аустенита

Наиболее прогрессивным методом закалки, обеспечивающим со­четание высокой прочности, пластичности и вязкости, является изотермическая закалка. При изотермической закалке сталь охлаждают тоже в горячей среде (соляных, селитряных или щелочных ваннах). Температура нагрева среды различна в зависи­мости от состава стали, но всегда на 20-100° выше точки Мн для данной стали. Превращение аустенита в игольчатый троостит про­исходит во время изотермической выдержки стали. После этого сталь охлаждают на воздухе. Изотермической закалке особенно часто под­вергают изделия из высоколегированных сталей.

Схема закалки различных видов приведена на рис. 68 (кривые 3, 4, 5). Для сравнения на рис. 69 изображены линии, соответствую­щие различным скоростям охлаждения, наложенные на кривую изо­термического распада аустенита.

Из рис. 69 видно, что линия ν1 соответствующая небольшой скорости охлаждения, пересекает кривые начала и конца распада аустенита. При температурах, соответствующих точкам пересечения линии ν1 с кривыми начала и конца распада аустенита, произой­дет превращение аустенита с образованием сорбита.

Линия ν2, соответствующая большей скорости охлаждения, пе­ресекает только кривую начала распада аустенита. Это означает, что часть аустенита распадается с образованием троостита, а часть пре­вращается ниже точки Мн в мар­тенсит.

Линия ν3, касательная к кривой начала распада аустенита, соответст­вует критической скорости закалки; она характеризует наименьшую ско­рость, которая необходима, чтобы переохладить аустенит до точки Мн и получить структуру мартенсита.

Охлаждение с любой другой ско­ростью, большей ν3 (например, ν4) также приводит к образованию в стали мартенситной структуры.

После закалки твердость стали повышается и тем в большей степени, чем больше в стали углерода. Однако одновременно с этим в закален­ной стали увеличивается содержание остаточного аустенита, что заметно снижает ее твердость. Наряду с высокими твердостью и прочностью закаленная сталь характеризуется пониженными пластичностью и вязкостью. Изменяются и физические свойства: электрическое сопротивление и коэрцитивная сила после закалки повышаются, а магнитная проницаемость и остаточная индукция понижаются. Изменение физических свойств может быть использо­вано. Например, заэвтектоидные углеродистые стали, применяемые для постоянных магнитов, которые должны иметь высокую коэрци­тивную силу, подвергают закалке на мартенсит.

Отпуск

Назначение отпуска — снять внутренние остаточные напряже­ния, возникшие в закаленной стали, и получить необходимые струк- туру и механические свойства. Отпуск является важнейшей опера­цией термической обработки, формирующей структуру и свойства стали и определяющей ее поведение в эксплуатации. При отпуске производятся нагрев стали ниже точки Ас1 (линии PSK) (см. рис. 40), выдержка и охлаждение.

Структурная диаграмма состояния сплавов железо - цементит

Структурная диаграмма состояния сплавов железо — цементит

В зависимости от температуры нагрева различают отпуск низ­кий, средний и высокий.

Низкий отпуск характеризуется невысокими температурами нагрева (150-250 °С), при которых в стали протекают только первое и второе превращение, не понижающие заметно ее твердости. После низкого отпуска сталь получает структуру отпущенного мартенсита. Низкий отпуск применяется для углеродистых и легированных ин­струментальных сталей, для которых необ­ходимы высокие твердость (HRC 59-63) и износостойкость.

Средний отпуск характеризуется нагревом до 300-500° С, при котором в стали протекает третье превращение. Пос­ле среднего отпуска сталь имеет структу­ру троостита отпуска. Эта структура в углеродистой стали имеет достаточно высокую твердость (HRC 44-54) при вы­сокой упругости. Средний отпуск применя­ют для пружинной и рессорной сталей.

Высокий отпуск характеризуется температурой нагрева 500 — 700° С, и структурой сорбита отпуска. Высокий отпуск стали, закаленной на мартенсит, называют улучшением, так как при нем отпущенная сталь приобретает наибо­лее благоприятное сочетание механических свойств — высокие вязкость и пластичность наряду с достаточной прочностью. Высо­кому отпуску подвергают, как правило, конструкционные стали — углеродистые и легированные.

На рис. 70 приведены кривые изменения механических свойств стали марки 40 после отпуска, из которых видно, что при отпуске по сравнению с закалкой, прочность и твердость стали снижаются, а пластичность и вязкость повышаются.

Изменение механических свойств стали марки 40 в зависимости от температуры отпуска

Изменение механических свойств стали марки 40 в зависимости от температуры отпуска

Изменяются также и физические свойства стали.

Кроме температуры нагрева, важным фактором при отпуске является время выдержки; чем выше температура отпуска, тем вре­мя выдержки может быть меньше.

Скорость охлаждения при отпуске углеродистой стали большого значения не имеет. Однако медленное охлаждение некоторых леги­рованных конструкционных сталей после высокого отпуска приво­дит к резкому снижению ударной вязкости. Это явление называют отпускной хрупкостью второго рода. Для устранения ее производят быстрое охлаждение или вводят в сталь небольшие количества молибдена, вольфрама, ниобия, титана.

Как правило, отпуск бывает однократным. Иногда применяют многократный отпуск, при котором процесс нагрева, выдержки и охлаждения повторяют несколько раз (например, отпуск быстроре­жущих сталей).

Термические печи и ванны при отпуске в ряде случаев по кон­струкции не отличаются от оборудования для закалки. Часто оборудование для отпуска устанавливают в одну линию с обору­дованием для закалки — закалочно-отпускной агрегат.

 

Обработка холодом

В структуре закаленной стали, наряду с мартенситом, сохра­няется большее или меньшее количество остаточного аустенита. Так, в углеродистой инструментальной стали марки У12 после закалки количество остаточного аустенита составляет 10-25%. Обработку холодом применяют, чтобы уменьшить количество остаточного ау­стенита, т. е. достичь более полного превращения аустенита в мар­тенсит. После обработки холодом количество остаточного аустенита в стали марки У12 уменьшается по сравнению с закаленной сталью и составляет 5-14%. Так как мартенсит имеет более высокую твер­дость, чем аустенит, твердость стали после обработки холодом по­вышается на 3-4 ед. HRC, а у некоторых сталей — до 15 ед. HRC. Обработке холодом для повышения твердости и красностойкости подвергают в основном стали, предназначенные для изготовления режущих инструментов, в том числе быстрорежущие стали. Наряду с повышением твердости в результате обработки холодом происходит стабилизация размеров изделий, что используют при производстве мерительного инструмента, подшипников и других деталей, стабиль­ность размеров которых с течением времени имеет большое значение. Обработку холодом применяют также для повышения износостой­кости деталей (после цементации) и магнитных свойств стали.

Обработке холодом целесообразно подвергать стали со значи­тельном количеством аустенита после закалки. К таким сталям от­носятся углеродистые (с содержанием С >0,6%) и легированные, у которых точка Мк на диаграмме изотермического распада аусте­нита расположена ниже комнатной температуры. Охлаждение при обработке холодом в течение 1-1,5 ч производят до температуры, соответствующей точке Мк для данной стали. После обработки холодом для уменьшения внутренних остаточных напряжений дают низкий отпуск. Обработку холодом нужно производить сразу после остывания закаленных изделий до комнатной температуры, так как иначе аустенит становится устойчивым. Это явление назы­вают стабилизацией аустенита.

Для обработки стали холодом применяют специальные холодиль­ные установки. Промышленные холодильные установки дают воз­можность проводить охлаждение до температуры -70° С, примене­ние смеси сухого льда со спиртом или ацетоном до -75°, жидкого кислорода до -183°, жидкого воздуха до -195°. Наиболее рас­пространены установки с охлаждением от -75 до -195°, так как для большинства сталей точка Мк лежит не ниже -120°.

 

Термическая обработка серых, ковких и высокопрочных чугунов

Термической обработке подвергают серые, ковкие и высокопроч­ные чугуны. В связи с тем, что эти чугуны имеют стальную основу, термическая обработка их сходна с термической обработкой стали и ее проводят по режимам, установленным для стали. Отличие состоит в том, что при термической обработке чугунов происходит процесс растворения или выделения графита, являющегося основной структурной составляющей чугунов.

Отливки из серых чугунов под­вергают нормализации, закалке и отпуску, а также низкотемпера­турному отжигу, цель которого снять внутренние остаточные на­пряжения и стабилизировать размеры. Снятие внутренних напря­жений (релаксация напряжений) и стабилизация размеров чугун­ных отливок может протекать при длительном вылеживании, иногда до нескольких лет (например, станины станков). Этот способ, тре­бующий значительных площадей и удлиняющий технологический процесс, применяется редко. Чаще чугунные отливки нагревают до температуры 500-550° С, выдерживают при этой температуре в тече­ние 2-3 ч и медленно охлаждают до 200-150° С вместе с печью, а затем на воздухе.

Для понижения твердости и повышения обрабатываемости ре­занием чугунные отливки подвергают графитизирующему отжигу — нагреву до 800-850° С, выдержке от 3 до 8 ч (в зависимости от тол­щины отливок) и медленному охлаждению.

Нормализацию и закалку деталей из серого чугуна производят для повышения их твердости и износостойкости. Чугунные детали под закалку нагревают до 820-950° С, затем охлаждают в разных средах. После закалки детали подвергают отпуску — высокому (при 450-650° С) или низкому (при 180-250° С) в зависимости от тре­буемой твердости. Применяют также изотермическую закалку, ко­торая позволяет повысить прочность серого чугуна на 30-50% и его сопротивление износу в 3-5 раз.

Для отливок из ковких ферритных чугунов производят отжиг, закалку и отпуск, а также нормализацию. Для получения структу­ры зернистого перлита и повышения прочности, пластичности и вязкости ферритный ковкий чугун закаливают (в воде или масле) и подвергают высокому отпуску (680-700° С) или нормализации. После этого ферритный ковкий чугун получает структуру сор­бита и углерода отжига; твердость его HRC 52-60.

Термической обработке подвергают также и высокопрочные чу­гуны для снятия внутренних напряжений после отливки, повышения прочности, ударной вязкости, твердости и износостойкости. Для высокопрочных чугунов с различной исходной структурой применя­ют разные варианты отжига, а также закалки и отпуска.