Процесс отжига стали и металла: виды, особенности, технология

Отжиг стали как вид термической обработки. Технология металлов

Создание новых материалов и управление их свойствами – это искусство технологии металлов. Одним из ее инструментов является термическая обработка. Эти процессы позволяют изменять характеристики и соответственно, сферы использования сплавов. Отжиг стали – широко распространённый вариант для устранения производственных дефектов изделий, повышения их прочности и надежности.

Задачи процесса и его разновидности

Операции отжига производятся с целью:

  • оптимизации внутрикристаллической структуры, упорядочения легирующих элементов;
  • минимизации внутренних искажений и напряжений вследствие стремительных технологических температурных перепадов;
  • повышения податливости объектов к последующей обработке резанием.

Классическую операцию называют «полным отжигом», однако существует целый ряд его разновидностей, в зависимости от заданных свойств и особенностей выполнения задач: неполный, низкий, диффузионный (гомогенизация), изотермический, рекристаллизационный, нормализационный. Все они схожи по принципу, однако режимы термообработки сталей значительно отличаются.

Термическая обработка на основе диаграммы

Все преобразования в черной металлургии, которые основаны на игре температур, четко соответствуют диаграмме железоуглеродистых сплавов. Она является наглядным пособием для определения микроструктуры углеродистых сталей или чугунов, а также точек преобразования структур и их особенностей под влиянием нагрева или охлаждения.

Технология металлов регламентирует этим графиком все виды отжига углеродистых сталей. Для неполного, низкого, а также для рекристаллизации «отправными» температурными значениями служит линия PSK, а именно ее критическая точка Ас1.

Полный отжиг и нормализация стали термически ориентированы на линию диаграммы GSE, ее критические точки Ac3 и Асm.

Также диаграмма четко устанавливает связь определенного способа термической обработки с видом материала по содержанию углерода и соответствующую возможность ее проведения для конкретного сплава.

Полный отжиг

Объекты: отливки и поковки из доэвтектоидного сплава, при этом состав стали должен наполнять карбон в количестве до 0,8%.

Цель:

  • максимальное изменение микроструктуры, полученной литьем и горячим давлением, приведение неоднородного крупнозернистого ферритно-перлитного состава в однородный мелкозернистый;
  • снижение твердости и повышение податливости для последующей обработки резанием.

Технология. Температура отжига стали на 30-50˚С выше критической точки Ас3.

По достижении металлом заданных термических характеристик их поддерживают на этом уровне на протяжении некоторого времени, позволяющем завершить всех необходимые превращения. Крупные перлитные и ферритные зерна полностью переходят в аустенит.

Следующий этап – медленное охлаждение вместе с печью, в процессе которого из аустенита снова выделяются феррит и перлит, имеющий мелкое зерно и однородную структуру.

Полный отжиг стали позволяет устранить наиболее сложные внутренние дефекты, однако является очень длительным и энергоемким.

Неполный отжиг

Объекты: доэвтектоидные стали, не имеющие серьёзных внутренних неоднородностей.

Цель: измельчение и смягчение перлитного зерна, без изменения ферритной основы.

Технология. Нагрев металла до температур, попадающих в промежуток между критическими точками Ас1 и Ас3. Выдержка заготовок в печи при стабильных характеристиках способствует завершению необходимых процессов.

Охлаждение производится медленно, вместе с печью. На выходе получают ту же перлитно-ферритную мелкозернистую структуру.

При таком термическом влиянии перлит превращается в мелкозернистый, феррит же остается неизменным кристаллически, а может лишь меняться структурно, также измельчаясь.

Неполный отжиг стали позволяет уравновесить внутреннее состояние и свойства несложных объектов, он менее энергоемкий.

Низкий отжиг (рекристаллизация)

Объекты: все виды проката из углеродистой стали, легированная сталь с содержанием углерода в пределах 0,65% (например, шарикоподшипниковая), детали и заготовки из цветных металлов, которые не содержат серьёзных внутренних дефектов, однако нуждаются в неэнергоемкой коррекции.

Цель:

  • снятие внутренних напряжений и наклепа вследствие влияния как холодной, так и горячей деформации;
  • ликвидация негативных последствий неравномерного охлаждения сварных конструкций, повышение пластичности и прочности швов;
  • придание однородности микроструктуре продукции цветной металлургии;
  • сфероидизация пластинчатого перлита – придание ему зернистой формы.

Технология.

Нагрев деталей производится на 50-100˚С ниже критической точки Ас1. Под действием таких влияний устраняются незначительные внутренние изменения. Весь технологический процесс занимает около 1-1,5 часа. Примерные значения температурных интервалов для некоторых материалов:

  1. Углеродистая сталь и медные сплавы — 600-700˚С.
  2. Никелевые сплавы — 800-1200˚С.
  3. Алюминиевые сплавы — 300-450˚С.

Охлаждение производится на воздухе. Для мартенситных и бейнитных сталей технология металлов предусматривает иное название этого процесса – высокий отпуск. Является простым и доступным способом улучшения свойств деталей и конструкций.

Гомогенизация (диффузионный отжиг)

Объекты: крупные продукты литья, особенно отливки из легированной стали.

Цель: равномерное распределение атомов легирующих элементов по кристаллическим решеткам и всему объему слитка в результате высокотемпературной диффузии; смягчение структуры заготовки, снижение ее твердости перед выполнением последующих технологических операций.

Технология. Нагрев материала производят до высоких температур 1000-1200˚С. Стабильные термические характеристики необходимо удерживать на протяжении длительного времени – около 10-15 часов, в зависимости от размеров и сложности литой конструкции. По завершении всех этапов высокотемпературных превращений следует медленное охлаждение.

Трудоемкий, однако высокоэффективный процесс выравнивания микроструктуры крупных конструкций.

Изотермический отжиг

Объекты: листовой прокат углеродистой стали, изделия из легированных и высоколегированных сплавов.

Цель: улучшение микроструктуры, снятие внутренних дефектов с меньшими затратами времени.

Технология. Металл изначально нагревают до температур полного отжига и выдерживают время, необходимое для превращений всех имеющихся структур в аустенит. Далее медленно охлаждают погружением в раскаленную соль.

По достижению теплоты на 50-100˚С ниже точки Ас1 помещают в печь с целью поддержания ее на данном уровне на протяжении времени, необходимого для полного превращения аустенита в перлит и цементит.

Завершающее охлаждение происходит на воздухе.

Метод позволяет достичь необходимых свойств заготовок из легированной стали, при этом экономит время, в сравнении с полным отжигом.

Нормализация

Объекты: отливки, поковки и детали из низкоуглеродистой, среднеуглеродистой и низколегированной стали.

Цель: упорядочение внутреннего состояния, придание нужной твердости и прочности, улучшение внутреннего состояния перед последующими этапами термообработки и обработки резанием.

Технология. Сталь нагревают до температур, которые лежат немного выше линии GSE и ее критических точек, выдерживают и охлаждают на воздухе. Таким образом, скорость завершения процессов увеличивается.

Однако с помощью этой процедуры можно достичь рациональной спокойной структуры лишь в том случае, когда состав стали определен углеродом в количестве не более 0,4%. С повышением количества карбона имеет место повышение твердости.

Та же сталь после нормализации имеет большую твердость вместе с равномерно расположенным мелким зерном. Методика позволяет значительно повысить сопротивление сплавов разрушению и податливость обработке резанием.

Возможные дефекты отжига

Во время выполнения операций термической обработки необходимо придерживаться заданных режимов температурных нагревов и охлаждений. В случае нарушения требований могут возникнуть различные дефекты.

  1. Окисление поверхностного слоя и образование окалины. Во время проведения операции раскаленный металл вступает в реакцию с кислородом воздуха, что приводит к образованию окалины на поверхности заготовки. Подлежит очищению механическим способом или с помощью специальных химических реактивов.
  2. Выгорание углерода. Также происходит в результате влияния кислорода на горячий металл. Снижение количества углерода в поверхностном слое приводит к снижению его механических и технологических свойств. С целью предотвращения этих процессов, отжиг стали необходимо производить параллельно со вводом внутрь печи защитных газов, основная задача которых – не допустить взаимодействий сплава с кислородом.
  3. Перегрев. Является последствием длительной выдержки в печи при высокой температуре. Имеет следствием чрезмерный рост зерен, приобретение неоднородной крупнозернистой структуры, повышение хрупкости. Подвергается исправлению путем осуществления еще одного этапа полного отжига.
  4. Пережег. Происходит в результате превышения допустимых значений нагрева и выдержки, приводит к разрушению связей между некоторыми зернами, полностью портит всю структуру металла и не подвергается исправлению.

Для предотвращения сбоев важно четко выполнять задачи термообработки, обладать профессиональными навыками и строго контролировать процесс.

Отжиг стали является высокорезультативной технологией приведения микроструктуры деталей любой сложности и состава к оптимальному внутреннему строению и состоянию, которое требуется для последующих этапов термических влияний, обработки резанием и введения конструкции в эксплуатацию.

Источник: http://4u-pro.ru/biznes/otzhig-stali-kak-vid-termicheskoj-obrabotki-tehnologiya-metallov

Отжиг сталей как вид термической обработки. Классификация видов отжига, особенности их реализации и назначение

Горизонтальная линия Мн показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения. Такие диаграммы называются диаграммами изотермического превращения аустенита (рис. 12.5 б).

При малых степенях переохлаждения, в области температур 727…550o С, сущность превращения заключается в том, что в результате превращения аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита, состав которой отличается от состава исходного аустенита. Аустенит содержит 0,8 % углерода, а образующиеся фазы: феррит –0,02 %, цементит – 6,67 % углерода.

Время устойчивости аустенита  и скорость его превращения зависят  от степени переохлаждения.

Максимальная скорость превращения  соответствует переохлаждению ниже температуры  на 150…200o С, то есть соответствует минимальной устойчивости аустенита.

Критическая скорость закалки  легированных сталей тем меньше, чем  больше в них содержится легирующих элементов, чем выше, как говорят, степень их легированности. Следовательно, чем выше степень легированности, тем более глубокой прокаливаемо-стью обладают эти стали.

Критические температуры у одних  легированных сталей выше, у других — ниже, чем у углеродистой стали.

Все легирующие элементы можно разбить  на две группы: элементы, повышающие критические точки Ас1 и Ас3, а, следовательно, и температуры нагрева при термической обработке (отжиге, нормализации и закалке), и элементы, понижающие критические точки. К первой группе относят Си, V, W, Si, Ti и другие элементы.

В связи с этим отжиг, нормализацию и закалку сталей, содержащих перечисленные элементы, производят при более высоких температурах, чем отжиг, нормализация и закалка углеродистых сталей. Ко второй группе относят Mn, Ni и другие элементы.

Для легированных сталей требуется  несколько большее время выдержки, так как они обладают худшей теплопроводностью. Длительная выдержка необходима также  для получения лучших механических свойств, поскольку она обеспечивает полное растворение легированных карбидов в аустените.

Скорость охлаждения при термической  обработке устанавливают в соответствии с устойчивостью переохлажденного аустенита и значением критической  скорости закалки. Практически многие легированные стали закаливаются на мартенсит в масле, т. е. при меньшей  скорости охлаждения, чем углеродистая сталь.

Читайте также:  Оборудование для производства пеллет в домашних условиях

У высоколегированных сталей, если они к тому же содержат большое  количество углерода, способность к  самозакаливанию выражена очень  сильно, у низколегированных и  малоуглеродистых сталей — слабее.

Это  объясняется большой стойкостью аустенитных зерен к превращению их при температуре Ас1 в зерна перлита.

Легированная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем углеродистая. Чем выше степень легированности сталей, тем более глубокой прокаливаемостью они обладают. Из легированных инструментальных сталей особый интерес представляют быстрорежущие стали, широко используемые для изготовления режущего инструмента.

Вольфрам, в быстрорежущей стали  – основной легирующий элемент. Благодаря  его высокому содержанию закаленная сталь не теряет режущей способности  при высоких температурах. Вольфрам придает, быстрорежущей стали красностойкость.

Ванадий является сильным карбидообразующим  элементом и создает прочные  карбиды, которые затрудняют рост зерна  при нагреве под закалку и  уменьшают склонность стали к  перегреву.

Под влиянием ванадия  увеличивается красностойкость  быстрорежущей стали и повышается эффект вторичной твердости при  отпуске, заключающийся в том, что  если отпуск такой стали повторить  несколько раз, то можно обеспечить полное или почти полное превращение  остаточного аустенита в мартенсит. Это несколько увеличивает твердость  по сравнению с закаленным состоянием.

Углерод в быстрорежущей стали  очень важен как элемент, придающий  стали способность закаливаться на высокую твердость. Хром в количестве около 4% настолько сильно понижает критическую скорость закалки, что  сталь становится «самозакаливающейся», т. е. закаливается на воздухе.

При содержании хрома выше нормы резко увеличивается  количество остаточного аустенита  в структуре закаленной стали, что  приводит к снижению стойкости инструмента. В быстрорежущей стали содержатся марганец и кремний (не более 0,4% каждого), сера и фосфор (не свыше 0,06% в сумме).

Изделия из быстрорежущей стали  до температуры закалки необходимо нагревать ступенчато: вначале медленно до 800-850°С, а затем более быстро до установленной температуры закалки (1230-1300°С).

Такой способ нагрева позволяет избежать тепловых напряжений за счет уменьшения разности между температурами поверхности изделия и сердцевины металла. В качестве охлаждающей среды используют минеральное масло.

Структура закаленной быстрорежущей стали представляет собой сочетание мартенсита, остаточного аустенита и сложных карбидов.

После закалки изделия  из быстрорежущей стали обязательно  подвергают отпуску. Отпуск таких сталей имеет свои особенности. Как правило, изделия подвергают многократному  отпуску (два-три раза) при температуре 560°С для стали Р9 и 580°С Для стали Р18 с выдержкой 1 ч.

Если после закалки применяют обработку холодом при температуре -80°С, то выполняют только один отпуск. Объясняется это тем, что при указанной отрицательной температуре в быстрорежущих сталях заканчивается бездиффузионное мартенситное превращение – основная часть остаточного аустенита превращается в мартенсит.

Таким образом, после термической обработки структура быстрорежущей стали представляет собой отпущенный мартенсит и карбиды.

Превращение переохлажденного аустенита

 Рис. 21 — Диаграммы изотермического  распада аустенита в углеродистых  сталях:

 а — доэвтектоидная сталь (0,45% С); б — эвтектоидная сталь (0,8% С); в — заэвтектоидная сталь (1,2 % С)

Виды и классификация  механических испытаний. Их роль в оценке эксплуатационных свойств. Масштабная зависимость прочности.

Методы и виды механических испытаний

Методы механических испытаний  металлов регламентированы государственными стандартами или ведомственными инструкциями. Это необходимо для  того, чтобы результаты испытаний  можно было сопоставить, т.е. сравнить между собой продукцию, которую  испытывали разные организации. Испытателей  может быть много, а методы у них  должны быть одинаковые.

На металл может быть оказана  статическая или динамическая нагрузка. При статической нагрузке на металл напряжение увеличивается постепенно, а при динамической ударно.

Напряжения могут быть растягивающими, сжимающими и сдвиговыми. Скручивание  металла – это лишь вид сдвиговых  напряжений, сгибание / разгибание металла  – это сочетание растягивающих  и сжимающих напряжений.

Испытания на растяжение.

Испытание на изгиб.

Испытания на удар или ударную вязкость.

Это основные виды механических испытаний. Существуют также следующие разновидности:

Испытания на усталость — обычно определяется усталость металла при изгибе.

Испытания на глубокую вытяжку — в  лист металла вдавливается шаровой  пуансон (металлический брусок с  шариком на конце).

Испытания на ползучесть — длительная нагрузка в сочетании с повышенной температурой.

Ещё для контроля качества часто  применяют испытания на твёрдость  металла. Твёрдость можно измерить либо вдавливанием (методы Роквелла и Бринелля) или динамическим способом на склероскопе Шора — по отскоку бойка с алмазным наконечником, падающего с определенной высоты.

В некоторых случаях  в дополнение к стандартным видам  механических испытаний может применяться  специальное  оборудование, воспроизводящее  те или иные специфические условия  эксплуатации изделия.

Испытания на ударную вязкость. Один из самых важных видов динамических испытаний — испытания на ударную  вязкость, которые проводятся на маятниковых  копрах с образцами, имеющими надрез, или без надреза. По весу маятника, его начальной высоте и высоте подъема после разрушения образца  вычисляют соответствующую работу удара (методы Шарпи и Изода).

Испытания на усталость. Такие испытания  имеют целью исследование поведения  металла при циклическом приложении нагрузок и определение предела  выносливости материала, т.е.

напряжения, ниже которого материал не разрушается  после заданного числа циклов нагружения. Чаще всего применяется  машина для испытания на усталость  при изгибе.

При этом наружные волокна  цилиндрического образца подвергаются действию циклически меняющихся напряжений — то растягивающих, то сжимающих.

Испытания на глубокую вытяжку. Образец  листового металла зажимается между  двумя кольцами, и в него вдавливается шаровой пуансон. Глубина вдавливания  и время до разрушения являются показателями пластичности материала.

Испытания на ползучесть.

В таких  испытаниях оценивается совместное влияние длительного приложения нагрузки и повышенной температуры  на пластическое поведение материалов при напряжениях, не превышающих  предела текучести, определяемого  в испытаниях малой длительности.

Надежные результаты могут быть получены лишь на оборудовании, обеспечивающем точный контроль за температурой образца и точное измерение очень малых изменений размеров. Длительность испытаний на ползучесть обычно составляет несколько тысяч часов.

Определение твердости. Твердость  чаще всего измеряют методами Роквелла и Бринелля, при которых мерой твердости служит глубина вдавливания «индентора» (наконечника) определенной формы под действием известной нагрузки.

На склероскопе Шора твердость определяется по отскоку бойка с алмазным наконечником, падающего с определенной высоты на поверхность образца. Твердость — очень хороший показатель физического состояния металла.

По твердости данного металла зачастую можно с уверенностью судить о его внутренней структуре. Испытания на твердость часто берут на вооружение отделы технического контроля на производствах.

В тех случаях, когда одной из операций является термообработка, нередко предусматривается сплошной контроль на твердость всей продукции, выходящей с автоматической линии. Такой контроль качества невозможно осуществить другими описанными выше методами механических испытаний.

Испытания на излом. В таких испытаниях образец с шейкой разрушают резким ударом, а затем излом исследуют  под микроскопом, выявляя поры, включения, волосовины, флокены и сегрегацию. Подобные испытания позволяют приблизительно оценить размер зерна, толщину закаленного слоя, глубину цементации или разуглероживания и другие элементы гросс-структуры в сталях.

Оптические и физические методы. Микроскопическое исследование.

Металлургический и (в меньшей степени) поляризационный микроскопы часто  позволяют надежно судить о качестве материала и его пригодности  для рассматриваемого вида применения.

При этом удается определить структурные  характеристики, в частности размеры  и форму зерен, фазовые соотношения, наличие и распределение диспергированных инородных материалов.

Сущность и  особенности реализации способов обработки  металлов давлением. Понятие технологической  пластичности. Критерии выбора типа деформации (холодная, теплая, горячая).

Обработка металлов давлением  — технологический процесс получения  заготовок или деталей в результате силового воздействия инструмента  на обрабатываемый материал.

Виды обработки металлов давлением

Процессы обработки металлов давлением  по назначению подразделяют на два  вида:

для получения заготовок постоянного  поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых  в строительных конструкциях или  в качестве заготовок для последующего изготовления из них деталей —  только обработкой резанием или с  использованием предварительного пластического  формоизменения, основными разновидностями  таких процессов являются прокатка, прессование и волочение;

для получения деталей или заготовок (полуфабрикатов), имеющих приближённо  формы и размеры готовых деталей  и требующих обработки резанием лишь для придания им окончательных  размеров и получения поверхности  заданного качества; основными разновидностями  таких процессов являются ковка  и штамповка.

Прокатка

Прокатка — процесс пластического  деформирования тел между вращающимися приводными валками.

Прессование

Прессование заключается в продавливании  заготовки, находящейся в замкнутой  форме, через отверстие матрицы, причём форма и размеры поперечного  сечения выдавленной части заготовки  соответствуют форме и размерам отверстия матрицы.

Волочение

Волочение заключается в протягивании заготовки через сужающуюся полость  матрицы; площадь поперечного сечения  заготовки уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстия  матрицы.

Ковка

Ковкой) изменяют форму и размеры  заготовки путём последовательного  воздействия универсальным инструментом (бойками) на отдельные участки нагретой заготовки.

Штамповка

Штамповочный пресс

Штамповкой изменяют форму и  размеры заготовки с помощью  специализированного инструмента  — штампа (для каждой детали изготовляют  свой штамп), который состоит из матрицы, пуансона и дополнительных частей. Различают объёмную и листовую штамповку.

При объёмной штамповке в качестве заготовки используют сортовой металл, разрезаемый на заготовки.

На заготовку в процессе объемной штамповки воздействуют специализированным инструментом — пуансоном, при этом металл заполняет полость матрицы, приобретая её форму и размеры.

Листовая штамповка

Листовой штамповкой получают плоские  и пространственные полые детали из заготовок, у которых толщина  значительно меньше размеров в плане (лист, лента, полоса). Обычно заготовка  деформируется с помощью пуансона и матрицы.

Источник: http://stud24.ru/metallography/otzhig-stalej-kak-vid-termicheskoj/451100-1706263-page3.html

Технологии термообработки стали — Мanufactory-Industry-Design

Термообработка стальных сплавов – нагрев сплава до установленного температурного значения с последующей выдержкой и охлаждением. Данный вид обработки позволяет получить сталь с заданными характеристиками (однородная микроструктура, твердость, вязкость и пр.)

Классическая термообработка стали

Часто термическим способом обрабатывают полуфабрикаты и готовые изделия.

Существует следующие этапы обработки стальных сплавов:

  1. Вначале проводят отжиг детали.
  2. Далее нормализуют сталь.
  3. Важным этапом является закалка.
  4. Завершает операцию отпуск стали.

Назначение и виды отжига

Отливка, ковка, прокатка, сварка стали сопровождаются ее неравномерным охлаждением. Это приводит к образованию структурных и химических неоднородностей, внутренних напряжений. Детали приобретают неоднородные свойства.

Отжиг необходим для их коррекции. Цель операции – добиться равновесной, устойчивой структуры в стали.

В результате отжига снижается внутреннее напряжение, металл становится менее прочным, но более пластичным и вязким. Это упрощает процессы его обработки резкой и давлением, корректирует структуру сварных швов, подготавливает заготовку к дальнейшей термообработке. Охлаждают металл при отжиге медленно: от 300 до 1000 С в час.

Отжиг включает следующие режимы

I. Отжиг I-го рода. Применяют, когда нет необходимости менять фазовый состав

  1. Диффузионный
  2. Рекристаллизационный
  3. Снимающий напряжения

II. Отжиг II-го рода. Используют, когда нужно поменять фазовый состав металла

  1. Неполный
  2. Полный
  3. Изотермический
  4. Сфероидизирующий (другие названия: циклический, маятниковый, на зернистый перлит)

Нужный режим выбирают исходя из состава сталей и требований к их технологическим и механическим характеристикам.

Назначение нормализации

Нормализация стали представляет собой нагрев до температур, превышающих критические на 30-500 С с дальнейшим понижением температуры до 20 — 250 С на воздухе.
В доэвтектоиднгых конструкционных сталях ( с содержанием углерода 0,025-0,8%) при нормализации происходит уменьшение размера феррита и перлита. Это увеличивает прочность стали после отжига.

В заэвтектоидных инструментальных сталях (с содержанием углерода более 0,8%) разрушается цементитная сетка, окружающая перлитные зерна. Это снижает хрупкость стали, подготавливает ее к закалке.

Назначение и виды закалки

Закаливают сталь для улучшения ее характеристик. В частности, металл становится более прочным и твердым, стойким к механическому износу. Закалке подвергают стали, в которых содержание углерода выше 0,25%.

Виды закалки стали

  1. В 1-ой закалочной среде (масло либо вода).
  2. В 2-х закалочных средах (в воде и масле).
  3. Ступенчатая.
  4. Изотермическая.

I-й способ

широко распространен в сталелитейном производстве, но применим не ко всем сталям. Некоторые металлы при резком охлаждении в воде трескаются. У некоторых сортов при охлаждении в масле закалка не происходит. Одноступенчатая закалка в одной среде допустима для изделий простой формы, к которым не предъявляют повышенных требований по прочности.

Читайте также:  Станки для заточки цепей бензопил: преимущества, виды

II-й способ

практически исключает возникновение трещин и позволяет получить качественную мартенситную сталь. Сперва деталь погружают в воду, далее — в масло.

Ступенчатая закалка

Для мелких изделий применяют закалку ступенчатым методом. Изделия нагревают, помещают в щелочной расплав (от 3500 до 4000 С). (Мартенсит образуется при температуре порядка 3000 С).

Выжидают некоторое время, достаточное для выравнивания температуры внутри изделия. Легированные стали охлаждают в минеральном масле, нелегированные могут погружать в воду.

Данный способ обеспечивает необходимую твердость, а вероятность появления трещин и напряжений стремиться к нулю.

Изотермическая закалка

Изотермическую закалку проводят аналогично ступенчатой, но выдерживая металл в щелочи до тех пор, пока аустенит полностью не распадется на бейнит. Преимущество метода в полном отсутствии внутренних напряжений. Данная закалка не требует отпуска. Метод пригоден для обработки сложных деталей, подверженных деформациям и трещинам.

Характеристика твердости стали, подвергнутой закалке при соблюдении технологии, выражается в единицах твердости и называется закаливаемостью. С увеличением процентного содержания углерода увеличивается твердость стального сплава. Влияние лигирующих компонентов на показатель твердости стали ничтожно мало. Лигирование определяет иные характеристики (устойчивость к коррозии и пр.).

Другая важная величина, определяющая характеристики металла – прокаливаемость, мм. Она показывает глубину, на которую данный сорт стали можно закалить — расстояние между внешним диаметром и полумартенситной зоной.

Закалка стального сплава в заводских условиях

Назначение и типы отпуска

Отпуск применяют, чтобы снять внутренние напряжения, ухудшающих свойства изделий. Стальной сплав нагревают, выдерживают и охлаждают.

Чтобы максимально снять все виды напряжения, необходимо произвести нагрев до высокой температуры, выдержать длительное время и медленно охладить. К внутренним напряжениям относят: осевые, радиальные, тангенциальные.

В результате изделие приобретает оптимальное соотношение прочности и вязкости. Виды отпуска:

1. Низкотемпературный (до 2500 С). Применяют для повышения прочности и вязкости при сохранении твердости сплава (HRC остается в пределах от 58 до 63). Стали отпущенные при такой температуре обладают высокой стойкостью к статическим и низкой стойкостью к динамическим нагрузкам.

Источник: https://www.tehnohacker.ru/texnologii/tehnologii-termoobrabotki-stali/

Термическая обработка металлов. Особенности каждого вида обработки

Многие металлические изделия практически всегда подлежат термообработке, задача которой — управление последующими механическими параметрами и структурой изделия. Целями операций термообработки является изменение твёрдости, микро-  и макроструктуры деталей.

Классификация

Согласно требованиям чертежа или по условиям последующих формоизменяющих (либо сборочных операций), термообработка металлических деталей классифицируется по следующим признакам:

  1. По величине итоговой твёрдости изделия – упрочняющая или разупрочняющая.
  2. По наличию изменений в структуре – поверхностная или глубинная.
  3. По источнику внешнего воздействия – пламенная или высокоэнергетическая.
  4. По месту процесса в общей – последовательности технологических операций – предварительная, промежуточная, конечная (финишная).
  5. По уровню температурных воздействий – обработка при повышенных или пониженных температурах.

Наиболее распространённые виды термической обработки металлов различают по параметрам необходимой температуры и времени обработки. Главным образом, термообработке подвергают изделия из стали, а также из некоторых металлов и сплавов – например, дюралюминия, титана.

Отжиг, его задачи и технология проведения

Цель отжига – обеспечить выравнивание механических свойств, структуры, а также добиться ликвидации внутренних напряжений, которые практически всегда появляются в результате формоизменяющих операций (преимущественно ковки или холодной объёмной штамповки). Отожжённые детали характеризуются повышенной технологической обрабатываемостью, но уменьшенной твёрдостью.

Отжиг может быть:

  • Рекристаллизационным, вследствие которого понижается предел прочности. Такой отжиг может быть низко-, средне- и высокотемпературным;
  • Диффузионным, после чего структура стали становится более равномерной;
  • Сфероидизирующим, который обеспечивает улучшенную обрабатываемость.

В общем случае, технология проведения отжига состоит из переходов нагрева заготовки в пламенной печи до требуемой температуры, выдержки её при этой температуре некоторое время и последующее медленное охлаждение: вначале в печи, а далее — на спокойном воздухе.

Нормализация и её необходимость

Под нормализацией понимают повышение температуры детали до значений, на 30…600С превышающих температуру структурных превращений, после чего заготовка/изделие находится под воздействием этих температур, а далее медленно охлаждается.

Нормализации подвергают преимущественно конструкционные стали, поскольку после неё обрабатываемость металла увеличивается, а внутренние напряжения исчезают. С увеличением процентного содержания углерода в стали, требуемые температуры для проведения увеличиваются. Как и отжиг, ее ведут преимущественно в пламенных печах.

Нормализация часто является промежуточной стадией процессов термообработки, поскольку достигаемая при этом твёрдость не обеспечивает должной стойкости детали при её работе в составе какого-либо узла или конструкции.

Закалка: разновидности, технология

Суть закалки – быстрый нагрев до температур начала формирования неравновесных структур – мартенсита, аустенита и высокотемпературных карбидов.

Для определённых групп сталей (сложнолегированных) при закалке происходят процессы дисперсионного твердения, в результате которых повышение твёрдости достигается не вследствие повышенного карбидообразования, а как результат осаждения интерметаллидных составляющих, главным образом, титана, кобальта, молибдена. Твёрдость таких сталей возрастает особенно интенсивно.

При необходимых температурах структурных превращений металл выдерживают определённое время, после чего интенсивно охлаждают, фиксируя неравновесные структуры в конечном изделии.  Закалку проводят полностью погружая изделие в воду или (для особо ответственных деталей сложной конфигурации) в масло.

Закалка – одна из наиболее ответственных операций термообработки. Выбор способа определяется многими факторами: химическим составом сплава, заданным уровнем твёрдости, предельными значениями остаточных внутренних напряжений, конфигурацией детали и т.д.

Закалка может быть по объёму и по поверхностному слою детали. В первом случае, процесс ведут в пламенных печах с контролируемой атмосферой. Для поверхностной закалки используют высокочастотные электрические установки, которые обеспечивают требуемый комплекс физико-механических свойств лишь в относительно небольшом по толщине слое.

Основными дефектами закалки являются перегрев и пережог готового изделия. В результате перегрева формируется грубодисперсная структура с неравномерной твёрдостью и сниженной пластичностью. Этот дефект можно исправить повторным проведением данной операции.

При значительном превышении верхнего предела закалочной температуры в микроструктуре металла происходят необратимые изменения: его кристаллическая структура разрушается, а в межзёренных промежутках появляются жидкие фазы легкоплавких примесей – серы и фосфора.

Это – пережог, необратимый дефект термической обработки, потому как пережжённые детали разрушаются при малейших механических нагрузках на них.

Отпуск и улучшение

Часто наличие внутренних напряжений в закалённой детали приводят к её короблению и потере пластических свойств, что особенно недопустимо для инструментальных и легированных конструкционных сталей. Поэтому практически во всех случаях после закалки термообрабатываемые изделия подвергают отпуску.

Отпуск заключается в нагреве изделия до температур, которые несколько меньше температур начала структурных превращений, последующей выдержке и дальнейшему медленному охлаждению. Отпуск подразделяют на одно- и многократный. После него хрупкость металлов уменьшается, а показатели пластичности и вязкости возрастают.

Разновидностью отпуска считается улучшение. Оно проводится с целью эксплуатационных свойств изделий, которые в дальнейшем будут подвергаться значительным знакопеременным нагрузкам. Поэтому температура выдержки при улучшении несколько выше, чем при отпуске.

Криогенная обработка

Желаемого изменения структуры и физико-механических характеристик металлов можно достичь не только при их нагреве, но и при глубоком охлаждении. Многие конструкционные стали обрабатывают холодом при температурах -60…-1200С.

Криогенной обработкой решаются следующие задачи:

  • Повышается стойкость изделий к износу;
  • Размеры деталей становятся стабильными;
  • Улучшается качество последующей поверхностной доводки и полирования;
  • Увеличивается твёрдость.

Особенно эффективна обработка холодом для легированных сталей, которые содержат значительный процент сравнительно мягкого остаточного аустенита. В процессе глубокого охлаждения аустенит превращается в значительно более твёрдую структурную составляющую – мартенсит.

Кроме объёмных процессов термической обработки широкое распространение получили также процессы, при которых повышается твёрдость лишь тонкого поверхностного слоя изделия.

  Такая термообработка выполняется электрофизическими методами (воздействием на поверхность металла теплом искрового или дугового разрядов) или электрохимическими методами – термообработкой в расплавах или в атмосфере различных веществ.

Источник: http://ohtaspb.ru/articles/termicheskaya_obrabotka_metallov._osobennosti_kazhdogo_vida_obrabotki/

Назначение и виды отжига стали

Выбор технологии термообработки зависит от набора характеристик, которые вы хотите получить. Одним из самых распространенных способов воздействия является отжиг стали после сварки или любых других манипуляций с металлический поверхностью. Суть заключается в нагреве материала до заданной температуры, последующей выдержке и постепенном охлаждении в печи. Назначение отжига стали:

  • получить более равновесную внутрикристаллическую структуру
  • упорядочить легирующие элементы
  • минимизировать внутреннее напряжение
  • повысить обрабатываемость
  • снизить твердость и хрупкость

02. Отжиг стали: назначение разновидности и получаемая структура

Как видите, структура и свойства стали после отжига изменяются, при этом химический состав вещества остается неизменным, воздействия затрагивают только кристаллическую решетку. Существуют несколько классификаций этого процесса. Основная делит термообработку на два рода:

  • первый предполагает отсутствие фазовых превращений, он может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации, снятия остаточного напряжения (в зависимости от изначального состояния сплава);
  • второй заключается в нагреве выше точек Ас1 или Ас3, в результате чего происходят фазовые превращения, приближающие сплав к равновесному структурному состоянию (соотношение феррит+перлит; только перлит; перлит + цементит).

03. Назначение отжига стали II рода

Именно второй род предполагает максимальные изменения в кристаллической решетке металлов. После него материал приобретает:

  • низкую твердость и прочность;
  • высокую пластичность;
  • измельченное зерно и т.д.

Существуют несколько разновидностей данной технологии: полный, неполный, изотермический и низкий. Если вы хотите узнать подробности о каждом виде — воспользуйтесь страницами нашего сайта или задайте вопрос специалисту по телефону 8800 500 62 15. Звонок по России бесплатный.

https://www.youtube.com/watch?v=Ke43Xo3T_aY

Завод «ЛитПром» предлагает услуги литьевого производства и металлообработки. В нашем арсенале самое современное оборудование и технологии, которые позволяют точно соблюдать требования, закрепленные в проектной, конструкторской документации и ТЗ.

Мы рассчитываем на долгосрочное сотрудничество, поэтому предельно внимательно и профессионально относимся к каждому заказу. Предлагаем воспользоваться бесплатной доставкой обработанной партии до транспортного терминала, расположенного в вашем городе.

Звоните и выбирайте надежного партнера!

Читайте также:  Устройство и сфера применения стального троса

Источник: https://litmetal.ru/articles/naznachenie-i-vidyi-otzhiga-stali.html

Отжиг сталей

По книжному определению, отжиг — это нагрев стали до температуры выше критической, выдержка при этой температуре и медленной охлаждение вместе с печью.

На самом деле это общее определение, под которое попадают не все виды отжига.

Режимы отжига зависят в первую очередь от конечных требований к стали или изделию, в первую очередь это требования по механическим или технологическим свойствам металла.

Содержание

Отжиг первого рода (І-го рода)

Отжиг І рода – термическая операция, состоящая в нагреве металла в неустойчивом состоянии, полученном предшествующими обработками, для приведения металла в более устойчивое состояние.

Этот вид отжига может включать в себя процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости и снятия остаточных напряжений. Особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы протекают независимо от того происходят ли фазовые превращения при термообработке или нет.

Различают гомогенизационный (диффузионный), рекристаллизационный отжиг и отжиг, уменьшающий напряжения и снижающий твердость.

Гомогенизационный отжиг

Гомогенизационный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной и внутрикристаллитной ликвации в слитках сталей. Ликвация повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкости, анизотропии свойств и таким дефектам, как шиферность (слоистый излом) и флокены.

Устранение ликвации достигается за счет диффузионных процессов. Для обеспечения высокой скорости диффузии сталь нагревают до высоких (1000–1200 °С) температур в аустенитной области. При этих температурах делается длительная (10–20 час.) выдержка и медленное охлаждение с печью. Диффузионные процессы наиболее активно протекают в начале выдержки.

Поэтому во избежание большого количества окалины, охлаждение с печью обычно проводят до температуры 800 — 820°С, а далее на воздухе. При гомогенизационном отжиге вырастает крупное аустенитное зерно. Избавиться от этого нежелательного явления можно последующей обработкой давлением или термической обработкой с полной перекристаллизацией сплава.

Выравнивание состава стали при гомогенизационном отжиге положительно сказывается на механических свойствах, особенно пластичности.

Рекристаллизационный отжиг стали

Рекристаллизационный отжиг, применяемый для сталей после холодной обработки давлением, – это термическая обработка деформированного металла или сплава. Может применять как окончательная, так и промежуточная операция между операциями холодного деформирования.

Главным процессом этого вида отжига являются возврат и рекристаллизация соответственно. Возвратом называют все изменения в тонкой структуре, которые не сопровождаются изменениями микроструктуры деформированного металла (размер и форма зерен не изменяется). Возврат сталей происходит при относительно низких (300–400°С) температурах.

При этом процессе наблюдается восстановление искажений кристаллической решетки.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. В результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы. Между температурным порогом рекристаллизации и температурой плавления имеется простое соотношение: ТР ≈ (0,3–0,4)ТПЛ., что составляет для углеродистых сталей 670–700°С.

Отжиг для снятия напряжений

Отжиг для снятия напряжений – это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений.

Такие напряжения возникают при обработке давлением или резанием, литье, сварке, шлифовании и других технологических процессах. Внутренние напряжения сохраняются в деталях после окончания технологического процесса и называются остаточными.

Избавиться от нежелательных напряжений можно путем нагрева сталей от 150 до 650°С в зависимости от марки стали и способа предыдущей обработки.

Высокий отжиг стали

Эта операция часто называется высоким отпуском. После горячей пластической деформации сталь имеет мелкое зерно и удовлетворительную микроструктуру. Такое состояние сталь получает при ускоренном охлаждении после пластической деформации.

Однако в структуре могут быть составляющие: мартенсит, бейнит, троостит и т. д. Твердость металла при этом может быть достаточна высока. Для повышения пластичности и соответственно снижения твердости делается высокий отжиг.

Его температура ниже критической Ас1 и зависит от требований к металлу для следующей операции обработки.

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;

— уменьшение напряжений.

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.

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.

Источник: https://HeatTreatment.ru/otzhig-stalej

Ссылка на основную публикацию