Особенности термической обработки легированных сталей

Обновлено: 20.05.2024

Электрические печи обеспечивают температуру 1350 о С , они позволяют очень точно регулировать температуру.

По способу передачи тепла деталям, подвергающимся термообработке, печи подразделяются на камерные, муфельные, шахтные и печи-ванны.

В камерных печах детали загружаются в камеру, сюда же поступают и горячие газы.

В муфельных печах изделия загружаются в муфель (камеру), который нагревается снаружи.

В шахтных печах рабочее пространство (шахта) вытянуто в вертикальном направлении, изделия загружаются сверху.

В электрических печах-ваннах рабочее пространство представляет собой тигель, муфель, ванну с расплавленными солями или маслом, куда погружаются изделия. Они обеспечивают более равномерный и быстрый нагрев, детали в них меньше окисляются.

По назначению различают печи для отжига, нормализации, закалки, отпуска, цементации и т. п. . Каждая из этих печей имеет свои конструктивные особенности, определяемые характером вида обработки.

При термической обработке температуры измеряются термометрами, термоэлектрическими (состоящими из термопары и гальванометра) и оптическими пирометрами (состоящего из аккумулятора, лампочки, реостата, зрительной трубы).

Когда нет приборов, температуру можно определить приближенно по цветам побежалости – появляющейся оксидной плёнке на светлой поверхности металла при нагревании в пределах температур от 220-330 0 С и цветам каления – цветам свечения, которые приобретает раскалённый металл при 530- 1300 0 С.

Цвета побежалости	температура	Цвета каления	температура
Светло-жёлтый	Начало свечения	530-580
жёлтый	Тёмно-красный	580-660
коричневый	Тёмно-вишнёвый	660-720
Коричнево-красный	Светло-вишнёвый	780-830
Фиолетовый	Светло-красный	900-1050
Тёмно-синий	295-310	Светло-жёлтый	1150-1250
серый	Белый	1250 и выше

Легированные стали подвергаются тем же видам термической обработки, что и углеродистые, но процессы термообработки легированных сталей имеют свои особенности.

Легирующие элементы (особенно вольфрам) понижают теплопроводность стали, поэтому нагрев легированных сталей нужно вести медленно, иначе могут появиться трещины.

Легирующие элементы изменяют также температуры, при которых происходят превращения в сталях. Хром, ванадий, вольфрам, молибден, титан, медь повышают критические точки А_с3 и А_с1. Значит, при отжиге , нормализации, закалке сталей, содержащих эти элементы, нагрев должен вестись до более высоких температур, чем для углеродистых сталей. Марганец, никель, наоборот, понижают критические точки. Соответственно, стали, легированные этими элементами, нагревают до более низких температур.

Все легирующие элементы (особенно те, которые образуют карбиды: хром, ванадий, молибден, титан, вольфрам) препятствуют росту зерна аустенита. Располагаясь по границам зёрен, карбиды затрудняют рост зерна. Поэтому все легированные стали можно нагревать до более высоких температур, не опасаясь перегрева стали, что способствует более полному растворению карбидов в аустените.

Исключение составляют стали, легированные марганцем. Марганец не препятствует росту зерна аустенита. Поэтому марганцовистые стали следует нагревать до температур, возможно более близких к критической точке А_с3.

Так как легированные стали имеют меньшую теплопроводность, то для полного прогрева детали и более полного растворения карбидов в аустените нужна более продолжительная выдержка при достигнутой температуре, чем для углеродистых сталей.

Все легирующие элементы, кроме кобальта, уменьшают критическую скорость закалки, следовательно, легированные стали при закалке можно охлаждать с меньшей скоростью. Обычно в большинстве легированных сталях мартенсит получается при закалке в масле, а в некоторых высоколегированных сталях даже на воздухе.

Прокаливаемость у легированных сталей более высокая, чем у углеродистых. Стали с высоким содержанием легирующих элементов закаливаются на большую глубину даже при больших сечениях изделий.

Особенности термической обработки легированной стали

Различие в термической обработке легированной и углеродистой сталей состоит в выборе различных температур и скорости нагрева, длительности выдержки при этих температурах и способе охлаждения.

Легированные стали менее теплопроводны по сравнению с углеродистыми. Это необходимо учитывать и особенно осторожно нагревать детали из стали, содержащей такие элементы, как вольфрам.

Критические температуры у одних легированных сталей выше, у других — ниже; выбор температур термической обработки производится в зависимости от содержания в стали легирующих элементов.

Все легирующие элементы можно разбить на две группы: элементы, повышающие критические точки А_С1 и А _С3,а следовательно, и температуры нагрева при термической обработке и элементы, понижающие критические точки. К первой группе относятся Сu, V, W, Si, Mo, Ti, Nb и др. В связи с этим отжиг, нормализация и закалка сталей, содержащих перечисленные элементы, производятся при более высоких температурах, чем отжиг, нормализация и закалка углеродистых сталей. Ко второй группе элементов относятся Mn, Niи др. При выборе температуры термической обработки имеет значение склонность аустенитного зерна к росту.

Все легирующие элементы, за исключением Μn, препятствуют росту аустенитного зерна при нагреве. Особенно сильное влияние на уменьшение роста аустенитного зерна оказывают элементы, образующие в сталях карбиды (Сr, Mo, W, V, Ti): карбиды располагаются по границам зерна и затрудняют его рост при нагреве. Таким образом, легированные стали (за исключением марганцевистых) при термической обработке не склонны к перегреву; нагревать их можно до более высоких температур, чем углеродистые стали.

Время выдержки устанавливается несколько большее, чем для углеродистых сталей, так как легированная сталь обладает худшей теплопроводностью и полный прогрев изделия требует большего времени. Кроме того, для получения лучших механических свойств необходима выдержка, чтобы полностью растворились легированные карбиды в аустените.

Скорость охлаждения при термической обработке устанавливается в соответствии с устойчивостью переохлажденного аустенита и величиной критической скорости закалки. Практически это приводит к тому, что многие легированные стали закаливаются на мартенсит в масле, т. е. при меньшей скорости охлаждения, чем углеродистая сталь.

Легированная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем выше степень легированности сталей, тем более глубокой прокаливаемостью они обладают (рис. 1). Легирующие элементы в стали влияют на устойчивость мартенсита при отпуске

4 — стали высокой прокаливаемости (хромомарганцевокремниевые и другие сложнолегированные); закаленный слой заштрихован

Например, в инструментальных быстрорежущих сталях карбидообразующие элементы W, Mo, V, Сг способствуют образованию красностойкого мартенсита. Благодаря этому высокая твердость стали сохраняется до температур 560—600° С, тогда как мартенсит углеродистой стали начинает распадаться при 200—240° С, что снижает твердость стали. Высокая красностойкость — весьма ценное свойство инструментальной стали. Инструмент в процессе резания нагревается, и, если сталь не красностойка, она теряет твердость и режущие свойства.

Кроме перечисленных особенностей, при отпуске легированной стали можно наблюдать явление отпускной хрупкости, т. е. понижение ударной вязкости, происходящее несмотря на уменьшение твердости. Причиной отпускной хрупкости является выделение хрупких фаз по границам зерен у таких широко распространенных сталей, как хромистые, хромоникелевые и др. Можно полностью избежать отпускной хрупкости, охлаждая такую сталь после отпуска не на воздухе, а в масле (крупные детали — даже в воде), а также применяя хорошо раскисленную сталь или другие марки стали, содержащие молибден или вольфрам, препятствующие выделению хрупких фаз.

Отметим, наконец, еще одну важную особенность термической обработки легированной стали. При закалке большинства сталей часть зерен высоколегированного аустенита мартенситного превращения не претерпевает, и в структуре стали сохраняется некоторое количество остаточного аустенита. Так как аустенит имеет невысокую твердость (НВ 170 - 220), закаленная сталь обладает несколько меньшей твердостью и пониженной износоустойчивостью. Значительного превращения остаточного аустенита в мартенсит отпуском у не удается добиться. Исследования, проведенные советскими учеными, показали, что превращения остаточного аустенита в мартенсит можно достигнуть глубоким охлаждением до минус 65 —минус 70° С. После выдержки изделий при низких температурах в течение 1—2 часов в их структуре происходит полное превращение остаточного аустенита в мартенсит, и твердость, а вместе с ней и износоустойчивость изделий повышаются.

Источник:
Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.

Сварка легированных сталей. Технология и особенности сварки легированных сталей

От низколегированных сплавов требуется пластичность, хорошая свариваемость, высокая устойчивость к деформации. Наилучшие свойства такие стали приобретают после закаливания. В некоторых видах такие свойства достигаются низким содержанием углерода. Также для улучшения свойств добавляются дополнительные присадки, например, хром, кремний.

Такие виды металла отлично свариваются, имеют низкую степень ломкости при холоде ниже сорока градусов. Основным минусом низколегированного сплава считается слабая вибрационная устойчивость.

Сварные соединения сталей хорошо сопротивляются холодным трещинам и деформационному разрушения. Для сварки низколегированных сплавов используются специальные электроды, имеющие слабое водородное фтористо-кальциевое напыление. Технология сварки легированных сталей подразумевает быструю сварку определенных участков, чтобы не допустить охлаждение шва ниже температуры предварительного нагрева.

Сварка низколегированных сталей под флюсом проводится при помощи постоянного тока, который имеет обратную полярность. При сварке металлов в углекислом газе в качестве электродов используется порошковая проволока. Таким образом достигается большая прочность и холодоустойчивость, особенно швам изделия.

Низколегированные металлы не стоит варить газом, так как это серьезно ухудшает качество изделия — при выгорании легирующих элементов соединения склоны к коррозии и механическим разрушениям.

Какими электродами варить лучше: выбираем электроды правильно

Сварочный электрод представляет собой стержень относительно небольшого размера, который изготавливается из различных металлов и обладает электропроводными свойствами. Его основное назначение – подача тока во время сваривания. То, насколько качественным будет шов, во многом зависит от выбранного электрода. Учитывая, что существует достаточно большое количество разновидностей, возникает вопрос «какие электроды лучше для решения определенной задачи?»

Ключевые критерии выбора

Выбирая, каким электродом варить металл, нужно учитывать такие параметры:

Подбирается в зависимости от толщины свариваемой конструкции. Самые тонкие стержни имеют диаметр 1,6 мм. Они предназначаются для соединения листов не толще 2 мм, тогда как стержни диаметром 5-6 мм позволяют сваривать листы толщиной до 13 мм.

Каждая из них имеет свой уникальный химический состав и физические свойства. Так, например, для работы с жароустойчивыми сталями нужно использовать электроды, обеспечивающие температуру порядка 1100°С.

Следует учесть, что сила сварочного тока не должна быть слишком низкой, поскольку это приведет к залипанию наконечника. Если же значения будут чрезмерно высокими, дуга будет хорошо гореть, однако таким образом поверхность материала можно прожечь. В таком режиме стержни, имеющие небольшой диаметр, сгорают очень быстро, не справляясь со своей задачей.

Важно и то, из каких компонентов состоит обмазка стержня. Как правило, их 6-12. При этом каждый компонент отвечает за создание среды, необходимой для образования прочных швов со стабильными характеристиками.

Основные из них:

слой целлюлозы – создает облако газа с восстанавливающим агентом;
фторид кальция – делает оксиды железа более плавкими, а выделяемый газ стабилизирует процесс горения;
карбонаты – отвечают за образование шлаков;
ферроматериалы (Mg и Si) – раскисляют шов после сваривания;
диоксид титана – позволяет шлаку затвердевать, что улучшает текучесть расплава;
камедь с элементами глины – делает покрытие более прочным;
железный порошок – улучшает качество шва путем выравнивания температуры.

Необходимо, чтобы материал электродов и тип свариваемых металлов совпадали по своим характеристикам.

Сварка углеродистых и низколегированных сталей

В данном случае основную роль играет материал покрытия электрода. Так, для сваривания кипящих марок стали (имеет низкое содержание углеродов и слабораскисленная) подходит любая обмазка. Чтобы сваривать полуспокойные стали, которые имеют большую толщину листов, требуется основное или рутиловое покрытие. При сваривании конструкций из спокойной стали при низких температурах или при динамических нагрузках, также используются электроды с основным покрытием.

Нестабильное горение дуги может ухудшить качество шва и не позволит нормально сваривать металлоконструкции с помощью переменного тока. Лучше всего дуга горит при наличии целлюлозного, кислого и рутилового покрытия. В таком случае можно пользоваться сварочными трансформаторами. Кроме того, нужно тщательно очистить свариваемые кромки от ржавчины, масла и грязи, дабы избежать образования пара.

Чем проводится сварка и наплавка чугуна

Процедура позволяет устранить дефекты в чугунных отливках, а также восстановить поврежденные и израсходовавшие эксплуатационный ресурс детали. В результате получается сталь, различные сплавы, в основе которых – медь, никель и т. д. Лучше всего с вышеописанной задачей справляются модели марок ЦЧ-4, ОЗЧ-2, ОЗЧ-6 и похожие. В отдельных случаях, например во время ремонта чугунных тюбингов при сильном загрязнении и высокой влажности целесообразно использовать марки ОЗЛ-25Б, ОЗЛ-27 и ОЗЛ-28.

Сварка цветных металлов

Каждый из этих металлов имеет свой порог плавления и физико-химические свойства. Так, например, интенсивная окисляемость не позволяет проводить сварку титана и его сплавов. В случае с алюминием, процесс усложняет окисная пленка, которая плавится при температуре 2060°С, а для того чтобы расплавить сам алюминий достаточно 660°С. Образовавшаяся из-за окиси пленка, может привести к нарушению целостности швов и снижению их прочности. Убирается она благодаря добавлению хлористых и фтористых солей щелочных и щелочно-земельных металлов.

Медь также имеет свои проблемы при сваривании – в шве под воздействием пузырьков газа (в особенности кислорода и водорода) образовываются поры. Во избежание этого медь должна быть хорошо раскисленной, а до начала сварки следует хорошо зачистить кромки. В свою очередь, бронза отличается высокой хрупкостью, а никель и его сплавы чувствительны к растворенным в сварочной ванне газам – азоту, кислороду и водороду. В результате этого процесса в металлоконструкции возникают горячие трещины и поры.

Резка металла

Резка металлоконструкций дугой применяется для установки и ремонта различных конструкций из металла. Она не отличается эффективностью, от нее не стоит ждать «красивого» шва, как и точного реза.

Тем не менее, такой способ резки не требует дополнительного оборудования и высококвалифицированных работников. Он легко осваивается новичком. Резка электродуговой сваркой часто применяют при обучении, в частности осваивании принципов работы с инвертором. Нередко подобный метод используют домашние мастера для недорогой резки металлов.

Сварка легированных сталей с повышенной теплоустойчивостью

Легированные теплоустойчивые стали свариваются специальными электродами, обеспечивающими определенную жаропрочность сварных соединений. Полученная конструкция должна выдерживать значительные механические нагрузки и высокие температуры.
Также минимизируется вероятность образования трещин при температурных перепадах. Так, при температурах до 475°С, используются модели из молибдена наподобие Э-09М, а при температурах до 540°С – модели с высоким содержанием хрома и молибдена (Э-09МХ, Э-09Х1М, Э-09Х2М1 и Э-05Х2М). В Э-10Х5МФ высокое содержание хрома, благодаря чему ими можно сваривать конструкции из стали с соответствующим химическим составом.

Какими электродами варить высоколегированную сталь

Такие стали, содержат 13% хрома и обладают антикоррозийными свойствами. В данном случае металлический шов должен быть устойчив к воздействию атмосферных осадков в слабо агрессивных средах, жаростойким (максимальная температура 650°С) и жаропрочным (максимальная температура 550°С).

Такими свойствами обладают модели типа Э-12Х13 марок ЛМЗ-1, АНВ-1 и т. п. Если же в стали пониженное содержание углерода и имеется легирование никелем предпочтение лучше отдать изделиям под индексом Э-06Х13Н. Если же нужно сварить листы стали, содержащие 25% хрома, лучше всего подойдут варианты типа Э-08Х24Н6ТАФМ, делающие готовый шов пластичным, ударопрочным и коррозиестойким.

Сварки разнородных сталей и сплавов

Речь идет о сталях и сплавах, которые имеют уникальные физико-механические качества, химический состав, а также способность к свариваемости. Такие стали могут быть углеродистыми и легированными, высокопрочными, теплоустойчивыми, а также высоколегированными.

Сваривание сталей и сплавов с разнородной структурой также имеет ряд характерных особенностей. Чтобы избежать образования трещин, участков с неоднородной структурной в месте оплавления, а также чрезмерного роста остаточных напряжений используются модели наподобие АНЖР-1, ОЗЛ-27, НИАТ-5, ЭА-395/9, ОЗЛ-25Б, ИМЕТ-10 и ЦТ-28, обладающие специальными свойствами.

Совместимость со сварочным аппаратом

Выбирая, какими электродами варить сталь, необходимо учитывать не только тип материала, для которого они предназначены, но и особенности сварочного аппарата.

Конечно же, в теории и на практике владелец электродугового аппарата может использовать любой электрод. Однако на деле встречаются аппараты, которые лучше подходят для использования со стрежнями определенного вида обмазки (например, IN226 CEL – отлично подходит для электродов с целлюлозным покрытием).

Помимо этого, у сварочных аппаратов есть ограничение по силе тока. Этот диапазон накладывает собственные рамки на использование электродов по диаметру. Как определить подходят ли расходные материалы? Достаточно взглянуть на таблицу ниже:

Теперь вы ближе познакомились с электродуговой сваркой и некоторыми нюансами выбора сварочных электродов. Советуем вам ознакомиться и с другими статьями раздела, чтобы почерпнуть полезные знания о сварочных процессах, материалах и важных нюансах для повышения качества сварочных работ.

Среднелегированные стали

Для таких сплавов характерно более чем в два раза увеличенное содержание углерода. В качестве присадок чаще всего используются Ni, Mo, Cr, V, W. Идеальные характеристики металла достигаются закалкой и низким отпуском. Такие виды сталей тщательно очищают от различных видов неметаллических примесей. Для достижения оптимальных свойств используются переплавки, термомеханическая обработка.

Для надежности и износостойкости сварных швов необходимо получить идеальные химические показатели соединений. Сварочные материалы должны содержать меньший объем легирующих элементов, чем основной металл. С помощью правильно подобранного материала можно получить отличную прочность и другие качества шва при сварке легированных сталей.

Среднелегированные сплавы с высокой прочностью и уровнем прокаливания необходимо сваривать с помощью материалов, которые придадут соединениям максимальную возможность деформации. Для таких целей используются низколегированные электроды, не содержащие органических веществ, которые прокалили при высоких температурах. При сварке следует обеспечить оптимальные условия работы — не допускать наличия влажности, появления ржавчины в сварочной ванне, чтобы не повысить уровень водорода.

Оптимальным методом для легированных и углеродистых сталей является аргоновая сварка с неплавящимися электродами. Такой вид оптимален для механизированного проплавления, обеспечивая оптимальную глубину и равномерность процесса.

Газовая сварка легированных сталей осуществляется ацетиленом и кислородом, который обеспечивает высококачественный шов. Газы-заменители в данном случае применять не следует. Однако даже ацетилен и кислород не дает полной гарантии качественного шва. Этого можно добиться только путем использования дуговой сварки.

Выбор флюсов

Сварка легированных и углеродистых металлов может выполняться и с помощью флюса. Но здесь, как и в случае с электродами, нужно использовать особые флюсы и правильно сочетать их со сварочной проволокой. Сами флюсы должны быть фторидными, а проволока должна быть высоколегированной, как и металл. Мы рекомендуем флюс АНФ-5, он хорошо справляется со своей защитной функцией и улучшает качество шва, если выполняется сварка высоколегированной стали.

Благодаря использованию флюса АНФ-5 шов не будет подвержен образованию пор, трещин и прочих дефектов сварных швов. По этой причине такой флюс часто используют не только в домашней сварке, но и на крупном сварочном производстве. Кстати, вы можете использовать и другие флюсы на основе оксидов. Их свойства не будут сильно отличаться от АНФ-5.

В качестве альтернативы предлагаем использовать флюс марки АН-26. Он тоже изготовлен на основе оксидов и в его составе мало кремния, так что шов будет формироваться качественно и быстро. Но обратите внимание, что велика вероятность сильного окисления титана и алюминия, и даже хорошо подобранная проволока не поможет, кремний будет активно переходить в шов. Из-за этого наверняка могут появиться горячие трещины и поры, да и в целом шов будет хрупким. Так что используйте данный флюс на менее ответственных объектах.

Также обратите внимание флюс марки АН-292. Он изготовлен на основе высокоустойчивых оксидов и хорошо зарекомендовал себя в работе. Но нужно следить за количеством водорода, если его будет слишком много, шов может оказаться пористым после окончания сварки.

Высоколегированные стали

В состав высоколегированных сплавов входят Cr и Ni в повышенном содержании. Эти элементы придают металлам особенную структуру и свойства. Высоколегированные сплавы обладают большей устойчивостью к коррозии, низким и высоким температурам, более жаропрочные. В зависимости от сферы применения стали различаются на жаростойкие, жаропрочные, коррозионностойкие.

После пройденной специфической термической обработки высоколегированные сплавы становятся очень прочными и эластичными. При закалке пластичность данных металлов только повышается. На структуру сталей существенно влияет их химический состав и разновидности легирующих компонентов.

Свойства материала

По количеству специально вводимых примесей легированные (облагороженные) стали подразделяются на:

низколегированные;
среднелегированные;
сильнолегированные.

В низколегированных конструкционных сталях количество специально введенных примесей не превышает 2,5%. В среднелегированных оно доходит до 10%, в высоколегированных сплавах примесей более 10%.

Легирующими добавками чаще всего выступают хром, никель, молибден, марганец, вольфрам, алюминий, кобальт, ванадий, азот, бор, титан, кремний, ниобий. Легируют сплавы для получения высоких механических и прочих свойств.

Технология сварки высоколегированных металлов

Высоколегированные сплавы имеют множество положительных характеристик, что позволяет использовать их для самых разнообразных изделий. Поэтому технология сварки высоколегированных сталей для каждого изделия могут быть отдельной. Эта особенность определяет разность в выполнении сварки для получения шва определенного типа и состава.

Особенности сварки легированных сталей

Особенности сварки легированных сталей регламентируются тепловыми особенностями сплава. Понижение тепловой проводимости может серьезно изменить температурное распределение температуры в области шва. При неправильной сварке такие показатели могут привести к деформации изделия. Для того чтобы избежать подобной проблемы сварка должна проходить с наибольшими температурами.

Ручная дуговая сварка допускает применение электродов с фтористо-кальциевым покрытием, таким образом возможно получение шва с оптимальным содержанием химических веществ. Для предотвращения перфорации при сварке высоколегированных сталей и сплавов в швах следует прокаливать электроды с особой тщательностью.

Газовая сварка не особенно подходит для такого типа металлов по причине нередких внутренних коррозий. Такой вид работ допустим для температуроустойчивых сплавов толщиной не более 2 мм. В швах может возникать заметная деформация.

Для более толстых пластин оптимальным вариантом является флюсовая сварка. Таким образом по всей поверхности соединения состав и характеристики металла остаются стабильными. Причиной явления является отсутствие сварных промежутков, связанных с заменой электродов, равномерностью плавки металла по поверхности шва.

Кроме того, место на котором проводятся работы надежно защищается от окисления легирующих компонентов. Что имеет особенно важное значение при сварке высоколегированных сталей.

Термическая обработка металла. Особенности технологического процесса

Как правило, одним из последних этапов в изготовлении изделия из стали является термическая обработка. Нагрев до требуемой температуры c дальнейшим охлаждением приводит к значительным изменениям во внутренней структуре металла. Вследствие этого он приобретает новые свойства, которые напрямую зависят от выбранных термических режимов. Термообработка стали позволяет изменять ее твердость, хрупкость и вязкость, а также делать ее устойчивой к деформации, износу и химической коррозии. К основным видам термообработки относят закалку, отпуск и отжиг. Кроме этого, существуют комбинированные способы: химико-термическая и термомеханическая обработки, сочетающие в себе нагрев и охлаждение с другими видами воздействия на структуру металла. При всем многообразии базовых видов и их разновидностей сущность у всех этих технологий одна – изменение внутренних фазных и структурных состояний металла с целью придания ему требуемых свойств.

Историческая справка

Первые упоминания о термической обработке металлов появились в далеком прошлом. В Средневековье кузнецы отправляли заготовки для оружия в специальные печи, а затем остужали их водой.

В XIX в. появились первые технологии обработки чугуна. Для этого исходное сырье погружалось в резервуар со льдом, поверх которого высыпался сахар.

После этого начинался цикл равномерного разогрева, который занимал до 20 часов. Дальше разогретый металл подвергался ковке с получением требуемой формы.

В середине XIX в. металлург из Российской империи Д.К. Чернов опубликовал статью, в которой указал, что при нагревании металлических сплавов происходит изменение их технических характеристик. Ему присвоили звание автора новой науки — материаловедения.

Превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении

В сталях, нагретых до аустенитного состояния, при весьма медленном охлаждении произойдут обратные превращения, а именно:

а) в стали с содержанием углерода 0,83% аустенит превратится в перлит;

б) в стали с содержанием углерода 0,4% сначала из аустенита начнет выделяться феррит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит и

в) в стали с содержанием углерода 1,2% сначала из аустенита выделится цементит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит.

Даже при весьма медленном охлаждении температура распада аустенита не совпадает с теми температурами, при которых аустенит образовался при нагревании. Чем скорость охлаждения больше, тем больше становится гистерезис, т. е. разница между критическими температурами (точками) при нагревании и охлаждении.

Назначение термической обработки

Изделия для оборудования и коммуникационные узлы, выполненные из металла, часто оказываются под воздействием больших нагрузок. Кроме этого, они могут эксплуатироваться в условиях критических температур, которые негативно сказываются на рабочих свойствах.

С целью защиты деталей от быстрого износа, повышения их надежности и долговечности применяется цикл термической обработки.

В процессе нагрева и после него химический состав материала не меняется, при этом эксплуатационные свойства становятся другими. Такая процедура увеличивает устойчивость заготовки к коррозии, износу и разрушению от механических нагрузок.

Отжиг

К одним из самых востребованных видов термообработки относят отжиг, который выполняют для понижения твердости и снятия внутреннего напряжения. Зачастую он необходим после горячей обработки стали давлением. Например, такой термической обработке подвергают заготовки после ковки, прокатки и штамповки. Иногда к отжигу прибегают вслед за сваркой. Он же используется, если на предыдущем этапе работы со сталью допущены ошибки и возникли дефекты.

Суть такой термической обработки заключается в нагреве выше критической точки, последующей выдержке и охлаждении. Благодаря этому структура обретает равновесность, впоследствии со сталью проще работать способом резания.

Принципы термообработки

Термообработка подразумевает фазовые изменения внутренней структуры материала при подогреве или охлаждении.

Вся процедура включает в себя такие этапы:

Нагрев, который влияет на структуру кристаллической решетки заготовки.
Охлаждение, позволяющее зафиксировать изменения, которые были достигнуты во время предыдущего этапа.
Отпуск, устраняющий напряжение и выравнивающий готовую структуру.

Ключевой особенностью термической обработки стальных изделий является то, что под воздействием температуры в 727 °C они приобретают форму аустенита — твердого расплава. В таком состоянии атомы углерода начинают проникать внутрь структурных ячеек железа, формируя равномерное соединение.

При постепенном охлаждении материал возвращается к прежнему состоянию, а при интенсивном — остается в виде аустенита или прочей структуры.

В зависимости от технологии охлаждения и последующего отпуска определяются конечные свойства закаленного металла. В данном случае применяется принцип: чем быстрее охлаждается исходное сырье, тем выше твердость и хрупкость готового продукта.

Это интересно: Свойства и состав дюралюминия

Термообработка является незаменимым технологическим процессом при работе со сплавами железа и углерода. Для примера, чтобы сформировать ковкую чугунную основу, нужно выполнить термическую обработку белого чугуна.

График термической обработки.

Технология проведения улучшения

При закалке, упрочнении, температура нагрева подбирается исходя из состава металла. Если для конструкционных среднеуглеродистых сталей ее можно подобрать согласно диаграммы железо-углерод, то для получения аустенита в металле содержащем легирующие элементы (хром, молибден, ванадий, никель и прочие) необходимо увеличить температуру нагрева.

Интенсивное охлаждение производится в двух средах: воде и масле. Охлаждению в воде подлежат углеродистые металлы, а в масле — легированные, так как водная среда может провоцировать образование внутренних трещин и деформаций.

Внутреннюю структуру мартенсит можно преобразовать средним или высоким отпуском. Температура проведения отпуска в значительной мере зависит от процентного содержания легирующих элементов.

Ключевые преимущества

При производстве деталей для продолжительной эксплуатации термообработка является обязательным этапом.

Популярность технологии обусловлена ее следующими преимуществами:

Улучшение устойчивости к износу металлической заготовки.
Увеличение срока эксплуатации готовых изделий и снижение количества брака.
Повышение коррозийной стойкости.

Обработанные конструкции справляются с большими нагрузками, а срок их службы увеличивается в несколько раз.

Чередование циклов подогрева и охлаждения положительно сказывается на твердости, износостойкости и ударной вязкости. Также подобная процедура позволяет вносить структурные изменения в поверхностном слое или оказывать воздействие на часть заготовки.

Совмещение термообработки и горячей обработки под давлением повышает твердость материала намного лучше, чем нагартовка или закалка.

Оборудование для проведения работ дешевле, чем установки механообрабатывающих и литейных предприятий.

Механические свойства после улучшения

У улучшаемых углеродистых сталей невысокая прокаливаемость. Поэтому стали с 30 по 50 используются для изготовления деталей диаметром не больше 10 мм. После улучшения для них характерны следующие параметры:

ϬВ (предел прочности) — 600…700 МПа;
KCU (ударная вязкость) – 0,4…0,5 МДж/м2;
HRC (твердость) – 40…50.

Если элементу по условиям эксплуатации требуется большая поверхностная прочность, то его подвергают закалке токами высокой частоты (ТВЧ).

Для изделий диаметром более 30 мм для придания качеств, полученных улучшением применяются легированные металлы. При высокой скорости закаливания, большего критического диаметра наряду с мелким зерном, у них наблюдаются малые остаточные напряжения после ТО и высокая стойкость к отпуску.

Так, сплав железа, имеющий в своем составе хром и никель, после улучшения имеет следующие параметры:

ϬВ (предел прочности) — 1020 МПа;
Ϭ-1 (предел усталости) – 14 Мпа;
ψ% (поперечное сужение) – 41%;
HВ (твердость) – 241.

Кроме широко используемых легирующих элементов для измельчения зерна используют титан, ниобий и цирконий. Для повышения прокаливаемости применяют бор.

Параметры твердости и ее показатели

Твердость является важной характеристикой для оценки технических характеристик материала и деталей на его основе. С учетом этого параметра вычисляется прочность, обрабатываемость и износостойкость конечной продукции.

В металлургии используются несколько вариантов проверки твердости:

По Роквеллу. Наиболее быстрый автоматизированный способ испытаний. Для определения твердости применяется специальное приспособление со сферической или конической конфигурацией, которое изготовляется из сверхпрочных материалов, например алмаза или твердого сплава. Под воздействием давления от инструмента проверяется глубина проникновения.
По Бриннелю. Технология распространена при диагностике конструкций с низкой и средней твердостью. Она подразумевает выбор закаленного стального шарика. Финальные показатели определяются прикладываемым усилием, диаметром шарика и конечного отпечатка.
По Виккерсу. Метод одинаково эффективен при любой твердости металла. Его применяют при обработке заготовок, прошедших термическую и химическую обработки. В качестве приспособления для оценки показателей используют алмазную пирамиду с углом 136°.

Расчет твердости по Роквеллу.

Классификация и виды термической обработки

В металлургической отрасли распространено несколько методов обработки стали.

Технический.
Термомеханический.
Химико-термический.

Каждый вариант представлен несколькими разновидностями.

Отжиг

Принцип сводится к нагреву материала до заданной температуры, удерживанию в таком режиме в течение нужного времени и последующему охлаждению до комнатных показателей.

В большинстве случаев отжиг применяется для:

Улучшения механических свойств металла.
Получения однородной консистенции материала.
Повышения пластичности и степени сопротивляемости.
Уменьшения внутреннего сопротивления заготовки.

Это интересно: Правка металла

В зависимости от специфики проведения работ отжиг бывает изотермическим, полным или неполным, диффузионным и т.д.

Цикл полного отжига позволяет улучшить технические характеристики исходного сырья для последующей обработки. В таком варианте изделие разогревается до критической температуры, а затем постепенно охлаждается.

Неполный отжиг подразумевает получение более пластичного и мягкого материала. Его осуществляют при температуре до 770°C.

Цикл охлаждения разделен на 2 этапа:

В специальной печи.
На открытом пространстве.

Изотермический отжиг популярен при подготовке сталей с высоким содержанием хрома. Технология позволяет уменьшить затраты времени на производство, т.к. она проводится с использованием ускоренного охлаждения.

Процесс отжига металла.

Отпуск

В зависимости от интенсивности нагрева разделяется на 2 типа:

В первом случае изделие подвергается нагреву до 120-200°C. С помощью технологии можно производить детали и инструменты с ювелирной точностью. После разогрева сырье удерживается в таком состоянии в течение заданного промежутка времени, а затем охлаждается естественным путем.

Под воздействием такой обработки сталь не только удерживает первичную твердость, но и становится более прочной. Это обусловлено разрушением отдельных остаточных компонентов.

В некоторых случаях измерительное оборудование и различные механизмы производят при температуре до 160°C. Подобная обработка получила название «искусственное старение».

При высоком отпуске заготовку нагревают до температуры 350-600°C. Цикл охлаждения выполняется на открытом воздухе. Технология популярна при подготовке углеродистой стали.

Отпуск металла.

Нормализация

С помощью нормализации можно сформировать мелкозернистую структуру. При обработке сталей с низким содержанием углерода получается феррито-перлитная структура, легированных — сорбитоподобная. Степень твердости конечного изделия достигает 300 НВ.

Процессу нормализации можно подвергать горячекатанные стали. Это приводит к увеличению сопротивления излому, прочностных свойств и вязкости.

Нормализация стали.

Закалка

Используется нагрев исходного сырья до критических значений. Охлаждение выполняется принудительным путем, а не постепенно. Для этой процедуры подходит сжатый воздух, водяной туман или жидкая закалочная среда. Помимо повышения прочностных свойств, металл становится менее эластичным и вязким.

Закалка может проводиться с использованием нескольких способов:

Одной среды. Технология отличается простотой, но имеет ряд ограничений по типу исходного сырья. Она подразумевает быстрое охлаждение для получения неравномерности температур. Метод не подходит для обработки высокоуглеродистых металлов, т.к. они подвергаются разрушению при агрессивном тепловом воздействии.
Многоступенчатой закалки. Изначально материал подвергается термообработке, а после нагрева — перемещению в соляную ванну. Когда температурный режим нормализуется, заготовку охлаждают с помощью воздуха, тумана или масла.
Светлой закалки. Этот вариант подразумевает выдерживание металла в соляной ванне с включением хлористого натрия. Затем деталь остужается в резервуаре с едким калием и натрием.

Это интересно: Гидроабразивная резка металла

Закалка металла.

Криогенное воздействие

Метод сводится к охлаждению стали до критически низких температур, после чего кристаллическая решетка подвергается тем же изменениям, что и при закалке на мартенсит.

Заготовку помещают в емкость с жидким азотом, имеющим температуру -195°C и удерживают там нужный промежуток времени (точный интервал определяется маркой стали и массой конструкции).

Затем деталь помещается в условия комнатной температуры, где разогревается естественным путем. Подобный цикл способствует повышению прочности и твердости. Кроме этого, изделие менее подвергается износу и становится долговечным.

Заморозка металла.

Химико-термическая

Метод совмещает несколько технологий и придает материалу твердость, прочность, вязкость и эластичность.

Вся процедура состоит из 3 этапов:

Диссоциация.
Адсорбция.
Диффузия.

Величину диффузионного слоя определяют с учетом температуры и временного промежутка выдержки материала.

Среды, в которые погружается заготовка, бывают жидкими, твердыми и газовыми. Наиболее часто используется последний вариант, что обусловлено повышенной интенсивностью его нагрева.

Химико-термическая обработка металлов.

Термомеханическое воздействие

Под механическим давлением посредством нагартовки материал уплотняется и становится прочным. Эта особенность востребована при подготовке изделий комбинированным путем — с использованием горячей прокатки, волочения или штамповки.

Если нагартованный металл мгновенно погрузить в охлаждающую среду, его структура не успеет поменять свои свойства, а твердость будет повышена путем закалки.

Существуют 2 технологии термомеханической обработки:

Высокотемпературная.
Низкотемпературная.

В 2 случаях нужно проводить повторную термообработку с отпуском в температуре 200-300°C.

Особенности термической обработки легированной стали — часть 3

Карбидообразующие элементы (вольфрам, ванадий, хром) способствуют образованию устойчивого против распада, т.е. красностойкого мартенсита.

Благодаря этому высокая твердость стали сохраняется до температур 450—550°, в то время как в углеродистой стали мартенсит начинает распадаться с температуры 200—250°, что вызывает снижение твердости стали.

Высокая красностойкость является весьма ценным свойством для инструментальной стали. Инструмент в процессе резания нагревается, и если сталь не красноcтойка, то она теряет свою твердость и режущие свойства. Поэтому вольфрам, ванадий, хром широко используют в инструментальных сталях.

Распад мартенсита в таких сталях при 450—550° сопровождается выделением легированных карбидов, вызывающих замедление падения твердости, а иногда и увеличение ее.

Лишь при температурах 650— 700°, когда легированные карбиды сильно увеличиваются в размерах, происходит снижение твердости и прочности. Увеличение твердости в пределах температур 450—550° за счет выделения карбидов называется вторичной твердостью.

Легированный остаточный аустенит обладает большой устойчивостью, и npeвращение его в мартенсит происходит при значительно более высоких температурах отпуска, чем в углеродистой стали.

Так, в быстрорежущей стали, легированной хромом, вольфрамом, ванадием, превращение остаточного аустенита происходит лишь при температуре отпуска 550—575°.

Это превращение состоит в частичном выделении легирующих элементов в виде карбидов во время выдержки при отпуске и в превращении обедненного остаточного аустенита в мартенсит при охлаждении на воздухе.

Такое превращение вызывает повышение твердости и называется вторичной закалкой стали.

Кроме перечисленных явлений, происходящих при отпуске легированных сталей, наблюдается иной, по сравнению с углеродистой сталью, характер изменения ударной вязкости в зависимости от температуры отпуска.

В углеродистых сталях ударная вязкость с повышением температуры отпуска непрерывно возрастает, вплоть до температуры 600—650°.

В некоторых легированных сталях после отпуска в интервале температур 270—400° и 500—600° наблюдается резкое снижение ударной вязкости (рис. 72).

До настоящего времени нет способа устранения хрупкости в интервале 270—400° и поэтому этот вид хрупкости называют неустранимой отпускной хрупкостью, или отпускной хрупкостью первого рода.

Хрупкость в интервале 500—550° называется отпускной хрупкостью второго рода, она может быть устранена быстрым охлаждением после отпуска.

Читайте также: