Термическая обработка легированных инструментальных сталей
Обновлено: 05.05.2024
Отжиг на зернистый перлит при 700° С в течение 2 ч, охлаждение на воздухе. Твердость 236 HV.
В левой части микрофотографии видны зернистый перлит и полосы с особо крупными карбидами; вероятно, это карбиды ванадия вместе с (Fe, Мn)3С. В оптическом микроскопе трудно увидеть карбиды, различающиеся по составу и структуре.
Марка стали: 9Г2Ф
Структурные составляющие: карбиды, мартенсит
Термообработка: 780° С в течение 20 мин, охлаждение в масле. Твердость 853 HV.
Мартенсит и полосы скольжения, содержащие скопления частиц карбида (Fe, Мn)3 С.
Термообработка: 780° С в течение 20 мин, охлаждение в масле. Твердость 853 HV.
Мартенситная матрица, содержащая мелкие частицы, по-видимому, карбида ванадия и более крупные частицы (Fe. Мn)3 С, образующие локальные скопления.
Марка стали: ХВ4
Структурные составляющие: карбиды, перлит, феррит, цементит
Отожженный пруток диаметром 10 мм. Твердость 193 HV.
Продольный шлиф. Зернистый перлит. Ферритные зерна матрицы очень мелкие. Карбидные частицы имеют различные формы и размеры; они состоят из карбидов Ме6С, цементита и WCсерого цвета с четко очерченными прямоугольными границами.
Структурные составляющие: аустенит, карбиды, мартенсит
Термообработка: 815° С в течение 20 мин, охлаждение в воде. Образец диаметром 10 мм, толщиной 10 мм. Твердость 907 HV.
Мартенсит с остаточным аустенитом, рассеянным по объему в виде очень маленьких областей, которые не разрешаются в оптическом микроскопе. В матрице содержатся частицы WCи Ме6С.
Марка стали: ХВГ
Структурные составляющие: карбиды, перлит
Квадратный пруток размером 20х20 мм. Отжиг на зернистый перлит. Твердость 218 НV.
Зернистый перлит с карбидами различных размеров. Различные участки ферритной матрицы травятся неодинаково.
Термообработка: 820° С в течение 20 мин, охлаждение в масле. Размеры образца 20х10х10 мм. Твердость 849 HV.
Мартенсит с темными мартенситными иглами и остаточными карбидами различных размеров.
Термообработка: 820° С в течение 20 мин, охлаждение в масле; 200 С в течение 2 ч, охлаждение на воздухе. Размеры образца 20X10X10 мм. Твердость 711 НV.
Отпущенная структура, более темная после травления, чем исходный мартенсит. Структура содержит остаточные карбиды.
Структурные составляющие: карбиды, перлит, феррит
Отожженный. Квадратный пруток размером 20X20 мм. Твердость 233 HV. Поперечный шлиф. Смесь пластинчатого перлита с вырожденным перлитом, который состоит из крупных зерен карбида, окруженных ферритом.
Исходное состояние. Отожженный. Квадратный пруток размером 20X20 мм. Твердость 233 HV.
Поперечный шлиф. Травление в пикрате натрия . Крупные карбидные частицы образуют сетку, которая окружает области пластинчатого перлита без сферических карбидных выделений.
Источник: "Металлография железа" пер. с англ. Издательство "Металлургия", 1972 г.
Инструментальная легированная сталь
Легированные стали для режущего и измерительного инструмента. По характеру легирования, свойствам и областям применения стали можно разделить на две группы:
1) небольшой прокаливаемости (7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 13Х, ХВ4, ХВ5);
2) повышенной прокаливаемости (9Х, X, 9ХС, ХГС, 12X1, 9ХВГ, ХВГ, ХВСГ).
Химический состав легированных инструментальных сталей приведен в ГОСТ 5950-2000 .
Стали, входящие в первую группу, по устойчивости переохлажденного аустенита незначительно превосходят углеродистые стали У7-У13, но благодаря легированию хромом (0,2-0,7 %), ванадием (0,15-0,3%) и вольфрамом (до 4 %) имеют повышенные устойчивость против перегрева, износостойкость и теплостойкость.
Так же как и углеродистые стали У7-У13, они после термической обработки содержат мало остаточного аустенита, что обеспечивает им высокий предел текучести. Большинство из этих сталей с успехом используют при изготовлении инструментов, подвергаемых поверхностной (местной) закалке. Некоторые из сталей небольшой прокаливаемости имеют специализированное применение: сталь 13Х предназначена главным образом для бритвенных ножей, лезвий, хирургического и гравировального инструмента; сталь ХВ4 рекомендуется для резцов и фрез, используемых для обработки резанием с небольшими скоростями материалов высокой твердости; сталь В2Ф используется для изготовления ленточных пил и ножовочных полотен для резки конструкционных сталей средней твердости.
Комплексное легирование даже относительно небольшими количествами элементов существенно повышает прокаливаемость, способствует увеличению дисперсности и однородности распределения карбидов (за исключением сталей типа ХВГ), уменьшает чувствительность к перегреву, способствует сохранению более мелкого зерна при закалке. Стали повышенной прокаливаемости применяют для изготовления инструментов больших сечений, охлаждаемых при закалке в масле или горячих средах. Указанные особенности сталей второй группы (9ХС, ХГС, ХВГ, ХВСГ) позволяют использовать их для изготовления режущего (метчики, плашки, развертки, фрезы, протяжки), а также штампо-вого инструмента более ответственного назначения, чем из углеродистых и низкопрокаливающихся сталей. Отличительной особенностью марганецсо-держащих сталей (ХВГ, ХВСГ, 9ХВГ) является их малая деформируемость при термической обработке, обусловленная повышенным содержанием остаточного аустенита. Это позволяет рекомендовать их для изготовления тех инструментов, к которым предъявляются жесткие требования относительно стабильности размеров при термической обработке. Недостатком указанных сталей является повышенная склонность к образованию карбидной сетки по границам зерен в результате выделения карбидов в Процессе замедленного охлаждения после горячей пластической деформации или высокотемпературного нагрева. Стали ХВГ и ХВ4 характеризуются также неблагоприятным распределением карбидов в деформированном металле сечением более 30—40 мм. Карбидная неоднородность наблюдается также и в стали X, которая обладает, кроме того, повышенной чувствительностью к перегреву и существенным колебанием прокаливаемости в различных плавках. К особенностям термической обработки низколегированных инструментальных сталей следует отнести необходимость использования резких охлаждающих сред (водные растворы солей и щелочей) для сталей небольшой прокаливаемости, закаливаемых на максимальную твердость (7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 13Х).
Стали повышенной прокаливаемости (9ХС, ХВГ, 9ХВГ, ХВСГ) для уменьшения термических напряжений и коробления у инструментов сложной формы целесообразно подвергать неполной изотермической (выдержка при 180-250 °С длительностью 30-60 мин) или ступенчатой (охлаждение в горячих средах с температурой 150- 220 °С с последующим переносом на воздух) закалке.
Продолжительность выдержки при аустенизации низколегированных сталей выбирают из расчета 50-70 с/мм при нагреве в воздушной печи и 35- 40 с/мм при нагреве в соляной ванне.
Продолжительность отпуска обычно составляет 1-2 ч плюс 1 - 1,5 мин на 1 мм толщины крупногабаритного инструмента.
Сортамент поставляемых легированных инструментальных сталей: кованая круглая и квадратная (ГОСТ 1133-71), калиброванная (ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75 и ГОСТ 8560-78); прокат горячекатаный круглый (ГОСТ 2590-88), горячекатаный квадратный; полосы горячекатаные и кованые (ГОСТ 4405-74).
Допускаемая глубина обезуглеро-женного слоя регламентирована ГОСТ 5950-2000 .
Критические точки, режимы ковки и отжига, режимы окончательной термической обработки и назначение ле-гурованных инструментальных сталей приведены в таблицах ниже:
| Критические точки (температура, С) легированных инструментальных сталей | ||||||
| Сталь | Ас1 | Асм | Аrм | Аr1 | Мн | Мк |
| Стали небольшой прокаливаемости | ||||||
| 7ХФ * 1 | 770 | 780 | 740 | 710 | - | - |
| 8ХФ * 1 | 740 | 750 | - | 700 | 215 | - |
| 9ХФ | 700 | — | - | - | 215 | - |
| 11ХФ | — | — | - | - | 195 | - |
| 13Х | 760 | 780 | 740 | 710 | - | - |
| В2Ф | 750 | 800 | 690 | 650 | - | - |
| Стали повышенной прокаливаемости | ||||||
| 9Х | 730 | 860 | - | 700 | 270 | |
| X | 745 | 900 | - | 700 | 240 | - |
| 9ХС | 770 | 870 | - | 730 | 160 | -30 |
| 12X1 | 750 | 890 | - | - | 245 | -40 |
| 9ХВГ | 750 | 900 | - | - | 205 | - |
| ХВГ | 750 | 940 | - | 710 | 210 | -50 |
| ХВСГ | 770 | 785 | 730 | 720 | 200 | 20 |
| Х6ВФ | 815 | 845 | 775 | 625 | 150 | -100 |
| Для сталей 7ХФ и 8ХФ Ас3 и Аr3 | ||||||
| Режимы ковки и отжига легированных инструментальных сталей | |||
| Сталь | Интервал ковочных температур, °С | Режим отжига | НВ после отжига, МПа, не более |
| 7ХФ | 1160—850 | Нагрев на 780—800 °С, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 640—680 °С, выдержка 2—3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550 °С, далее на воздухе | 2290 |
| 8ХФ | 1150—850 | Такой же, как для стали 7ХФ | 2550 |
| 9ХФ | 1180—800 | Нагрев на 760—790 °С, далее как для стали 7ХФ | 2550 |
| 11ХФ | 1100—800 | Нагрев на 750—790 °С, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 670—700 °С, выдержка 2—3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550 °С, далее на воздухе | 2290 |
| 13Х | 1100-800 | Такой же, как для стали 11ХФ | 2410 |
| ХВ4 | 1125-850 | Нагрев на 800-820 °С, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 600 °С, выдержка 2-3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550 °С, далее на воздухе | 2850 |
| В2Ф | 1200-900 | Нагрев на 780-800 °С, охлаждение со скоростью 50 °С до 710-730 °С, выдержка 2- 3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550 °С, далее на воздухе | 2850 |
| 9X1 | 1150-850 | Нагрев на 800-820 °С, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 670-680 °С, выдержка 2-3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550°С, далее на воздухе | 2290 |
| X | 1150-850 | Нагрев на 780-800 °С, охлаждение со скоростью 50 °С/ч до 670-720 °С, выдержка 2-3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550 °С, далее на воздухе | 2290 |
| 9ХС | 1140-800 | Нагрев на 790-810 °С, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 670-720 "С, выдержка 2-3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550 °С, далее на воздухе | 2410 |
| 12X1 | 1120-850 | Такой же, как и для стали X | 2410 |
| 9ХВГ | 1120-850 | Такой же, как и для стали X | 2410 |
| ХВГ | 1150-850 | Такой же, как и для стали X | 2550 |
| ХВСГ | 1140-850 | Такой же, как для стали 9ХС | 2410 |
| Х6ВФ | 1100-850 | Нагрев на 830-850 °С, охлаждение со скоростью 40°С/ч до 700-720 °С, выдержка 2-3 ч, охлаждение со скоростью 50 °С/ч до 550 °С | 2410 |
Режимы окончательной термической обработки легированных инструментальных сталей
Назначение легированных инструментальных сталей:
| Сталь | Назначение |
| 7ХФ | Деревообрабатывающий инструмент (топоры, долота, зубила), круглые и ленточные пилы со сплющенными и разведенными зубьями, инструмент для чеканки |
| 8ХФ | Ножи для холодной резки металла, обрезные матрицы и пуансоны, кернеры, штемпели |
| 9ХФ | Рамные, ленточные, круглые, строгальные пилы, ножи, обрезные матрицы и пуансоны для холодной обрезки заусенцев, кернеры, штемпели |
| 11ХФ | Метчики и другие режущие инструменты диаметром до 30 мм, закаливаемые в горячих средах, хирургические инструменты, штампы для холодной штамповки, пуансоны, калибры |
| 13Х | Вместо стали У13, У13А для мелких инструментов диаметром 1- 15 мм, чтобы иметь возможность проводить закалку в масле; для инструментов диаметром до 30-35 мм (при закалке в воду) получают более глубокий закаленный слой, чем у стали У13, У13А; назначение то же, что и у стали У13, У13А (см. табл. 6) |
| ХВ4 | Инструменты для чистового резания твердых материалов (отбеленный чугун, валки с закаленной поверхностью) с небольшой скоростью, граверный инструмент, прошивные пуансоны |
| В2Ф | Ленточные пилы по металлу, ножовочные полотна |
| 9X1 | Деревообрабатывающий инструмент, валки холодной прокатки, клейма, пробойники, холодновысадочные матрицы и пуансоны |
| X | Токарные, строгальные и долбежные резцы, работающие при небольших скоростях резания; зубила, гладкие цилиндрические калибры и кaлибeрные кольца |
| 9ХС | Сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки, фрезы; машинные штемпели; клейма; деревообрабатывающий инструмент |
| 12X1 | Измерительные инструменты (плитки, калибры, шаблоны) |
| 9ХВГ | Резьбовые калибры сложной формы, штампы для холодного деформирования сложной формы, которые при закалке не должны подвергаться значительным объемным изменениям и короблению |
| ХВГ | Режущие и измерительные инструменты, в том числе крупных сечений, для которых повышенное коробление при закалке недопустимо (протяжки, длинные метчики и развертки, плашки, резьбовые калибры; деревообрабатывающий инструмент; ножи для бумажной промышленности; холодновысадочные матрицы и пуансоны) |
| хвсг | Инструмент для ручной работы (плашки, сверла, развертки, гребенки, штемпели, клейма); холодновысадочные матрицы и пуансоны; деревообрабатывающий инструмент; ножи для бумажной промышленности |
| Х6ВФ | Дереворежущий фрезерный инструмент, ручные ножовочные полотна, резьбонакатной инструмент, матрицы и пуансоны холодного деформирования |
Автор: Администрация
| Краткие обозначения: | ||||
| σв | - временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа | ε | - относительная осадка при появлении первой трещины, % | |
| σ0,05 | - предел упругости, МПа | Jк | - предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа | |
| σ0,2 | - предел текучести условный, МПа | σизг | - предел прочности при изгибе, МПа | |
| δ5,δ4,δ10 | - относительное удлинение после разрыва, % | σ-1 | - предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа | |
| σсж0,05 и σсж | - предел текучести при сжатии, МПа | J-1 | - предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа | |
| ν | - относительный сдвиг, % | n | - количество циклов нагружения | |
| s в | - предел кратковременной прочности, МПа | R и ρ | - удельное электросопротивление, Ом·м | |
| ψ | - относительное сужение, % | E | - модуль упругости нормальный, ГПа | |
| KCU и KCV | - ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2 | T | - температура, при которой получены свойства, Град | |
| s T | - предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа | l и λ | - коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С) | |
| HB | - твердость по Бринеллю | C | - удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o - T ), [Дж/(кг·град)] | |
| HV | - твердость по Виккерсу | pn и r | - плотность кг/м 3 | |
| HRCэ | - твердость по Роквеллу, шкала С | а | - коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o - T ), 1/°С | |
| HRB | - твердость по Роквеллу, шкала В | σ t Т | - предел длительной прочности, МПа | |
| HSD | - твердость по Шору | G | - модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа | |
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
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 АС1 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.
Предварительная термообработка стали отжиг нормализация
Предварительная термическая обработка стальных заготовок (нормализация, отжиг).
редварительную термическую обработку выполняют для обеспечения требуемых технологических свойств материала заготовок (отливок, поковок, проката и т.п.) и подготовки структуры к окончательной термической обработке: 1) уменьшения твёрдости для снижения усилий резания; 2) измельчения зерна с целью повышения пластичности, так как современные методы обработки конструкционных сталей связаны в основном с формообразованием за счет пластической деформации; 3) устранения различных дефектов структуры (строчечное, ферритной сетки, видманштеповой структуры); 4) получения равномерного распределения структурных составляющих; 5) снятия внутренних напряжений.
В качестве предварительной термической обработки сталей проводят отжиг или нормализацию.
Отжиг — нагрев доэвтектоидной стали до температуры на 30-50 °С выше линии Ac3, выдержка и медленное охлаждение с печью (скорость охлаждения 20-30 град/ч).
При нормализации в отличие от отжига охлаждение производят на спокойном воздухе (скорость охлаждения 3 град/с).
Нагрев доэвтектоидных сталей при предварительной термической обработке выше линии Ac3
необходим для измельчения зерна в сплавах в результате полной перекристаллизации. При этом следует учитывать, что измельчение стали. Такой дефект структуры носит название перегрева. Нагрев же стали в межкритический интервал температур (ниже линии
Ас3,
но выше
Ac1)
не приводит к полной перекристаллизации (измельчается только зерно перлита). Нормализация приводит к несколько более высокой твёрдости, чем отжиг.
Для сталей, содержащих 0,25-0,5 % углерода, повышение твёрдости которых при нормализации невелико, выгоднее проводить нормализацию; для более высокоуглеродистых сталей, содержащих 0,55-0,75 % С — отжиг, но, возможно, и нормализацию — в зависимости от используемой в дальнейшем технологии.
Малоуглеродистые стали (до 0.25 % С) необходимо подвергать только нормализации, чтобы сталь, имея структуру феррит + перлит (небольшое количество), была пластичной. После отжига эти стали будут иметь структуру феррита и цементита, расположенного по границам ферритных зерен, что сильно охрупчивает стали.
Измельчение зерна при отжиге или нормализации доэвтектоидных сталей в результате перекристаллизации происходит как при нагреве, так и при охлаждении
Цементация стали
Цементация стали — химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С табл.1
Тонкая пленка окислов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°С; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.
При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300° ) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.
Предварительная термическая обработка углеродистых инструментальных сталей.
Заэвтектоидные инструментальные стали имеют исходную структуру перлит + вторичный цементит, при этом в ряде случаев при некачественно проведенной горячей обработке давлением (ковке, прокатке и др.) вторичный цементит расположен в виде сетки по границам перлитных зерен.
акая структура приводит к повышенной хрупкости стали и затрудняет ее механическую обработку, а после дальнейшей закалки инструмент будет хрупок и неработоспособен. Поэтому в первую очередь необходимо избавиться от сетки вторичного цементита. Для этого заэвтектоидную сталь нагревают до температуры, при которой вторичный цементит полностью растворится, т. е. на 30-50 °С выше линии
Ас3
(но обычно не выше 920-950 °С), выдерживают при этой температуре и ускоренно охлаждают на воздухе или в масле (в зависимости от сечения заготовки). Если же охлаждать медленно, например, с печью, то вторичный цементит успевает вновь выделиться избирательно по границам перлитных зерен.
Главным условием образования перлита с зернистой формой цементита является фиксация при охлаждении неоднородного по углероду твердого раствора (аустенита). Из однородного (гомогенного) аустенита при медленном охлаждении всегда образуется цементит пластинчатой формы. На практике отжиг проводят путем нагрева стали выше точки Ac1
(до 740-770 °С) с последующей длительной изотермической выдержкой при температуре 660-700 °С (наиболее технологичный режим) или с последующим непрерывным охлаждением с печью со скоростью не более 50 град/ч до 500-600 °С и далее на воздухе (рис. 6.5). Для отдельных заготовок инструментов и небольших их партий возможен маятниковый отжиг, сокращающий время обработки.
Дефекты закалки
К дефектам закалки относятся:
- трещины,
- поводки или коробление,
- обезуглероживание.
Главная причина трещин и поводки — неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая причина — увеличение объема при закалке на мартенсит.
Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местах детали превышают прочность металла в этих местах.
Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения. При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.
Коробление (или поводка)возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.
Обезуглероживание стали с поверхности — результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).
Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).
Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т. е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.
Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла — 100 г, огнеупорной глины — 75 г, графита — 25 г, буры — 14 г, карборунда — 30 г, воды — 100 г. Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры
Термическая обработка стали
Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.
Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.
Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.
Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.
Изменение структуры металла при термообработке
Назначение термической обработки
Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам . Здесь происходит:
- вторичная кристаллизация сплава;
- переход гамма железа в состояние альфа железа;
- переход крупных частиц в пластинки.
Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.
Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения
Основное назначение термической обработки — это придание сталям:
- В готовых изделиях:
- прочности;
- износостойкости;
- коррозионностойкость;
- термостойкости.
- В заготовках:
- снятие внутренних напряжений после литья;
- штамповки (горячей, холодной);
- глубокой вытяжки;
Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:
- Углеродистым и легированным.
- С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
- Конструкционным, специальным, инструментальным.
- Любого качества.
Классификация и виды термообработки
Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:
- время нагревания (скорость);
- температура нагревания;
- длительность выдерживания при заданной температуре;
- время охлаждения (интенсивность).
Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.
Виды термической обработки стали:
- Отжиг
- I – рода: гомогенизация;
- рекристаллизация;
- изотермический;
- снятие внутренних и остаточных напряжений;
- полный;
- Закалка;
- Отпуск:
- низкий;
- средний;
- высокий.
- Нормализация.
Температура нагрева стали при термообработке
Отпуск
Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.
Отпуск низкий
Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:
- Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
- выдерживание — полтора часа;
- остывание – воздух, масло.
Пережог
Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.
При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.
Преимущества термообработки
Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.
Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.
В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.
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.
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.
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.
Читайте также: