Термическая обработка — один из широко применяемых методов улучшения свойств металлических материалов и изделий из них.
Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры.
Термическая обработка используется в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости резанием, давлением и др. и как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень физико-механических свойств детали.
1. Виды термической обработки стали
Основными факторами любого вида термической обработки являются температура, время, скорость нагрева и охлаждения. Режим термообработки обычно представляется графиком в координатах температура — время (t — ф) (рисунок 1).
Скорость нагрева и охлаждения характеризуется углом наклона линий на графике.
Рисунок 1 — График термической обработки
Различают три основных вида термической обработки металлов:
собственно термическая обработка
химико-термическая обработка
термомеханическая обработка
Основные виды собственно термической обработки стали:
отжиг первого рода
отжиг второго рода
- закалка — нагрев выше температур фазового превращения с последующим быстрым охлаждением для получения структурно неравновесного состояния;
— отпуск — нагрев закаленной стали ниже температур фазовых превращений и охлаждение для снятия остаточных напряжений после закалки. Если отпуск проводится при комнатной температуре или несколько ее превышающей, он называется старением .
термический сталь механический чугун
2. Влияние термической обработки на механические свойства стали
Термическая обработка проводится для изменения механических свойств стали (прочности, твердости, пластичности, вязкости).
Эти свойства зависят от структуры стали после термической обработки.
После отжига, отпуска, нормализации (отпуск с охлаждением на воздухе) структура стали состоит из пластичного феррита и цементита, обладающего высокой твердостью и хрупкостью. Включения карбидов оказывают упрочняющее действие на стали. При малом числе цементитных включений стали пластичны и имеют невысокую твердость. Измельчение частиц цементита при термической обработке приводит к упрочнению стали. При укрупнении частиц цементита увеличивается способность стали к пластической деформации.
«термическая обработка металла»
... чтотермическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов —это процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью. Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. ...
После закалки структура стали состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Твердость определяется твердостью мартенсита и его количеством. Пластичность закаленной стали зависит не только от содержания мартенсита, но и от его дисперсности (размера игл).
Для обеспечения высокого комплекса механических свойств стремятся получить после закалки мелкоигольчатую структуру, что достигается при мелкозернистой структуре аустенита до превращения.
Твердость стали зависит от температуры изотермического распада аустенита. Чем ниже температура изотермического распада аустенита, тем выше дисперсность перлитных фаз и вследствие этого выше твердость стали.
Заключительной операцией термической обработки является отпуск. При отпуске стальное изделие приобретает свои окончательные свойства. Чем выше температура отпуска, тем ниже прочность и выше пластичность стали. Наибольшая пластичность соответствует при температуре 600-650 о С.
Механические свойства стали после закалки и высокого отпуска оказываются выше по сравнению с отожженной или нормализованной сталью.
Двойная термическая обработка, состоящая в закалке с последующим высоким отпуском, ведущая к существенному улучшению общего комплекса механических свойств, называется улучшением и является основным видом термической обработки конструкционных сталей.
3. Технология термической обработки стали
3.1 Отжиг и нормализация
Отжиг — термическая обработка, при которой сталь нагревается до определенной температуры, выдерживается при ней и затем медленно охлаждается в печи для получения равновесной, менее твердой структуры, свободной от остаточных напряжений.
На рисунке 2 представлена схема различных видов отжига.
отжигу I рода
диффузионный отжиг (или гомогенизация)
рекристаллизационный отжиг
отжиг для снятия внутренних напряжений
Рисунок 2 — Температура нагрева при отжиге и нормализации: отжиг I рода (1 — диффузионный отжиг; 2 — рекристаллизационный отжиг; 3 — отжиг для снятия напряжений).
Отжиг II рода (4 — полный отжиг; 5 — неполный отжиг; 6 — нормализация)
Отжиг II рода
полный отжиг
Полному отжигу подвергают отливки, поковки, прокат для измельчения зерна, снятия внутренних напряжений. При этом повышаются пластичность и вязкость.
неполный отжиг
При неполном отжиге улучшается обрабатываемость резанием в результате снижения твердости и повышения пластичности стали.
Изотермический отжиг, Нормализация
Устраняется крупнозернистая структура, полученная при литье, прокатке или ковке. Охлаждение на воздухе, вне печи, снижает затраты на термообработку. Нормализацию применяют для низкоуглеродистых сталей вместо отжига, а для среднеуглеродистых сталей вместо улучшения (закалка + высокий отпуск).
3.2 Закалка
Закалка — это термическая обработка, которая заключается в нагреве стали до температур, превышающих температуру фазовых превращений, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую минимальную скорость охлаждения. Основной целью закалки является получение высокой твердости, упрочнение.
Чугун и сталь — важнейшие сплавы железа
... упрочнение. Закалку чугуна на мартенсит с нагревом до 000...000 °С и охлаждением в воде и масле применяют для повышения прочности и износостойкости. После закалки проводят низкий отпуск ( ... 000...000 МПа). Существенными недостатками графитизирующего отжига чугунов является длительность (00...00 ч) отжига отливок и ограничение толщины их стенок. Ковкие чугуны согласно ГОСТ 0000--00 маркируются двумя ...
Оптимальный интервал закалочных температур углеродистой стали представлен на рисунке 3.
В зависимости от температуры нагрева различают:
полную закалку
неполную закалку
Рисунок 3 — Оптимальный интервал закалочных температур углеродистой стали
На практике полную закалку применяют для доэвтектоидных сталей, неполную для заэвтектоидных сталей.
Температура нагрева под закалку легированных сталей обычно выше, чем для углеродистых. Диффузионные процессы в легированных сталях протекают медленнее, поэтому для них требуется более длительная выдержка. Нагрев легированных сталей до более высокой температуры и более длительная выдержка не сопровождается ростом зерна, так как легирующие элементы снижают склонность к росту зерна при нагреве. После закалки структура состоит из легированного мартенсита.
критической скоростью закалки
Обычно для закалки используют кипящие жидкости: воду, водные растворы солей и щелочей, масла.
Выбор конкретной закалочной среды определяется видом изделия. Например, воду с температурой 18-25°С используют в основном при закалке деталей простой формы и небольших размеров, выполненных из углеродистой стали. Детали более сложной формы из углеродистых и легированных сталей закаляют в маслах. Для закалки легированных сталей часто используют водные растворы NaCL и NaOH с наиболее высокой охлаждающей способностью. Для некоторых легированных сталей достаточная скорость охлаждения обеспечивается применением спокойного или сжатого воздуха.
Из-за пониженной теплопроводности легированных сталей их нагревают и охлаждают медленнее.
Закаливаемость, Прокаливаемость
При сквозной прокаливаемости по сечению изделия механические свойства одинаковы, при несквозной прокаливаемости в сердцевине наблюдается снижение прочности, пластичности и вязкости металла. Прокаливаемость является важной характеристикой стали и при выборе марки стали рассматривается наряду с ее механическими свойствами, технологичностью и себестоимостью.
Способы закалки стали:
закалка в одном охладителе
закалка в двух средах
ступенчатая закалка
изотермическая закалка
закалка с самоотпуском
обработка холодом
3.3 Отпуск и искусственное старение
Отпуск — это заключительная операция термической обработки стали, которая заключается в нагреве ниже температуры перлитного превращения (727°С), выдержке и последующем охлаждении. При отпуске формируется окончательная структура стали. Цель отпуска — получение заданного комплекса механических свойств стали, а также полное или частичное устранение закалочных напряжений.
Различают следующие виды отпуска:
низкий отпуск
средний отпуск
высокий отпуск
Искусственное старение — это отпуск при невысоком нагреве. При искусственном старении детали нагревают до температуры 120-150 о С и выдерживают при ней в течение 10-35 часов. Длительная выдержка позволяет, не снижая твердости закаленной стали, стабилизировать размеры деталей.
Термическая обработка металлов
... изделий по определенным режимам, в результате чего происходят изменения структуры, фазового состава, механических и физических свойств материала, без изменения химического состава. Назначение термической обработки металлов ... сталей. После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностные свойства, то есть сочетание высокой вязкости с прочностью. термический обработка отжиг закалка Закалка ...
Искусственное старение значительно ускоряет процессы, которые происходят при естественном старении. Естественное старение заключается в выдержке деталей и инструмента при комнатной температуре и длится три и более месяцев.
3.4 Термомеханическая и механотермическая обработка
Повысить комплекс механических свойств стали по сравнению с обычной термической обработкой позволяют методы, сочетающие термическую обработку с пластическим деформированием.
Термомеханическая обработка
Рисунок 4 — Схема термомеханической обработки стали: а — ВТМО; б — НТМО
В зависимости от температуры, при которой сталь подвергают пластической деформации, различают два основных способа термомеханической обработки:
высокотемпературную
низкотемпературную
Термомеханическая обработка позволяет получить очень высокую прочность при хорошей пластичности и вязкости. Наибольшее упрочнение достигается при НТМО, но проведение ее более сложно по сравнению с ВТМО, так как требуются более высокие усилия деформации. ВТМО более технологична, она обеспечивает большой запас пластичности и лучшую конструктивную прочность.
Механотермическая обработка
Патентирование заключается в термической обработке с последующей деформацией на 90-95%. Такая обработка позволяет достичь высокого предела прочности тонкой проволоки из высокоуглеродистой стали.
3.5 Поверхностная закалка
Поверхностная закалка — это термическая обработка, при которой закаливается только поверхностный слой изделия на заданную глубину, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной. В результате поверхностный слой обладает высокой прочностью, а сердцевина изделия остается пластичной и вязкой, что обеспечивает высокую износостойкость и одновременно стойкость к динамическим нагрузкам.
В промышленности применяют следующие методы поверхностной закалки:
закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты
газопламенную поверхностную закалку
закалку в электролите
лазерную закалку
Закалка с индукционным нагревом (нагрев ТВЧ) — наиболее распространенный способ поверхностной закалки.
Схема устройства для закалки с нагревом токами высокой частоты представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 — Схема устройства для закалки с нагревом токами высокой частоты: 1- закаливаемая деталь; 2 — индуктор; 3 — охладитель
Деталь 1 помещают в индуктор 2, который представляет собой медные трубки с циркулирующей внутри водой для охлаждения. К индуктору подводят переменный электрический ток. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле. Магнитный поток индуцирует в металле изделия вихревые токи, вызывающие нагрев поверхности. Основное количество тепла выделяется в тонком поверхностном слое. Глубина нагрева зависит от свойств металла и частоты тока. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.
После нагрева в индукторе деталь охлаждается с помощью специального охлаждающего устройства 3. Через имеющиеся в нем отверстия на поверхность детали разбрызгивается охлаждающая жидкость. Закаленные изделия подвергают отпуску при 160—200°С.
Термическая и химико-термическая обработка сплавов
... химико-термической обработки. Охлаждая кованое изделие из науглероженного железа в воде, кузнец обнаружил резкое повышение его твёрдости и улучшение других свойств. Закалка ... изменения в металле происходят при тепловом воздействии. Термическая обработка металлов подразделяется на: собственно термическую, заключающуюся только в тепловом воздействии на металл, химико-термическую, сочетающую тепловое ...
3.6 Химико-термическая обработка стали
Химико-термической обработкой называется тепловая обработка металлических изделий в химически активных средах для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев. Химико-термическая обработка основана на диффузии атомов различных химических элементов в кристаллическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы.
Любой вид химико-термической обработки состоит из следующих процессов:
диссоциация
адсорбция
- диффузия — перемещение атомов насыщающего элемента с поверхности вглубь металла.
Насыщающий элемент должен взаимодействовать с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения, иначе процессы адсорбции и диффузии невозможны. Глубина проникновения диффундирующих атомов (толщина диффузионного слоя) зависит от состава стали, температуры и продолжительности насыщения.
3.7 Дефекты и брак при термической обработке
При термической обработке могут возникнуть дефекты, связанные как с режимом и технологией ее проведения, так и с особенностями конструкции изделия. Одни виды дефектов неисправимы (трещины, пережог), другие можно устранить последующими операциями механической или термической обработки.
При отжиге и нормализации могут появиться следующие дефекты:
- коррозия — окисление металла при взаимодействии поверхности стальных деталей с печными газами. При этом образуется окалина, повреждается поверхность детали, что затрудняет обработку металла режущим инструментом. Окалину удаляют травлением в растворе серной кислоты, очисткой в дробеструйных установках или галтовочных барабанах;
обезуглероживание
- перегрев — образование крупнозернистой структуры стали при нагреве выше определенных температур и длительной выдержке. Перегрев ведет к понижению пластичности, образованию трещин при закалке. Исправляется повторным отжигом или нормализацией;
— пережог может возникнуть в результате нагрева при еще более высоких температурах и длительной выдержке металла при высокой температуре в окислительной атмосфере печи. Пережог сопровождается окислением и частичным оплавлением границ зерен. Металл становится хрупким. Пережог является неисправимым браком.
В процессе закалки могут возникнуть следующие дефекты:
закалочные трещины
деформация
- коробление
мягкие пятна
низкая твердость
перегрев и недогрев
окисление и обезуглероживание
4. Термическая обработка чугуна
Серые, белые и ковкие чугуны подвергают термической обработке с целью изменения их структуры и свойств.
Технология термической обработки чугуна (отжиг, нормализация, закалка, отпуск и химико-термическая обработка) сходна с технологией термической обработки стали.
В отличие от структурных превращений, наблюдаемых в стали, в чугунах при некоторых видах термической обработки происходит разложение цементита.
Цементит является неустойчивым химическим соединением, способным при нагреве до температур свыше 550° разлагаться с образованием графита или углерода. Этим свойством цементита пользуются при получении ковкого чугуна и при устранении отбеленной корки на деталях из серых чугунов, образующейся в процессе отливки на поверхности деталей, соприкасающейся с формой.
Термическая обработка металлов и сплавов
... термической обработки металлов – получение требуемой твердости, улучшение прочностных характеристик металлов и сплавов. Термическая обработка подразделяется на термическую, термомеханическую и химико-термическую. Термическая обработка – только термическое воздействие, термомеханическая – сочетание термического ... Сульфоцианирование Термическая обработка чугуна Термическую обработку чугунов проводят ...
Кроме процесса разложения цементита и выделения углерода, может идти иной процесс — частичное растворение структурно свободного углерода в твердом растворе. Это явление используют при необходимости повысить твердость чугунного изделия.
В зависимости от структуры различают следующие классы чугунов: ферритный, феррито-перлитный, перлитный и перлитно-цементитный. В промышленности применяются чугуны ферритно-перлитного и перлитного классов.
Различают также следующие виды чугунов: серый, белый, модифицированный, высокопрочный, ковкий и специальные легированные чугуны.
Для повышения механических свойств чугуна применяются следующие виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Термической обработке подвергаются практически все виды чугунов, особенно серый, ковкий и высокопрочный.
Низкотемпературный отжиг выполняют при температуре 500-550 °C с выдержкой от 2 до 8 ч. Охлаждение производится со скоростью 20-30 °C в час до температуры 150-200 °C, затем на воздухе. Применяется для снятия внутренних напряжений, заменяет естественное старение.
Высокотемпературный отжиг проводят при температуре 950-1000 °C с выдержкой в течение до 4-х часов и охлаждением в печи. Применяется для повышения обрабатываемости чугуна, понижения его твердости, а при длительной выдержке — для получения ковкого чугуна.
Нормализация (нагрев до температуры 820-900 °C с последующим охлаждением на воздухе) применяется для повышения износостойкости и прочности чугуна.
Закалка чугуна может быть обычной, изотермической с нагревом в печах или токами высокой частоты. Нагревают до 830-900 °C. При изотермической закалке охлаждение производится в ванне с расплавленной солью, нагретой до 200-400 °C. При закалке в масле изделия нагревают до 830-870 °C, при закалке в воде — до 800-820 °C. Закалка применяется для повышения твердости, износостойкости, предела прочности и упругости.
Закаленный чугун подвергается низкотемпературному (180-250 °C) или высокотемпературному (400-600 °C) отпуску для снятия внутренних напряжений, повышения пластичности и прочности.
Легированным называют чугун, содержащий специальные добавки, такие как никель, молибден, кремний, хром и ванадий. Легированные чугуны с целью закаливания нагреваются до температуры 850-880 °C, а затем охлаждаются в масле. Температура отпуска 200-250 °C.
Модифицированный чугун — это чугун, в который в жидком состоянии перед разливкой введены модификаторы: ферросилиций, силикокальций и алюминий, церий, магний. Модификаторы способствуют получению высоких прочностных и других механических свойств чугуна.
Ковкий чугун получают из белого или серого чугуна путем соответствующего отжига. После такой термической обработки он приобретает вязкость, хорошую обрабатываемость и механическую прочность.
Заключение
Под термической обработкой понимают процесс тепловой обработки, при котором заданные физико-механические свойства (высокая твердость, пластичность, износостойкость) достигаются за счет изменения кристаллической структуры, но без изменения химического состава материалов. Термической обработке подвергаются сталь, чугун и некоторые сплавы цветных металлов.
Термическая обработка чугунов
... повышение механических свойств. Чугун подвергают отжигу, нормализации, закалке и отпуску, а также некоторым видам химико-термической обработки (азотированию, алитированию, хромированию). Отжигу для снятия внутренних напряжений подвергают чугуны ... отжиг) графит в ковком чугуне часто называют углеродом отжига. По составу белый чугун, подвергающийся отжигу на ковкий чугун, ... температура, тем скорость ...
К термической обработке относятся: отжиг, закалка, отпуск, нормализация (термическое улучшение), обработка холодом.
Список использованной литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/termicheskaya-obrabotka-stali-i-chuguna/
1. Материаловедение: Учебник для вузов/ Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ.ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003
2. Чумаченко Ю.Т. Материаловедение и слесарное дело: учебное пособие/ Ю.Т. Чумаченко. — Ростов н/Д: Феникс, 2008
3.
4. http://www.conatem.ru/tehnologiya_metallov/termicheskaya-obrabotka-chuguna.html
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/
6. http://automaterial.ru/?page_id=79
