Термическая обработка стали
Цель работы: ознакомиться с практикой выполнения отжига, нормализации, закалки и отпуска на примере конструкционной стати 40Х (0,4 % углерода, 1 % хрома). Изучить влияние режимов термической обработки на твёрдость стали.
Содержание работы
Свойства стали зависят от химического состава и структуры. Термической обработкой, изменяя структуру, можно получить требуемые свойства конкретной детали. Различают основные вида термической обработки стали: отжиг, нормализацию и закалку.
Любая обработка стали состоит из нагрева, выдержки при температуре нагрева и охлаждения. Нагрев и выдержка необходимы для превращения исходной структуры в однородный аустенит. Охлаждение с различной скоростью от аустенитного состояния приводит к образованию различных структур и определяет получение требуемых свойств стали.
1.1. Основные виды термической обработки стали и их назначение
Отжиг – нагрев стали выше линии А3 (рис. 5.1) доэвтектоидной или А1 заэвтектоидной на 30–50 °С, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение вместе с печью. Весьма медленное охлаждение приводит сталь в равновесное состояние, снижает её твёрдость. Выполняется для исправления структуры или улучшения обрабатываемости резанием конструкционных и инструментальных сталей.
а) б)
Рис. 5.1. Стальной участок диаграммы «Железо – цементит» (а) и температурные области нагрева сталей (б): 1 – доэвтектоидных при отжиге, нормализации, закалке; 2 – заэвтектоидных при закалке; 3 – заэвтектоидных при нормализации;
4 – при низком отпуске; 5 – при среднем отпуске; 6 – при высоком отпуске
Нормализация – нагрев стали выше линии А3 (доэвтектоидной) или Аст (зазвтектоидной) на 30–50 °С, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение – на спокойном воздухе. Более ускоренное охлаждение при нормализации несколько повышает прочность и твёрдость стали. Выполняется для исправления структуры или придания большей прочности и повышенной вязкости, конструкционным и инструментальным сталям.
Закалка – нагрев стали выше линии А3 (доэвтектоидной) или А1 (заэвтектоидной) на 30–50 °С, выдержка при этой температуре и последующее ускоренное охлаждение – в воде, масле или другом охладителе. Максимально повышается твёрдость и прочность конструкционных и инструментальных сталей.
Процессы нагрева стали
Температура нагрева определяется положением критических точек А1 и А3 на диаграмме «Железо – цементит» (рис. 5.1, а). Для правильного выполнения термической обработки сталей температуры нагрева должны соответствовать указанным областям, в которых основное фазовое состояние – аустенит.
Если же по какой-либо причине температура нагрева окажется ниже линии А1, то исходная структура сохраняется и свойства сталей после охлаждения не изменяются.
В случае нагрева доэвтектоидных сталей выше А1, но ниже линии А3 не весь феррит превратится в аустенит. Присутствие в структуре нерастворенного феррита, имеющего низкую твердость, обуславливает пониженную твердость стали. Такая закалка считается неполной.
У заэвтектоидных сталей при закалке растворение цементита вторичного в аустените нежелательно из-за охрупчивания стали, поэтому нагрев выполняется выше линии А1, но ниже Аст.
Таблица 5.1
Нормы нагрева изделий
| Температура нагрева, ºС | Форма изделия | ||
| круг | квадрат | пластина | |
| Продолжительность нагрева, мин | |||
| на 1 мм диаметра | на 1 мм толщины | на 1 мм толщины | |
| 2,0 | 3,0 | 4,0 | |
| 1,5 | 2,2 | 3,0 | |
| 1,0 | 1,5 | 2,0 | |
| 0,8 | 1,2 | 1,8 | |
| 0,4 | 0,6 | 1,6 |
Время выдержки в печи складывается из времени прогрева изделия до заданной температуры и длительности выдержки при температуре, необходимой для превращения исходной структуры в аустенит. Время нагрева зависит от типа нагревающего устройства, способа укладки изделий, температуры нагрева, формы, размеров изделия и от других факторов. Нормы времени нагрева изделий различной формы в лабораторных печах приведены в табл. 5.1.
Процессы охлаждения стали
Охлаждающая среда обеспечивает определённую скорость охлаждения и назначается, исходя из требуемых структуры и свойств стали. Получаемую структуру можно определить при наложении векторов скоростей охлаждения на термокинетическую диаграмму (рис. 5.2) распада аустенита. В зависимости от скорости охлаждения превращение аустенита может быть диффузионным и бездиффузионным.
| Рис. 5.2. Термокинетическая диаграмма распада аустенита эвтектоидной стали: заштрихованная область – область перлитного превращения; V1, V2, V3, V4, VКР – векторы скоростей охлаждения; МH – линия начала мартенситного превращения |
Критерием превращения является критическая скорость закалки VКР. Это наименьшая скорость охлаждения, при которой подавляется диффузия атомов углерода. Для углеродистых и низколегированных сталей VКР = 250 ºС/с.