Понятие о термической обработке (закалка, отжиг, нормализация)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

Чувашской Республики «Канашский транспортно-энергетический техникум»

Министерства образования и молодёжной политики Чувашской Республики

Реферат

на тему «Понятие о термической обработке (закалка, отжиг, нормализация)»

Выполнил Миронов А.

Студент группы СП 02-15

Специальность: Сварочное производство

Канаш - 2016



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Отжиг

2. Закалка

3. Нормализация

4. Виды закалки

5. Дефекты при закалке

6. Виды отжига

Заключение

Список источников и литературы



ВВЕДЕНИЕ

Термическая обработка металлов как наука составляет часть металловедения и родилась и развивалась одновременно с ним. Практические приемы термической обработки металлов столь же древни, как вообще искусство обработки металлов, и известны человечеству со времен бронзового века. Становление термической обработки металлов как науки связано с именем Д. К. Чернова, который в 1868 г. сообщил об открытых им критических точках (температурах), определяющих возможность закалки стали и измельчения ее зерна.

Термическую обработку можно разделить на несколько основных видов, исходя из сущности происходящих в металле процессов. Такими основными видами являются: отжиг первого рода, отжиг второго рода, закалка (с полиморфным превращением и без него), отпуск (старение). Во всех этих процессах на металл оказывается только тепловое воздействие. Имеются еще два вида термической обработки, в которых, кроме теплового воздействия, металл подвергается еще химическому воздействию (химико-термическая обработка) и пластическому деформированию (термомеханическая обработка).



1. ОТЖИГ

Представляет собой операцию термической обработки, заключающуюся в нагреве стали, выдержке при данной температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью или в песке со скоростью 2-3° в минуту. В результате отжига образуется устойчивая структура, свободная от остаточных напряжений.

Отжиг является одной из важнейших массовых операций термической обработки стали.

Цель отжига:

1) снижение твердости и повышение пластичности для облегчения обработки металлов резанием;

2) уменьшение внутреннего напряжения, возникающего после обработки давлением (ковка, штамповка), механической обработки и т. д.;

3) снятие хрупкости и повышение сопротивляемости ударной вязкости;

4) устранение структурной неоднородности состава материала, возникающей при затвердевании отливки в результате ликвации;

5) изменение свойств наклепанного металла.

В зависимости от поставленных задач отжиг производится при различных температурах и бывает двух видов: неполный и полный.

Температура отжига, как правило, должна быть на 20-30° выше 723° (критической точки), при которой происходит основное изменение внутреннего строения стали.

Скорость нагрева детали до температуры отжига зависит от химического состава, формы и размеров детали. При больших размерах и сложной форме детали нагрев должен быть медленным. Скорость охлаждения при отжиге должна быть малой. Углеродистые стали охлаждаются при отжиге со скоростью 100- 200° в час, низкоуглеродистые - со скоростью 50-60° в час, высоколегированные - еще медленнее. На практике при отжиге детали обычно охлаждаются вместе с печью до комнатной температуры.

При неполном отжиге, цель которого состоит только в устранении внутренних напряжений, сталь с любым содержанием углерода нагревают до 750-760°.

Для полного отжига сталь с содержанием углерода более 0,8% нагревают также до 750-760°, а при меньшем содержании требуется постепенное повышение температуры отжига до 930-950°. Детали выдерживаются при указанных температурах до полного нагрева. Время выдержки зависит от формы деталей. Затем их медленно охлаждают до комнатной температуры (20°). Качество отжига определяют по виду излома.

2. ЗАКАЛКА

Еще древние мастера, работавшие в кузнях, замечали, как тепловое воздействие в разной степени влияет на металл, меняя его структуру и свойства. С помощью термообработки можно улучшить механические характеристики детали, сделать ее более долговечной и даже уменьшить вес за счет увеличения прочности! Термообработка позволяет даже изготавливать качественные детали из более дешевых сплавов, улучшая их характеристики до нужной отметки. Закалка стали - процесс термообработки, в результате которого сталь нагревается до критической температуры и быстро охлаждается. Цель такой обработки - повышение твердости и прочности детали с уменьшением ее пластичности.

Для каждого вида закалки металла существует отдельный режим, определяющий исход процесса. Нужно учесть температуру нагрева, вычислить точное время и скорость нагрева, продолжительность выдержки детали при максимальном значении температуры, скорость охлаждения. На атомном уровне при достижении критической температуры перестраивается атомная решетка. Для разных марок стали существует своя критическая температура, в зависимости от уровня содержания углерода и примесей. Закалка делает металл твердым, но в то же время хрупким. Поверхность изделия теряет углероды и покрывается окалиной, поэтому очень важно учитывать припуск для дальнейшей обработки, иначе деталь в процессе закалки можно испортить.

Охлаждение детали должно проходить быстро, чтобы атомная структура не преобразовалась в промежуточные. При этом слишком быстрое охлаждение может привести к растрескиванию стали или короблению. Во избежание брака скорость охлаждения при достижении порога в 200 °С замедляют. Углеродистая сталь и изделия из нее прогреваются в камерных печах. Печь для закалки прогревается в среднем на 800 °С, хотя некоторые марки стали закаляются и при более высоких температурных режимах (1250-1300 °С). Эти марки не подвержены растрескиванию, поэтому в предварительном подогреве они не нуждаются. Сложные детали, которые имеют резкие переходы или тонкие грани, предварительно подогревают в отдельных печах или соляных ваннах. Температура подогрева - до 500 °С.

Очень важно обеспечить равномерный нагрев всего изделия. Часто это сделать невозможно за один подход, поэтому могут быть проделаны две выдержки. Если прогреваются несколько изделий, время увеличивается, если одно - то уменьшается. Например, одну дисковую фрезу (24 мм) будут прогревать 10-13 минут, тогда как десяток таких изделий, помещенных в печь вместе, нужно выдержать все 15-18 минут.

3. НОРМАЛИЗАЦИЯ

Нормализация является разновидностью отжига и отличается от него тем, что охлаждение обрабатываемых деталей производится после нагрева и выдержки на воздухе. Нормализации подвергаются штампованные и кованые заготовки, как из углеродистой, так и легированной стали, а также цементированные детали.

Цель нормализации -- улучшение микроструктуры стали, повышение механических свойств и подготовка к последующей термической обработке. Нормализацией можно исправить структуру после ковки и штамповки деталей, уничтожить перегрев после сварки деталей и снятия напряжения в сварном шве. После нормализации отливки имеют высокий предел текучести и прочности, а также повышенную ударную вязкость. Для некоторых марок углеродистых и специальных сталей нормализация является окончательной операцией термической обработки, так как в результате нормализации эта сталь приобретает требуемые свойства.

При нормализации доэвтектоидные стали нагреваются до температуры на 50 °C выше критической точки завершения превращения избыточного феррита в аустенитA_C3, а заэвтэктоидные до температуры на 50 °C выше точки завершения превращения избыточного цементита в аустенит A_ст. Нагревание ведется до полной перекристаллизации. Охлаждение производится на воздухе в цехе. В результате сталь приобретает мелкозернистую, однородную структуру. Твердость, прочность стали после нормализации выше на 10-15 %, чем после отжига.

Структура низкоуглеродистой стали после нормализации феррито-перлитная, такая же, как и после отжига, а у средне- и высокоуглеродистой стали -- сорбитная. В некоторых случаях нормализация может заменить для низкоуглеродистой стали отжиг, а для высокоуглеродистой -- улучшение (закалку с высоким отпуском). Часто нормализацию используют для подготовки стали к закалке. Нормализация обеспечивает большую производительность и лучшее качество поверхности при обработке резанием.

4. ВИДЫ ЗАКАЛКИ

Существует несколько способов закалки, применяемых в зависимости от состава стали, характера обрабатываемой детали, твердости, которую необходимо получить, и условий охлаждения.

Закалка в одной среде схематично показана на рис. 1 в виде кривой 1. Такую закалку проще выполнять, но ее можно применять не для каждой стали и не для любых деталей, так как быстрое охлаждение деталей переменного сечения в большом интервале температур способствует возникновению температурной неравномерности и больших внутренних напряжений, что может вызвать коробление детали, а иногда и растрескивание (если величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности).

Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.

Рис. 1. Кривые охлаждения для различных способов закалки

Заэвтектоидные стали закаливают в одной среде, если детали имеют простую форму (шарики, ролики и т. д.). Если детали сложной формы, применяют либо закалку в двух средах, либо ступенчатую закалку.

Закалку в двух средах (кривая 2)применяют для инструмента из высокоуглеродистой стали (метчики, плашки, фрезы). Сущность способа состоит в том, что деталь вначале замачивают в воде, быстро охлаждая ее до 300--400° С, а затем переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.

Ступенчатую закалку (кривая 3) выполняют путем быстрого охлаждения деталей в соляной ванне, температура которой намного выше температуры начала мартенситного превращения (240--250° С). Выдержка при этой температуре должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению детали. Затем детали охлаждают до комнатной температуры в масле или на спокойном воздухе, устраняя тем самым термические внутренние напряжения.

Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, коробление и возможность образования трещин.

Недостаток этого вида закалки в том, что горячие следы не могут обеспечить большую скорость охлаждения при температуре 400--600° С. В связи с этим ступенчатую закалку можно применять для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (до 8--10 мм). Для легированных сталей, имеющих небольшую критическую скорость закалки, ступенчатая закалка применима к деталям большого сечения (до 30 мм).

Изотермическую закалку (кривая 4)проводят так же, как ступенчатую, но с более длительной выдержкой при температуре горячей ванны (250--300° С), чтобы обеспечить полный распад аустенита. Выдержка, необходимая для полного распада аустенита, определяется по точкам а и b и по S-образной кривой (см. рис. 1). В результате такой закалки сталь приобретает структуру игольчатого троостита с твердостью HRC45 55 и с сохранением необходимой пластичности. После изотермической закалки охлаждать сталь можно с любой скоростью. В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли: 55% KNO₃ + 45% NaNO₂ (температура плавления 137° С) и 55% KNO₃ + 45% NaNO₃ (температура плавления 218° С), допускающие перегрев до необходимой температуры.

Изотермическая закалка имеет следующие преимущества перед обычной: минимальное коробление стали и отсутствие трещин; большая вязкость стали.

В настоящее время широко используют ступенчатую и изотермическую светлую закалки.

Светлую закалку стальных деталей проводят в специально оборудованных печах с защитной средой. На некоторых инструментальных заводах для получения чистой и светлой поверхности закаленного инструмента применяют ступенчатую закалку с охлаждением в расплавленной едкой щелочи. Перед закалкой инструмент нагревают в соляной ванне из хлористого натрия при температуре на 30--50° С выше точки А_С1 и охлаждают при 180--200° С в ванне, состоящей из смеси 75% едкого калия и 25% едкого натра сдобавлением 6--8% воды (от веса всей соли).

Смесь имеет температуру плавления около 145° С и, благодаря тому что в ней находится вода, обладает очень высокой закаливающей способностью.

При ступенчатой закалке стали с переохлаждением аустенита в расплавленной едкой щелочи с последующим окончательным охлаждением на воздухе детали приобретают чистую светлую поверхность серебристо-белого цвета; в этом случае отпадает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка с самоотпуском широко применяется в инструментальном производстве. Сущность ее состоит в том, что детали не выдерживают в охлаждающей среде до полного охлаждения, а в определенный момент извлекают из нее, чтобы сохранить в сердцевине изделия некоторое количество тепла, за счет которого производится последующий отпуск. После достижения требуемой температуры отпуска за счет внутреннего тепла деталь окончательно охлаждают в закалочной жидкости.

5. ДЕФЕКТЫ ПРИ ЗАКАЛКЕ

Недостаточная твердость закаленной детали -- следствие низкой температуры нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.

Исправление дефекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; применение более энергичной закалочной среды.

Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.

Исправление дефекта: отжиг (нормализация) и последующая закалка с необходимой температуры.

Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200--1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.

Окисление и обезуглероживание стали характеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности деталей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосферой.

Коробление и трещины -- следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных превращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема до 3%). Разновременность превращения по объему закаливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних напряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.

Образование трещин обычно наблюдается при температурах ниже 75--100° С, когда мартенситное превращение охватывает значительную часть объема стали. Чтобы предупредить образование трещин, при конструировании деталей необходимо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от тонких сечений к толстым; следует также медленно охлаждать сталь в зоне образования мартенсита (закалка в масле, в двух средах, ступенчатая закалка). Трещины являются неисправимым браком, коробление же можно устранить последующей рихтовкой или правкой.

6. ВИДЫ ОТЖИГА

термический обработка металл закалка

Полному отжигу подвергают обычно доэвтектоидные стали, нагревая их до температур выше линии GS, выдерживая при них в течение ¹/₄ продолжительности нагрева и медленно охлаждая вместе с печью до 600 -- 400° С. Углеродистые стали охлаждают со скоростью 100--150° в час, легированные -- со скоростью 30--50° в час. Полный отжиг сопровождается фазовой перекристаллизацией, в результате чего крупнозернистая сталь получает мелкозернистую структуру, освобождается от внутренних напряжений, становится мягкой и вязкой. Для отжига изделия упаковывают в ящики, трубы или реторты, которые затем наполняют песком, чугунной стружкой или углем, чтобы предохранить поверхность изделий от обезуглероживания и окисления. Наилучшие результаты дает применение защитной атмосферы. Отжиг в защитной атмосфере называют светлым, так как при этом способе обезуглероживания и окисления почти не бывает и поверхность изделий остается относительно светлой.

Неполный отжиг является разновидностью отжига перекристаллизации. При неполном отжиге сталь нагревают до температуры, на 30--40° превышающей нижнюю критическую точку А_С1 (см. рис. 1), т. е. до 750--760° С.

Замедленное охлаждение или длительная выдержка стали при температурах 680--750° С способствует образованию крупнопластинчатого перлита, облегчающего обрабатываемость стали резанием. Для мягких доэвтектоидных сталей, содержащих до 0,4--0,5% углерода, этот вид отжига применяют редко, так как они и без отжига достаточно хорошо обрабатываются резанием. Для инструментальных сталей, особенно заэвтектоидных, неполный отжиг является единственным видом отжига. Он способствует снятию внутренних напряжений и улучшению обрабатываемости резанием.

Отжигу на зернистый перлит подвергают эвтектоидные и заэвтектоидные стали. Для отжига сталь нагревают на 20--30° выше критической точки A_Ci(см. рис. 54) и после выдержки при рабочей температуре в течение 3--5 часов медленно охлаждают (со скоростью 30--50° в час) до 650--600° С. В результате длительной выдержки пластинчатый перлит превращается в зернистый; это явление называется сфероидизацией (округлением). Высокоуглеродистые инструментальные стали, содержащие более 0,65% углерода, со структурой зернистого перлита хорошо обрабатываются резанием и лучше поддаются закалке; они обладают меньшей склонностью к образованию трещин и короблению. В некоторых случаях, чтобы ускорить процесс сфероидизации перлита, нагрев и охлаждение повторяют несколько раз. Такой отжиг называется м а я т н и к о в ы м, или цикличным. При цикличном отжиге инструментальную сталь нагревают до 730--750° С и медленно охлаждают до 650° С; процесс повторяют несколько раз. Все заэвтектоидные (инструментальные) стали отжигают на зернистый перлит.

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали выше критической точки А_С3 и выдержке при этой температуре в течение времени, необходимого для полного и равномерного прогрева. Затем сталь относительно быстро охлаждают до температуры ниже A_r1(650--700° С). При этой постоянной (изотермической) температуре сталь выдерживают определенное время, необходимое для полного распада аустенита с образованием перлита (в доэвтек-тоидной стали -- феррита и перлита), и затем охлаждают на воздухе. Изотермический отжиг имеет почти вдвое более короткий цикл, чем обычный отжиг.

Рис. 2. Интервал закалочных температур углеродистой стали



Преимущества изотермического отжига --однородность структуры и ускорение процесса, особенно при отжиге легированной стали. Для сталей, содержащих большое количество хрома, никеля и других элементов, только изотермический отжиг позволяет добиться превращения весьма устойчивого аустенита в перлит и феррит и обеспечить хорошую обрабатываемость стали режущим инструментом. Диффузионный отжиг применяют для слитков и крупных отливок, чтобы выравнять (путем диффузии) химический состав стали, имеющий внутрикристаллическую ликвацию.

Сталь нагревают до 1050--1150° С, выдерживают при этой температуре 10--15 часов и затем медленно охлаждают до 600 -- 550° С. Диффузионный отжиг приводит к росту зерна стали; этот дефект устраняют повторным отжигом на мелкое зерно (полный отжиг). Сталь, прошедшая гомогенизацию, обладает более высокими меха* ническими свойствами; особенно повышается ударная вязкость.

Рекристаллизационным отжигом называется отжиг стали, прошедшей холодную прокатку, волочение или холодную штамповку, с выдержкой при температуре 680--700° С и последующим охлаждением. Этой температуры достаточно для того, чтобы возвратить стали свойства, которые она имела до холодной обработки давлением. В результате такого отжига понижается твердость и прочность, но повышаются показатели пластичности -- относительное удлинение, ударная вязкость.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Термическая обработка является одной из основных, наиболее важных операций общего технологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависит качество (механические и физико-химические свойства) изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции. Разработаны и рационализированы технологические процессы термической обработки серых и белых чугунов, сплавов цветных металлов

Перспективным направлением совершенствования технологии термической обработки является установка агрегатов для термической обработки в механических цехах, создание автоматических линий с включением в них процессов термической обработки, а также и разработка методов, обеспечивающих повышение прочностных свойств деталей, их надежности и долговечности.



СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1) Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.

2) И. И. Новиков. Термическая обработка

3) А. П. Гуляев. Металловедение

4) Суперсплавы II, Москва, «Металлургия», 1995

5) А. Ю. Маламут. Термопечи, Москва, 2010.

6) А. И. Климычев. Практикум по лабораторным работам

Размещено на Allbest.ru