Изделия из металла и стали используются во всех отраслях промышленности и народного хозяйства. Популярность обусловлена высокой износостойкостью.
Чтобы повысить механические и физические свойства материала, заготовки проходят через повышенные или пониженные температуры. Процесс называется термической обработкой.
Термообработка – это технологический процесс нагрева, охлаждения и выдержки твердых сплавов, который проводится для получения дополнительных свойств за счет изменения структуры на молекулярном уровне.
Термическая обработка – это промежуточный этап при повышении обрабатываемости заготовок. В древности мастера также использовали для закаливания масло, вино и воду, создавая перепад температуры.
Обработка металла по технологиям делится на:
Термическую – это закалка, отпуск, отдых, нормализация и другие методы.
Термо-механическую – на сплав параллельно воздействуют высокой температурой и механически.
Химико-термическую – это штатная закалка металла с последующим нанесением на поверхность химических элементов (углерода, хрома) для обогащения.
Рассмотрим подробнее основные способы термической обработки стали.
Закалка стали
Сущность закалки стали – это технологический процесс, который состоит из следующих этапов:
Металл нагревается до выбранной температуры, происходит выдержка для равномерного распределения по всей глубине детали.
Стремительное охлаждение.
Отпуск, чтобы снять напряжение внутри заготовки и откорректировать ее твердость до нужного значения.
По глубине обработки закалка бывает:
Объемной – основной способ, использующийся повсеместно в машиностроении. Деталь равномерно разогревается на всю глубину. За счет резкого охлаждения твердость материала на поверхности и внутри различается на несколько единиц.
Поверхностной – этот метод используется, когда нужен прочный верхний слой и пластичный внутренний. В печи заготовка прогревается на глубину до 20 мм, и тут же есть спрейер, который поливает раскаленный металл водой.
Закаливать можно марки стали от СТ 45 и выше. Главное ограничение тут по содержанию углерода. Температура прогрева напрямую зависит от того же углерода и легирующих веществ. Например, для СТ45 это 650 градусов, а для СТ90ХФ более 800.
Стали с высоким содержанием углерода прокаливают в несколько этапов, так как быстрый нагрев приведет к образованию трещин снаружи и внутри. Поэтому на температурах 300 и 600 градусов делается выдержка.
После закалки у стали меняются технические характеристики:
Повышается твердость и прочность.
Уменьшается размер зерна.
Снижается пластичность и гибкость.
Увеличивается хрупкость.
Устойчивость к стиранию повышается.
Сопротивление на излом становится меньше.
Каленые изделия также поставляются с высоким классом чистоты поверхности, так как сырая сталь тянется за кругом и ее невозможно шлифовать.
Рассмотрим несколько видов закалки стали:
В одной среде – среда определяет скорость охлаждения заготовок. Максимальная сложность достигается при окунании материала в воду. Если в металле более 0.5% углерода, то он из-за резкого охлаждения потрескается или разрушится сразу. Высоколегированные стали увеличивают твердость даже при охлаждении за счет воздуха.
Ступенчатая – сложные по составу стали закаляют в несколько этапов. Это вода, охлаждающая верхний слой, затем идет масло, где материал остывает до 320 градусов. Нормализация температуры происходит на воздухе. Если сразу опустить изделие в масло, то внутренний температурный режим будет тормозить общее остывание и понизит твердость структуры.
Изотермическая – эта методика подходит при работе с инструментальной сталью. При быстром охлаждении в материале создается сильное напряжение, которое снимается за счет отпуска. Он проводится в несколько этапов. Нормализация улучшает структуру, изделие нагревается до температуры закалки, которое после опускается в ванну с селитрой.
Светлая – легированная сталь не темнеет при нагреве в вакууме или в среде инертных газов. Закалка этим методом требует особого оборудования, сам процесс дорогой. На заводах целесообразна светлая закалка только при массовом производстве однотипных товаров.
Закалка с самоотпуском – при быстром нагреве материала внутри сохраняется источник тепла, который медленно снимает напряжение, то есть происходит самоотпуск. Проводить его могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания изделия в охлаждающей жидкости.
Сегодня в промышленности используют для охлаждения пластиковую стружку, натриевые растворы, воду, масло и селитру.
При закаливании часто возникают несколько типов дефектов:
исправимые – связаны с пятнистой или неравномерной закалкой, и твердость не соответствует требованиям технологического процесса. Такие дефекты образуются из-за некачественной термообработки или неправильного охлаждения;
неисправимые – из-за некачественной заготовки при закалке образуются сколы, трещины, либо она полностью разрушается.
Конечный выбор технологии закалки зависит от температуры обработки, охлаждения, среды для закалки и периодичности.
[include_post id="10738"]
Отпуск стали
При закалке металла внутри образуется напряжение, которое приводит к повышению хрупкости изделия. Цель отпуска стали - устранить внутренние дефекты.
Отпуск – это технологический процесс постепенного охлаждения металла в емкостях с расплавленными щелочами, селитрой или маслом, водой. Если сделано по ГОСТ, то твердость стали многократно возрастает.
Существует несколько видов отпуска:
Низкий – заготовка охлаждается до температуры ниже критической. Металл разогревается до 250 градусов, а скорость охлаждения зависит от марки стали. Низкий отпуск применяется для деталей, которые прошли цементацию или нитроцементацию под воздействие токов высокой частоты.
Средний – используется при обработке упругих деталей. Процесс проходит при температуре 350-400 градусов. Цель – уменьшить размер зерен и повысить прочность, снизить внутреннее напряжение, чтобы заготовка не деформировалась.
Высокий – создание конструкционных металлов и износоустойчивых деталей. Заготовку разогревают до 450-550 градусов. Ее структура на молекулярном уровне меняется. Допустимо изменение формы материала и размера зерен. Их форма также приобретает форму сферы.
Отпускная хрупкость – это изменение ударной вязкости материала. Чтобы он не был хрупким, его разогревают в температурном режиме 250-550 градусов. На втором этапе материал нужно быстро остудить погружением в воду или состав на основе масла.
Отжиг стали
Отжиг – это один из этапов термообработки, который подготавливает или завершает закалку, сварку, давление или резание.
Назначение отжига стали – это изменение структуры стали с целью понизить твердость, повысить пластичность и ударную вязкость, а также нивелировать внутреннее напряжение при обработке. Для этого деталь разогревают значительно выше критической температуры, а затем материал медленно остывает.
После термического воздействия меняется зернистость, структура кристаллической решетки. Температура подбирается под содержание легирующих компонентов и/или углерода.
Обжиг выполняет несколько других функций:
Довести свойства материала к требованиям для последующей обработки.
Улучшить параметры изделия перед резанием или давлением.
Снизить вероятность деформации, внутреннего напряжения.
Восстановить качество стали после неудачной закалки.
Одна из главных особенностей отжига – это отсутствие охлаждающих сред для снижения температуры металла. Остывание происходит естественным путем.
В промышленности известно два типа отжига – первого и второго рода. Рассмотрим их особенности подробнее в формате сводной таблицы.
Отжиг первого рода
Рекристаллизационный
Деталь доводят до температуры на 150-200 градусов выше порога рекристаллизации, выдерживают под нагревом, а затем медленно остужают. Способ используется для понижения жесткости и повышения пластичности
Гомогенизационный
Выравнивание структуры и распределение химических элементов происходит под действием диффузии. Из-за группировки древовидных неоднородностей используется нагрев. Материал разогревают до 1200 градусов, чтобы повысить подвижность атомов и убрать участки с высоким содержанием отдельных элементов. После разогрева деталь на протяжении десятков часов медленно остывает.
Для снижения напряжения
Из-за обработки, нагрева и остывания возникает внутреннее напряжение. Чтобы избавиться от этого феномена, деталь выдерживают в температурном режиме ниже точки рекристаллизации, а затем остужают.
Высокий
Метод используется для сталей с низким содержанием углерода. Изделие нагревают до 650-700 градусов, выдерживают в этом диапазоне около часа, а затем медленно охлаждают в печи или засыпают просушенным песком.
Исправить дефекты можно фазовым превращением составляющих частей изделия. Для этого используется отжиг второго рода. Рассмотрим подробнее методики.
Отжиг второго рода
Полный
Метод используется для сталей с содержанием углерода не более 0.8%. В процессе контролировано уменьшается зернистость, параллельно возрастает ударная вязкость и пластичность.
Неполный
Способ корректировки свойств используется для сталей с содержанием углерода более 0.8%.
Изотермический
Материал разогревается выше точки Ас3, а затем он направляется в ванну или печь, разогреют до 620-700 градусов. Длительность выдержки в температурном диапазоне зависит от размера детали, времени полного распада аустенита.
Нормализационный
Нормализация используется для сталей, где углерода не более 0.3%. В печи заготовка разогревается до критической температуры, а затем охлаждается под открытым небом.
Маятниковый
Способ подходит для получения структуры стали под названием зернистый перлит. Он характеризуется меньшей хрупкостью/твердостью, но повышенной вязкостью и пластичностью. Процедура разогрева и выдержки материала до образования аустенита повторяется не менее трех раз для достижения перлита 100% зернистости.
Нормализация заготовок
Нормализация – это нагрев заготовок из стали на 50 градусов выше критической температуры. Затем проводится выдержка изделия до нормализации и окончательное охлаждение.
Проведение нормализации стали зависит напрямую от температуры нагрева, материала. Оптимальным считается час выдержки при толщине 25 мм.
Нормализацию используют для:
Изменения молекулярной структуры металла или его однородности.
Для повышения прочности/твердости.
Коррекции механических свойств материала.
Понижения напряжения металла, которое возникает на других этапах обработки.
Скорость охлаждения зависит от объема перлита, который входит в состав заготовки, а также размера детали. При повышении скорости охлаждения образуется большее количество перлита. Следовательно, растут показатели твердости/прочности.
Технологический процесс опирается на следующие показатели:
Выдержка – равномерность термического воздействия на все слои стали.
Скорость охлаждения – толщина образования перлитового слоя.
Поэтапное охлаждение – в некоторых случаях требуется оперативное охлаждение при достижении определенного температурного уровня.
На производстве для нормализации используются специальные печи, зачастую оснащенные газовыми нагревателями. В таких системах есть следующие элементы:
Камера – это герметичный закрывающийся бокс, куда помещается заготовка для термической обработки.
Горелка – устройство нагнетает температуру в камере. Оно работает по технологии прямого или косвенного нагрева.
Модуль управления регулирует мощность, бывает комбинированным, пропорциональным или импульсным.
Материал для теплоизоляции.
Запорно-регулирующий механизм.
В промышленности есть несколько видов обработки стали для изменения механических параметров заготовок. Под каждую задачу подбирается температурным режим, среда, оборудование, время на охлаждение.
Заказать звонок
Написать на почту
Telegram
0 комментариев