Термічна обробка сталі та її види. Хіміко-термічна обробка сталі

Сталь являє собою сплав заліза з вуглецем, концентрація якого не перевищує 2,14%. У сталі загального призначення його вміст коливається від 0,05 до 1%. Жодна сфера діяльності людини не обходиться без цього сплаву. Його використовують як для створення об'ємних конструкцій, так і при виробництві надточного обладнання.

Вуглець і інші домішки у складі стали

Легування заліза вуглецем складається з двох етапів. На першому до заліза додають 6,67% вуглецю, в результаті чого утворюється карбід заліза, або цементит. При нормальних умовах звичайна сталь складається з двох гомогенних фаз - цементиту і фериту. При нагріванні цементит розчиняється в залізі з утворенням аустеніту. Концентрація вуглецю впливає на основні механічні властивості сталі. Її збільшення сприяє зниженню пластичності і в'язкості, підвищення твердості і міцності речовини. Крім того, вуглець підвищує ливарні властивості, але погіршує зварюваність і оброблюваність розглянутого матеріалу.

У стали також присутні різні домішки, наявність яких обумовлено технологією виробництва або попаданням з залізної руди. Марганець і кремній є спеціальними добавками, що вводяться до складу сталі з метою видалення сірчистих сполук заліза і двовалентного оксиду. Концентрація кремнію знаходиться в межах 0,4%, а марганцю - 0,8%. Марганець і кремній також підвищують межу міцності і пружність відповідно (трохи нижче представлений графік термічної обробки сталі).

Фосфор підвищує міцність речовини, зменшуючи пластичність і в'язкість. Негативний вплив елемента полягає в доданні стали хладноломкости, тому при виробництві не допускається перевищення його вмісту в 0,045%. Сірка обумовлює красноломкость сплаву, її концентрація обмежена 0,05%.

Типологія

Існує кілька класифікацій сталі.

1. Залежно від хімічного складу:

• вуглецеві, в них присутня залізо, вуглець і домішки;
• леговані з різними спеціальними добавками.

2. Залежно від концентрації вуглецю:

• високовуглецеві (понад 0,7%);
• середньовуглецеві (0,25 - 0,7%);
• низьковуглецевих (до 0,25%).

3. За призначенням:

• конструкційні;
• інструментальні;
• спеціального призначення.

4. Залежно від якості:

• звичайної якості,
• якісні,
• високоякісні;
• особливо високоякісні.

Термічна обробка сталі. Основна інформація

Призначення термічної обробки сталі - зміна структури сплаву, а
отже, і його властивостей, наприклад, надання виробу твердості і крихкості або, навпаки, м'якості і пластичності.

Суть процесів полягає в нагріванні сталевої заготовки, її витримці і охолодженні. Все це відбувається при строгому дотриманні певних параметрів, зокрема, температури і швидкості. На режими впливає і класифікація сталей. Термічна обробка сталей певних видів вимагає різних умов для досягнення одного і того ж результату.

Спрощено структурні зміни стали при нагріванні можна відобразити в таблиці.

Твердість аустеніту в 2-2,5 рази вище такої фериту. Останній більш пластичний. При охолодженні структура сплаву змінюється у зворотній послідовності.

Основні види термічної обробки сталі - загартування, нормалізація, відпустка, відпал.

Відпал

Технологія цього процесу складається з нагрівання сталевих заготовок, витримки з подальшим повільним охолодженням, після чого в металі досягається рівноважна структура. Його завданням є зменшення внутрішньої напруги в сплаві, а також збільшення пластичності. Така термічна обробка сталі підрозділяється на два роду. Вони мають суттєві відмінності. У першому випадку термічна обробка стали не передбачає структурних змін, заснованих на фазових перетвореннях.

Відпал I роду

Даний вид термообробки підрозділяють на 4 групи:

- Гомогенізація. Сплавів після кристалізації притаманний нерівномірний склад хімічних компонентів як для одного зерна, так і для всього обсягу злитка, що обумовлюється різними температурами плавлення елементів. Такі нерівноважні структури більшою мірою характерні для легованих сталей. Оскільки урівноваження хімічного складу відбувається завдяки дифузії, для його здійснення потрібні високі температури. До 1100-1200 ordm-С заготовки стали нагріваються в спеціальних печах, в яких витримуються від 8 до 15 годин, після чого відбувається повільне охолодження в печі (6-8 годин) до 800-850 ordm-С. Після досягнення необхідної температури заготовки доохлаждается на повітрі. Така термічна обробка легованих сталей забезпечує їх пластичність, що значно полегшує їх обробку деформацією.

- Відпал рекристалізації. Його застосовують для зняття ефекту зміцнення сталі, пов'язаного з холодною пластичною деформацією, в результаті якої утворюються дефекти кристалічної решітки, звані дислокаціями і вакансіями. При утворенні такої структури відбувається сплющування і витягування зерен металу, через що виникає наклеп і зменшується пластичність сплаву.

Дана технологія термічної обробки сталі на увазі нагрівання до температур вище на 100-200 ordm-С початку кристалізації (приблизно 500-550 ordm-С).

Тривалість витримки варіюється від 0,5 до 2 годин, потім проводиться повільне охолодження. Зміна структури відбувається за рахунок утворення нових зерен і поступового зникнення деформованих. Таким чином, відбувається зменшення дефектів кристалічної решітки.

- Відпал для зняття залишкових напруг. Внутрішні напруги в сталевих деталях виникають в результаті таких процесів, як зварювання, лиття, різання, шліфування, гаряча деформація. Вони досягають досить великих величин. У підсумку укупі з робітниками згодом викликають руйнування металу.

Для усунення даного явища здійснюють відпал при температурі нижче кристаллизационной (727 ordm-С). При проведенні процесу тривалістю в 20 годин при 600 ordm-С напруги практично повністю ліквідуються. Для зменшення тривалості процесу температуру збільшують до 680-700 ordm-С.

Відпал II роду

За допомогою цього процесу рівноважна структура матеріалу досягається при фазових перетвореннях. Структура стали після термічної обробки частково або повністю змінюється. Кардинальна зміна будови сплаву відбувається завдяки подвійній перекристалізації, в результаті якої відбувається зменшення розмірів зерен, усунення внутрішніх напружень, зняття наклепу. Види термічної обробки сталі - повний (пом'якшувальний) і неповний отжиг.

Повний відпал

В результаті даного процесу відбувається перетворення великої феритної-перлітною структури в дрібну аустенітну, яка при повільному охолодженні (30-50 ordm-С) перетворюється на дрібну феритної-перлітною. Таким способом обробляється конструкційна сталь з метою підвищення пластичності і зниження твердості.

Неповний отжиг

В результаті неповного відпалу пластинчастий перліт перетворюється на зернистий феррітоцементіт, проходячи через стадію аустеніту (близько 780 ordm-С). Такий процес використовується для інструментальних сталей.

Оскільки отжиг є досить тривалою операцією (до 20 годин), в якості альтернативи застосовується нормалізація речовини. Це термічна обробка сталі, в результаті якої поліпшується її оброблюваність різанням, виправляється структура зварних швів, а також відбувається підготовка сплаву до загартування. Температура процесу перевищує точки А_сз або А_ст в залежності від виду стали на 30-50 ordm-С.

Нормалізація - це, як правило, термічна обробка вуглецевих сталей. В результаті не вимагається подальша гарт середньовуглецевих сталей і деяких спеціальних, оскільки необхідна для використання деталей міцність досягається завдяки нормалізації. Структура нормалізованої сталі - сорбіт.

Загартування

Це термічна обробка сталі, завдяки якій відбувається підвищення її міцності, зносостійкості, твердості, межі пружності, а також зниження пластичних властивостей. Технологія гарту складається з нагріву до певної температури (приблизно 850-900 ordm-С), витримки і різкого охолодження, завдяки якому ці властивості і досягаються. Загартування є найпоширенішим способом поліпшення фізико-механічних властивостей сплаву. Види термічної обробки сталі: з поліморфним перетворенням і без такого.

Загартування з поліморфним перетворенням використовують для сталей, у складі яких присутній елемент, здатний до поліморфним перетворенням.

Сплав нагрівається до температури зміни кристалічної решітки полиморфного елемента. В результаті нагрівання збільшується розчинність легирующего компонента. При зниженні температури тип решітки змінюється у зворотний бік, але оскільки воно відбувається з великою швидкістю, в сплаві залишається надмірна концентрація елемента зі зміненою решіткою. Так виникає нерівноважна структура, що є термодинамічно нестійкою. Голчаста мікроструктура сталі, після термічної обробки утворилася в сплаві, називається мартенситом. Для зняття залишкових напруг метал далі піддають відпустці.

Загартування без поліморфних перетворень застосовується у випадках, коли один з компонентів сплаву обмежено розчиняється в іншому. При нагріванні сплаву вище лінії солидус відбудеться розчинення компонента. А при швидкому охолодженні вторинна фаза не встигне повернутися в початковий стан, тому для виникнення кордону розділу фаз, освіти вихідної решітки та процесу дифузії недостатньо часу. У підсумку виникає метастабільний твердий розчин з надмірним вмістом компонента. Процес призводить до збільшення пластичності металу. Термодинамічна стійкість досягається в процесі мимовільного або термічного старіння.

Оскільки режими термічної обробки сталі загартуванням мають такий важливий вирішальний параметр, як швидкість охолодження, слід згадати середовища, в яких процес відбувається (повітря, вода, інертні гази, масло, водні розчини солей).

Швидкість охолодження стали водою в 6 разів вище при температурі 600 ordm-С і в 28 разів при 200 ordm-С (порівняно з технічним маслом). Її застосовують для охолодження вуглецевих сплавів з високою критичною швидкістю гарту. Недоліком води є досить велика швидкість охолодження в областях виникнення мартенситу (200-300 ordm-С), що може призвести до утворення тріщин. Солі додають у воду для збільшення її закаливающей здібності. Таким чином відбувається, наприклад, термічна обробка стали 45.

Сплави з незначною критичною швидкістю гарту, якими є леговані, охолоджують за допомогою масла. Його використання обмежується легкої воспламеняемостью і здатністю пригорати до поверхні деталей. Відповідальні деталі з вуглецевої сталі охолоджують у двох середовищах: воді й олії.

Мартенситні стали, на яких не повинно бути оксидної плівки, наприклад, використовувані для медичного обладнання, охолоджують в розрідженій атмосфері або на повітрі.

Для того щоб перетворити залишковий аустеніт, що надає стали крихкість, в мартенсит, застосовують додаткове охолодження.

З цією метою деталі поміщають в холодильник з температурою -40 - -100ordm-С або покривають сумішшю вуглекислоти з ацетоном. Спеціальна додаткова обробка низькими температурами сприяє підвищенню твердості ріжучих інструментів, матеріалом яких є легована сталь, стабілізації розмірних параметрів високоточних деталей, збільшенню магнітних якостей металу.

Для деяких деталей, наприклад, валів, кулачків, осей, шестерень, пальців для муфт, що працюють на стирання, використовують поверхневу загартування. В цьому випадку утворюється зносостійке покриття деталі, серцевина якої - в'язка, з підвищеною втомної міцністю. Для того щоб зробити таку загартування, використовують струми високої частоти, утворені трансформатором від спеціального генератора. Вони нагрівають поверхню деталі, охоплювану індуктором. Потім деталь охолоджується на повітрі. Товщина поверхневого шару, підданого загартуванню, може варіюватися від 1 до 10 мм.

Відпустку

Це термічна обробка сталі, спрямована на ослаблення внутрішніх напружень, які виникають при загартуванню, а також на підвищення в'язкості. Така обробка застосовується до сталей, які зазнали поліморфні перетворення. Режими термічної обробки сталі включають нагрів до температури 150-650 ordm-С, витримку та охолодження, швидкість якого ролі не грає. У процесі відпустки більш тверді, але нестійкі структури перетворюються в більш пластичні і стабільні. Відпустка буває високим, середнім і низьким.

При низькому відпустці відбувається нагрів до 150-250 ordm-С, наступна витримка до 1,5 годин і охолодження на повітрі або в маслі. Змінюється кристалічна решітка мартенситу, яка не впливає на твердість, підвищує в'язкість і знімає внутрішні напруження. Таким способом обробляють ріжучий і вимірювальний інструмент.

При середньому відпустці відбувається нагрів до 300-500 ordm-С. Структура стали представлена троостита відпустки. Сталеві деталям після обробки притаманні високі пружні властивості і характеристики. Так відбувається обробка пружин, мембран, ресор.

Для високого відпустки характерна температура нагріву в 450-650 ordm-С, що призводить до утворення сорбіту. Вироби стають менш твердими, пластичними, мають високу ударну в'язкість. Йому піддаються зубчасті передачі, осі, валки та інші відповідальні деталі механізмів.

Хіміко-термічна обробка сталі

Вона сприяє підвищенню міцності і твердості сплаву, його корозійної стійкості, наданню антифрикційних і зносостійких властивостей. Цей процес включає як термо-, так і хімічний вплив на склад, структуру та властивості поверхневого шару сплаву.

Хіміко-термічна обробка сталі базується на таких процесах, як дисоціація, дифузія і адсорбція. Залежно від насичує елемента вона поділяється на азотування, цементацію, ціанування та ін.

Цементація

Завданням цементації є отримання твердої поверхні на деталях з низьковуглецевої сталі при досить вузький серцевині. Процес проводиться в карбюризаторі при 930-950 ordm-С, оскільки при такій температурі найбільш стійкий аустенит. Зазначеним способом обробляють як низьковуглецевих, так і леговані сплави. На обробку впливає і класифікація сталей. Термічна обробка сталей певних видів вимагає особливих параметрів для досягнення результату.

Цементацію підрозділяють на тверду і газову. При другій стає можливим отримання певного вмісту вуглецю в поверхневому шарі, скорочення тривалості процесу, автоматизація. Це більш досконалий спосіб в порівнянні з твердою цементацією.

Термічна обробка проводиться для зменшення зернистості серцевини і цементованого шару, а отже, для поліпшення механічних властивостей. Температурна обробка полягає в подвійній загартуванню та низькому відпустці при температурах 160-180 ordm-С.

Азотування

Воно передбачає насичення атомами азоту поверхневих шарів деталей з легованих сталей допомогою дифузії. У результаті відбувається реакція азоту з легуючими елементами (молібденом, хромом, алюмінієм) з утворенням твердих і стійких сполук - нітридів.

Перевагою є більш низька температура обробки в порівнянні з процесом цементації - 500-600 ordm-С. Крім того, азотований шар має більш високими механічними показниками і корозійноїстійкістю (ці властивості зберігаються при температурах до 500 ordm-С). Характеристики цементованного шару стійкі при температурах до 220 ordm-С.

Ціанування

Це процес одноразової наповнення поверхні стали атомами азоту та вуглецю. Технологія передбачає використання як рідкої, так і газової фази. Ціанування може бути також низько- і високотемпературних.

При рідинному застосовуються спеціальні ванни, наповнені ціанистими і нейтральними солями. Після насичення поверхні азотом процес фактично перетворюється на цементацію. При низькотемпературному ціанування деталі в подальшому піддаються додатковій термообробці.

Газове цементування відбувається в середовищі, що містить нітрірующіе і цементують гази. При такому способі ціанування глибина оброблених шарів досягає 1,8 мм.

Статті за темою "Термічна обробка сталі та її види. Хіміко-термічна обробка сталі"

Гайковий ключ - найпопулярніші різновиди

Як ведеться зварювання нержавіючої сталі

Робочий інструмент - токарний різець

Вибираємо від температури ліки. Основні рекомендації