Файл: Теория термообработки.doc

Отпуск стали.

Состояние закаленных деталей отличаются очень сильной неравновесностью структуры. Это обусловлено повышенной концентрацией углерода в твердом растворе, высокой плотностью дефектов кристаллического строения, а также внутренними напряжениями, строениями и термическими. Из-за этого закаленная сталь хотя и обладают высокой прочностью и твердостью, одновременно с этим имеет практически нулевой запас вязкости. Ударные нагрузки могут вызвать быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход неравновесной структуры закаленной стали в более стабильную может происходить с течением времени самопроизвольно под воздействием окружающей температуры или внешних нагрузок. Этот переход сопротивляется изменением объёма и поэтому такая ситуация недопустима для высокоточных деталей или для измерительного инструмента. Поэтому всегда закаливание детали подвергается дополнительной термообработке – отпуску.

Различают 3 вида отпуска по температуре: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск 150-220 градусов

Средний отпуск 350-450 градусов

Высокий отпуск 550-650 градусов

Низкий отпуск применяется для деталей, которые должны иметь высокую твердость и прочность. При низком отпуске мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска. Мартенсит отпуска отличается от мартенсита закалки отсутствием внутренних напряжений за счет выделения из него избытка углеводорода в виде мельчайших карбидов. Твердость мартенсита отпуска такая же или немного больше, чем у мартенсита закалки (58 – 62 HRC).

Средний отпуск проводится для деталей, в которых требуется максимальный предел упругости. При температурах среднего отпуска происходит распад остаточного аустенита в мартенсит, и затем переход мартенсита в троостит. Троостит представляет собой игольчатую структуру феррита, вдоль игл которого расположены выделившиеся из твердого раствора мелкие карбиды. Такая структура обладает малым запасом вязкости, но зато высоким пределом упругости. Поэтому такой вид отпуска применяют для изготовления упругих деталей машин. Твердость 40 – 45НRС и очень маленькая ударная вязкость.

Высокий отпуск применяется для деталей, в которых необходимо сочетание высокой ударной вязкости и достаточной прочности – это детали машин, работающие с ударными и знакопеременными нагрузками. При этом образуется сорбит. Сорбит представляет собой зёрна феррита с огромным количеством точечных и округлых выделений карбидов, равномерно распределенных по объему стали. Твердость 20 –25 НRС.

---

Сочетание полной закалки и высокого отпуска называется термическим улучшением стали. Такой термообработке обычно подвергают стали содержащие 0,3 = 0,6 %С. Поэтому такие стали часто называют улучшаемыми.

Выбор того или иного вида отпуска зависит от назначения детали. Если деталь должна обладать максимальной твердостью и износостойкостью, то соответственно твердость поверхности должна быть максимальной и для такой детали всегда применяют закалку с низким отпуском. Если же на первое место по техническим условиям выходит максимальная вязкость, то применяют закалку с высоким отпуском. Средний отпуск в большинстве случаев используют при изготовлении пружины. В некоторых случаях при быстром охлаждении деталей после горячей деформации возникает эффект увеличения твердости за счет получения неравновесных структур типа троостит или бейнит. Такая сталь с трудом поддается обработке резанием, поэтому для снижения твердости её подвергают высокому отпуску при температуре 600-700º С с медленным охлаждением. Чаще всего это высокоуглеродистая сталь или сталь, содержащая легирующие элементы.
Отпускная хрупкость.

Отпускной хрупкостью называют уменьшение вязкости стали после отпуска в определенном интервале температур. Отпускная хрупкость разделяется на 2 вида:

1. Наблюдается после отпуска в температурном интервале 250-350º С – это отпускная хрупкость I рода или необратимая хрупкость.

2. Наблюдается в интервале температур 500-600º С. Это отпускная хрупкость II рода или обратимая.

Хрупкость I рода характерна для простых углеродистых сталей, содержащих от 0,3-0,6%С. Она проявляется при отпуске в температурном диапазоне 250-350º С. Причина её появления – выделение карбидов по границам зёрен. Это вызывает хрупкость границ и соответственно хрупкость всей детали. Увеличение температуры отпуска вызывает распад мартенсита по всему объему детали и соответственно выравнивание структуры, что вызывает повышение вязкости. Таким образом, если сталь, находящуюся в состоянии отпускной хрупкости I рода, нагреть до более высокой температуры, то её вязкость восстановится и повторный нагрев после охлаждения в температурном интервале 250-350º С отпускной хрупкости больше не вызовет. Поэтому такая отпускная хрупкость называется необратимой.
Хрупкость II рода характерна для среднеуглеродистой стали, содержащей легирующие элементы: Si; Мn; Сr. Причем проявляется эта отпускная хрупкость только при медленном охлаждении с температурой высокого отпуска. Если детали охлаждать быстро на воздухе или в воде, то хрупкость II рода не проявляется. Если сталь имеет уже отпускную хрупкость II рода, то для её устранения необходимо снова нагреть деталь до температуры отпуска и быстро охладить. Вязкость восстанавливается, но если снова нагреть и медленно охлаждать хрупкость снова появится. Поэтому такая хрупкость называется

---

обратимой.

Повышает склонность сталей к отпускной хрупкости II рода наличие примесей, особенно фосфора. Поэтому чтобы сделать сталь нечувствительной к отпускной хрупкости II рода необходимо, во-первых, снижать количество вредных примесей, особенно фосфора, а во-вторых, добавлять в сталь молибден или вольфрам.

Отпускная хрупкость I рода часто совпадает по температуре со средним отпуском, поэтому пружины и рессоры характеризуются минимальным запасом вязкости.
Прокаливаемость сталей.

Под прокаливаемостью понимают способность сталей закаливаться на максимальную глубину.

Для ответственных деталей для обеспечения максимальной надежности требуется максимальная, а лучше сквозная прокаливаемость. Увеличение прокаливаемости возможно разными способами, так повышает прокаливаемость увеличение размеров зерна аустенита, повышение температуры нагрева под закалку, уменьшение содержания вредных примесей, повышение химической однородности. Но сильнее всего увеличивает прокаливаемость введение в сталь легирующих элементов. Большинство из них сдвигают с-образные кривые вправо. Увеличивая устойчивость аустенита против перлитного распада, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения, приближая её к скорости охлаждения сердцевины. Сильнее всех в этом направлении действует хром, а также Ni, Mo, Mn. В большинстве случаев при проектировании детали конструктор должен знать величину критического диаметра для данной марки стали. Критический диаметр – это максимально возможный диаметр для данной марки стали, закаливающейся в данном охладителе насквозь. Самый простой метод определения критического диаметра – способ пробной закалки. Для этого от прутка отрезают кусок, нагревают, закаливают и измеряют твердость по диаметру. Если твердость меняется мало, то деталь прокаливается насквозь.

Наиболее часто для определения критического диаметра применяется способ торцевой закалки. Для этого из исследуемой стали изготовляют цилиндрический образец с длиной цилиндра 100 мм и диаметром 25.

Образец нагревается в печи, а затем охлаждается струей воды, направленной в торец. После полного охлаждения производится замер твердости, начиная от торца до тех пор, пока твердость не перестанет изменяться. Границу закаленной зоны определяют по величине закаливаемости стали. Закаливаемость – это способность стали закаливаться на максимальную твердость. Закаливаемость зависит прежде всего от содержания углерода. Чем больше углерода, тем выше твердость, тем выше закаливаемость. А также от содержания карбидообразующих легирующих элементов.

---

Резкое падение закаливаемости происходит тогда, когда в её структуре становится менее 50% мартенсита.

Твердость полумартенситной зоны зависит от содержания углерода.

Таким образом, зная содержание углерода в данной стали, по специальному экспериментальному построенному графику определяется твердость полумартенситной зоны. После этого на экспериментально полученном графике изменение твердости от торца получаем величину а. После этого по специальной номограмме Блантера определяется критический диаметр для данной марки стали. Для этого величину а откладываем на верхней масштабной линейке, и отпускаем линию вниз до пересечения с линией соответствий индивидуальной скорости охлаждения. От точки пересечения откладываем горизонталь до используемой охлаждающей среды: вода, масло или воздух. Найдя точку пересечения опускаем вниз на шкалу критических диаметров.
Химико-термическая обработка (ХТО).

ХТО – это сочетание воздействий на деталь химической среды и теплового воздействия с целью изменения химического состава и свойств поверхности детали.

ХТО делится на:

1. ХТО с насыщением не металлами (C, N, Si, B).

2. ХТО с насыщением металлами (Cr, Ni, Ti, Zn).

3. Многокомпонентная ХТО.

Процесс насыщения поверхности детали можно условно разбить на 3 стадии:

1. 
   Создание активных атомов.
   
2. 
   Перенос активных атомов к поверхности детали и взаимодействие их с поверхностью.
   
3. 
   Диффузия активных атомов в глубь металлов.
   

Все эти 3 стадии процесса идут последовательно и поэтому общая скорость ХТО определяется скоростью одной из стадий, идущей наиболее медленно.

Обычно наименьшая скорость – это скорость диффузии в металле. Для ускорения диффузии увеличивают температуру. Чем выше температура, тем быстрее идет диффузия, тем скорее происходит процесс насыщения поверхности детали. Технологический процесс насыщения поверхности детали может происходить по-разному:

1. 
   способ насыщения из порошковых засыпок, т.е. деталь засыпают порошками, содержащими нужные элементы. Способ самоуниверсальный, наиболее доступный. Однако производительность его недостаточна и потребность в большом количестве порошка;
   
2. 
   насыщение из газовой фазы. Детали помещают в специальные печи с контролируемой газовой атмосферой. Детали на конвейере проходят через печь и после выхода сразу закаливаются. Достоинства: высокая производительность, стабильное качество. Применяется при массовом изготовлении.
   
3. 
   Насыщение из жидкой среды. При этом способе детали помещают в расплавы солей, щелочей, металлов, содержащих нужный элемент.
   
4. 
   Насыщение из пасты. Этот способ применяется для местного насыщения детали легирующими элементами.
   
5. 
   Насыщение вакуумом. Деталь помещают в вакуумную камеру, нагревают и конденсируют на нее атомы легирующих элементов. Применяется для специальных деталей или детали, которые не должны окисляться.
   

---

Структура поверхностного слоя в деталях, образующихся при ХТО, зависит от типа взаимодействия насыщающего элемента с металлом, который является основным компонентом в данной детали.

Если насыщающий элемент образует неограниченный твердый раствор, то при ХТО наблюдается плавное изменение концентрации и структуры.

Если нам известна необходимая толщина насыщенного легирующим элементом поверхностного слоя, то процессы ХТО ведут до тех пор пока на границе этого слоя не будет достигнута необходимая концентрация этого элемента.



Глубина насыщенного слоя определяется коэффициентом диффузии Д, t – время.

Глубина диффузного слоя в значительной степени зависит от коэффициента диффузии легирующего элемента и от времени насыщения. Коэффициент диффузии определяется самим легирующим элементом, т.е. его природой. Чем больше температура, тем больше коэффициент диффузии, тем скорее идет насыщение. Толщина насыщенного слоя определяется, прежде всего, временем, но для того, чтобы увеличить толщину слоя в 2 раза необходимо увеличить время обработки (насыщения) в 4 раза. Если взаимодействие легирующего элемента с основным компонентом носит более сложный характер, то структура слоя будет более сложная и будет соответственно отражать фазовый состав, наблюдается на диаграмме состояния, которая образуется при взаимодействии основного компонента с насыщающим элементом.

Если взаимодействие образуется в несколько фаз (твердых растворов или химических соединений), то все эти фазы будут образовываться в поверхностном слое в порядке убывания концентраций. Каждый из слоев будет соответствовать отдельной фазе . Причем изменение концентрации в этом слое будет соответствовать изменению концентрации на диаграмме состояния при этой температуре. Двухфазные слои могут образовываться при ХТО только в тех случаях, когда во время охлаждения одна из фаз в результате какой-либо реакции распадается на смесь нескольких фаз.

Изменение структуры поверхности при ХТО составляет направленную диффузию легирующего элемента. В начале на поверхности образуется зародыши новых фаз, затем они растут в глубь детали, создавая на поверхности характерную столбчатую структуру.

В нескольких случаях после ХТО проводят дополнительную обработку

---