Адрес этой страницы' ?>

<<Предыдущая страница Оглавление книги Следующая страница>>

ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОКОВОК И ШТАМПОВ

Термообработка поковок. Закалка. Изотермическая закалка.

Термическая и химико-термическая обработка металла направлена на изменение его структуры и состава поверхностного слоя с целью придания металлу определенных физико-механических и технологических свойств — прочности, твердости, пластичности; устранения или уменьшения структурной неоднородности, измельчения зерна, улучшения обрабатываемости резанием и др. Эти изменения происходят под воздействием последовательного нагрева и охлаждения в различных температурно-скоростных условиях и средах. Термическая обработка включает следующие процессы: закалку, отпуск, отжиг, нормализацию.

Закалка. Характер расположения атомов железа в стали оказывает влияние на расположение атомов углерода. Так, если атомы железа образуют решетку объемно-центрированного куба (альфа-железо), то углерод растворяется в железе только в незначительном количестве (сотые доли процента); если же решетка железа меняется на гранецентрированную (гамма-железо), то растворимость углерода возрастает во много раз.

Конструкционная углеродистая сталь при комнатной температуре представляет собой смесь феррита с перлитом (перлит состоит из феррита и тонких пластинок или зернышек цементита). Если нагревать такую сталь, то в критической точке 723° (см. рис. 2), которая обозначается символом А_с1, перлит превратится в аустенит и структура стали будет состоять из феррита и аустенита. При температуре, обозначаемой символом А_с3, сталь будет представлять собой чистый аустенит, т. е. твердый раствор углерода в гамма-железе. Точка А_с3 лежит на линии GS и имеет различные значения для сталей с разным содержанием углерода - от 906° для чистого железа до 723° для стали с 0,83% углерода.

Если медленно охлаждать сталь, нагретую выше точки А_с3 (выше линии GS), то в ней будут происходить следующие процессы: атомы железа в критической точке A_r1 перестроятся, и аустенит превратится в феррит, т. е. в альфа-железо с растворенным в нем небольшим количеством углерода. Если в охлаждаемой стали углерода больше, чем может раствориться в альфа-железе (т. е. больше сотых долей процента), то при охлаждении создается его излишек, который образует химическое соединение с железом — карбид железа, называемый цементитом. Структура стали снова примет вид феррит+ перлит.

Температура превращения перлита в аустенит А_с1 не равна температуре превращения аустенита в перлит А_r1, т. е. критические точки при нагреве и охлаждении будут иметь различные значения — при нагреве более высокие, чем при охлаждении.

Чем больше скорость охлаждения, тем более низкой будет температура распада аустенита. При большой скорости охлаждения аустенит превращается не в ферритно-перлитную структуру, а в другую, характер которой зависит от того, насколько удастся переохладить аустенит.

При скорости охлаждения в несколько сот градусов в секунду превращение аустенита происходит при температурах порядка 350—300°. При этом образуется самая твердая структура, называемая мартенситом.

При большой скорости охлаждения происходит превращение гамма-железа в альфа-железо, но углерод, растворенный в гамма-железе, не успевает выделиться при перестройке и остается в решетке. Так образуется пересыщенный раствор углерода в альфа-железе, который и называется мартенситом. Сама решетка железа получается неправильной, искаженной. Этим объясняются высокая прочность и твердость закаленной стали.

Для каждой марки стали температура превращения будет различной.

При менее быстром охлаждении получается структура, называемая трооститом. Превращение аустенита происходит в этом случае при температуре 500—550°. Троостит менее хрупок и тверд, чем мартенсит. Он представляет собой тонкую смесь цементита и феррита.

Если температура превращения аустенита снижается незначительно, то получается переходная структура между трооститом и перлитом — сорбит.

Для некоторого уменьшения твердости и увеличения вязкости стали после закалки применяют отпуск. При этом сталь нагревают до температуры ниже А_с1 и медленно или быстро охлаждают. Чем выше температура отпуска, тем меньше твердость стали.

В качестве закалочных сред применяются: вода, водные растворы солей и щелочей, масло, расплавленные соли и металлы.

Для получения хорошего качества закалки закалочная среда в интервале температур 550—600° должна охлаждать быстро, чтобы аустенит не успел распасться на ферритно-перлитную структуру. При температуре 200—300° закалочная среда должна охлаждать медленно, чтобы не появлялось сильных внутренних напряжений.

Холодная вода, особенно подсоленная, оказывает сильное охлаждающее действие как в зоне высоких (550—600°), так и низких (200—300°) температур. В этом ее существенный недостаток. Для смягчения закаливающего действия воды в нее добавляют глицерин, жидкое стекло и другие добавки. Особенно сильно уменьшают закаливающее действие воды добавки мыла.

Масло обладает в 3—4 раза меньшей закаливающей способностью, чем холодная вода, и медленно охлаждает сталь в зоне температур 200—300°. Закалка в масле приводит к меньшим внутренним напряжениям, меньшему короблению и уменьшает брак по трещинам.

При неправильной закалке могут возникнуть различные дефекты в стали. Наиболее распространенными из них являются следующие:

1. Недостаточная твердость. Причиной является низкая температура нагрева детали в печи или недостаточно интенсивное ее охлаждение. По этой же причине могут образоваться мягкие пятна на поверхности закаленной детали. Иногда этот дефект является следствием неоднородности структуры перед закалкой. Неоднородная структура исправляется предварительной нормализацией.

2. Повышенная хрупкость. Возникает в результате закалки при очень высоких температурах, при которых происходит рост зерен аустенита. Этот брак устраняется повторной закалкой при нормальных температурах.

3. Окисление и обезуглероживание поверхности. Происходит при нагреве в пламенных печах. Для предупреждения этого мелкие детали нагревают в ящиках, наполненных чугунной стружкой или древесным углем. Наилучшим способом предохранения от обезуглероживания и окисления является нагрев в печах, имеющих регулируемую атмосферу, т. е. определенный состав газов.

4. Деформация, коробление и трещины. Появляются вследствие внутренних напряжений. Внутренние напряжения можно значительно уменьшить, применяя минимальные скорости охлаждения и температуры закалки. Кроме того, необходимо соблюдать следующее правило: стержни или детали, близкие к ним по форме, погружаются в закалочную жидкость отвесно — торцом вниз, плоские предметы — узкой стороной, детали с неравномерной толщиной — широкой частью.

Изотермическая закалка. Нагретая до обычных закалочных температур сталь погружается в ванну с горячей жидкостью, некоторое время выдерживается в ней и затем охлаждается до комнатной температуры.

Твердость и прочность закаленной таким образом стали зависит от температуры закалочной жидкости. Изменяя температуру, можно получить желаемые механические свойства стали.

При изотермической закалке уменьшаются внутренние напряжения, отсутствуют коробление и закалочные трещины; изотермически закаленная сталь обладает более высокой вязкостью, чем сталь, закаленная обычным способом.

Изотермической закалке подвергаются только тонкие изделия, которые быстро охлаждаются до температуры закалочной жидкости.