ГлавнаяСтатьи

Термическая и химико-термическая обработка стали

Термическая обработка. Чтобы улучшить физические и механические свойства стали, ее подвергают термической обработке. Она заключается в нагреве металла до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении по заданному режиму.

Уже в давние времена люди подметили, что скорость охлаждения нагретой стали влияет на ее механические свойства, и применяли закалку стали при изготовлении оружия. С течением времени термическая обработка совершенствовалась, но сущность происходящих при этом процессов оставалась невыясненной. В 1868 г. выдающийся русский металлург Д. К. Чернов высказал мысль о том, что расположение атомов в кристаллической решетке железа при высоких и низких температурах неодинаково и, следовательно, можно изменять структуру и свойства стали с помощью тепловых воздействий. Д. К. Чернов открыл критические точки (точки Чернова), т. е. такие температуры, при которых происходят важные структурные изменения в стали. Это открытие послужило научной основой современных методов термической обработки стали.

Причины изменения свойств стали при термической обработке связаны в основном со способностью железа изменять строение кристаллической решетки при различной температуре, а также с неодинаковой растворимостью углерода в кристаллических решетках разного типа. Переход кристаллической решетки железа от одного типа к другому зависит от режима нагрева, изотермической выдержки и охлаждения стали. Так же неодинаково протекает и формирование основных структурных составляющих стали — феррита и цементита. Термическая обработка позволяет изменять их размеры и форму по сравнению с теми, какими они были в равновесном состоянии. Таким образом, свойства термически обработанных сталей зависят от степени искажения кристаллической решетки железа, а также от размеров, формы зерен и содержания структурных составляющих.

Термическую обработку применяют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств стали, например обрабатываемости давлением, резанием, а также как окончательную — для придания ей необходимых физических и механических свойств. В частности, такой обработке подвергают горячекатаную арматурную сталь периодического профиля для повышения ее прочности, анкерные устройства, рабочие поверхности инструментов и некоторых деталей машин, применяемых при арматурных и бетонных работах.

К основным видам термической обработки относятся отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг заключается в нагреве стали, выдержке ее при температуре нагрева и последующем медленном охлаждении. В процессе выполнения многих технологических операций (прокатки, волочения) в стали образуется неустойчивая структура. Цель отжига — получить сталь, структура которой близка к равновесному состоянию. В результате сталь становится более податливой к механической обработке, повышается ее пластичность, уменьшаются остаточные напряжения в изделиях. Из многих разновидностей этого процесса чаще применяют полный, неполный, изотермический и рекристаллизационный отжиг.

Полный отжиг состоит в нагреве стального изделия до температуры, на 20…50 °С превышающей критическую, выдержке его при этой температуре и медленном охлаждении. Критическая температура зависит от содержания в стали углерода и может находиться в пределах 727…910 °С. Для малоуглеродистых сталей критическая температура тем ниже, чем выше содержание углерода. Изделия охлаждают до 500 °С медленно (со скоростью 50…100 °С/ч), а затем— на Еоздухе до комнатной температуры’.

Неполный отжиг заключается в нагреве стали до температуры не более 768 °С и последующем медленном охлаждении. В этом случае благодаря частичной перекристаллизации структурных составляющих стали снижаются внутренние напряжения, уменьшается твердость, возрастают пластичность и вязкость, улучшается обрабатываемость резанием.

Изотермический отжиг состоит в нагреве стали до температуры 800…900 °С, выдержке при такой температуре, быстром охлаждении до температуры 600…700 °С, новой выдержке и охлаждении до‘ком-натной температуры. Изотермический отжиг требует горазДо меньше времени, чём полный.

Рекристаллизационный отжиг применяют после холодной пластической деформации изделий. Для этого нагревают низкоуглеродистую сталь до температуры 600…700 °С. В результате механические свойства изделий становятся более однородными в разных направлениях, так как отжиг устраняет деформацию зерен металла. Пластичность стали повышается, твердость и прочность уменьшаются.

Нормализация состоит в нагреве стали примерно до температуры 750…950 °С, непродолжительной выдержке и последующем охлаждении на воздухе. Скорость охлаждения стали при нормализации несколько больше, чем при отжиге. Нормализованные стали характеризуются мелкозернистой однородной структурой, их твердость и прочность несколько выше, чем при отжиге. Для некоторых сталей нормализация является окончательной термической обработкой, так как при; водит к хорошему сочетанию прочности и пластичности. В6 многих случаях эта операция предшествует закалке стали.

Закалка — процесс нагрева, а затем быстрого охлаждения стали. Используемые в строительстве конструкционные стали закаливают при температуре, на 30…50 °С превышающей температуру фазовых превращений, т. е. 727…910 °С. Так же, как и при отжиге, температура нагрева зависит от содержания в стали углерода: чем больше углерода, тем ниже температура. Во время закалки вследствие очень высокой скорости охлаждения сталь переходит в неравновесное структурное состояние, не свойственное ей при нормальной температуре. В закаленной стали появляются новые структурные составляющие, отличающиеся высокой твердостью. К их числу относится мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в железе.

Необходимые свойства закаленной стали создаются только при правильно проведенных операциях нагрева н охлаждения. Если используют печи, поверхностный слой изделий ухудшается, так как часть углерода выгорает в атмосферном воздухе. Кроме того, возможно окисление этого слоя. В результате механические свойства закаленной стали несколько снижаются. Поэтому стремятся использовать более эффективные методы, нагревая металл в ваннах, наполненных расплавленными солями или свинцом. Чтобы предохранить металл от окисления, создают в печах защитную газовую атмосферу, применяя для этого оксид углерода СО, очищенный азот и другие газы. Так обрабатывают инструментальные и легированные стали.

Горячекатаную арматурную сталь закаливают и отпускают на прокатном стане, используя теплоту нагретого металла. Температура стержня после накатки на него периодического профиля составляет около 1000 °С. В процессе дальнейшего перемещения стержень резко охлаждают струями воды до температуры 300…400 °С, а затем он медленно остывает.

Температуру нагрева регистрируют термоэлектрическими преобразователями или оптическими пирометрами. В первом приближении можно оценить температуру стали по цвету изделия. При температуре выше 550 °С сталь начинает светиться. Цвета свечения называют цветами каления. Для стали характерны следующие цвета каления (температура в °С): 550— темно-коричневый; 630 — коричнево-красный; 680 — темно-красный; 740 — темно-вишневый; 770 — вишневый; 800 — ярко- или светло-вишневый; 850 — ярко-или светло-красный; 900 — ярко-красный; 950 — желто-красный; 1000 — желтый; 1100 — ярко- или светло-желтый; 1200 — жеЛто-белый; 1300 —белый.

Скорость охлаждейия стали оказывает решающее влияние на ее структуру. Чем быстрее охлаждение, тем выше твердость и прочность стали. Для регулирования этой скорости при закалке используют закалочные среды: холодную воду, растворы солей, кислот или щелочей, минеральные масла. Иногда применяют расплавленные соли или свинец, но это наиболее слабые охлаждающие среды.

Легированные стали охлаждают не так быстро, как углеродистые. Поэтому охлаждающей средой для них чаще служат минеральные масла, а не вода.

Способ закалки выбирают в зависимости от требуемых свойств стали. Обычную закалку ведут в одном охладителе. Ее применяют для обработки деталей простой формы. Изделия более сложной формы подвергают прерывистой закалке. Для этого их после нагрева охлаждают в двух различных жидких средах: сначала быстро в воде, затем более медленно в масле. Это позволяет избежать коробления изделий.

Ступенчатую закалку проводят также в две стадии. Нагретое изделие быстро переносят в ванну с температурой 270…290 °С и после некоторой выдержки завершают охлаждение в масле или на воздухе. Ступенчатую закалку применяют при обработке легированных сталей или для деталей небольших сечений из углеродистой стали.

Изотермическую закалку, как и ступенчатую, проводят с выдержкой изделия при постоянной температуре в процессе охлаждения, но длительность выдержки увеличивают. Это способствует резкому уменьшению закалочных напряжений.

В некоторых изделиях, например валах, поверхность должна быть твердой, а сердцевина вязкой. Этого добиваются с помощью поверхностной закалки. Деталь нагревают только по поверхности, используя для этого токи высокой частоты или газовые горелки, а затем закаливают.

В процессе закалки стали сильно возрастают не только ее твердость, но и хрупкость, что нежелательно. Чтобы уменьшить хрупкость и повысить пластичность закаленной стали, ее подвергают отпуску.

Отпуск представляет собой нагрев закаленной стали до некоторой температуры (не более 727 °С) с последующим охлаждением на воздухе или в воде. В результате этого процесса происходит перекристаллизация структурных составляющих, уменьшаются внутренние напряжения, снижаются твердость и хрупкость стали. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск производят путем нагрева закаленной стали до температуры 120…250 °С. Происходящие при этом небольшие структурные изменения позволяют частично снять внутренние напряжения, увеличить вязкость и пластичность стали без заметного снижения твердости. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструменты.

Средний отпуск осуществляют нагревом закаленной стали до температуры 300…400 °С. Структура стали становится мелкодисперсной, сталь приобретает большую пластичность, но твердость и прочность ее несколько понижаются.

Имея достаточный навык, можно определять температуру изделий при низком и среднем отпуске по цветам побежалости, т. е. радужной окраске, возникающей на чистой поверхности нагретой стали в результате появления на ней слоя оксидов. От температуры нагрева зависят толщина и, следовательно, цвет оксидной пленки. Для углеродистой стали характерны следующие цвета побежалости (температура в °С): при 220 — соломенный, 230 — золотистый, 240 — коричневый, 250 — красно-коричневый, 260 — пурпурный, 280 — фиолетовый, 300 — синий (васильковый), 320 — светло-голубой, 330…350 — светло-серый.

Высокий отпуск выполняют в интервале температур 450…650 °С. Получаемая структура характерна средней зернистостью, что придает стали наилучшее сочетание прочности и пластичности. Высокому отпуску подвергают большинство ответственных деталей машин и конструкций.

Закалку в сочетании с высоким отпуском называют улучшением стали. Улучшают конструкционные стали, содержащие 0,3…0,5% углерода, в частности арматурную сталь.

Химико-термическая обработка стали. Заключается она в том, что металл нагревают в химически активной среде для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев изделия. Различают химико-термическую обработку следующих видов: цементация (насыщение поверхностных слоев углеродом), азотирование (азотом), цианирование (углеродом и азотом), алитирование (алюминием), хромирование (хромом), силицирование (кремнием) и т. п. В результате такой обработки поверхностные слои стали упрочняются, резко возрастают их твердость, износостойкость, стойкость к коррозии. Например, цементация низкоуглеродистой стали на глубину 0,5…2 мм увеличивает содержание углерода в поверхностном слое до 0,75… 1,2%, в то время как сердцевина изделия содержит 0,2…0,3%. После закалки детали твердость поверхностного науглероженного слоя увеличивается, а сердцевина из мягкой стали не воспринимает закалки и остается вязкой. Полученная таким образом деталь обладает высокой твердостью и в то же время благодаря пластичности основного металла воспринимает ударные нагрузки.

Азотирование позволяет получать твердость в поверхностном слое, которая в 1,5…2 раза выше, чем при цементации. Цианирование повышает не только поверхностную твердость, но и износостойкость изделий. При алитировании на поверхности деталей создают пленку оксида алюминия, температура плавления которого рколо 2000 °С. Такая пленка предохраняет ос-новнЬй металл от коррозии и одновременно повышает жаростойкость изделий до 850…900 °С. Хромированная сталь стойка к образованию окалины при нагреве до температуры 800…900 °С и хорошо противостоит коррозии в морской воде и растворах кислот. Силици-рование приводит к получению износостойких изделий, одновременно повышается их сопротивляемость коррозии и кислотостойкость.



Читать далее:
Фиксаторы арматуры
Материалы для смазывания форм
Теплоизоляционные материалы
Сборные бетонные и железобетонные конструкции
Арматурные изделия и закладные детали
Проволочная арматура
Стержневая арматура
Классификация арматуры и технические требования к сталям
Обработка давлением
Легированные стали



Ваш отзыв