Термомеханічна обробка сталі і термічна обробка чавунів.

Гартування, відпуск сталі, обробка сталі холодом.

Відпал і нормалізація сталі.

1. У залежності від того, роблять нагрівання сталі нижче чи вище температури фазових перетворень у твердому стані, розрізняють відпал рекристалізаційний, для зняття внутрішніх залишкових напруг, та дифузійний (першого роду) і повний чи неповний (другого роду). У залежності від середовища, у якому відбувається нагрівання сталі, відпал може бути звичайний і світлий (із застосуванням захисної атмосфери). У залежності від умов охолодження, розрізняють відпал з безупинним охолодженням і з витримкою при постійній температурі.

Ціль повного відпалу - отримання дрібнозернистої структури в литій доевтектоідній сталі, а також після гарячої обробки тиском для усунення крупнозернистої структури (висока Т початку обробки тиском) чи смугастої структури - при низькій температурі (Т) кінця обробки. Температуру нагрівання вибирають, користуючись діаграмою стану Fе-Fе₃С. Доевтектоідну сталь повільно нагрівають до температури вище точки Ас₃ на 30÷50°С. При цьому в сталі відбувається утворення дрібнозернистого аустеніту (А). Час витримки при нагріванні повинен бути достатнім для прогріву виробів по всьому перерізу. При повільному охолодженні відбувається розпад аустеніта (А) з утворенням дрібнозернистої структури перліту (П) і феріту (Ф). Вироби, що піддаються відпалу, для запобігання видалення вуглецю й окислювання поверхні упаковують у ящики, реторти чи труби, заповнюються зверху піском, чавунною стружкою чи вугіллям, а також поміщають у печі з захисною атмосферою чи в печі з вакуумом. Повний відпал підвищує міцність і в'язкість литої сталі; міцність гарячеобробленої сталі після відпалу трохи знижується.

Неповний відпал - застосовують для одержання дрібнозернистої структури в литій і гарячеобробленій дотектоідній сталі. Сталь нагрівають до температури вище точки Ас₁ (лінія РSК), а потім повільно охолоджують. При цьому відбувається перетворення аустеніта (А) в перліт (П), а цементіт (Ц) залишається без зміни. Такий режим застосовують у випадку, якщо цементіт (Ц) не утворить сітки навколо зерен перліту. Якщо в структурі є цементитна сітка, необхідно нагріти сталь вище точки Аст і охолодити на повітрі, щоб розчинити сітку цементіта (Ц) і не дати йому виділитися, а потім зробити вторинне нагрівання вище точки Ас₁ наступним повільним охолодженням. Неповний відпал застосовують для поліпшення обробки різанням гарячеобробленій доевтектоідній сталі структура перліт (П) + феріт (Ф). При проведенні повного і неповного відпала за описаною технологією одержують сталь зі структурою пластинчастого перліту (цементіту).

Для одержання структури зернистого цементіту (Ц), заевтектоідну сталь піддають сфероідизуючому відпалу, при цьому відпалу сталь нагрівають трохи вище точки Ас_1, витримують при цій температурі і повільно охолоджують до температури нижче Ас_1, а потім на повітрі. Внаслідок невисокої температури нагрівання у сталі, поряд з аустенітом (А), зберігається велика кількість не розчинених часток, які сприяють утворенню перліта (П) зернистої форми. Відпалена сталь зі структурою зернистого перліту (П), у порівнянні з відпаленою сталлю з пластинчастим перлітом (П) має меншу твердість, велику в'язкість і кращу оброблюваність різанням. Щоб полегшити утворення зернистого перліту (П), нагрів вище точки Ас₁ і охолодження нижче точки Аr_1, повторюють кілька разів. Такий відпал називають циклічним.

Усі розглянуті види відпалу проводять з безупинним охолодженням. При відпалі з витримкою при постійній температурі (ізотермічний відпал) сталь нагрівають як при звичайному відпалі: доевтектоідну - вище точки Ас₃, а заевтектоідну вище точки Ас₁ на 30÷50°С, потім швидко охолоджують до температури нижче точки Аr₁ на 30÷100°С і витримують при цій температурі; під час витримки відбувається перетворення устеніта (А) в перліт (П). Після цього сталь охолоджують на повітрі. Час ізотермічної витримки повинен бути більше, ніж час ізотермічного перетворення аустеніту (А), який визначається по С-подібним кривим. Перевагами ізотермічного відпалу в порівнянні зі звичайним є: менша тривалість процесу завдяки прискоренню охолодження (4-7 год замість 15-30 год) і більш однорідна структура, що поліпшує обробку сталі різанням. При нормалізації дотектоідну сталь нагрівають вище точки Ас₃, а заевтектоідну - вище точки Ас₁ на 30÷40°С, а потім охолоджують на повітрі. Нормалізація низьковуглецевих сталей часто заміняє тривалу операцію повного відпалу, а середньовуглецевих (С=0,25%÷0,6%) і легованих сталей - гартування з відпуском. Ціль нормалізації - одержання дрібнозернистої структури в дотектоідних сталях, зняття внутрішніх залишкових напружень і наклепу, одержання однорідної структури, знищення сітки цементіта (Ц) в заевтектоідних сталях. Після нормалізації доевтектоідна низьковуглецева сталь має структуру перліту (П) і феріту (Ф), як і після відпалу. Механічні властивості нормалізованої сталі вище, ніж у відпаленої. Середньовуглецева і низьколегована сталь після нормалізації отримують структуру сорбіту і тому твердість і міцність їх вище, ніж відпаленої. Відпал і нормалізацію роблять у печах періодичної і неперервної дії.

2.Ціль гартування - надання сталі високої твердості і міцності шляхом утворення нерівноважних структур – мартенсіту (М), троостіту (Т), сорбіту (С), голчастого бейніту (Б). У залежності від товщини гартованого шару розрізняють об'ємне і поверхневе гартування. Об'ємне виробляється в печах, а поверхневе - струмами високої частоти, газовим полум'ям і в електролітах. У залежності від швидкості охолодження (Vохл) розрізняють об'ємне гартування з перервним і неперервним охолодженнями.

За умовами нагрівання розрізняють повне і неповне гартування. При повному - сталь переводять в однофазний аустенітний стан, тобто нагрівають вище критичних температур Ас₃ і Ас₁ при неповному - сталь нагрівають до температур між Ас₁ і Ас₃ або Ас₁ і А_ст .Дотектоідні сталі піддають повному гартуванню (Т нагрівання Ас₃ + 30÷50°С). Така температура забезпечує одержання при нагріванні дрібнокристалічного аустеніту (А), а після охолодження дрібнокристалічного мартенсіту (М). Недогрів до температури Ас₃, приведе до збереження в структурі кристалів феріту (Ф), тобто структура буде неоднорідною і після гартування, і після відпуску. Оптимальна температура нагрівання заевтектоідної сталі – Ас₁ + 30÷50°С. Після гартування заевтектоідна сталь здобуває структуру мартенсіт (М) + троостіт (Т). Кристали цементіту (Ц) твердіше мартенсіту (М), тому при неповному гартуванні заевтектоідні сталі мають більш високу твердість, ніж при повному гартуванні.

Після нагрівання і витримки виріб охолоджують у гартівних середовищах, які забезпечують необхідну швидкість охолодження. Гартівними середовищами є: вода, мінеральна олія, розчин NаОН, розплавлені солі, луги і метали. Основними технологічними властивостями при гартуванні сталі є: гартовуваність і прогартованість. Здатність сталі до підвищення твердості при гартуванні називають гартованістю, а здатність гартуватися на визначену глибину -прогартованістю. При не наскрізній прогартовуваності структура поверхневих шарів -мартенсіту (М), а внутрішніх шарів - троостит. Отже, твердість на поверхні виробу вище ніж у серцевині. За глибину гартування приймають відстань від поверхні виробу до шару з напівмартенситною структурною (50% мартенсіту (М)-50% троостіту (Т)). Основний метод визначення прогартованості - торцеве гартування. Прогартованість залежить від: швидкості охолодження, складу сталі, розміру виробів, температури нагрівання для гартування. Операція гартування здійснюється шляхом занурення виробу, що гартується у рідке середовище кімнатної температури. Деформація (короблення) і розтріскування викликаються залишковими напруженнями, які виникають при гартуванні. Основне джерело напружень - збільшення об'єму при перетворенні аустеніта (А) в мартенсіт (М). Для зменшення термічних напруг застосовують гартування з підстуженням.

Мал. 32 Схема східчастого гартування сталі, із вмістом 0,8%C (a) і ізотермічного гартування легованої сталі (б)

Для гартування тонких деталей з вуглецевих сталей застосовують ступінчасте гартування – цей спосіб забезпечує найменші внутрішні напруження. Гартування виконують у двох охолоджувачах: спочатку деталь швидко охолоджують у соляній ванні з температурою, вищою за точку мартенситного перетворення (240250 °С), потім витримують до вирівнювання температур по всьому перерізу деталі з наступним охолодженням її на повітрі або в маслі до кімнатної температури.

Ізотермічне гартування виконують так, як ступінчасте, але деталі охолоджують у рідкій солі з температурою, вищою за початок мартенситного перетворення, що становить 300400 °С, і витримують до повного розпаду аустеніту. Внаслідок гартування з аустеніту утворюється нестійка метастабільна структура – мартенсіт. Тому під гартуванням розуміють процес термічної обробки сталі, який полягає в мартенситному перетворенні високотемпературної фази. Таку обробку називають гартуванням на мартенсит. Перетворення аустеніту на мартенсит відбувається миттєво, бездифузійним шляхом. Миттєве перетворення всередині кристала аустеніту викликає зміну кристалічної решітки, що супроводжується збільшенням

об’єму сталі. Гартування викликає збільшення внутрішніх напружень, які можуть перейти границю міцності сталі. Внаслідок цього інколи відразу після гартування або через деякий час утворюються тріщини. Позитивними заходами для пом’якшення впливу гартування та усунення внутрішніх напружень є відпускання сталі. Після такого виду термічної обробки мартенсит загартованої сталі переходить у структуру мартенситу відпускання, трооститу відпускання або сорбіту відпускання.

Гартування з самовідпусканням застосовують під час термічної обробки інструментів. Деталі охолоджують до температури, достатньої для здійснення відпускання. Відпусканням усувають надмірну крихкість загартованої сталі та одержують структуру, найстійкішу за звичайної температури, з найкращими механічними властивостями. Відпускання полягає у тому, що загартовані деталі нагрівають до температури, нижчої за межу структурних перетворень (727 °С), витримують і потім охолоджують з довільною швидкістю.

Загартування з самовідпусканням застосовують для обробки слюсарного інструменту, який сприймає удари в процесі різання металу – зубил, молотків, ковальського інструменту, умови роботи якого вимагають, щоб серцевина була м’якшою за зовнішні шари, а твердість знижувалась поступово від зовнішньої поверхні до середини. Гартування з самовідпусканням виконують в такій послідовності: нагрівання деталі до температури гартування, охолодження у воді до стану, коли в деталі ще буде тепло, потрібне для відпускання, виймання деталі з охолоджуючого середовища, зачищення поверхні деталі, витримування на повітрі до появи на зачищеній поверхні необхідного кольору мінливості, занурювання деталі в воду до повного охолодження.

Залежно від температури та структури металу, що утворилася, розрізняють низь- ке, середнє та високе відпускання. Низьке відпускання здійснюється нагріванням до 150250 °С і охолодженням з будь-якою швидкістю. Цей вид відпускання застосовують для виготовлення різноманітного різального та вимірювального інструменту. Середнє відпускання здійснюється нагріванням до 300450 °С, коли мартенсит перетворюється в троостит. Середнє відпускання застосовують для виготовлення пружин, ресор тощо. Високе відпускання здійснюється нагріванням до 500650 °С, коли мартенсит перетворюється на сорбіт. При цьому одержують однорідну структуру. Деякі сталі охолоджують у воді або в маслі. Високе відпускання застосовують для конструкційних сталей, щоб вони були міцними, пластичними, з ударною в’язкістю.

Старінням металів і сплавів називають процеси, які протікають довільно, тобто без взаємодії зовнішнього середовища, з плином часу і призводять до зміни властивостей. Розрізняють термічні та деформаційні види старіння. Перший вид протікає в загартованому сплаві внаслідок зміни розчинності вуглецю в a- залізі, коли розчинність знижується залежно від температури. Деформаційне старіння може проявлятися в сплавах, які раніше пластично деформувалися за температури, нижчої за рекристалізаційну. В сплавах на залізній основі та в багатьох сплавах кольорових металів унаслідок старіння відбувається зміцнення загартованих алюмінієвих сплавів, зниження в’язкості низьковуглецевої сталі, зміна розмірів загартованих стальних деталей, магнітних властивостей стальних магнітів і т.д.

Обробка холодом - під цим терміном розуміють охолодження гартованих виробів до температур менших 0°С. Цій обробці підлягають гартовані сталі (С>0,6%). Для стабілізації розмірів гартованих виробів і підвищення їхньої твердості їх охолоджують до температур від -40 до -193°С. Після обробки холодом для зменшення внутрішніх напружень роблять низький відпуск. Обробку холодом доцільно проводити відразу після гартування. Твердість сталі після обробки холодом підвищується на 3-4 од. HRC. Обробці холодом піддають пружини, підшипники кочення, цементовані деталі з легованих сталей.

3.Термомеханічна обробка (ТМО) є методом обробки металів і сплавів з метою

їхнього зміцнення. ТМО - сполучення операцій пластичного деформування і зміцнення (гартування і низький відпуск).

У результаті ТМО в металах і сплавах одержують структурний стан, що виникає під впливом деформаційного наклепу (під дією зовнішніх сил) і внутришньофазного наклепу і зберігають його після завершення циклу обробки й у процесі експлуатації. Розрізняють ТМО низькотемпературну (НТМО) і високотемпературну (ВТМО). Сталь при ВТМО деформують при температурі вище А₃, після чого гартують. Сталь при НТМО деформують у зоні існування переохолодженого аустеніту (А) (вище Мн, нижче A₁- 400600 °С), але нижче температури рекристалізації, після чого гартують. Ступінь деформації складає 7595%. Після гартування роблять низький відпуск. Така ТМО дозволяє одержати s_в= 220300 кгс/мм², d = 6-8%. a_н=5-6 кгс · м/см². Після гартування низького відпуску s_в=200220 кгс/мм², d=3-4%.