Практика термической обработки сталей

Цель работы

 

1.1.  Изучить оборудование для термической обработки сталей.

1.2. Изучить технологию отжига, закалки и нормализации углеродистых сталей.

1.3. Определить влияние скорости охлаждения на твер­дость углеродистых сталей после термической обработки.

 

Задание

2.1. Изучить принцип определения температуры термической обработки углеродистых сталей на основе диаграммы состояния «железо – углерод».

2.2. Изучить методику определения времени нагрева и выдержки закаливаемого образца в печке.

2.3. Провести отжиг образцов (Сталь 45).

2.4. Провести закалку отожженных образцов в следующих средах: вода, индустриальное масло И 20.

2.5. Провести нормализацию (сталь 45).

2.6.  Провести отпуск закаленных образцов.

2.7. Определить твердость термообработанных образцов на приборах ТК – 2, ТШ - 2.

Техника безопасности

 

3.1. Процесс закалки следует проводить только в присутствии преподавателя или учебного мастера.

3.2.  Не следует прикасаться к нагретым частям нагревательной печи.

3.3. Процесс загрузки и выемки образцов следует выполнять только с использованием специальных клещей и спецодежды.

3.4. Включение печки и твердомера разрешается только по указанию преподавателя (учебного мастера), ведущего занятия.

3.5. Запрещается самостоятельно устранять неисправности оборудования.

Оснащение рабочего места

4.1. Оборудование: нагревательная печь СНОЛ, твердомер ТК-2 и ТШ- 4.

4.2. Инструмент: набор клещей, емкости с охлаждающими жидкостями        (вода, масло).

4.3.  3 образца для термообработки из стали 45.

 

Последовательность выполнения работы

5.1. Измерить твердость образцов до термической обработки на приборе Бринелля.

5.2. Определить по справочным данным режимы тер­мической обработки стали 40 (отжига, нормали­зации и закалки).

5.3. Загрузить образцы в печь и после заданной вы­держки последовательно, по одному, охладить в воде, масле и на воздухе.

Образцы подвергаются отжигу до лабораторного за­нятия.

5.4. Измерить, твердость образцов после термической обработки на приборе Роквелла.

5.5.Загрузить образцы в печь и подвергнуть их высокому отпуску                              с охлаждением на воздухе.

5.6. Выключить нагревательную печь и убрать рабочее место.

Отчет о работе

Отчет о выполнении лабораторной работы должно отражать следующее:

6.1. Название работы.

6.2. Цель работы.

6.3. Список литературы.

6.4. Сведения из теории: основные виды термических обработок.

6.5. Таблица 1. Результаты испытаний

Марка стали	Твердость Исходная	Толщина образца	Общее время нагрева	Твердость
				В воде	В масле	На воздухе
Сталь 45

6.6. Результаты испытаний твердости образцов представить в виде зависимости твердости от среды охлаждения.

6.7. Выводы.

Работу выполнил:

        ст.-т___________гр._____________

Работу принял:

       ______________________________

Общие сведения о термической обработке

 

Теоретические сведения. Термической обработкой стали называется технологический процесс, состоящий из нагрева стали до определенной температуры, вы­держки при данной температуре и последующего охлаждения с заданной ско­ростью. При термической обработке стали получают необхо­димые свойства, изменяя ее структуру без изме­нения химического состава.

Любой режим термической обработки может быть представлен графически в координатах «температура - время». Термическую обработку характеризуют основные параметры: нагрев до определенной температуры, выдержка при этой температуре, скорость нагрева и скорость охлаждения (рис. 6.1).

Рисунок 6.1 – График термической обработки стали

 

В зависимости от температурных режимов и скоростей охлаждения термическая обработка подразделяется на следующие виды: отжиг, нормализация, закалка, отпуск

В зависимости от содержания углерода температуру нагрева углеродистой стали выбирают по диаграмме железо - цементит (рис.6.2), уточняют по справочным данным и экспериментальным путем. Время определяется расчетом, по справочным данным и опытом. В на­стоящей работе рассматриваются отжиг, нормализация и закалка, ко­торые осуществляются за счет превращений аустенита.

Отжиг заключается в нагреве стали выше критичес­ких температур (точек А_С1 или А_Сз), выдержке при дан­ной температуре и медленном охлаждении (обычно вме­сте с печью). В зависи­мости от требований, предъявляемых к свой­ствам стали, различают следующие виды отжи­га: диффузионный (го­могенизация), полный, неполный (для заэвтектоидных сталей назы­вается сфероидизацией), изотермический, низкий (рис. 6.2).

  Цель отжига — устранить внутренние напряже­ния, измельчить зерно, придать стали пластич­ность перед последую­щей обработкой и привести структуру в равновесное со­стояние.

 

Рисунок 6.2 – Схема различных видов отжигов

Диффузионный отжиг(гомогенизация) производится при тем­пературах 1100...1200° С в течение 30...50 ч для устране­ния дендритной ликвации.

 Конструкционные стали подвергаются полному отжигу — нагреву до температуры на 30...50 ⁰С выше точки А _С3, с последующим медленным охлаждением, обес­печивающим превращение аустенита в ферритоцементитную смесь в области температур, близких к А_С1. Инструментальные (заэвтектоидные) стали нагрева­ют на 30...50 ⁰С выше точки А_С1 — неполный отжиг. Этот отжиг на зернистый перлит производится с целью снижения твердости для лучшей обрабатываемости ре­занием и подготовки структуры к закалке.

При изотермическом отжиге конструкцион­ную сталь нагревают до температуры на 30...50 ⁰С выше точки Ас3, а инструментальную – выше А_С1 на 50...100 ⁰С, затем следует выдержка и медленное охлаждение в рас­плавленной соли до температуры несколько ниже точки Ас1, (680..700 ⁰С). При этой температуре сталь подверга­ют изотермической выдержке, при которой происходит полное превращение аустенита в перлит, с последующим охлаждением на воздухе.

Нормализацией стали называют нагрев доэвтектоидных сталей выше критической точки Ас₃, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей – выше критической точки А_ст на 30...50 ⁰С с непродолжительной выдержкой и последующим ох­лаждением на воздухе. После нормализации углеродистые стали имеют ту же структуру, что и при отжиге, но перлит­ные смеси получаются более мелкодисперсными, так как распад аустенита происходит при больших степенях переох­лаждения. Цель нормализации – перекристаллизация зерна стали, снятие внутренних напряжений, подготовка стали к дальнейшей пластической деформации, механи­ческой или термической обработке. Нормализация – де­шевый и простой вид термической обработки углероди­стых сталей, содержащих менее 0,5...0,6 % С, при подго­товке их к обработке резанием и может заменять отжиг. В заэвтектоидных сталях нормализация с температуры выше А_стпредназначена для устранения цементитной сетки.

Наиболее распространенным видом упрочняющей термической обработки углеродистых сталей, содержащих углерода более 0,3%, является закалка.

3акалкой называется термообработка, состоя­щая из нагрева доэвтектоидных сталей выше критичес­кой точки Ас₃, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей выше Ас₁на 30...50 ⁰С (рис. 6.3), выдержки при данной темпе­ратуре с целью полного превращения ά –Fe в γ-Fe  и последующего охлаждения со скоростью боль­ше критической (минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая превращение переохлажденного аусте­нита в мартенсит).

Рисунок 6.3 - Диаграмма интервалов закалочных температур

 

При скорости охлаж­дения больше критической углерод не успевает выде­литься из кристаллической решетки (в соответствии с ее перестройкой из γ-железа в ά-железо), в резуль­тате чего образуется однофазный перенасыщенный твердый раствор углерода в ά-железе, который полу­чил название мартенсита. Пресыщение углеродом приводит к зна­чительным искажениям пространственной решетки железа, создается высокая плотность порогов дислокации, нарушается равенство межатомных сил и в стали накапливается значительная внутренняя потенциальная энергия. Сталь приобретает высокую твердость, но ее плас­тичность при этом падает.

При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для закалки существенное значение имеет скорость охлаждения в интервале температур, где аустенит менее устойчив(650…5500 ⁰С). Этот интервал температур при закалке нужно пройти быстро. Важное значение имеет скорость охлаждения  в интервале температур 300…200 ^ОС, когда во многих сталях происходит образование мартенсита. В этом районе температур требуется медленное охлаждение (на воздухе), во избежание возникновения напряжений и закалочных трещин. В зависимости от способа охлаждения стали различают следующие виды зака­лок: закалка в одном охладителе, закалка в двух средах, ступенчатая закалка, изотермическая закалка и закалка с обработкой холодом.

Закалка в одном охладителе заключается в том, что нагретую под закалку деталь погружают в закалочную среду, в которой она находится до полного охлаждения. Применяют для несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.

При закалке в двух средах (прерывистая закалка) деталь сначала погружают в быстроохлаждающую среду (вода), а затем быстро переносят в другую среду (масло или на воздух), где она охлаждается до комнатной температуры. Такую закалку применяют обычно для обработки инструмента из высоколегированной стали.

При ступенчатой закалке нагретая деталь охлаждается в среде температурой  200...250 ⁰С (например, в горячем масле), а затем после небольшой выдержки охлаждается на воздухе.

Изотермическая закалка производится так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная, до полных фазовых превращений.

Закалка с обработкой холодом заключается в охлаждении закаленной стали, содержащей остаточный аустенит, до температур ниже нуля. Обработка холодом производится после закалки, после чего весь остаточный аустенит может переходить в мартенсит. Применяется для высокоуглеродистых сталей (выше 0,6 % С) и инструментальных сталей.

Дефекты закалки: недогрев, перегрев, пережог, обезуглероживание, коробление, трещины и т.д.

Если нагрев стали был ниже критической точки, то говорят о закалке с недогревом. Этот дефект исправи­мый, для чего сталь подвергают отжигу, а затем прово­дят закалку в соответствии с технологическими рекомен­дациями.

Перегрев имеет место тогда, когда сталь нагревают до температуры значительно превышающей критическую. Перегрев стали перед закалкой ведет к крупнозернистому, резко – игольчатому хрупкому мартенситу. Пе­регрев также можно исправить отжигом с последующей закалкой.

При пережоге стали, кислородпроникаетна границы зерен, хрупкость становится еще большей.  Сожженная сталь окончательно испорчена, и вторичной термической обработкой ее исправить нельзя.

Обезуглероживание и окисление поверхности проис­ходит при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемых атмосфер. Чтобы избежать этих де­фектов, надо нагрев вести в специальных печах с защит­ной (инертной и контролируемой) атмосферой.

Закалка стали сопровождается увеличением внутренних напряжений                     (вследствие искажения кристаллической решетки), которые являются причиной образования трещин и коробления. Трещины являются неисправимым дефек­том, а коробления можно устранить последующей рих­товкой или правкой. По указанным выше причинам, за­каленные изделия и инструмент подвергают отпуску.

Отпуском называют нагрев закаленной стали до температуры ни­же точки А_с1 с выдержкой при данной температуре и по­следующим охлаждением на воздухе). Цель отпуска — уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости и увеличения пластичности и ударной вязкости. Основное пре­вращение при отпуске – распад мартенсита, т. е. выде­ление углерода из пересыщенного твердого раствора в виде мельчайших кристалликов карбида железа – вторичного цементита.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.

Низкий отпуск производится при 120...150 °С (отпуск на отпущенный мартенсит). Его применяют пос­ле закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий, а также после поверхностной закалки. При низком отпуске выделяются карбиды железа из участков мартенсита, которые снижают концентрацию углерода и тем самым закалочные напряжения, при этом твердость стали не уменьшается. 

Средний отпуск (отпуск на троостит) происхо­дит при нагреве до температур 350...450° С после закалки. При этом снижается твердость. Средний отпуск рекомендуется для пружин и рессор.

Высокий отпуск ' (отпуск на сорбит) производит­ся при температуре                 500... 650° С. Применяют в машино­строении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, одновременно вязкости и пластич­ности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением. Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0,35...0,6 %С).

8. Контрольные вопросы

 

8.1   Что называется термической обработкой.

8.2. Пользуясь диаграммой железо – углерод, укажите, до какой температуры необходимо нагревать при закалке сталь, содержащую 0,4% С.

8.3.   Как влияет критическая скорость закалки на выбор охладителя.

8.4. Чем отличается нормализация от других видов термических обработок.

8.5.  Для каких изделий целесообразно проводить закалку с обработкой холодом и почему.

     8.6.   Что называют «улучшением» стали.

8.7. С какой целью после закалки проводят отпуск.

8.8. Перечислите основные виды отпуска и характеристики свойств отпущенных сталей;

8.9.   Как влияет скорость охлаждения на продукты распада аустенита;  

8.10. Основные виды термических обработок, применяемых в машиностроении;

8.11.  С какой целью производят отжиг стали;

8.12.  Основные виды отжига;

8.13.  Принцип упрочнения стали при закалке;

8.14.  Назовите основные дефекты при закалке стали;

8.15.  Какая скорость охлаждения называется критической скоростью закалки;

8.16.  Можно ли провести закалку стали марок Сталь 15 и Сталь 20;

Список рекомендуемой литературы

9.1. Практикум по технологии конструкционных материалов                                          и материаловедению / Под.ред. С.С. Некрасова – М.: Агропромиздат, 1991.

9.2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. - М.: Высшая шк., 1990.

9.3. Арзамасов Б.Н. и др. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1986.

Лабораторная работа № 7