Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Диаграмма изотермического превращения аустенита

На рис. 10 представлена диаграмма изотермического пре­вращения аустенита стали, содержащей 0,8% углерода.

По оси ординат откладывается температура. По оси абс­цисс — время.

Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответ­ствующих существованию стабильного устенита, т. е. выше критической точки, а затем быстро охлаждают, например до +700, +600, +500, +400, +300 °С и т. д., и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита. Изотерми­ческое превращение аустенита эвтектоидной стали происхо­дит в интервале температур от +727 до +250 °С (температуры начала мартенситного превращения — Мн). На диаграмме — две С-образные кривые. Кривая I указывает время начала превращения, кривая II — время конца превращения пере­охлажденного аустенита. Период до начала распада аустенита называют инкубационным. При +700 °С превращение аусте­нита начинается в точке а и заканчивается в точке Ь, в ре­зультате этого процесса образуется перлит. При температуре +650 °С распад аустенита происходит между точками а₁жЪ₁. В этом случае образуется сорбит — тонкая (дисперсная) ме­ханическая смесь феррита и цементита. Сталь, в которой до­минирует структура сорбита, имеет твердость 30—40 НКС. Такая сталь обладает высокой прочностью и пластичностью. Устойчивость аустенита в значительной мере зависит от сте­пени переохлаждения. Наименьшую устойчивость аустенит имеет при температурах, близких к +550 °С. Для эвтектоид­ной стали время устойчивости аустенита при температурах от

+ 550 до +560 °С — около 1 с. По мере удаления от температу­ры +550 °С устойчивость аустенита возрастает. Время устой­чивости при +700 °С составляет 10 с, а при +300 °С — около 1 мин. При охлаждении стали до +550 °С (точки начала и кон­ца распада — а₂ и Ъ₂ соответственно — на диаграмме) аусте­нит превращается в троостит — смесь феррита и цементита, которая отличается от перлита и сорбита высокой степенью дисперсности составляющих и обладает повышенной твер­достью (40—50 НКС), прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью. Ниже температуры +550 °С в результате про­межуточного превращения аустенита (в температурном интер­вале, расположенном ниже перлитного, но выше мартенси-тного превращения) образуется структура бейнита, состоящая из смеси насыщенного углеродом феррита и карбидов (це­ментита). При медленном охлаждении аустенит превращает­ся в перлит, а при большой скорости охлаждения переохлаж­денный аустенит полностью переходит в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения образуется новая структура — троостит. При наибольших скоростях охлаждения образуется только мартенсит, т. е. пересыщенный твердый раствор угле­рода в а-железе. Скорость охлаждения, при которой из аусте­нита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Аустенит, который сохраняется в структу­ре стали при комнатной температуре наряду с мартенситом, называют остаточным. Закаленные высоколегированные стали содержат остаточный аустенит в больших количествах, а низ­коуглеродистые его почти не имеют.

4. Виды и разновидности термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, нормализация

Термическую обработку металлов и сплавов, а также изде­лий из них применяют для того, чтобы вызвать необратимое изменение свойств вследствие необратимого изменения струк­туры.

Термическая обработка подразделяется на следующие ви­ды: собственно термическая, химико-термическая и деформа­ционно-термическая. Собственно термическая обработка не предусматривает какого-либо иного воздействия, кроме тем­пературного. Если при нагревах изменяется состав металла

(сплава) — его поверхностных слоев — в результате взаимодей­ствия с окружающей средой, то такая термическая обработка называется химико-термической (ХТО), а если наряду с тем­пературным воздействием производится еще и деформация, вносящая соответствующий вклад в изменение структуры, то такая термическая обработка называется деформационно-тер­мической. В свою очередь деформационно-термическая обра­ботка подразделяется на термомеханическую (ТМО), меха-нотермическую (МТО) и др.

Разные виды деформационно-термической обработки раз­деляются в зависимости от характера фазовых превращений и способа деформации.

Собственно термическая обработка подразделяется на: отжиг первого и второго рода, закалку с полиморфным пре­вращением и закалку без полиморфного превращения, от­пуск и нормализацию.

Отжиг вообще — это процесс термической обработки, при котором металл сначала нагревают до определенной темпе­ратуры, выдерживают заданное время при этой температуре, а затем медленно охлаждают, чаще всего вместе с печью. От­жиг первого рода — нагрев металла, который имеет неустой­чивое состояние в результате предшествовавшей обработки (кроме закалки), приводящий металл в более устойчивое состояние. Основные подвиды: гомогенизационный отжиг, рекристаллизационный отжиг, отжиг для снятия внутренних напряжений. Отжиг второго рода — нагрев выше температу­ры превращения с последующим медленным охлаждением для получения стабильного структурного состояния сплава.

Закалка с полиморфным превращением — нагрев выше температуры полиморфного превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно-неустойчивого состояния. Закалка без полиморфного превра­щения — нагрев до температур, вызывающих структурные изменения (чаще всего для растворения избыточной фазы) с последующим быстрым охлаждением для получения струк­турно-неустойчивого состояния — пересыщенного твердого раствора. Отпуском называется процесс термической обра­ботки, при котором закаленная сталь нагревается ниже кри­тической точки Ас_х, выдерживается определенное время, а за­тем охлаждается.

Нормализация — один из видов термической обработки. При нормализации сталь нагревают до температур, на 30—50 °С превышающих верхние критические температуры, затем вы­держивают необходимое время, а потом охлаждают на спо­койном воздухе для получения тонкопластинчатой перлит­ной структуры. От отжига нормализация отличается более быстрым охлаждением.

5. Поверхностная закалка

Поверхностной называется такая закалка, при которой вы­сокую твердость приобретает лишь часть поверхностного слоя стали или сплава. Она отличается от других способов за­калки методом нагрева.

При такой обработке до температуры закалки нагревают только поверхностный слой изделия. Причем при быстром охлаждении лишь этот слой подвергается закалке. Остальная часть не закаливается и сохраняет структуру и свойства, кото­рые были до закалки. В настоящее время наибольшее распро­странение получила поверхностная закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты. Этот метод термической обработки создает предпосылки для комплексной механиза­ции и автоматизации процесса закалки.

Индукционный нагрев металла достигается путем инду­цирования вихревых токов, которые сосредоточиваются в по­верхностном слое изделия и нагревают его на определенную глубину. Продолжительность нагрева токами высокой часто­ты весьма мала — она исчисляется секундами. При закалке небольших изделий производят нагрев и охлаждение всей их поверхности. Закалку изделий значительной длины проводят непрерывно-последовательным нагревом. Для охлаждения применятся вода.

Для поверхностной закалки крупных изделий в единичном и мелкосерийном производстве, а также при ремонтных рабо­тах применяют нагрев пламенем, чаще всего ацетиленокисло-родным, температура которого равна +3150 "С. При этом ме­тоде закалки толщина закаленного слоя составляет 2—5 мм, твердость его такая же, как при обычной закалке.

В крупносерийном и массовом производстве при устано­вившемся технологическом процессе, когда длительное вре-

мя изготавливаются одни и те же изделия из стали определен­ных марок например ведущие колеса гусеничных тракторов, используется поверхностная закалка в электролите — 14— 16%-ном водном растворе кальцинированной соды. Закали­ваемое изделие присоединяют к отрицательному полюсу гене­ратора постоянного тока и опускают в ванну с электролитом.

Погруженное на заданную глубину изделие нагревается за несколько секунд, после чего ток выключают. Как правило, тот же электролит является и охлаждающей средой.

При нагреве в электролите происходят электролитические и электроэрозионные процессы, которые очищают нагре­ваемую поверхность изделий от окисных пленок, ухудшаю­щих теплопередачу. Скорость нагрева в электролите — до + 150 "С/с.

Существует еще метод импульсной поверхностной закал­ки. При нем применяют высокочастотные генераторы, рабо­тающие в импульсном режиме, конденсаторы, аппаратуру для точечной сварки или лазерные установки. Такая закалка позволяет исключить деформации, трещины, повысить кор­розионную стойкость деталей, заменить в некоторых случаях легированную сталь на углеродистую.

Кроме вышеперечисленных способов поверхностной за­калки, применяется поверхностная закалка в псевдоожижен-ной среде. Псевдоожиженная среда («кипящий» слой) представ­ляет собой твердые частицы кварцевого песка или другого сыпучего материала, интенсивно перемешиваемого воздуш­ным или газовым потоком. Эту же среду используют и для охлаждения.

6. Химико-термическая обработка: цементация, нитроцементация

Для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя деталей осуществляется их тепловая об­работка в химически активной среде, называемая химико-термической обработкой. При ней происходят следующие процессы: распад молекул и образование атомов диффунди­рующего элемента (диссоциация), поглощение атомов по­верхностью (адсорбция) и проникновение атомов вглубь ме­талла (диффузия). Цементация — диффузионное насыщение

поверхностного слоя детали углеродом. После цементации выполняется термическая обработка — закалка и низкий от­пуск. Такие детали должны иметь твердую закаленную по­верхность, хорошо сопротивляющуюся истиранию, и вязкую сердцевину, способную выдерживать динамические нагрузки.

Цементации подлежат детали из стали, содержащей до 0,3% углерода. Поверхность деталей насыщается углеродом в пределах от 0,8 до 1% цементации, осуществляется в твер­дых, жидких и газообразных средах. В качестве карбюризато­ра в частности служит смесь древесного угля (60—90%) и углекислых солей бария (ВаС0₃) и натрия (МаС0₃).

При нагреве углерод древесного угля соединяется с кис­лородом воздуха, образуя окись углерода (СО), которая раз­лагается с образованием атомарного углерода, диффундирую­щего в деталь:

2СОСО. + С

2 атомарный

С повышением температуры и времени выдержки толщина цементированного слоя увеличивается, глубина его достигает 0,5—2 мм на каждые 0,1 мм толщины слоя, требуется выдерж­ка около 1 ч. При массовом и крупносерийном производствах хорошие результаты дает газовая цементация в специальных герметически закрытых печах. По сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе газовая цементация дает возмож­ность повысить скорость процесса, увеличить пропускную способность оборудования и производительность труда.

После цементации детали подвергают термической обра­ботке для обеспечения высокой твердости поверхности, ис­правления структуры перегрева и устранения карбидной сетки в цементированном слое. Закалку производят при температу­ре +780—850 °С с последующим отпуском при +150—200 "С.

Нитроцементацией называется процесс химико-термиче­ской обработки, при котором происходит одновременное на­сыщение поверхностных слоев стальных изделий углеродом и азотом в газовой среде. После нитроцементации детали зака­ливают и затем подвергают низкому отпуску при температуре от +160 до +180 "С. Твердость поверхностного закаленного и нитроцементированного слоя — 60—62 НКС. При нитроце­ментации совмещают процессы газовой цементации и азоти-

рования. В газовую смесь входят эндогаз, до 13% природного газа и до 8% аммиака. В рабочее пространство шахтной печи вводят в виде капель жидкий карбюризатор — триэтаноламин. Для легированных сталей процесс нитроцементации вы­полняют в атмосфере с минимальным количеством аммиака — доЗ%.

7. Химико-термическая обработка: азотирование, ионное азотирование

Химико-термическая обработка — азотирование применяет­ся с целью повышения твердости поверхности у различных деталей — зубчатых колес, гильз, валов и др. изготовленных из сталей 38ХМЮА, 38ХВФЮА, 18Х2Н4ВА, 40ХНВА и др. Азотирование — последняя операция в технологическом про­цессе изготовления деталей. Перед азотированием проводят полную термическую и механическую обработку и даже шли­фование, после азотирования допускается только доводка со съемом металла до 0,02 мм на сторону. Азотированием назы­вается химико-термическая обработка, при которой проис­ходит диффузионное насыщение поверхностного слоя азотом. В результате азотирования обеспечиваются: высокая твер­дость поверхностного слоя (до 72 НКС), высокая усталостная прочность, теплостойкость, минимальная деформация, боль­шая устойчивость против износа и коррозии. Азотирование проводят при температурах от +500 до +520 °С в течение 8—9 ч. Глубина азотированного слоя — 0,1—0,8 мм. По окончании процесса азотирования детали охлаждают до +200—300 °С вместе с печью в потоке аммиака, а затем — на воздухе.

Поверхностный слой не поддается травлению. Глубже не­го находится сорбитообразная структура. В промышленности широко применяется процесс жидкостного азотирования в расплавленных цианистых солях. Толщина азотированного слоя — 0,15—0,5 мм.

Азотированный слой не склонен к хрупкому разрушению. Твердость азотированного слоя углеродистых сталей — до 350 НУ, легированных — до 1100 НУ. Недостатки процесса — токсичность и высокая стоимость цианистых солей.

В ряде отраслей промышленности используется ионное азотирование, которое имеет ряд преимуществ перед газо-

вым и жидкостным. Ионное азотирование осуществляется в герметичном контейнере, в котором создается разреженная азотсодержащая атмосфера. Для этой цели применяются чистый азот, аммиак или смесь азота и водорода. Размещен­ные внутри контейнера детали подключают к отрицательно­му полюсу источника постоянной электродвижущей силы. Они выполняют роль катода. Анодом служит корпус контейне­ра. Между анодом и катодом включают высокое напряжение (500—1000 В) — происходит ионизация газа. Образующиеся положительно заряженные ионы азота устремляются к отри­цательному полюсу — катоду. Возле катода создается высокая напряженность электрического поля. Высокая кинетическая энергия, которой обладали ионы азота, переходит в тепло­вую. Деталь за короткое время (15—30 мин) разогревается до от +470 до +580 "С, происходит диффузия азота вглубь ме­талла, т. е. азотирование.

Ионное азотирование по сравнению с азотированием в пе­чах позволяет сократить общую продолжительность процесса в 2—3 раза, уменьшить деформацию деталей за счет равно­мерного нагрева.

Ионное азотирование коррозионно-стойких сталей и спла­вов достигается без дополнительной депассивирующей обра­ботки. Толщина азотированного слоя — 1 мм и более, твер­дость поверхности — 500—1500 НУ. Ионному азотированию подвергают детали насосов, форсунок, ходовые винты стан­ков, валы и многое другое.