МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
12.11.2021
ОП 03. Материаловедение
5 группа
Темы: Технология термической обработка стали: отжиг, нормализация, отпуск, старение.
Классификация сталей. Углеродистые стали. 2 часа
Задание: Составить конспект лекционного материала.
Лекционный материал:
Технология термической обработка стали: отжиг, нормализация, отпуск, старение.
Термообработка стали (ТО) является очень важной заключительной операцией при изготовлении деталей и инструментов. Она наделяет их нужными механическими свойствами и обеспечивает нормальную работу.
История
Мастера еще задолго до нашего времени применяли самые разнообразные методы закаливания: погружали нагретую металлическую полоску в вино, масло, в простую или подсоленную воду. Упоминается и такой способ: кузнец нагревал булатный кинжал, а потом садился на коня и быстро мчался, охлаждая изделие в воздухе.
В первой половине XIX в. виды термической обработки были несовершенными: твердый и хрупкий чугун клали в сосуд со льдом, пересыпали его слоями сахара. После этого нагревали емкость в течение 20 часов, и чугун превращался в мягкое и ковкое железо.
Старые методы дополняются новыми, усовершенствованными на основе научных исследований термической обработки. Например, бельгийские специалисты разработали технологию закалки заготовок инструментов в вакууме.
Определение
Термическая обработка металлов – совокупность строго последовательных операций нагрева, выдержки и последующего охлаждения заготовок или готовых изделий по определенным режимам для изменения их структуры и предоставления им необходимых механических, физических, химических и прочих свойств. Основой термообработки являются превращения во внутренней структуре материалов при нагреве и последующем охлаждении.
Виды термической обработки
Определяющими факторами, которые влияют на результаты ТО, являются скорость и температура нагрева, равно как время выдержки в нагретом состоянии и скорость охлаждения. В зависимости от температурных показателей и скорости охлаждения изделий различают следующие этапы термообработки:
отжиг;
дальнейшая нормализация;
закалка и отпуск стали.
Отжиг
Для снижения жесткости и повышения вязкости стали, достижения химической и структурной однородности, снятия внутренних напряжений собственно и проводят отжиг.
Процесс состоит из нагрева стальных изделий выше критических точек (за исключением рекристализационного отжига) и соответственно выдержки при температуре нагрева с последующим медленным (преимущественно вместе с печью) охлаждением.
В зависимости от назначения, различают следующие режимы термообработки стали:
диффузный отжиг;
полный и неполный;
изотермический;
на зернистый перлит;
рекристализационный.
Полный отжиг
Технологию применяют для образования мелкозернистой структуры стальных изделий, изготовленных горячей штамповкой, ковкой, литьем. Стали после процедуры полного отжига становятся пластичными, мягкими, без внутренних напряжений.
Внутренняя (кристаллическая) структура становится однородной, мелкозернистой, состоит из феррита и перлита. Полным отжигом сталь подготавливают к обработке резанием и к последующему закаливанию.
Так обрабатывают преимущественно доэвтектоидные стали.
Термообработка стали проводится по следующему техпроцессу: изделия (заготовки) нагревают до температур, превышающих на 30-50°С так называемую критическую верхнюю точку (в материаловедении обозначаемую как Ac3), затем медленно охлаждают. Охлаждение до температуры 500-550°С происходит со следующей скоростью:
для углеродистых сталей — 150-200°С в час;
для легированных – 50-75°С в час.
Неполный отжиг
Эта технология термообработки стали применяется для доэвтектоидных и заэвтектоидных металлов с целью снижения жесткости, снятия внутренних напряжений и получения однородной структуры. Процедуре подвергают поковки и штамповки, обработанные при температурах, не вызывающих значительного роста зерен.
Техпроцесс: сталь нагревают при температуре выше нижней критической точки (на графиках обозначается как Ac1) в температурном интервале 740-750°С, выдерживают определенное время при этой температуре, в дальнейшем медленно ее охлаждают.
Нормализация
Техпроцесс подразумевает нагрев металлов выше значений Ac3 на 30-50°С, выдерживание в температурном коридоре и последующее охлаждение на воздухе. Термообработка стали методом нормализации идеальна для формирования мелкозернистой структуры, повышения прочности и вязкости, а также для уменьшения жесткости перед резанием и выравнивания структуры перед последующей термообработкой.
Классификация сталей. Углеродистые стали.
Наличие углерода в стали обеспечивает ее надежность и прочность, а также снижает уровень вязкости и пластичности. Основная масса материала содержит до 99,5% железа. Сталь меняет свои характеристики благодаря термической обработке, в ходе которой достигается нужная твердость поверхности металла.
Основная классификация углеродистой стали базируется на количестве углерода. Выделяют три вида материала:
низкоуглеродистые (содержат около 0,2% углерода);
среднеуглеродистые (0,2–0,6%);
высокоуглеродистые (до 2%).
Чем больше в материале содержится углерода, тем более прочный и менее пластичный он будет, также понижается вязкость стали и повышается хрупкость. Сплавы, которые содержат более 2,4% углерода, уже относятся к чугунам.
Классификация углеродистых сталей возможна по уровню очищения от вредных примесей. Выделяют такие группы сплавов:
обыкновенного качества (В);
качественные (Б);
повышенного качества (А).
К категории В относят стали, соответствующие определенным механическим характеристикам. Они отличаются более доступной стоимостью, не подвергаются обработке под давлением или термической. Справы категорий А и Б можно подвергать различным деформациям, и для них производитель прописывает состав и все свойства.
Существует классификация по сфере применения:
конструкционные – используются для изготовления изделий разного назначения;
инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов.
В маркировке углеродистой стали встречаются обозначения «сп», «пс» и «кп». Они указывают на степень ее окисления и являются еще одной классификацией сплавов:
«сп» – спокойные сплавы с содержанием до 0,12% кремния, отличаются ударной вязкостью, однородной текстурой и химическим составом; основной недостаток – в менее качественной поверхности изделий;
«пс» – полуспокойные сплавы с содержанием кремния 0,07–0,12%, которые отличаются равномерным распределением примесей;
«кп» – кипящие углеродистые стали с содержанием кремния менее 0,07%, которые отличаются неоднородной структурой.
Достоинства кипящих сталей:
доступная стоимость (за счет незначительного содержания добавок);
высокая пластичность;
хорошая обрабатываемость и податливость обработке при помощи пластической деформации.
Достоинства углеродистой стали:
высокая пластичность;
отличная свариваемость;
хорошая податливость обработке вне зависимости от температуры нагрева металла;
сохранение высоких прочностных характеристик даже при большом нагреве (до 400 градусов);
устойчивость к динамическим нагрузкам.
Недостатки углеродистой стали:
при увеличении содержания углерода сталь снижает свою пластичность;
имеет склонность к расширению под воздействием тепла;
имеет слабые электротехнические характеристики;
при нагреве до температуры, превышающей 200 градусов, ухудшает свою режущую способность и снижает твердость;
податлива к появлению ржавчины, что налагает серьезные требования к стальным изделиям, например, необходимость в нанесении защитного покрытия.
Углеродистая сталь также классифицируется по структуре на три группы:
доэвтектоидные (в основе их структуры – зерна феррита и перлита, содержание углерода не выходит за показатель 0,8%);
эвтектоидные (в основе структуры – перлит, содержание углерода – 0,8%);
заэвтектоидные (содержат вторичный цементит и более 0,8% углерода).
Структура стали определяет ее качественное состояние.
На параметры стали серьезно влияют примеси, которые в ней содержатся. Положительное влияние на металл оказывают кремний и марганец (они повышают податливость раскислению), а негативное – фосфор и сера (они ухудшают его свойства).
Повышенное содержание фосфора становится причиной того, что стальные изделия трескаются и деформируются при воздействии на них холодного воздуха, это называется хладноломкостью. При повышении температуры сталь с фосфором хорошо поддается обработке (сварке, ковке, штамповке).
Стальные изделия с высокой концентрацией серы плохо поддаются обработке под воздействием высоких температур. Это явление называют красноломкостью. Материал по структуре представляет собой сернистые зерна с легкоплавкими границами. Повышение температуры нарушает между ними связи, что приводит к появлению трещин. Параметры углеродистой стали с высоким содержанием серы можно улучшить, если легировать ее при помощи других химических элементов.
ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
Изготовление углеродистой стали занимается металлургический вид промышленности. Материал получают путем переработки заготовок из чугуна с сокращением содержания серы и фосфора, а также снижение углерода до оптимальной концентрации. Существуют три вида технологий производства сплава:
1. В печах конвертерного типа.
В основе методики был метод Бессемера – продувка жидкого чугуна при помощи воздушных масс. В ходе процедуры углерод окисляется и удаляется из сплава, после этого слитки чугуна становились сталью. В результате в металле оставались фосфор и сера, повышалась прочность, но при этом сталь становилась более пластичной и быстрее старела. Метод перестал использоваться ввиду низкого качества получаемого материала.
Вместо этого, углеродистую сталь стали изготавливать в печах конвертерного типа. Вместо воздуха стали использовать кислород. В результате получается материал, близкий по качеству к сплавам из мартеновских установок.
2. В мартеновских установках.
Применение мартеновских печей подходит для различных марок углеродистой стали. В основе метода лежит выжигание углерода из сплавов чугуна при помощи воздушных масс и за счет добавления руд железа и ржавых металлических изделий. Изготовление происходит внутри установок, к которым подключается прогретый воздух и горючий газ.
В плавильную камеру загружают все необходимое сырье для изготовления углеродистой стали, которое затем нагревается до температуры плавления. Такие камеры могут вмещать до 500 тонн и выдерживать температуры до 1700 градусов. В них происходит выжигание углерода при помощи газовой среды, шлака и расплавленного металла. В результате получается сплав, который вытекает через заднюю стенку установки.
3. В печах, работающих от электричества.
Электродуговые или индукционные печи позволяют изготовить качественную углеродистую сталь практически без примесей, более чистую и жаростойкую. Процесс производства происходит при помощи вакуума, благодаря чему получаются более качественные заготовки.
Данный метод является более дорогим, поэтому используется только при особой необходимости.