Термическая и химико-термическая обработка стали

Описать основные виды термической и химико-термической обработки стали.
По диаграмме Fe-C термической обработки определить температуру закали указанной стали и режимы. Указать тип инструмента для указанного режима закалки.
По диаграмме определить температуру отпуска указанной стали.
Определить ожидаемую твердость указанного сплава после закалки
Определить ожидаемую твердость указанного сплава после отпуска.
Описать химико -термическую обработку стали(цементацию и азотирование.
Описать основные виды термической и химико-термической обработки стали
1.1.Основные виды термической обработки стали
Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры.
Рис.1.1. График термической обработки
Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металла.
Термическая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень физико-механических свойств детали.
Так как основными факторами любого вида термической обработки являются температура и время, то режим термообработки обычно представляется графиком в координатах t- τ или t- lgτ, где t–температура, τ – время (рис.1).
Выбор температуры нагрева сплава при конкретном виде термической обработки определяется температурами фазовых превращений (например, критическими температурами на соответствующей диаграмме состояний).
Температура нагрева не должна превышать температуру плавления (линию солидус на диаграмме состояния).
Продолжительность выдержки при заданной температуре нагрева определяется скоростью фазовых превращений
Скорость охлаждения выбирается в зависимости от степени устойчивости фиксируемой фазы при данном химическом составе, а также от требуемых структуры и свойств.
Охлаждение при термообработке производится с различной скоростью.
При отжиге металл охлаждают медленно вместе с печью, при нормализации – на воздухе, при закалке применяют быстрое охлаждение в специальных средах.
Основными видами термической обработки являются отжиг, закалка, отпуск и искусственное старение (рис. 2).
Рис. 2. Основные виды термической обработки стали
Отжиг
Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металлов, находящегося в результате каких-либо предшествующих воздействий в неравновесном состоянии и приводящая его в более равновесное, до определенной температуры, выдержке и медленном охлаждении (3…2000 с/ч) называется отжигом.
Цель отжига – улучшение структуры и обрабатываемости материалов, снятие внутренних напряжений и др.
Различают три основных вида термической обработки металлов: собственно термическую обработку, химико-термическую и термо-механическую обработку.
Собственно термическая обработка предусматривает только температурное воздействие на металл. Она включает в себя отжиг, нормализацию, закалку, отпуск и старение.
Охлаждение после отжига выше критических точек производится с печью.
Нагрев при отжиге может производиться ниже или выше температур фазовых превращений в зависимости от целей отжига.
Отжиг, при котором нагрев и выдержка металл производится с целью приведения его в устойчивое состояние за счет снятия напряжений, уменьшения искажений кристаллической решетки, диффузии атомов, рекристаллизации, называется отжигом первого рода, так как отжиг этого типа не связан с превращениями в твердом состоянии, он возможен для любых металлов и сплавов.
Отжиг, при котором нагрев производится выше температур фазовых превращений с последующим медленным охлаждением для получения структурно равновесного состояния, называется отжигом второго рода или перекристаллизацией.
Если после нагрева выше температур фазовых превращений охлаждение ведется не в печи, а на воздухе, имеет место нормализация, являющаяся переходной ступенью от отжига к закалке.
Между отпуском и отжигом I рода много общего. Разница в том, что отпуск – всегда вторичная операция после закалки.
Принято различать первичную и вторичную термическую обработку. Целью первичной термической обработки, чаще всего отжига или нормализации, является подготовка структуры сплава к последующим операциям пластической, механической и окончательной термической обработки. Назначением вторичной термической обработки является получение окончательной структуры и необходимых физико-механических свойств сплава.
Основными структурами стали, переход которых из одной в другую характеризует основные превращения, являются:
Аустенит А – твердый раствор углерода в γ-железе Feγ(C),
Мартенсит М – перенасыщенный твердый раствор углерода в α-железе Feα(C).
Перлит П – эвтектоидная смесь феррита и цементита Feα + Fe3C.
Проведение отжига Iрода не связано с фазовыми превращениями в твердом состоянии. В зависимости от назначения различают следующие виды отжига I рода: диффузионный, рекристаллизационный и отжиг для снятия внутренних напряжений (рис. 3).
Рис.3. Виды отжига
а) Гемогенизирущий (диффузионный) отжиг
Гемогенизирущий (диффузионный) отжиг заключается в нагреве сплава до температуры несколько ниже линии ликвидуса, длительной выдержке при указанной температуре и последующем медленном охлаждении.
Дендритная ликвация может быть ослаблена продолжительным нагревом затвердевшего сплава при температурах, обеспечивающих достаточную скорость диффузии (несколько ниже солидуса).
Гомогенизирующий отжиг применяется для устранения дендритной и зональной неоднородностей по химическому составу (ликвации) в литых заготовках. При длительной выдержке в области высоких температур наблюдается интенсивный рост зерна, приводящий к снижению механических свойств.
Для исправления структуры и улучшения свойств требуется дополнительная термическая обработка (обычно нормализация или полный отжиг) (рис.5). Состояние дендритной ликвации является неравновесным, неоднородный раствор имеет более высокий уровень свободной энергии, чем однородный.
В литой стали, т. е. медленно охлажденной из области высоких температур, а также в стали, сильно перегретой, часто наблюдается так называемая видманштеттовая структура.  Видманштеттовая структура отличается не только крупнозернистостью, но и характерным расположением феррита в доэвтектоидной стали.
Гомогенизирущий (диффузионный) отжиг заключается в нагреве стали до 1100...1200°С, длительной выдержке при указанной температуре и последующем медленном охлаждении. Охлаждение проводят в печи. Применяется для устранения дендритной и зональной неоднородностей по химическому составу (ликвации) в литых заготовках.
При длительной выдержке в области высоких температур в процессе проведения гомогенизационного отжига наблюдается интенсивный рост зерна, приводящий к снижению механических свойств.
Рис.4

. Область нагрева сталей на диаграмме «железо-цементит» при гомогенизирующем отжиге

Рис.5. График термической обработки (гомогенизационного отжига) для устранения химической неоднородности
б) Рекристаллизационный отжиг
Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа после холодной пластической деформации.
Отжиг для снятия внутренних напряжений производят с целью уменьшения напряжений, образовавшихся в металле при ковке, литье, сварке, способных вызвать коробление и разрушение деталей.
в) Отжиг II рода
Отжиг II рода или фазовая перекристаллизация может быть полным и неполным.
Полный отжиг состоит в нагреве до 30-500С выше Ас3, выдержке при этой температуре до полной перекристаллизации и медленном охлаждении. При полном отжиге образующаяся аустенитная структура полностью превращается в мелкозернистую феррито-цементитную смесь.
Полный отжиг обычно применяется для доэвтектоидных сталей с целью измельчения зерна. Полный отжиг повышает пластические свойства литой стали. Он также применяется для улучшения обрабатываемости резанием.
Неполный отжиг производится при температуре выше Ас1, но ниже Ас3 или Асm. Неполному отжигу на зернистый перлит или сфероидизации обычно подвергают заэвтектоидные инструментальные стали. В результате такого неполного отжига карбиды приобретают округлую форму, исчезает сетка вторичного цементита, которая ухудшает обрабатываемость.
г) Изотермический отжиг
Для улучшения обрабатываемости легированных сталей применяют изотермический отжиг, состоящий в нагреве на 30-500С выше Ас3, охлаждении ниже Аr1, изотермической выдержке при этой температуре для получения равновесной перлитной структуры и последующем охлаждении на воздухе. Такой изотермический отжиг более стабилен, так как температуру на заданном уровне легче поддерживавать, чем регулировать скорость охлаждения.
Изотермический отжиг позволяет добиться превращения устойчивого аустенита легированной доэвтектоидной стали в перлит и феррит, что значительно облегчает ее обрабатываемость резанием.
Закалка
Закалка – термическая операция, состоящая в нагреве сплава выше температуры фазового превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния.
Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то при охлаждении могут происходить обратные фазовые превращения. Полнота обратного превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно представить такие условия охлаждения, когда обратное превращение вовсе не произойдёт, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой.
Во многих случаях закалка не фиксирует совсем или не фиксирует полностью высокотемпературное состояние сплава. Поэтому предельный случай закалки, когда полностью фиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур, называется истинной закалкой. Примером истинной закалки могут служить так называемая закалка вакансий или закалка пересыщенных твёрдых растворов. Иногда истинную закалку сплавов, в которых охлаждением подавляется фазовое превращение, называют закалкой без полиморфного превращения.
К случаям закалки, когда быстрым охлаждением не удаётся фиксировать высокотемпературное состояние, а фиксируется только некоторая стадия фазового и структурного превращения, при которой ещё не достигнуто равновесное состояние, относится закалка с полиморфным превращением. Самое яркое её проявление – закалка стали на мартенсит.
Между закалкой и отжигом второго рода есть общее –в обоих случаях сплав нагревается выше температуры фазового превращения и окончательное строение и свойства приобретает в результате фазового превращения при охлаждении.
Принципиальная разница между этими термическими операциями в том, что цель отжига второго рода – максимальное приближение сплава к равновесному состоянию при достаточно медленном охлаждении, а цель закалки – отдалить структурное состояние сплава от равновесного быстрым охлаждением.
Отпуск
Отпуском называют нагрев закаленной стали до температур не выше точки Ас1 с целью получения степени распада мартенсита, обеспечивающей правильное сочетание желательной твердости и прочности с достаточной пластичностью и вязкостью.
Температура отпуска выбирается в зависимости от требуемого комплекса механических свойств. Практические температуры отпуска выбираются в пределах от 150 до 650°.
Переход стали в более устойчивое состояние должен сопровождаться распадом мартенсита и остаточного аустенита с образованием структуры, состоящей из феррита и цементита.
Распад этих фаз идет по диффузионному механизму, и поэтому скорость процесса в основном обусловлена температурой нагрева. Из указанных фаз при нагреве в первую очередь начинает распадаться мартенсит
Нормализация
Если охлаждение после нагрева производится на воздухе, то такая операция термической обработки носит название нормализации.
Нормализация и особенно отжиг - обычно первичные операции термической обработки; их основное назначение состоит в устранении дефектов предыдущих технологических операций (ковки, литья) и подготовке структуры с целью улучшения обрабатываемости режущим инструментом; улучшение штампуемости в холодном состоянии, а также в подготовке структуры к последующим процессам окончательной термической обработки.
При получении удовлетворительных механических свойств или в случае сложности проведения закалки и отпуска отжиг и особенно нормализация могут быть окончательными операциями термической обработки.
Искусственное старение
Искусственное старение металла (термообработка) применяется к тем сплавам, в которых растворяемость одного элемента в твердом состоянии значительно снижена. Это проявляется при снижении температуры.
Во время искусственного старения в сталях с низким содержанием углерода, не выше 0,05%, распадается пресыщенный твердый альфа раствор. При этом выделяются избыточные фазы. Такая метаморфоза приводит к тому, что снижается пластичность, но приводит к увеличению твердости и прочности.
Химико-термическая обработка
Суть данной технологии состоит в преобразовании внешнего слоя материала насыщением. Химико-термическая обработка металлов и сплавов осуществляется путем выдерживания при нагреве обрабатываемых материалов в средах конкретного состава различного фазового состояния. То есть, это совмещение пластической деформации и температурного воздействия.
Это ведет к изменению параметров стали, в чем состоит цель химико-термической обработки. Таким образом, назначение данной технологии — улучшение твердости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В сравнении с прочими технологиями химико-термическая обработка выгодно отличается тем, что при значительном росте прочности пластичность снижается не так сильно.
Основные ее параметры — температура и длительность выдержки.
Химико-термическая обработка стали подразделяется на основе фазового состояния среды насыщения на жидкую, твердую, газовую.
Химико-термическая операция в жидкости предполагает помещение предмета в расплав соли либо металла.
При газовом методе элемент насыщения формируют реакции диссоциации, диспропорционирования, обмена, восстановления.
По температурному режиму ее классифицируют на высоко- и низкотемпературную