Технология вакуумной термической обработки

Виды термообработки Справочник для конструкторов, инженеров, технологов

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.

Отпуск

Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

Нагрев заготовки

Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз.

Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются.

Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке.

Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм. Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определены температуры для начала и конца ковки. Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термической обработки, но на это требуется дополнительное время и энергия. Нагрев металла до еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушение связей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке.

Пережог

Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали

Тонкая пленка окислов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°С; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300° ) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.

Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали.

табл.1

Цвет побежалости Температура, °С Инструмент, который следует отпускать
Бледно-желтый 210
Светло-желтый 220 Токарные и строгальные резцы для обработки чугуна и стали
Желтый 230 Тоже
Темно-желтый 240 Чеканы для чеканки по литью
Коричневый 255
Коричнево-красный 265 Плашки, сверла, резцы для обработки меди, латуни, бронзы
Фиолетовый 285 Зубила для обработки стали
Темно-синий 300 Чеканы для чеканки из листовой меди, латуни и серебра
Светло-синий 325
Серый 330

Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330 ° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500°) и высоком (500-700°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние тростита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость.

При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение прочности, пластичности и вязкости, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит назначают для кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий — для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

Дефекты закалки

К дефектам закалки относятся:

  • трещины,
  • поводки или коробление,
  • обезуглероживание.

Главная причина трещин и поводки — неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая причина — увеличение объема при закалке на мартенсит.

Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местах детали превышают прочность металла в этих местах.

Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения. При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.

Коробление (или поводка)возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.

Обезуглероживание стали с поверхности — результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).

Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т. е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла — 100 г, огнеупорной глины — 75 г, графита — 25 г, буры — 14 г, карборунда — 30 г, воды — 100 г. Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры

Антикоррозионная обработка изделий после термической обработки

После термической обработки, связанной с применением солей, щелочей, воды и прочих веществ, могущих вызывать при длительном хранении изделий коррозию, следует провести антикоррозионную обработку стальных изделий, заключающуюся в том, что очищенные, промытые и высушенные изделия погружают на 5 минут в 20 — 30% водный раствор нитрита натрия, после чего заворачивают в пропитанную этим же раствором бумагу.
В таком виде изделия могут храниться длительное время

Закалка стали

Требуется закалка деталей (стали) ? НТУ ХПИ выполняет все виды работ по закалке металла. В головах наших заказчиков во всём мире мы ассоциируемся с термином «качество»

Далее более подробно изложено о самой закалке стали, её видах, закалочных средах и других её особенностях.

В зависимости от исходного химического состава и температуры сплавы на основе системы железо – углерод могут находиться в различном фазовом и структурном состоянии (рис 1).

При этом к сталям относятся сплавы железо – углерод содержащие от 0 до 2,14 % углерода. В зависимости от равновесной структуры, определяемой содержанием углерода, стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. К доэвтектоидным относят стали содержащие от 0 до 0,78 % углерода. К эвтектоидным – стали содержащие около 0,78% углерода. И к заэвтектоидным – стали содержащие от 0,78 до 2,14 % углерода.

Рис 1. Диаграмма состояния железо – углерод (железо – цементит).

Закалка стали

Закалкой называется нагрев стали на 30 – 50 ºС выше температуры аустенизации (Ас3) для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей, или выше температуры полного растворения перлита (Ас1) для заэвтектоидных сталей, выдержке при данной температуре для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической (рис 2).

Рис 2. Термокинетическая диаграмма превращения переохлажденного аустенита, где Vк – критическая скорость закалки, а Vз – оптимальная скорость закалки.

Для углеродистых сталей критическая скорость охлаждения велика (400-1200 ºС/сек), поэтому охлаждение обычно проводят в воде или водных растворах. Для легированных сталей, аустенит которых более устойчив, критическая скорость охлаждения меньше, поэтому их охлаждают в масле и в других средах.

В большинстве случаев закалка металла не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить остаточные напряжения и хрупкость, вызванные закалкой, сталь после закалки подвергают отпуску. Достаточно часто при отпуске можно подкорректировать объемные изменения, вызванные закалкой, и стабилизировать размеры, что важно для прецизионных стальных деталей.

Инструментальную сталь, как правило, закаливают для повышения твердости, прочности и износостойкости. Конструкционную же сталь закаливают в первую очередь для повышения прочности, при сохранении высокой вязкости и пластичности. Некоторые виды сталей закаливают исключительно для придания высокой износостойкости.

Температура нагрева стали под закалку

Выбор температуры нагрева для закалки деталей, в основном, определяется их химическим составом и конкретной целью закалки. Как уже упоминалось выше, доэвтектоидные и эвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 – 50 ºС выше температуры аустенизации (Ас3). При этом исходная структура (перлит + феррит) превращается в аустенит, который при последующем резком охлаждении превращается в мартенсит. Заэвтектоидные стали обычно нагревают на 40 – 80 ºС выше температуры полного растворения перлита (Ас1). В результате образуется аустенит и сохраняется определенное количество нерастворенного цементита (карбидов). После охлаждения такая сталь состоит из мартенсита и нерастворенных карбидов, и характеризуется повышенной твердостью. Верхний предел температуры при нагреве под закалку заэвтектоидной стали принято ограничивать, поскольку чрезмерное увеличение температуры вызывает рост зерна, охрупчивание закаленной стали, и усиливает коробление (рис 3).

Рис 3. Фрагмент диаграммы состояния железо – углерод (нанесены типичные температуры нагрева под закалку).

В то же время для многих видов сталей температура нагрева под закалку намного превышает указанные выше значения, что вызвано специальным легированием. Например, нагрев под закалку высокохромистых инструментальных и нержавеющих сталей содержащих 11 – 14 % Cr ведут до температур на 150 – 250 ºС выше температуры аустенизации (Ас3). В противном случае в их структуре останется слишком большое количество не растворившихся карбидов, что приведет к снижению твердости и прочности закаленной стали.

Продолжительность нагрева при закалке стали

Продолжительность нагрева стали под закалку определяется следующими факторами:

1. Необходимо обеспечить прогрев изделия по всему сечению;

2. Должно быть учтено время необходимое для завершения фазовых превращений;

3. Длительность нагрева не должна быть излишне большой, чтобы предотвратить рост зерна и поверхностное обезуглероживание.

Продолжительность нагрева в пламенных и электропечах обычно вычисляют из расчета 1 мин на 1 мм сечения детали плюс время, необходимое для завершения фазовых превращений. Прецизионные детали и детали сложных форм при нагреве под закалку рекомендуется предварительно подогревать в печи при температуре 400 – 600 ºС для уменьшения коробления.

Охлаждающие среды для закалки стали

Охлаждение при закалке стали должно обеспечивать получение мартенсита в заданном сечении детали, и не должно при этом вызывать дефекты: коробление, трещины, излишне высокие остаточные напряжения и т.п.

Высокая скорость охлаждения при закалке предпочтительна в температурном интервале от точки аустенизации вплоть до начала мартенситного превращения (Ас3 – Мн, или Ас1 – Мн). Это позволяет подавить промежуточный перлитный распад переохлажденного аустенита и обеспечить наиболее полное мартенситное превращение. Однако когда мартенситное превращение уже пошло (Мн – Мк) предпочтительной является пониженная скорость охлаждения. Сохранение высокой скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения нежелательно, поскольку может привести к росту остаточных напряжений вплоть до растрескивания изделий.

Следует отметить, что слишком медленное охлаждение (медленнее 50 – 100 ºС/час) в интервале температур (Мн – Мк) также бывает нежелательно, поскольку может вызвать частичный отпуск мартенсита и увеличение количества остаточного аустенита в закаленной стали. В результате, твердость такой стали окажется пониженной.

В качестве охлаждающих сред для закалки стали обычно используют кипящие жидкости: воду, водные растворы солей и щелочей, керосин, и наиболее часто – закалочные минеральные масла. При закалке в этих средах различают три основных периода охлаждения (рис 4):

Рис 4. Скорость охлаждения стали в различных охлаждающих средах при закалке: 1 – вода; 2 – 10%-ный водный раствор NaОН; 3 – 10%-ный водный раствор NaCl; 4 – минеральное масло.

1. Пленочное охлаждение: на поверхности закаливаемой детали образуется так называемая “паровая рубашка”. В этот период скорость охлаждения невелика из-за отсутствия стабильного контакта охлаждающей среды с поверхностью закаливаемой детали.

2. Пузырьковое кипение: при разрушении “паровой рубашки” обеспечивается прямой контакт поверхности закаливаемой детали с охлаждающей средой и наступает наиболее интенсивный отвод теплоты.

3. Конвективный теплообмен: при завершении кипения охлаждающей среды на поверхности закаливаемой детали наступает стадия конвективного теплообмена, при которой подогретые слои жидкости, расширяясь, устремляются в верхнюю зону закалочного бака, а на их место поступает охлаждающая среда из более холодных центральных и нижних зон. В этот период теплоотвод характеризуется наименьшей интенсивностью.

Относительная скорость охлаждения для различных закалочных сред и типичный температурный интервал в режиме пузырькового кипения приведены в таблице 1.

Таблица 1. Относительная охлаждающая способность закалочных сред.

Охлаждающая среда и ее исходная температура.

Температура пузырькового кипения ºС.

Относительная интенсивность охлаждения в интервале пузырькового кипения.

Для закалки углеродистой и отдельных видов низколегированных сталей чаще всего применяют воду и водные растворы NaCl и NaОН, поскольку устойчивость переохлажденного аустенита у этих сталей невелика.

Вода как закалочная среда имеет определенные недостатки:

1. Слишком высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения, что часто становится причиной дефектов и выбраковки части закаленных деталей.

2. С повышением температуры воды ее закалочная способность стремительно снижается, в связи с чем необходим строгий контроль за температурой воды в закалочном баке.

Для закалки легированных сталей, устойчивость переохлажденного аустенита у которых высока, наибольшее распространение в качестве охлаждающей среды получили минеральные масла.

Минеральные масла как закалочная среда имеют определенные преимущества:

1. Постоянство закаливающей способности в широком интервале температур (40 – 150 ºС, и даже 20 – 200 ºС).

2. Невысокая скорость охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения, что позволяет полностью избежать или свести к минимуму появление закалочных дефектов.

Следует отметить, что несмотря на стабильность охлаждающей способности в широком интервале температур, все-же рекомендуется поддерживать температуру закалочного масла в диапазоне 60 – 90 ºС, когда его вязкость минимальна.

Закаливаемость и прокаливаемость стали

Закаливаемостью называют способность стали увеличивать твердость при закалке. Основным фактором влияющим на закаливаемость стали является содержание углерода (чем больше в мартенсите углерода, тем выше твердость). Остальные легирующие элементы изменяют закаливаемость незначительно.

Прокаливаемость – это способность стали получать закаленный слой с мартенситной структурой и высокой твердостью на определенную глубину. Прокаливаемость, косвенным индикатором которой является критическая скорость охлаждения, сильнее всего зависит от легирования (добавки Mn, Cr, Ni, Mo, W, V и т.д.), и незначительно зависит от содержания углерода (рис 5, 7).

Прокаливаемость стали в ограниченных сечениях можно определить по распределению твердости по сечению образцов (рис 5).

В общем случае прокаливаемость определяют методом торцовой закалки. Цилиндрический образец стандартных размеров и формы (рис 6), нагретый под закалку по стандартному режиму, охлаждают с торца водой на специальной установке. Когда охлаждение образца завершено, измеряют твердость по его длине (высоте). Поскольку скорость охлаждения по мере удаления от торца убывает, то закономерно уменьшается и твердость. Результаты измерений отображают на графике в координатах: твердость – расстояние от торца.

Рис 5. Распределение твердости по сечению закаленной стали в зависимости от состава: а) – сталь с 0,4 % С; б) – сталь с 0,4 % С, 0,85 % Mn и 1,0 % Cr; в) – сталь с 0,4 % С, 3,5 % Ni и 1,5 % Cr. Цифрой 1 показана твердость полумартенситной зоны (50 % мартенсита) в HRC.

Прокаливаемость стали, даже одной и той же марки, может изменяться в значительных пределах из-за неоднородности химического состава, размера и формы детали, величины зерна, предыстории термической (и термомеханической) обработки и других технологических факторов. Поэтому прокаливаемость каждой марки стали описывают не кривой, а так называемой полосой прокаливаемости, которая точнее отражает прокаливаемость стали в изделии.

Рис 6. Определение прокаливаемости методом торцовой закалки: а) – изменение твердости по длине образца; б) – схема торцовой закалки; 1) – охлаждение в масле; 2) – охлаждение в воде.

Рис 7. Полосы прокаливаемости сталей различного состава. Цифрой 1 указана твердость полумартенситной зоны (50 % мартенсита) в HRC.

Типичные полосы прокаливаемости для углеродистой и легированных конструкционных сталей содержащих 0,4 % С приведены на рис 7. Рис 7 также наглядно демонстрирует влияние легирующих элементов на прокаливаемость стали.

Основные виды объемной закалки

Непрерывная закалка

Непрерывной закалкой называют закалку в одном охладителе. Это самый распространенный вид закалки подходящий для большинства марок сталей и деталей относительно простой геометрии. Все остальные виды закалки, как правило, применяются для деталей сложной формы, деталей с переменными сечениями, а также для случаев, когда частично можно пожертвовать твердостью закаленной детали ради достижения максимальной конструктивной прочности и вязкости.

Прерывистая закалка.

Прерывистой закалкой называют последовательную закалку в двух охлаждающих средах. Наиболее часто применяемый вид прерывистой закалки заключается в предварительном охлаждении в воде (или водных растворах) до температуры несколько выше Мн, а затем в быстром переносе в менее интенсивный охладитель (чаще всего в масло), в котором деталь остывает окончательно. Второй, также распространенный вид прерывистой закалки, это прерывистая закалка в масле с последующим охлаждением на воздухе в интервале (Мн – Мк). Этот вид закалки часто применяется для высоколегированных высокопрочных сталей эксплуатируемых в сложнонапряженном состоянии. Основным достоинством прерывистой закалки является уменьшение внутренних напряжений и увеличение конструктивной прочности закаленной стали.

Ступенчатая закалка

При ступенчатой закалке сталь подвергают охлаждению, как только она нагревается до заданной температуры, и исключают дополнительную выдержку для завершения фазовых превращений. Такой вид закалки подходит только для нелегированных и некоторых низколегированных сталей, фазовые превращения в которых протекают с высокой скоростью. Для остальных классов сталей такая закалка не применима. Выигрыш, которого позволяет достичь ступенчатая закалка, заключается в уменьшении коробления и фазовых напряжений.

Неполная изотермическая закалка

Неполная изотермическая закалка заключается в быстром охлаждении до температуры чуть выше Мн, а затем в кратковременной (5 – 15 мин) выдержке при этой температуре, с последующим спокойным охлаждением, как правило, проводимым на воздухе. Температура промежуточной выдержки при неполной изотермической закалке в основном зависит от марки стали и температуры Мн, и обычно лежит в пределах 225 – 360 ºС. Неполная изотермическая закалка частично стабилизирует переохлажденный аустенит, в результате чего твердость закаленной стали уменьшается, а вязкость – возрастает.

Полная изотермическая закалка

Полная изотермическая закалка отличается от неполной тем, что выдержка при температуре чуть выше Мн, значительно более длительная (45 – 60 мин и более). Температура, при которой производится промежуточная изотермическая выдержка также чуть выше (275 – 400 ºС) и граничит с областью бейнитного превращения переохлажденного аустенита. Далее следует спокойное окончательное охлаждение. Структура стали подвергнутой полной изотермической закалке преимущественно состоит из бейнита и остаточного аустенита. На окончательном этапе охлаждения может образоваться мартенсит, количество которого невелико. В результате полной изотермической закалки можно получить максимальные значения конструктивной прочности и вязкости закаленной стали. Однако твердость при полной изотермической закалке обычно не превышает 60 – 70 % от максимально достижимой для стали данной марки.

Так же в последнее время очень популярны темы: светлая закалка, закалка в вакууме, закалка в защитных газах, все эти методы применяют для защиты поверхности деталей от окисления при закалке. Также популярна закалка ножей. Всё это Вы можете выполнить у нас без коробления и поводки с надлежащими твёрдостью, прочностью и вязкостью.

Закалка и отпуск стали 65Г

Термообработка стали 65Г

Конструкционная высокоуглеродистая сталь марки 65Г, поставляемая соответственно техническим требованиям ГОСТ 14959, представляет собой сталь рессорно-пружинной группы. Она должна сочетать в себе высокую поверхностную твёрдость (для чего в её состав вводится до 1% марганца) и повышенную упругость. Все эти характеристики обеспечиваются в результате выполнения надлежащей термической обработки изделий, изготовленных из рассматриваемой стали.

Исходный химсостав стали и требования к деталям, изготавливаемым из неё

Относясь к разряду экономнолегированных, сталь 65Г относительно дешёвая, что обуславливает её широкое и эффективное применение. В числе главных её компонентов находятся:

  1. углерод (в пределах 0,62…0,70 %);
  2. марганец (в пределах 0,9…1,2 %);
  3. хром и никель (до 0,25…0,30 %).

Все остальные составляющие – медь, фосфор, сера и т.д. – относятся к примесям, и допускаются в химическом составе данного материала в количествах, ограничиваемых госстандартом.

При достаточной твёрдости (например, после поверхностной нормализации она должна составлять не менее 285 НВ), и прочности на растяжение (не ниже 750 МПа), сталь 65Г обладает достаточно высокой для своего класса ударной вязкостью – 3,0…3,5 кг∙м/см 2 . Это даёт возможность использовать материал для производства ответственных деталей подъёмно-транспортного оборудования (в частности, ходовых колёс мостовых кранов, катков), а также пружинных шайб и пружин неответственного назначения.

Стоит отметить, что детали пружин, изготовленные из стали 65Г, плохо свариваются, а также не могут противостоять периодически возникающим растягивающим напряжениям (относительное удлинение не превышает 9%), а потому не подлежат применению в неразъёмных конструкциях машин и механизмов. При проведении процессов холодного пластического деформирования сталь становится весьма малопластичной уже при малых (до 10%) деформациях, поэтому, при необходимости изготовления из неё пружин больших размеров, приходится применять нагрев исходных заготовок, даже под листовую штамповку. Впрочем, и в горячем состоянии предельные степени деформации стали 65Г не превышают 50…60%.

Химический состав стали 65Г

Несмотря на то, что в ходе деформационного упрочнения предел временного сопротивления материала увеличивается до 1200…1300 МПа, этих показателей недостаточно для того, чтобы придавать конечной продукции (например, пружинам) необходимую эксплуатационную прочность. Поэтому закалка и отпуск стали 65Г обязательны.

Оптимальные технологические процессы термической обработки материала

Выбор режима термообработки диктуется производственными требованиями. В большинстве случаев для придания надлежащих физико-механических характеристик используют:

  • нормализацию;
  • закалку с последующим отпуском.

Температурно-временные параметры термической обработки и выбор её вида зависят от исходной структуры стали. Данный материал принадлежит к сталям доэвтектоидного типа, поэтому в его составе при температурах выше нижней точки аустенитного превращения — 723 °С — на 30…50 °С содержится аустенит в виде твердой механической смеси с незначительным количеством феррита. Поскольку аустенит – более твёрдая структурная составляющая, чем феррит, то интервал закалочных температур для стали 65Г будет существенно ниже, чем для конструкционных сталей с более низким процентным содержанием углерода. Таким образом, температурный интервал закалки стали данной марки должен находиться в пределах не более 800…830 °С.

Примерно такой же температурный диапазон применяют и для проведения нормализации – технологической операции термообработки, которую используют с целью исправления структуры материала изделия, для снятия внутренних напряжений, а при последующей механической обработке полуфабриката – и для улучшения его обрабатываемости.

Поскольку ударная вязкость у закалённой стали 65Г – пониженная, то после закалки изделия из неё, в частности, пружины, обязательно должны пройти высокий отпуск. Происходящие в ходе отпуска мартенситно-аустенитные превращения снижают уровень возникающих во время закалки внутренних напряжений, снижают хрупкость и несколько поднимают показатели ударной вязкости.

Переход высокого отпуска исключается из режима только в том случае, когда заготовка проходит изотермическую закалку. В результате высокого отпуска сталь 65Г приобретает структуру сорбита, характерными особенностями которой являются мелкодисперсность структуры при сохранении изначально высоких показателей твёрдости, что полностью соответствует эксплуатационным требованиям.

Режимы закалки стали 65Г

Для соблюдения тех характеристик, которые заданы техническими условиями на эксплуатацию деталей, при выборе режима закалки учитывают следующие составляющие:

  1. способ и оборудование для нагрева изделий до требуемых температур;
  2. установление нужного температурного диапазона закалки;
  3. выбор оптимального времени выдержки при данной температуре;
  4. выбор вида закалочной среды;
  5. технологию охлаждения детали после закалки.

Интенсивность нагревания предопределяет качество получаемой структуры. Для малолегированных сталей процесс ведут достаточно быстро, поскольку при этом минимизируется риск обезуглероживания материала, и, как следствие, потеря деталью своих прочностных параметров. Однако чересчур быстрый нагрев вызывает к жизни иные неприятности. В частности, для крупных деталей, с большими перепадами поперечных сечений это может вызвать неравномерное прогревание металла, с перспективой дальнейшего появления закалочных трещин, выкрашивания углов и кромок.

Температура заготовки в зависимости от цвета при нагреве

Для достижения максимальной степени равномерности нагрева сталь сначала подогревают в предварительных камерах термических печей до температур, несколько ниже закалочных – от 550 до 700 °С, и только потом деталь направляется непосредственно в закалочную печь. Быстрее всего нагрев осуществляется в расплавах солей, медленнее – в газовых печах, и ещё медленнее – в электрических печах. Именно поэтому поверхностная закалка изделий из стали 65Г в индукционных печах выполняется достаточно редко. Индуктор, как закалочный агрегат, используется лишь для изделий с малым поперечным сечением. При выборе вида нагревательного устройства важен также состав атмосферы, которая в нём создаётся. В частности, для термических печей, работающих на газе, стараются всемерно снижать длительность пребывания детали в печи, поскольку в противном случае происходит выгорание части углерода поверхностного слоя.

Исходя из нормируемой для стали 65Г температуры закалки в 800…820 °С, предельная величина обезуглероженного слоя не должна быть более 50…60 мкм.

Температурный диапазон закалочных температур может корректироваться в зависимости от конфигурации изделия. Например, если деталь имеет сложные очертания, малые габариты и изготовлена из листового металла, то оптимальной температурой будет нижняя граница указанного выше диапазона. Управляя температурой закалки (например, с помощью автоматических датчиков температуры), можно менять толщину закалённого слоя и величину зоны, которая прокалилась менее остальных. К подобным техническим решениям прибегают, когда различные части детали работают в разных эксплуатационных условиях.

Сталь 65Г не боится перегрева, однако при закалке по верхнему значению температурного диапазона ударная вязкость материала начинает уменьшаться, что сопровождается ростом зерён в микроструктуре.

Для снижения коробления деталей, которые имеют тонкие рёбра и перемычки, пользуются нагревом в соляных закалочных ваннах. Чаще применяют расплав хлористого натрия, а для раскисления в рабочий объём ванны добавляют буру или ферросилиций.

Выдержка при закалке изделий из стали 65Г при заданном температурном интервале происходит до тех пор, пока полностью не произойдёт перлитное превращение. Этот процесс зависит от размера поперечного сечения детали и способа нагрева. Для наиболее употребительных случаев можно воспользоваться данными таблицы:

Временя нагрева и выдержки в зависимости от закалочной среды и габаритов заготовки

Наибольший габаритный размер детали, мм Закалка в пламенной печи Закалка в электропечи
Время нагрева, мин Время выдержки, мин Время нагрева, мин Время выдержки, мин
До 50 40 10 50 10
До 100 80 20 88 20
До 150 120 30 130 30
До 200 160 40 175 40

Охлаждение изделий после закалки производят не в воду, а в масло, это позволяет избежать возможной опасности растрескивания.

Технология последующего отпуска

Как уже указывалось, для получения структуры сорбита изделия из стали 65Г подвергают только высокому отпуску при температурах 550…600 °С, с охлаждением на спокойном воздухе. Для особо ответственных деталей иногда проводят дополнительный низкий отпуск. Диапазон его температур — 160…200 °С, с последующим медленным охлаждением на воздухе. Такая технология позволяет избежать накапливания термических напряжений в изделии, и повышает его долговечность. Для отпуска можно применять не только пламенные, но и электрические печи, оснащённые устройствами для принудительной циркуляции воздуха. Время выдержки изделий в таких печах — от 110 до 160 мин (увеличенные нормативы времени соответствуют деталям сложной конфигурации и значительных поперечных сечений).

В качестве рабочих сред при закалке стали 65Г не рекомендуется использовать воду и водные растворы солей. Ускорение процесса охлаждения, которое вызывает вода, часто сопровождается неравномерностью прокаливания.

Итоговый контроль качества закалки состоит в оценке макро- и микроструктуры металла, а также в определении финишной твёрдости изделия. Поверхностная твёрдость продукции, изготовленной из стали 65Г, должна находиться в пределах 35…40 НRC после нормализации, и 40…45 НRC – после закалки с высоким отпуском.

Читайте также:  Полиэтиленовая пленка 20-200 микрон, особенности, как рассчитать вес
Ссылка на основную публикацию
Техническое обслуживание Volvo XC70 – цены на слесарные работы Вольво ХС70
Ремонт двигателей Volvo XC70 (Вольво ХС70) в МСК Капитальный, диагностика, обслуживание, цены, стои Бесплатная проверка по 54 параметрам Гарантия 1...
Технические характеристики renault fluence — размеры кузова, клиренс, расход топлива Ремонт авто —
Рено Меган 3 (2015) - фото, цена, характеристики Renault Megane 3 хэтчбек, купе, универсал (2014-201 На российском рынке только самые...
Технические характеристики Renault Sandero 2 — двигатели, расход топлива, клиренс, размеры
Технические характеристики Renault Sandero 2 - двигатели, расход топлива, клиренс, размеры Обзор Комплектации и цены Характеристики Шины и диски Хэтчбек...
Техническое обслуживание автомобиля; что в него входит; Автоновости и советы автолюбителям
Техобслуживание автомобиля Что такое ТО, что оно в себя включает и какова периодичность проведения проверок автомобиля? Главная и первая задача...
Adblock detector