Термично обработване на стоманите

Снимка: http://www.aceros-de-hispania.com/
Снимка: http://www.aceros-de-hispania.com/

Способността на металите да изменят свойствата си при обработване с топлина е известна много отдавна. Под термично обработване на стоманите в най-общ смисъл се разбира обработването им с топлина с цел да се получат точно определени свойства.

Видове термично обработване. В зависимост от начина, по който се извършват, различаваме следните видове термообработване: отгряване, нормализация, закаляване, отвръщане.

Отгряване. Отгряване се нарича термообработването, при което стоманата се загрява до температура, лежаща 20-30 градуса над точката на фазови превръщания, задържане известно време при тази температура, за да се извършат цялостно структурните промени и бавно охлаждане до стайна температура. Отгряването е едно от най-важните термообразувания на стоманата и се прилага с цел:

1. Да се получи дребнозърнеста структура в стомани, предназначени за обработване чрез налягане (коване, щамповане), ако обработването им се извършва при високи температури.
2. Да се понижи твърдостта на стоманите за да се улесни по-нататъшното им механично обработване.
3.Да се намалят вътрешните напрежения в     кристалната решетка.
4. Да се подготви структурата на стомани за по-нататъшно термично обработване.
5. Да се унищожи или намали нееднородността на структурата от първичната кристализация (напр. при отлети части)

Употребяват се няколко вида отгряване.

– Пълно (нормално) отгряване. Пълното отгряване се извършва главно с цел да се намали едрината на зърната в ковани или отлети части. За да стане това е необходимо стоманата да се загрее 20-30 градуса над линията GS от желязо-въглеродната диаграма, да се задържи на тази температура до пълното превръщане (прекристализация) на структурата в аустенит и след това да се охлади бавно заедно с пещта до стайна температура. При загряване на стоманата температурата не трябва да надвишава много критичната точка, тъй като ще се получи бързо нарастване на аустенитните зърна, което ще доведе до влошаване на свойствата на стоманата. Охлаждането на въглеродни стомани при пълно отгряване се извършва в пещи със скорост 20-100 градуса на час, докато се достигне до температура 500-600 градуса. Точната скорост зависи от химичния състав на стоманата.

– Непълно отгряване. Непълното отгряване представлява разновидност на пълното отгряване. Състои се в загряване на стоманите до температури лежащи 15-20 градуса на долната критична точка (лежаща на линията PSK), задържане на тази температура до пълно превръщане на перлита в аустенит и следващо бавно охлаждане заедно с пещта. Непълното отгряване се употребява главно за инструментални надевтектоидни стомани при които вторичният циментит не образува мрежата, а е разпръснат в структурата. Такива стомани не трябва да се подлагат на пълно отгряване, тъй като техните свойства се влошават.

– Отгряване до зърнест перлит (сфероидизация). Отгряването на зърнест перлит познато още като сфероидизация представлява разновидност на отгряването. Извършва се главно при стомани с над 0,65 % въглерод в състава си. Състои се в загряване на стоманите до температури лежащи близо до долната критична точка на линията PSK, задържане на тази температура 5-6 часа и следващо бавно охлаждане. Подевтектоидните стомани се загряват до 700-710° C, а надевтектоидните 730-750° C. Целта на такова отгряване е да се получи зърнест перлит. Надевтектоидните стомани с такава структура се обработват добре чрез рязане и по-добре се закаляват. За получаването на зърнест перлит понякога загряването и охлаждането се повтарят няколко пъти. Такова отгряване се нарича циклично. При цикличното отгряване на инструментални стомани те се загряват до 730-740° C и се охлаждат бавно до 680° C. Това се повтаря няколко пъти. Като правило всички надевтектоидни инструментални стомани се отгряват на зърнест перлит.

– Изотермично отгряване. За да се намали времето за отгряване на ковани части, напоследък в практиката се използва доста широко изотермичното отгряване. То се постига, като се намали всъщност времето за охлаждане на частта. Изотермичното отгряване се извършва по следния начин: стоманата се загрява до температура, лежаща 30° C над линията GS и се задържа определено време при тази температура. След това тя се охлажда сравнително бързо до температура 630-700° C и отново се задържа при тази температура до пълно разпадане на аустенита, като времето за задържане се определя по-точно от химичния състав на стоманата. По нататъшното охлаждане на стоманата става на въздуха. Ако се отгрява например една подевтектоидна стомана, най-напред при сравнително бързото охлаждане от аустенитните кристали започва да се отделя ферит. Аустенините кристали се обогатяват на въглерод и при задържането на постоянна температура (630-700° C) се разпадат на перлит. Изотермичното отгряване е особено удобно за малки партиди от части със средно големи размери.

– Хомогенизация. Хомогенизацията представлява термообрабтване,което се състои в загряване на стоманата до 1100-1500° C, задържане в продължение на 12-15 часа при тази температура и бавно охлаждане до стайна температура. В резултат на такова отгряване се получава едрозърнеста структура. На такова обработване се подлагат отделни стоманени блокове главно от леггирана стомана, които са определени за по-нататъшно обработване чрез налагане в горещо състояние (напр. валцоване). Тя има за цел да отстрани нееднородността в структурата, получена след втвърдяване на стопилката. Такава нееднородност може да се получи чрез ликвация – отделяне на частички с различно относително тегло или с различен химически състав. Поради процесите, които произтичат при висока температура, хомогенизацията се нарича още дифузно отгряване, което уравновесява химичния състав на материала по цялото сечение на полуфабриката.

Нормализация. Нормализацията представлява вид термообработка, при която стоманата се загрява до температурата, лежаща 30-50 градуса над линията GS от желязо-въглеродната диаграма, задържа се при тази температура не много продължително време и се охлажда на стайна температура. Продължителността на задържане се определя от дебелината на детайла и от вида на структурата. Колкото дебелината е по-голяма и структурата е по-едрозърнеста, толкова по-продължително трябва да бъде задържането. Както се вижда, нормализацията прилича много на пълното отгряване. Съществената разлика между отгряването и нормализацията се състои в превръщанията, които се извършват в стоманата при нейното по-бързо охлаждане на въздуха. При нормализацията се получава по-голямо, отколкото при отгряването намаление на големината на прелитните и феритните зърна. В по-голяма степен се намалява и едрината на самите съставки на перлита – получава се перлит с тънки пластинки от ферит и циментит. Най-после при нормализацията се получава по-равномерна структура, отколкото при отгряването. Разликата в структурата води и до разлика в механичните свойства. След нормализацията стоманата получава по-голяма твърдост и якост, отколкото след отгряване. Нормализацията е много-по евтина термична операция от отгряването и поради това тя го е заменила почти напълно за обикновени нисковъглеродни стомани (0,2 – 0,3% C). За средновъглеродни стомани (0,3 – 0,5% C) разликата между свойствата на нормализираните и отгретите стомани е по-значителна и нормализацията не може да замести отгряването. За такива стомани с отгряване може обаче да се замести друга, по-скъпа операция – подобряването, което се състои в закаляване и отвръщане при високи температури.

Закаляване. Закаляването е вид термообработване, което се състои в загряване на стоманата до т. нар. температура на закаляването – температура, лежаща над линията GSK от желязо-въглероната диаграма, задържане определено време на тази температура, за да се извършат напълно фазовите промени и бързо охлаждане до стайна температура. Известно е, че със загряването на стоманите над линията GSK при подевтектоидните стомани се получава аустенитна структура, а при надевтектоидните стомани се получава структура, която се състои от аустенит и вторичен циментит, който се отделя в твърдо състояние от аустенита. При бавно охлаждане в резултат на редица промени на аустенита (отделяне и разпадане) ще се получат равновесни структури, при които подевтектоидните стомани са ферит и перлит, при евтектоидните – перлит, а при надевтектоидните – перлит и вторичен циментит. Установено е, че когато скоростта на охлаждане стигне определена граница (150-200° C за секунда), тези промени в аустенита не могат да се извършат и тогава се поучава една нова структура, наречена мартензит. Скоростта, при която стоманата се превръща изцяло в мартензит се нарича “критична скорост на охлаждане”. Чрез бързото охлаждане на загрятата стоманата се стремим да превърнем аустенита в мартензит. Мартензитната структура е неравновесна, т.е. тя е получена в резултат на непълно извършени (замразени) процеси. Поради това в нея се създават напрежения: тя е неустойчива, много твърда и крехка структура. За да се намалят напреженията и за да се получат необходимите механични свойства, закалените стомани трябва да се подложат на друго термично обработване – отвръщане.

При закаляване на подевтектоидните стомани те се загряват на линията GS, а надевтектоидните над линията SK.

Съществено влияние върху промените на структурата на стоманите при закаляване оказва скоростта на охлаждане. Това може да се разбере най-лесно при охлаждане на една евтектоидна стомана (C = 0,83 %) с различни скорости. При бавно охлаждане аустенитът се превръща в перлит при постоянна температура от 723 градуса C. Ако се увеличи скоростта на охлаждане – например до 50° C за секунда, превръщането се извършва при по-ниска температура, като се получава структура с по-фини пластинки от ферит и циментит, наречена сорбит. Ако се увеличи скоростта на охлаждане още повече, температурата на превръщане на аустенит в перлит се понижава отново, като се получават още по-фини пластинки, чиято структура се нарича троостит. При още по-висок скорост на охлаждане отделянето на пластинки от ферит и циментит не може да се извърши и се поучава структура, мартензит. Скоростта се нарича “критична скорост на закаляването”.

Прокаляемост на стоманата – детайлите, които закаляваме понякога имат големи размери и охлаждането по цялото им сечение не става равномерно (с еднаква скорост). Повърхността се закалява по-бързо, а вътрешните пластове по-бавно. пред вид на това на определена дълбочина скоростта на охлаждане намалява до такава степен, че не може да се получи мартензитна структура. Дълбочината до която се получава мартензитна или мартензитно-трооститна структура при закаляването се означава като “прокаляемост на стоманите”. Тя е изключително важна при закаляването на дебели части. Прокаляемостта зависи от състава на стоманите. При въглеродни стомани тя е около 20 мм. Чрез прибавяне на сплавящи елементи като хром, манган и други, прокаляемостта се увеличава.

Отвръщане. При закаляване на стоманите се поставят вътрешни напрежения и се намалява жилавостта. За да се отстранят вътрешните напрежения изцяло или отчасти и се увеличи жилавостта, закалените стомани се подлагат на допълнително термообработване – отвръщане. Отвръщането се състои в загряване на закалената стомана до температура, лежаща под точката на фазови превръщания (723° C), задържане при тази температура и охлаждане с произволна скорост. При отвръщане на закалена стомана неравновесната структура – мартензит, преминава в по-устойчива структура – троостит или сорбит. Състоянието на закалената стомана може да се сравни със състоянието на натегната пружина. Пружината ще се стреми да заеме нормалното си ненатегнато положение, а това ще стане щом се отстрани силата, която я натиска. При получаване на мартензитна структура напрегнатото състояние се дължи на това, че вследствие бързото охлаждане не са могли да бъдат извършени определени процеси в елементарната решетка, т.е. те са замразени процеси. При отвръщане напрегнатостта се намалява, а структурата преминава в по-стабилно състояние, тъй като чрез загряването се доставя определено количество енергия, което способства за частично извършване на тези процеси. Измененията в структурата при отвръщане на стоманата се извършват в определена последователност. При температура на отвръщане 80-170° C тетрагоналният мартензит преминава в кубичен и се отделя карбидна фаза. С това се увеличава жилавостта на стоманата. При температура 200-270° C се извършва превръщане на остатъчния аустенит в “мартензит на отвръщане” за разлика на мартензита, получен при закаляването. При температура 250-400° C се получава “троостит на отвръщане”, а при 400-500° C се получава сорбит на отвръщане. С изменение на структурата при отвръщане на закалената стомана се изменят съответно и нейните свойства. Така с повишаване на температурата на отвръщане се понижава якостта на стоманата (границата на провлачване), а се понижава жилавостта (относителното удължение, якостта на удар). Температурата на отвръщане се определя от изискванията, които се поставят към закалената стомана и нейния химичен състав.

Източник: http://www.pomagalo.com/

Advertisements