Ответы на вопросы к экзамену по металлам, страница 5

Закалка - нагрев выше критической точки А_С3 с последующим быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит рас­падается на феррит + цементит при А _r1. С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низких температу­рах. Феррито-цементитная смесь по мере снижения А_r1 становится все более мелко дисперсной и твердой. Если же скорость охлажде­ния была так велика и переохлаждение было так значительно, что выделение цементита и феррита не произошло, то и распада твердого раствора не происходит, а аустенит (γ-твердый раствор) превращается в мартенсит (пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе). Неполная закалка - термическая операция, при которой нагрев про­водят до температуры, лежащей выше А_С1 но ниже А_С3 и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цемен­тит).

О т п у с к - нагрев закаленной стали ниже А_С1.

Для стали возможны различные виды химико-термической об­работки в зависимости от элемента, диффундирующего в сталь.

Насыщение стали углеродом называется цементацией, азотом - ­азотированием, алюминием - алитированием, хромом - хроми­рованием и т.д.

Термо-механическая обработка стали - нагрев до аустенитного состояния, деформация стали в аустенитном состоянии (в стабильном состоянии – выше А_С3 или в нестабильном переохлаждённом состоянии) и окончательное охлаждение с протекающим при этом превращением наклёпанного аустенита.

Основные структуры стали:

Аустенит (А) – твёрдый раствор углерода в γ-железе Fe_γ(C),

Мартенсит (М) – твёрдый раствор углерода в α-железе Fe_α(C),

Перлит (П) – эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита и карбида Fe_α + Fe₃С (ничтожно малой равновесной растворимостью углерода в феррите пренебрегаем).

При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения:

1. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки А₁, выше температуры стабильного равновесия аустенит-перлит; при этих температурах из трёх основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит:

или

2. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже А₁:

или

3. Превращение аустенита в мартенсит:

или

Это превращение наблюдается ниже температуры метастабильного равновесия аустенит-мартенсит (Т₀). При Т₀ более устойчивой фазой является перлит, однако работа, необходимая для образования мартенсита из аустенита, меньше, чем для образования перлита, поэтому ниже Т₀ образование перлита (феррито-карбидной смеси) из аустенита может произойти только в результате превращения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит.

4. Превращение мартенсита в перлит, точнее, в феррито-карбидную смесь:

или

Оно происходит при всех температурах, так как при всех температурах свободная энергия мартенсита больше свободной энергии перлита (феррито-карбидной смеси).

Под теорией термической обработки понимается описание процессов формирования структур (при превращениях), а также особенностей структурного состояния сплавов (неравновесные состояния).

Температура закалки для сталей большинства марок определяется положением критических точек А₁ и А₃.

Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме железо-углерод. Обычно для доэвтектоидной стали она должна быть на 30-50ºС выше А_С3, а для заэвтектоидной стали – на 30-50ºС выше А_С1.

При закалке доэвтектоидной стали с температурой выше А_С1, но ниже А_С3 в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита, который снижает твёрдость в закалённом состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной.

Различают внутренние напряжения трёх родов:

Внутренние напряжения первого рода – это зональные внутренние напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения и между различными частями детали. Чем больше градиент температур по сечению, возникающий при термической обработке и между различными частями детали, который зависит от скорости и равномерности охлаждения, размера детали и ряда других причин, тем большего значения достигают внутренние напряжения первого рода.

Внутренние напряжения второго рода возникают внутри зерна или между соседними зёрнами.

Внутренние напряжения второго рода возникают между различными фазами вследствие того, что у них разные коэффициенты линейного расширения, или из-за образования новых фаз, имеющих разные объёмы. Внутренние напряжения второго рода не зависят от тех факторов, от которых зависят напряжения первого рода, например, скорости охлаждения и других факторов. Поскольку внутренние напряжения второго рода возникают между отдельными элементами структур, их иногда называют структурными напряжениями, а внутренние напряжения первого рода – зональными термическими напряжениями.

Внутренние напряжения третьего рода возникают внутри объёма порядка нескольких элементарных ячеек кристаллической решётки.

Случай, когда инородный атом в твёрдом растворе создаёт вокруг себя упругие искажения кристаллической решётки, представляет собой пример возникновения напряжений третьего рода.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Первый этап относительно медленного охлаждения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения – стадией пузырчатого кипения.

Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости (при охлаждении в воде – ниже 100ºС), жидкость кипеть уже не будет, и охлаждение замедляется. Этот третий этап охлаждения называется стадией конвективного теплообмена.

Закалочная жидкость охлаждает тем интенсивнее, чем шире интервал стадии пузырчатого кипения, то есть чем выше температура перехода от первой стадии охлаждения ко второй и чем ниже температура перехода от второй стадии к третей.

Интенсивность охлаждения зависит от температуры жидкости, от её физических свойств, скрытой теплоты парообразования.

Под прокаленностью подразумевают глубину проникновения закалённой зоны.

Несквозная прокаливаемость объясняется тем, что при закалке деталь охлаждается быстрее с поверхности и медленнее – в сердцевине. С уменьшением критической скорости закалки увеличивается и глубина закалённого слоя.

Для практической оценки прокаливаемости пользуются величиной, которая называется критическим диаметром.

Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в данном охладителе. Чем интенсивнее охлаждает закалочная среда, тем больше величина критического диаметра.

Чтобы не ставить прокаливаемость в зависимости от способа охлаждения, вводят понятие идеальный критический диаметр. Это – диаметр максимального сечения, прокаливающегося насквозь в «идеальной» жидкости, отнимающей тепло с бесконечно большой скоростью.

Критический диаметр – важная и удобная величина при назначении марки стали на изделие.

Основные способы закалки:

1) Закалка в одном охладителе – наиболее простой способ. Нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Для уменьшения внутренних напряжений деталь иногда не сразу погружают в закалочную жидкость, а некоторое время охлаждают на воздухе, «подстуживают». Такой способ закалки называется закалкой с подстуживанием.

2) Прерывистая закалка, или закалка в двух средах. Деталь охлаждают сначала в быстро охлаждающей среде, а затем в медленно охлаждающей. Обычно первое охлаждение проводят в воде, а затем деталь переносят в масло, или охлаждают на воздухе. В мартенситном интервале сталь охлаждается медленно, что способствует уменьшению внутренних напряжений.

3) Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда требуется закалить часть детали. Пи этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде.

4) Закалка с самоотпуском. При обычном отпуске, когда вся деталь нагревается до одинаковой температуры, она, пройдя одинаковые условия закалки и отпуска, обладает во всех точках (при сквозной прокаливаемости) одинаковыми твёрдостью и вязкостью. Для ударного инструмента (зубила, кузнечный инструмент и т.д.) такое распределение твёрдости нецелесообразно. Инструмент обладаёт высокой стойкостью тогда, когда твёрдость постепенно и равномерно понижается от рабочей (режущей) части к центру и к хвостовой (крепёжной) части инструмента.

5) Ступенчатая закалка. При прерывистой закалке в тот момент, когда деталь переносят из воды в масло, более тонкие части её сечения охладились больше, то есть до более низких температур. Кроме того, трудно отрегулировать процесс и обеспечить постоянное, определённое и притом очень короткое время пребывания детали в воде.

Способ ступенчатой закалки лишён этих недостатков. Деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит формирование структуры, то есть превращение аустенита в мартенсит. Разбивка охлаждения на две ступени уменьшает внутренние напряжения 1 рода, поэтому уменьшается и закалочная деформация.

При ступенчатой закалке, а также при закалке в двух средах длинномерных и плоских изделий (преимущественно инструмента) производится так называемая правка или рихтовка, то есть устранение коробления, вызванного термическими напряжениями при первом быстром охлаждении.

6) Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получается высокоуглеродистый поверхностный слой. Так как для цементации берут низкоуглеродистую сталь, то сердцевина остаётся мягкой и вязкой, несмотря на то, что после цементации сталь подвергается закалке.

Различают два вида цементации: твердую и газовую.

При твёрдой цементации детали запаковывают в ящик, наполненный карбюризатором – науглероживающим веществом. Карбюризатором является древесный уголь с различными добавками. В ящике в промежутках между кусочками угля, имеется воздух, кислород которого при температуре процесса (900-950ºС) соединяется с углеродом, образуя оксид углерода СО.

Процесс твёрдой цементации – продолжительная операция и занимает в зависимости от требуемой глубины цементации часто не один десяток часов.

При газовой цементации герметически закрытая камера печи наполнена цементирующим газом (чаще с определённой скоростью через неё проходит газ). Время на прогрев ящика и карбюризатора при этом способе цементации не затрачивается, и скорость цементации (получение заданной глубины слоя) возрастет в тем большей относительной степени, чем меньшей глубины слой требуется получить.

Задача цементации – получить высокую поверхностную твёрдость и износостойкость при вязкой сердцевине – не решается одной цементацией. Цементацией достигается лишь выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка, при которой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твёрдость и высокая вязкость.