Обработка стали холодом реферат

Обновлено: 05.07.2024

Материаловедение – это наука о связях между составом, строением и свойствами материалов и закономерностях их изменений при внешних физико-химических воздействиях.

Термическая обработка стали – это совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью придания им определённых свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Цель термообработки – это придание сплавам таких свойств, которые требуются в процессе эксплуатации этих изделий. Есть упрочнение металла (например: коленчатый вал в двигателе автомобиля – к нему предъявляется повышенная прочность при эксплуатации). Но есть и такие технологические процессы, в которых термообработка не является конечной операцией, а промежуточной и её цель – снижение твёрдости стали, сплава для последующей обработки. Процесс термообработки состоит из нагревания до каких то определённых температур, выдержки детали, заготовки при этих температурах и последующем охлаждении с определённой скоростью. Термообработке подвергают заготовки (кованные, штампованные и т.д.), детали машин и различный инструмент. Для заготовок термообработка заключается в снижении твердости, улучшении их структуры, а для деталей – это придание им определённых свойств (твердости, прочности, износостойкости). Улучшение механических качеств даёт возможности использовать сплавы более простых составов, расширить область их применения. Термообработкой можно повысить допускаемые напряжения, уменьшить массу деталей и механизмов, а также существенно повысить их надёжность и долговечность, что очень важно в машиностроении. Например, упрочнению термообработкой подвергаются до 10% общей выплавки в стране, а в машиностроении до 40%. В термообработке есть следующие виды этого процесса: отжиг, закалка, отпуск, а также есть химико-термическая и термомеханическая обработка. В данном реферате будут рассмотрены, основные виды термической обработки стали.

Не смотря на наш компьютерный век, современному человеку необходимо знать и применять термообработку сталей и сплавов.

Ознакомится, и изучить термическую обработку, сплавов.

Основные виды термической обработки стали.

После проката, литья, ковки, обработки резаньем и прочих видов обработки происходит неравномерное охлаждение заготовок. В результате чего появляется неоднородность, как структуры, так и свойств, а также появление внутренних напряжений. А также отливки при затвердевании получаются неоднородными по химическому составу. Для устранения таких дефектов и применяют отжиг.

Отжигом – называется вид термической обработки, состоящий в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки и приводящей металл в более устойчивое состояние. При этом процессе заготовки и изделия получают устойчивую структуру без остаточных напряжений.

Цели отжига – снятие внутренних напряжений, устранение структурной и химической неоднородности, снижение твердости и улучшение обрабатываемости, подготовка к последующим операциям.

Отжиг делится на полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, изотермический и нормализационный. Полный отжиг применяется для снижения твердости, прочности стали, а пластичность при этом повышается. При полном отжиге в металле происходит, перекристаллизация стали и уменьшения размера зерна, за счёт чего и достигаются указанные выше свойства.

Неполный отжиг применяется, для улучшения обрабатываемости резанием и для подготовки стали к закаливанию.

Изотермический отжиг заключается, в нагреве стали до определённой температуры и относительно быстром охлаждении, также до определенных температур и последующем охлаждении на воздухе. При этом получается, более однородная структура стали. Изотермическая выдержка производится в расплаве соли.

Диффузионный отжиг заключается, в нагреве стали до 1000-1100 градусов по Цельсию, выдержке (10-15 часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате такого отжига происходит, выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Такая высокая температура необходима для ускорения диффузионных процессов. При высокой температуре нагрева и продолжительной выдержке получается крупнозернистая структура, которая устраняется последующим полным отжигом.

Рекристаллизационный отжиг необходим для снятия наклёпа и внутренних напряжений после холодных деформаций и подготовки к дальнейшему деформированию. В результате такого отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.

Низкий отжиг применяют для того, что бы только снять внутреннее напряжение, которое возникает после механической обработки.

Нормализация состоит, из нагрева стали, её выдержке при определенной температуре и после чего оставляют охлаждаться на воздухе. Нормализация – это более дешёвая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки.

К термической обработке стали также, относят закалку. Суть этого процесса заключается, в нагреве стали до больших температур и после чего сталь быстро охлаждают. Цель закалки – это придание стали повышенной прочности, твердости, но при этом снижается вязкость и пластичность. Закалка характеризуется двумя способностями: закаливаемостью и прокаливаемостью. Закаливаемость характеризуется определённой твёрдостью, которая сталь приобретает после закалки, а также зависит от содержания углерода в данной стали. Стали с очень низким содержанием углерода (до 0,3) закалке не поддаются и она для них не применяется.

Прокаливаемость – это глубина проникновения закалённой зоны (области).

Прокаливаемость зависит от химического состава стали. С повышением содержания углерода прокаливаемость увеличивается. На прокаливаемость влияет также скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше прокаливаемость. Поэтому при закалке в воде прокаливаемость более высокая, чем при закалке в масле. Большие размеры закаливаемой детали, также приводят к значительному уменьшению прокаливаемости.

Способы охлаждения также относят к одной из операций термообработки.

По способу охлаждения различают виды закалки: в одной среде, в двух средах, ступенчатая и изотермическая. Закалке в одной среде проще и наиболее чаще применяется, но недостаток её состоит в том, что возникают внутренние напряжения. При закалке в двух средах, изделие сначала охлаждают сначала в одной среде, а затем в другой (вода, масло, воздух).

При изотермической закалке, как и при ступенчатой, детали переохлаждают в среде, далее на воздухе. Преимущества этого способа закалки заключается в большей вязкости, отсутствии трещин, минимальном короблении. Изотермическую закалку применяют для изделий сложной формы. Существенную роль играют также способы погружения деталей в охлаждающую жидкость. Например длинные изделия вытянутой формы ( свёрла, метчики) погружают в строго вертикальном положении, чтобы избежать коробления.

Отпуск стали – это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определённой температуры, выдержки и охлаждении. Цель отпуска стали — снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности.

Различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск проводится при температуре 150-200 градусов Цельсия. В результате снимаются внутренние напряжения, происходит увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твердости и износостойкости. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, которые должны обладать высокой износостойкостью и твёрдостью.

При среднем отпуске нагрев производится до 350-450 градусов Цельсия. При этом происходит некоторое снижение твёрдости при значительном увеличении упругости и сопротивляемости действию ударных нагрузок. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск производится при 550-650 градусов Цельсия. При этом твёрдость и прочность снижаются значительно, но очень сильно возрастают вязкость и пластичность, однако создаётся оптимальный вариант для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Применяется для деталей, которые подвергаются действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкционных сталей. Продолжительность выдержки зависит от размеров деталей: чем они больше, тем длиннее выдержка. Низкий отпуск инструментов обычно происходит в течении 0,5-2,5 часа. Для измерительных инструментов проводят более длительный отпуск до 10-15 часов.

Наряду с горячей обработкой стали, применяется также обработка холодом.

Обработка холодом состоит в том, что закаливаемые детали на некоторое время погружают в среду имеющую температуру ниже 0 градусов Цельсия.

Производить обработку холодом нужно сразу после закалки. Такой обработке подвергают измерительный инструмент, части точных механизмов, детали шарикоподшипников. Обработка холодом не уменьшает внутренних напряжений, поэтому после неё необходим отпуск.

Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам и представляет собой пластическую деформацию металла с закалкой. Как при закалке, так и при пластической деформации повышение прочности всегда связано с уменьшением пластичности. Преимуществом является то, что при большом увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость в 1,5-2 раза выше по сравнению с той же маркой стали после закалки низким отпуском. Термомеханическая обработка делится на два способа: высокотемпературный и низкотемпературный.

При высокотемпературном – сталь нагревают и подвергают деформации. Сразу после деформации сталь подвергается закалке, после закалки производят низкий отпуск.

При низкотемпературном – сталь нагревается и охлаждается, после чего её деформируют. После деформации следует закалка. После закалки следует низкий отпуск.

Низкотемпературная обработка получила незначительное применение. Наиболее часто применяют высокотемпературную обработку. Её удобство в том, что заготовки сразу после окончания горячей обработки давлением: ковки или проката, могут подвергаться закалке без специального нагрева, используя только тепло после горячего деформирования. Преимущество этого процесса состоит в экономии топлива, для нагрева под закалку, сокращение времени изготовления деталей, повышении механических свойств, увеличение прочности, ударной вязкости при незначительном снижении пластичности.

Химико-термическая обработка

Химико-термической обработкой называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами, путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Цель химико-термической обработки-поверхностное упрочнение металлов и сплавов и повышение их стойкости против воздействия внешних агрессивных сред при нормальной и повышенной температурах.
Процессы химико-термической обработки состоят из трех стадий :

диссоциации, которая заключается в распаде молекул и образовании активных атомов

диффундирующего элемента .Например, диссоциации окиси углерода 2СО-СО2+С или аммиака 2НN3-3Н2+2N;

адсорбиции, т.е. кантактирования атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и образования химических связей с атомами металла; диффузии, т.е. проникновения насыщающего элемента в глубь металла.

Скорость диффузии при проникновении диффундирующих атомов в решетку растворителя будет выше, если при взаимодействии образуется твердые растворы внедрения, и значительно ниже, если образуются твердые растворы замещения.

Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от притока атомов этого элемента к поверхности и от скорости диффузионных процессов, т.е. отвода этих атомов в глубь металла.

Толщина диффузионного слоя зависит от температуры нагрева, продолжительности выдержки при насыщении и концентрации диффундирующего элемента на поверхности.

Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности детали, тем выше толщина слоя. Чем выше температура процесса, тем больше скорость диффузии атомов, а следственно, возрастает толщина диффузионного слоя.

Границы зерен являются участками, где диффузионные процессы облегчают из-за наличия большого числа дефектов кристаллического строения. Если растворимость диффундирующего элемента в металле мала, то часто наблюдается преимущественная диффузия по границам зерен. При значительной растворимости диффундирующего элемента в металле роль пограничных слоев уменьшается. В момент фазовых превращений диффузия протекает быстрее.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Актуальность темы. 4

Основная часть (Основные виды термической обработки стали). 4

Список литературы. 10

ВВЕДЕНИЕ

Ознакомится, и изучить термическую обработку, сплавов.

Основные виды термической обработки стали.

Неполный отжиг применяется, для улучшения обрабатываемости резанием и для подготовки стали к закаливанию.

Прокаливаемость – это глубина проникновения закалённой зоны (области).

Способы охлаждения также относят к одной из операций термообработки.

Отпуск стали – это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определённой температуры, выдержки и охлаждении. Цель отпуска стали - снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности.

Наряду с горячей обработкой стали, применяется также обработка холодом.

Что такое обработка стали холодом или криогенная обработка, как она влияет на свойства металла, как применить ее в условиях промышленного производства - это, пожалуй, самые часто задаваемые вопросы от наших читателей в соцсетях.

Для того, чтобы расставить все точки над i в этом вопросе, обратимся к основам теории ТОМ:

Необходимость обработки стали холодом возникает из-за того, что точка Мк для большинства сталей лежит ниже комнатных температур. Поэтому аустенит не всегда может полностью превратиться в мартенсит при закалке. Обработка холодом при -80 - -120⁰С позволяет более полно провести фазовое превращение А-М. При этом наблюдается повышение твердости стали на 0,5 - 4HRC и некоторое дополнительное изменение геометрии деталей. Эта закономерность справедлива для большинства сталей.

Но во всех ли случаях упрочняющей термообработки необходимо делать криогенную обработку деталей? Давайте сначала определим случаи, где обработка холодом целесообразна:

Для мерительного инструмента и деталей из конструкционных сталей, для которых важна размерная стабильность (стабильность геометрических размеров). Если для таких сталей в процессе эксплуатации будут созданы условия для прохождения более полного мартенситного превращения, то это приведет к изменению геометрии изделия

Для изделий, у которых достижение требований КД без обработки холодом невозможно.

Для изделий, которые работают в условиях пониженных температур. Низкие температуры могут привести к более полному превращению аустенита в мартенсит, что приведет к повышению твердости и напряжений в металле. При этом вероятность трещинообразования сильно возрастает. Обработка таких сталей холодом и последующее доведение механических свойств до требований КД отпуском, может снять данную проблему.

Для дополнительного повышения твердости кобальтовых быстрорежущих сталей с повышенным содержанием углерода. За счет бездиффузионного образования высокоуглеродистого мартенсита твердость возрастает до максимального предела: с 69,5 до 70 - 70,5 HRC (Геллер Ю.А. Инструментальные стали, 1983 г.)

Явление стабилизации аустенита

Из всего перечисленного можно сделать вывод, что область сталей, подходящих для обработки холодом, очень ограниченна. Ещё более сильно ограничивает ее применение некоторые моменты механизма фазового превращения и его последствия. Как мы уже упоминали, при обработке холодом увеличиваются внутренние напряжения в металле. Это может привести к образованию трещин в обрабатываемых деталях. Для предотвращения такого последствия данной технологии можно сделать промежуточный отпуск, который снизит напряжения в том, первом мартенсите, который образовался при закалке. Но при этом возможно проявление такого явления, как стабилизация аустенита, при котором в металле происходят процессы, которые снижают процент превращения остаточного аустенита в мартенсит при последующей обработке холодом. Описание данного явления есть в книгах Лахтина, Геллера и у многих других авторов книг по металловедению, но нигде не встречается детальное описание кинетики этого явления. Даже 20-30 минут нахождения закаленной стали при комнатной температуре, может привести к стабилизации аустенита и количественному снижению его превращения в мартенсит при последующей обработке холодом.

Из книги Ю.А. Геллера Инструментальные стали:

“Выдержка закаленной стали выше 0⁰С более 15 мин. или ее нагрев до 150-175⁰С перед дальнейшим охлаждением вызывает стабилизацию аустенита; В этом случае уменьшается количество превращающего аустенита, а следовательно, и прирост твердости при охлаждении ниже 0⁰С”

Именно по этой причине, обработку холодом следует делать непосредственно после закалки. Но и в этом случае в стали останется некоторое количество остаточного аустенита. Для его уменьшения можно сделать повторную обработку холодом, но это также не даст полного превращения, как и третья и четвертая обработка. Интенсивность и количественное превращение аустенита при каждой последующей обработке холодом будет снижаться. Обработку холодом закаленной или отпущенной стали можно сделать и через несколько суток или месяцев, что даст прирост твердости, но мизерный. Ниже представлена очень полезная таблица с содержанием остаточного аустенита после обработки холодом.

Из практических наблюдений:

Время до стабилизации аустенита и степень этой стабилизации зависит в большей мере от напряжений в металле, возникающих при закалке. Эти напряжения в свою очередь зависят от содержания углерода, легирующих элементов в стали и скорости охлаждения при закалке.

Закончить статью хотелось бы ответом на самый популярный вопрос от наших читателей: выгодно или не выгодно применять обработку холодом для сталей и повысит ли это прочность? Однозначно выгодно, если это прописано в требованиях чертежа. Как правило, в КД ставятся требования по твердости, параметру, который легче всего измерить, и с которым остальные механические характеристики находятся в корреляции. При этом нужно помнить, что повышая прочность и твердость, понижаются пластичность и вязкость, что сильно снижает длительную работоспособность большинства изделий.

Во многих сталях мартенситный интервал (М_н — М_к) простирается до отрицательных температур (смотрите рисунок Зависимость температур). В этом случае в закаленной стали содержится остаточный аустенит, который можно дополнительно превратить в мартенсит, охлаждая изделие до температур ниже комнатной.

По существу такая обработка холодом (предложена в 1937 г. А. П. Гуляевым) продолжает закалочное охлаждение, прерванное при комнатной температуре, которая не является критической для металла.

Обработку холодам можно проводить всегда, когда точка М_н лежит ниже нуля. Эффект обработки холодом зависит от количества остаточного аустенита при комнатной температуре. С увеличением содержания углерода в стали мартенситный интервал снижается в область более низких температур и увеличивается количество остаточного аустенита, который превращается в мартенсит при охлаждении закаленной стали до температуры нижней мартенситной точки М_к.

Охлаждение стали ниже точки М_к не имеет смысла, так как оно не приводит к дополнительному мартенситному превращению.

Влияние содержания углерода

Влияние содержания углерода на количество остаточного аустенита в стали, закаленной из аустенитного состояния (по В. Г. Воробьеву):

1 — при 20 °С;
2 — после охлаждения до М_к.

Основное назначение обработки холодом — стабилизация размеров изделий. Структура закаленной стали с большим количеством остаточного аустенита не стабильна. Уже при комнатной температуре, а тем более при небольшом климатическом понижении температуры остаточный аустенит постепенно превращается в мартенсит. Это превращение сопровождается увеличением объема и размеры изделия меняются.

У таких изделий, как шарико- и роликоподшипники, калибры и другой мерительный инструмент, размеры должны выдерживаться с точностью до микрона и долей микрона. Эти изделия для стабилизации размеров обрабатывают холодом. Во многих случаях даже не требуется глубокого охлаждения ниже нуля, а достаточно охладить закаленную деталь в воде с температурой от + 6 до + 10 °С.

Другое назначение обработки холодом — повышение твердости и износостойкости режущего инструмента, штампов и мерительного инструмента. В быстрорежущей стали после закалки содержится большое количество аустенита (до 25 — 40%). Понятно, что применение обработки холодом к такой стали особенно эффективно.

Обработка холодом повышает твердость и износостойкость и устраняет шлифовочные трещины в цементованных деталях из легированных конструкционных сталей. В высокоуглеродистом цементованном слое после закалки содержится значительное количество аустенита, который уменьшает твердость стали и вследствие распада которого во время шлифования появляются трещины.

Наконец, обработкой холодом можно повысить магнитные свойства постоянных магнитов в результате дополнительного перехода парамагнитного аустенита в ферромагнитный мартенсит.

При обработке холодом следует учитывать явление стабилизации аустенита (смотрите Кинетика мартенситных превращений). Разрыв во времени между операцией закалки и обработкой холодом приводит в некоторых сталях к сильной стабилизации аустенита при комнатной температуре, а стабилизация уменьшает эффект обработки холодом. Поэтому предельно допустимый разрыв регламентируют. Так, для измерительных плиток из стали X он не должен превышать 30 мин.

Читайте также: