Termokings.ru

Домашний Мастер
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Нормализация стали процесс, температура, режимы, время

Принцип множества технологий термообработки предполагает нагрев и выдержку сталей и охлаждение, что изменяет их строение. Не обращая внимания на один принцип и сходные цели, любая из них имеет конкретные температурные и временные режимы. Термическая обработка может послужить и в виде промежуточного этапа, и исполнять роль окончательного тех. процесса. В первом варианте подобные приемы применяются для подготовки материала к следующей отделке, а в другом этим вариантом придают обновленные свойства.

Нормализацией стали называют процесс нагрева, выдержки материала, его будущего охлаждения на воздухе.

В результате сформировывается нормализованная структура. Этим поясняется наименование этого варианта обработки.

Нормализация используется для разных сталей, а еще отливок. Более того этой операции подвергают для размельчения структуры материала сварные швы.

Суть нормализации состоит в нагреве стали до температуры, превышающей верхние критические температурные значения на 30 — 50°С , выдержке и охлаждении.

Температуру выбирают на основе типа материала. Так, заэвтектоидные варианты следует улучшить в температурном интервале между точками Ас1 и Ас3, тогда как для доэвтектоидной стали применяют температуры более Ас3. В результате все материалы первого типа приобретают одинаковую твердость благодаря тому, что в раствор переходит одинаковое кол-во углерода, и крепится одинаковое кол-во аустенита. Выходит которая состоит из мартенсита и цемента структура.

Второй элемент содействует повышению стойкости к износу и твердости материала. Нагрев высокоуглеродистой стали более Ас3 ведет к увеличению внутренних стрессов вследствие роста зерен аустенита и повышению его количества за счёт возрастания концентрации углерода в нем, приводящей к уменьшению температуры мартенситного превращения. Благодаря этому уменьшаются твердость и крепость.

Что же касается доэвтектоидной стали, при нагревании более Ас3 она получает очень высокую вязкость. Это вызвано тем, что в стали из низких углеродов при этом образуется мелкозернистый аустенит, какой после охлаждения переходит в мелкокристаллический мартенсит. Температуры между Ас1 и Ас3 не применяют для обработки подобных материалов, так как структура доэвтектоидной стали в этом случае получает феррит, снижающий ее твердость после нормализации и механичные свойства после отпуска.

Читать еще:  Цинкование металла: технология и методы

Комфортные температуры нагрева при самых разных видах термические обработки

Время выдержки определяет степень гомогенизации структуры. Нормативным критерием считают час выдержки на 25 мм толщины.

Интенсивность охлаждения в значительной степени определяет кол-во перлитового песка и размеры пластин.

Так, есть прямая зависимость между данными величинами. Другими словами с повышением интенсивности охлаждения сформировывается больше перлитового песка, расстояние между пластинами и их толщина уменьшаются. Это повышает твердость и крепость нормализованной стали. Стало быть, невысокая интенсивность охлаждения содействует появлению материала меньшей прочности и твердости.

Более того во время обработки предметов с большими перепадами сечения стремятся уменьшить термические напряжения чтобы не было коробления, причем и при нагревании, и при охлаждении. Так, в начале работы их греют в соляной ванне.

При снижении температуры отделываемого изделия до нижней критичной точки допускается ускорение охлаждения путем помещения его в масло или воду.

Таким образом, нормализация сокращает внутренние напряжения, измельчает крупнозернистую структуру поковок, отливок, сварных швов путем перекристаллизации. То есть изменяется микроструктура стали.

Что такое нормализация стали и зачем она нужна

Нормализация стали (НС) является разновидностью отжига и относится к процессам термической обработки (ТО), при которых сплав нагревается до аустенитного состояния, выдерживается определенное время и охлаждается. В данном случае нагрев происходит до температуры, превышающей критическую точку Ас3 на 30-50°С, при которой металл выдерживается, а затем охлаждается на воздухе.

Для каждого вида сплавов существует свой определенный режим обработки. В ходе процесса:

  • устраняются дефекты внутренней структуры;
  • повышается прочность;
  • понижается порог хладноломкости;
  • происходит полная рекристаллизация.

Результат ТО описывается графиком с координатами «температура-время». Для доэвтектоидных (содержание углерода до 0,8%), эвтектоидных (0,8% углерода) и заэвтектоидных (свыше 0,8% углерода) сталей температурный режим нормализации и структурный и фазовый состав после термической обработки будут значительно отличаться.

Нормализация стали используется в таких целях:

  • устранение остаточных внутренних напряжений;
  • увеличение/снижение прочности, твердости в зависимости от термической и механической истории изделия;
  • изменение структурного состава в мелкозернистый в отливках;
  • удаление наклепа;
  • подготовка к последующему термическому упрочнению (закалке).

Отжиг второго рода (ΙΙ-го рода)

Отжиг ΙΙ рода основан на использовании фазовых превращений сплавов и состоит в нагреве выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого структурного состояния сплавов.

Полный отжиг

Полный отжиг производится для доэвтектоидных сталей. Для этого стальную деталь нагревают выше критической точки А3 на 30–50°С и после прогрева проводят медленное охлаждение. Как правило, детали охлаждают вместе с печью со скоростью 30–100°С/час. Структура доэвтектоидной стали после отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

Основные цели полного отжига:

— устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячая деформация, сварка, термообработка), – крупнозернистости и видманштеттовой структуры;

— смягчение стали перед обработкой резанием – получение крупнозернистости для улучшения качества поверхности и большей ломкости стружки низкоуглеродистых сталей;

Неполный отжиг

Неполный отжиг отличается от полного тем, что нагрев производится на 30–50 °С выше критической точки А1 (линия РSК на диаграмме «Железо – цементит»). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей проводят для улучшения обрабатываемости резанием. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали — вследствие перехода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Такой отжиг проводится при температуре 770 — 750°С с последующим охлаждением со скоростью 30 — 60°С/с до 600°С, далее на воздухе.

Неполный отжиг широко применяется для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. Нагрев этих сталей на 10 — 30°С выше Ас1 вызывает практически полную перекристаллизацию сплава и позволяет получить зернистую (сферическую) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией. Частицы цементита, не растворившегося при нагреве, или области аустенита с повышенной концентрацией углерода за счет неполной его гомогенизации после растворения цементита, служат центрами кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем охлаждении до температуры ниже А1 и принимающего в этом случае зернистую форму. В результате нагрева до температуры значительно выше А1 и растворения большей части цементита и более полной гомогенизации аустенита последующее выделение цементита ниже А1 происходит в пластинчатой форме. Если избыточный цементит находился в виде сетки, то перед этим отжигом нужно сделать нормализацию с нагревом выше Асm (желательно с охлаждением в направленном потоке воздуха).

Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий температурный интервал нагрева (750 — 760°С) для отжига на зернистый цементит, для заэвтектоидных сталей интервал рсширяется до 770 — 790°С. Легированные заэвтектоидные стали можно нагревать до более высоких температур 770 — 820°С. Охлаждение и сфероидизация цементита происходит медленно. Охлаждение должно обеспечить распад аустенита на феррито-карбидную структуру, сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов до 620 — 680°С.

Отжиг на зернистый перлит (маятниковый отжиг)

Для получения зернистого перлита применяют отжиг с различными вариациями термоциклирования в надкритическом и межкритическом интервале температур, маятниковые виды отжига с различными выдержками и количеством циклов.

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость, временное сопротивление разрыву и соответственно более высокие значения характеристик пластичности. Например эвтектоидная сталь с пластинчатым перлитом имеет твердость 228НВ, а с зернистым 163НВ и соответственно временное сопротивление 820 и 630МПа, относительное удлинение 15 и 20%.

Микроструктура стали после отжига на зернистый перлит (ОЗП) выглядит следующим образом

После отжига на зернистый перлит стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, при этом достигается более высокая чистота поверхности. В ряде случаев, отжиг на зернистый перлит является обязательной предварительной операцией. Например для избежания трещинообразования при высадке болтов и заклепок.

Изотермический отжиг

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали до температуры Ас3 + (30–50°С), последующего ускоренного охлаждения до температуры изотермической выдержки ниже точки А1 и дальнейшего охлаждения на спокойном воздухе. Изотермический отжиг по сравнению с обычным отжигом имеет два преимущества:

— больший выигрыш во времени, т. к. суммарное время ускоренного охлаждения, выдержки и последующего охлаждения может быть меньше медленного охлаждения изделия вместе с печью;

— получение более однородной структуры по сечению изделий, т. к. при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения.

Патентирование

Патентирование — операция отжига, как правило назначаемая для пружинной проволоки, с содержанием углерода 0,65 — 0,9%, перед волочением. Процесс заключается в аустенитизации металла и последующим пропускании его через расплав солей с температурой 450 — 550°С (на ДИПА это температуры изотермической выдержки в области минимальной устойчивости аустенита). Это приводит к образованию тонкопластинчатого троостита или сорбита, который позволяет получать степени обжатия более 75% для волочения и окончательное временное сопротивление 2000 — 2250МПа после ХПД.

Нормализационный отжиг (нормализация стали)

Нормализационный отжиг или нормализацию стали применяют как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием и для общего улучшения ее структуры перед закалкой. При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают до температур Ас3 + (30–50°С), заэвтектоидную до Асм + (30–50°С) и после выдержки охлаждают на спокойном воздухе.

Ускоренное охлаждение по сравнению с отжигом обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита, поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит) и более мелкое эвтектоидное зерно.

Прочность стали после нормализации несколько выше, чем после отжига. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. При нагреве выше точки Асм вторичный цементит растворяется, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали. В доэвтектоидной стали, как говорилось выше, нормализация позволяет устранить крупное зерно после перегрева и видманштетт после нарушения цикла ГПД.

Цены на термообработку

Зависит от многих параметров:

  • при отжиге цена зависит от температуры, получаемой в печи, времени, затраченного на весь процесс, а также использованной технологии;
  • при закалке большое влияние на стоимость имеет способ закалки, а также то, какие составы применяются для процедуры;
  • при отпуске деталей нужно ускорить процесс охлаждения в два раза, что также оказывает влияние на стоимость.

Здесь приведены только некоторые примеры. В целом стоимость зависит от скорости охлаждения, режима, температуры, состава охлаждения, технологии термообработки.

Виды закалки стали

Способов закаливания металла существует множество. Их выбор обусловлен составом стали, характером изделия, необходимой твердостью и условиями охлаждения. Часто используется ступенчатая, изотермическая и светлая закалка.

Закаливание в одной среде

Обратившись к графику кривых охлаждения для различных способов закалки, можно видеть, что закалке в одной среде соответствует кривая 1. Выполнять такое закаливание просто. Однако, подойдет она не для каждой стальной детали. Из-за быстрого понижения температуры у стали переменного сечения в температурном интервале возникает температурная неравномерность и большое внутреннее напряжение. От этого стальная деталь может покоробиться и растрескаться.

Рисунок №2. Кривые охлаждения.

Большое содержание углерода в стальных деталях может вызвать объемные изменения структурных напряжений, а это, в свою очередь, грозит появлением трещин.

Заэвтектоидные стали, имеющие простую форму, лучше закаливать в одной среде. Для закалки более сложных форм применяется закалка в двух средах или ступенчатая закалка.

Закаливание в двух средах (на рисунке №2 это кривая 2) применяется для инструментов, изготовленных из высокоуглеродистой стали. Сам метод состоит в том, что сталь вначале охлаждается в воде до 300-400 градусов, после чего ее переносят в масляную среду, где она прибывает пока полностью не охладится.

Ступенчатая закалка

При ступенчатом закаливании (кривая 3) стальная деталь помещается вначале в соляную ванну. Температура самой ванны должна быть выше температуры, при которой происходит мартенситное превращение (240–250 градусов). После соляной ванны сталь перемешают в масло, либо на воздух. Используя ступенчатою закалку можно не бояться, что деталь покоробится или в ней образуются трещины.

Недостаток такой закалки заключает в том, что ее можно применять лишь для заготовок из углеродистой стали с небольшим сечением (8–10 мм). Ступенчатая закалка может применяться для деталей из легированной стали с большим сечением (до 30 мм).

Изотермическая закалка

Изотермическому закаливанию на графике соответствует кривая 4. Закаливание проводится аналогично ступенчатой закалке. Однако, в горячей ванне сталь выдерживается дольше. Это делается так, чтобы вызвать полный распад аустенита. На схеме выдержка показывается на S-образной линии точками a и b. Сталь, прошедшая изотермическую закалку, может охлаждаться с любой скоростью. Средой охлаждения могут служить расплавленные соли.

Преимущества изотермического закаливания:

  • сталь почти не поддается короблению;
  • не появляются трещины;
  • вязкость.

Светлая закалка

Для проведения такого закаливания требуется специально оборудованная печь, снабженная защитной средой. На производстве, чтобы получить чистую и светлую поверхность у закаленной стали следует использовать ступенчатую закалку. После нее сплав охлаждается в расплавленной едкой щелочи. Перед процессом закалки стальная деталь нагревается в соляной ванне из хлористого натрия с температурой на 30–50 градусов выше точки Ас1 (см «Схему критических точек»). Охлаждение детали проходит в ванне при 180–200 градусов. Охлаждающей средой служит смесь состоящая из 75% смесь едкого калия, 25% едкого натрия, в которую добавляется 6–8% воды (от веса соли).

Закалка с самоотпуском

Применяется при производстве инструментальной стали. Основная идея закалки заключается в изъятии стальной детали из охлаждающей среды до момента ее полного охлаждения. Изъятие происходит в определенный момент. В сердцевине стальной детали сохраняется определенное количество тепла. За его счет и производится последующий отпуск. После того как за счет внутреннего тепла стальное изделие достигнет нужной температуры для отпуска, сталь помещают в закалочную жидкость, для окончательного охлаждения.

Р исунок №3 — Т аблица побежалости.

Отпуск контролируется по цветам побежалости (см рисунок №3), которая формируется на гладкой поверхности металла при 220–330 градусах.

При помощи закалки самоотпуском изготавливаются кувалды, зубила, слесарные молотки и другие инструменты, от которых требуется высокая твердость на поверхности с сохранением внутренней вязкости.

Перед тем, как начать каление, нам необходимо убедиться, что материал приобретённого нами инструмента не термообработан. Делаем проверку с помощью обыкновенного паяльника. Нагреваем инструмент и проводим им по интересующей нас металлической поверхности. Если паяльник прилипает к металлу, то значит ни о какой его термообработке не может быть и речи. Плавное прохождение паяльника по поверхности стали или отскакивание от неё говорят о том, что проверяемый нами предмет либо хорошо термообработан либо обработан слишком сильно. При отсутствии термообработки делаем её самостоятельно.

Термическая обработка металла графитом хороша тогда, когда нужно закалить не весь предмет, а только его часть. У ножа — это кромка. Последовательность процесса термообработки ножа в домашних условиях:

  • острие ножа проверяем на твёрдость при помощи надфиля. Если металл легко стачивается, а надфиль издаёт глухой звук, значит нож не термообработан;
  • для данного процесса понадобится графит, который можно добыть из круглых батареек, взять стержни простого карандаша или воспользоваться графитовыми щётками генератора;
  • добытый графит превращаем в порошок;
  • в качестве источника питания используем сварочный аппарат постоянного тока. Выставляем на минимум;
  • делаем подложку из оцинкованного листа. На неё насыпаем графитовый порошок;
  • к подложке подсоединяем «плюс» сварочного прибора, а ручке ножа — «минус»;
  • далее лезвием ножа аккуратно водим по графиту так, чтобы оно не касалось подложки. А ещё следим, чтобы графит не воспламенился, иначе ножик наш будет испорчен;
  • при движении лезвия по графиту последний будет выдавать искры. Как только увидим, что остриё ножика нагрелось, процесс прекращаем. Приблизительное время закалки — не более 5 минут;
  • даём ножу остыть естественным путём, затем берём надфиль и проверяем твёрдость. Если звук, издаваемый надфилем при контакте с ножом звонкий, а остриё не поддаётся затачиванию, значит твёрдость лезвия высокая.

Процесс закалки на производстве провести намного легче, чем дома. При необходимости можно попробовать закалить нужный предмет или инструмент «топорными» способами с применением подручных средств.

Используемая литература и источники:

  • Поверхностные явления в металлах и сплавах / В.К. Семенченко. — М.: Гостехиздат
  • Сверхбыстрая закалка жидких сплавов. — Москва: Машиностроение
  • Статья на Википедии

Нормализация и отжиг стали – популярные типы обработки

После первой выплавки сложно достичь состояния металла, соответствующего современным нормам. В связи с этим в металлургии применяются дополнительные разновидности обработки, такие как отжиг и нормализация стали.

Отжиг представляет собой первый этап термического преобразования сплава. Процесс заключается в нагреве изделия до конкретных температурных показателей, выдерживании такого состояния и постепенном охлаждении. Благодаря этому меняется структура и характеристики сплава.

К видам термической обработки относится нормализация, во время которой сплав подвергается нагреванию до температуры, превышающей критические значения на 30-50 градусов. Далее изделие выдерживается и медленно охлаждается.

Выбор конкретной методики осуществляется в зависимости от вида материала, а также поставленных задач. Время для выдержки выбирают такое, чтобы заготовка успела полностью прогреться, а в материале произошли перемены в структуре. Отличается и время на охлаждение. У углеродистой стали процесс происходит быстрее, а у низколегированной – медленнее. Дольше всего охлаждаются высоколегированные стали.

Бывают ситуации, при которых не требуются серьезные структурные изменения. Актуальным становится процесс неполного отжига. Во время изотермического отжига нагрев может превышать критические показатели не больше, чем на 50 градусов. Химическая однородность получается посредством гомогенизации, когда термическая обработка происходит при повышенных температурных значениях, многочасовой выдержке и крайне медленном охлаждении. Рекристаллизационный отжиг выполняется при нагреве до 680 градусов.

Способы повехностной закалки стали

Существует 4 основных метода поверхностной закалки: с индукционным нагревом при помощи высокочастотного тока, с электроконтактным нагревом, с нагревом при помощи газопламенных горелок и закалку при помощи использования электролитического раствора. Для обработки мелких деталей зачастую используют последний метод.

Для средних изделий применяются первые два, а для крупногабаритных элементов лучше всего подходит нагрев при помощи газовых горелок. Для охлаждения используют те же жидкости, что и при полной закалке. В редких случаях, для особо крупных конструкций применяются газовые холодильные установки. И последний вид обработки называется неполной закалкой стали. Он подразумевает медленное охлаждение нагретого материала, в результате чего часть атомов углерода успевают покинуть молекулярную сетку железа и вернуться к нормальному состоянию.

Таким образом, образуется частично закаленный металл. Такой тип обработки применяется, когда необходимо специально оставить в структуре материала слабые места. Этот подход используется в автомобильной промышленности для создания так называемой контролируемой деформации при аварии. Он разработан специально для уменьшения травматизма пассажиров и снижения количества смертельных случаев.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector
×
×