Обезуглероживание стали как исправить

Поверхностное обезуглероживание

Описание.

Обеднение стали углеродом, начинающееся с поверхности. Как правило, наружный слой стали почти полностью обезуглерожен. К этому слою примыкает область с пониженным содержанием углерода. При почти полном отсутствии углерода говорят о полном обезуглероживании, при уменьшенном содержании этого элемента — о частичном обезуглероживании.

Обезуглероживание у края поперечного сечения образца после его разрушения (на поперечном темплете — шлифе) обнаруживается с помощью локального химического анализа и анализа микроструктуры. Структура полностью обезуглероженной зоны представляет собой чистый феррит; Структура переходного слоя характеризуется посте-

пенно уменьшающейся к сердцевине долей феррита.

Причины возникновения.

Взаимодействие углерода, содержащегося в стали, главным образом с кислородом, а также с водородом окружающей среды, причем реакционная способность в системе металл — газ, так же как и диффузия кислорода и водорода, увеличиваются с ростом температуры. Поскольку диффузионный перенос контролируется, кроме того, временем, то и обезуглероживание увеличивается с ростом продолжительности нагрева. Основными причинами являются:

а) обезуглероживающая атмосфера при нагревах стали до температур горячей деформации и при отжиге (в печах без защитной или нейтральной атмосферы);

б) попадание в печь обезуглероживающей атмосферы при отжиге в печах с защитным газом (например, при светлом отжиге холоднодеформированных изделий);

в) недостаточное удаление окалины с поверхности термически обрабатываемых изделий, в частности при отжиге в печах с защитным газом;

г) обезуглероженная поверхность у исходных заготовок.

Предупреждение.

Создание надлежащей атмосферы, определяющей незначительное, обезуглероживание при нагревах исходных заготовок до температур горячей деформации или отжига.

Применение ускоренного нагрева.

Применение нагрева под деформацию или отжиг в защитной атмосфере с соответствующим регулированием ее состава.

Герметичность нагревательных устройств, предотвращающая подсос воздуха при отжиге в защитной атмосфере.

Использование очищенных от окалины полуфабрикатов при их отжиге в печах с защитной атмосферой.

В специальных случаях возможно применение науглероживающей атмосферы.

Использование исходных заготовок с необезуглероженной поверхностью.

Устранение.

В зависимости от типа изделий возможны огневая зачистка, шлифовка, обточка. В редких случаях применяют науглероживающий отжиг.

Примечание.

Обезуглероживание поверхностной зоны уменьшает ее прочность, твердость и соответственно сопротивление деформации и изнашиванию. Поэтому обезуглероживание поверхности особенно нежелательно для инструментальных, подшипниковых и износостойких сталей1.

К обезуглероживанию поверхности склонны практически все стали, содержащие >0,2% С. Необезуглероженную поверхность можно получить только при нагревах в соответствующих защитных атмосферах или при удалении обезуглероженных поверхностных слоев. Однако по экономическим и техническим соображениям это возможно только для ограниченного круга специальных изделий (например, сталей, к которым предъявляются требования повышенной отделки поверхности, тянутой стальной проволоки, горячекатаного стального прутка, предназначенного для волочения).

Поэтому обезуглероживание поверхности рассматривается как дефект только в том случае, если оно превышает допустимую величину. Электротехнические стали (трансформаторная, динамная) для уменьшения ваттных потерь специально для обезуглероживания отжигают в большинстве случаев в атмосфере водорода.

Источник: Атлас дефектов стали. Пер. с нем. М. «Металлургия», 1979.

Виды термообработки

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.

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).

Химическая обработка

Химические реакции с металлами в совокупности с термическими воздействием приводят к повышению износостойкости, устойчивости к воздействию кислот и щелочей. В настоящее время существуют специализированные промышленные условия для проведения большого количества процессов. Важно различать методики и использовать их в нужный момент. Типы термохимических реакций:

1. Цианирование — металл подвергают одновременному воздействию углерода и азота. Основа методики заключается в насыщении сплава данными элементами.
2. Азотирование — технология, позволяющая повысить коррозионную устойчивость металлов до максимальных показателей, также повышается прочность. Для этого сплавы погружают в азотную среду.
3. Диффузионная металлизация — очень сложная технология, но схожая с предыдущими. Благодаря ее проведению металл становится более прочным, износостойким и не подвергается воздействию агрессивных средств. Для этого поверхность сплавов обрабатывают бромом, хромом, алюминием.
4. Цементация — методика, повышающая прочность металла. Для этого используют углерод, который в газовом состоянии непрерывно подается на металл в печи.

В каждом отдельном случае важно соблюдать все правила технологического сопровождения. Сплав при неправильном воздействии может потерять свои технические характеристики и будет отправлен на дополнительную переплавку. В таких ситуациях используются контрольно-измерительные приборы, исключающие нарушение технологии.

Отпуск и старение сплавов

• высокий;
• средний;
• низкий.

Процесс старения применяется для обработки чугуна и различных типов цветных металлов. Технология очень распространена, так как позволяет увеличивать пределы текучести и прочности металлов. Проводят старение после отжига при нормальной температуре, это позволяет добиться требуемого эффекта без каких-либо сторонних технологий.

Особенность любого типа термической обработки заключается в профессионализме исполнителей. У каждого специалиста, работающего с металлом, есть свои секреты, которые он применяет на практике. Удается получать металл с уникальными техническими характеристиками. В заводских условиях нужно придерживаться технического регламента, поэтому металл всегда одинакового формата, это иногда является большой проблемой. Технические стандарты остаются постоянными.

Цветные сплавы

Каждый отдельный цветной металл или сплав отличается от других физическими и химическими свойствами, что не скажешь о черных металлах. Поэтому рекомендуется для каждого отдельного случая подбирать свои методики, чтобы не потерять качество. Рекристализационный отжиг проводится для меди, что в значительной степени повышает качество, и происходит термоупрочнение. Различают такие особенности:

1. Латунь ни в коем случае нельзя сильно нагревать, предел — 250−300 градусов Цельсия. При неправильной обработке либо высоких температурах происходит растрескивание структуры.
2. Бронзу нужно гомогенизировать и в последующем нагревать до 600 градусов Цельсия.
3. Магний можно обрабатывать различными методами: старение, отжиг и так далее.
4. Титановые сплавы можно закаливать, отжигать, подвергать старению, цементации.

В настоящее время существуют специальные справочники и технические пособия, позволяющие подбирать соответствующие методики для повышения технических свойств металлов. Специалисты, работающие на промышленных предприятиях, действуют по заранее заложенным планам и техническим документам. Таким образом, каждая методика по-своему уникальна и делает металлы и сплавы более качественными и подходящими для технических и промышленных нужд.

Промышленные компании применяют практически все существующие методы, что дает возможность получить сплавы различного формата. Очень важно придерживаться регламентов и стандартов ГОСТ. Каждая рассмотренная термическая обработка имеет свои стандарты и технические нормативы. Любое отклонение приведет к получению некачественного материала, и, следовательно, будет брак.

Отжиг металлов в печи

Стандартная методика, при которой заготовки отправляют в печь и нагревают. В дальнейшем остывание происходит не в отдельных камерах, а в той же печи. Таким образом, начинается естественный процесс остывания за счет температуры окружающей среды. Если рассматривать виды термообработки металлов, то представленная технология — одна из самых простых. Технология позволяет получить следующие свойства:

1. Уменьшается твердость, в дальнейшем легко перерабатывать сплавы.
2. Повышается зернистость структуры.
3. Исчезают неоднородные сегменты.
4. Исчезает внутреннее напряжение.

В настоящее время представленная технология реализуется в нескольких разнообразных вариациях. Как указывает технологический справочник, для различных нужд создаются оптимальные условия. На промышленных предприятиях данные работы должны проводиться в специальных печах. Сегодня отжиг стальных заготовок применяется для получения высококачественной стали. Такие методики очень важны для промышленности и развития индустрии в этом сегменте.

Криогенное воздействие

В настоящее время техника и технология постоянно развиваются, появляются новые варианты воздействий на сплавы. Сегодня можно использовать не только высокие температуры, но и низкие. То есть холод также улучшает качество материалов. Существуют специальные криогенные камеры, в которых и проводятся технологические процедуры. Температура, при которой находятся детали и заготовки, равна -196 градусов Цельсия. Преимущество технологии заключается в том, что не требуется повторная обработка.

Конечно же, технология не всегда бывает подходящей и имеет множество различных нюансов. Рекомендуется пользоваться технологическими регламентами, что позволит в значительной степени повысить качество продукта. Также при такой обработке в значительной степени снижаются затраты. Достаточно использовать холодильник, при высоких температурах нужны сторонние ресурсы на разогрев печи и так далее.

Термомеханическое воздействие

Из всех перечисленных технологий представленная методика в промышленных масштабах используется уже давно. Суть заключается в предварительном нагревании металла до пластичного состояния и в дальнейшем механическом воздействии. Термомеханическая обработка может быть нескольких видов:

1. Низкотемпературная обработка. Ее отличие заключается в том, что металл нагревается до аустенитного состояния. Технология включает в себя пластическую деформацию, закалку и отпуск. Все делается в соответствии с техническим регламентом.
2. Высокотемпературная обработка. Металл нагревается до мартенситного состояния, проводится пластическая деформация.
3. Предварительная обработка.

Выбрать нужный метод позволяют практика и те цели, которые вы преследуете. С технологической точки зрения каждый метод любого типа термической обработки подходит только для определённых металлов и сплавов. Именно этим фактором обусловлено разнообразие. То есть ни в коем случае нельзя подвергать сталь воздействию определенного типа, если оно не подходит. Это приведет к ухудшению качества материалов.

Основные виды термической обработки

На промышленных предприятиях все процессы автоматизированы и человек принимает в них лишь косвенное участие. Все технологии практически идентичные, но имеют отличия по условиям температуры и другим факторам. В первую очередь сплав нагревается до определённой температуры, далее его выдерживают в этих температурных режимах. На последнем этапе происходит моментальное охлаждение. Таким образом, термообработанная сталь будет иметь уникальные технические характеристики. Основные типы технологий:

1. Термическое воздействие включает в себя закалку, старение, отпуск, криогенный нагрев.
2. Термомеханические методики. Сопровождаются не только нагревом, но и механическими воздействиями.
3. Термохимические технологии. После воздействия температурой происходит обработка различными типами жидкостей или газов, что может упрочнять сплав.

Любой способ подразумевает под собой получение требуемых условий, поэтому в случае возникновения сложностей вторичная обработка будет неприемлемой. Каждая технология по-своему уникальна, но при этом основывается на нагревании металлов.

Поэтому требуется более основательно разобраться с различиями и другими факторами. Это позволит получить более конкретную информацию обо всех интересующих аспектах.

Поверхностное обезуглероживание стальных отливок

К

атегория:

Производство точных отливок

Поверхностное обезуглероживание стальных отливок

Далее: Науглероживание

При литье по выплавляемым моделям углеродистых сталей в нагретых керамических формах происходит поверхностное обезуглероживание отливок (рис. 40). Первоначально считали, что поверхностное обезуглероживание происходит в результате реакции стали с кремнеземом, содержащимся в форме. Исследованиями, а также термодинамическими расчетами было доказано, что причиной поверхностного обезуглероживания является исключительно кислород воздуха. Обезуглероживание возрастает с увеличением толщины стенки отливки, с повышением температуры формы и ее газопроницаемости и снижается с увеличением теплопроводности формулы. Влияние температуры заливаемого металла на поверхностное обезуглероживание отливки мало.

Обезуглероживание поверхности отливки начинается после начала затвердевания металла. Точные отливки, получаемые в раскаленных формах, охлаждаются медленнее, чем в холодных формах. Охлаждение внутри отливки еще медленнее, чем на поверхности.

Обезуглероживание является диффузионным процессом, зависящим от продолжительности охлаждения отливки. Массивные отливки имеют большую величину обезуглероживания по сравнению с отливками, имеющими меньшую массу. При этом предполагается, что для окисления углерода металла достаточно кислорода воздуха. Чем больше газопроницаемость формы, тем лучше доступ кислорода воздуха к остывающему металлу, тем больше обезуглероживание. При низкой газопроницаемости обезуглероживание меньше, но в отдельных местах отливок оно может быть достаточно большим. Большое влияние на глубину обезуглероживания оказывает легирование стали. Обезуглероживание практически не происходит в сталях, содержащих соответствующее количество легирующих элементов, которые имеют при температуре затвердевания стали большее сродство к кислороду, чем углерод. Например, очень малый обезуглероженный слой имеют стали с 12% Сг и быстрорежущие стали.

Рис. 1. Структура обезуглероженного слоя

Расплавленный металл, заливаемый в холодные формы, охлаждается быстрее, поэтому можно предположить, что поверхностное обезуглероживание отливок в этом случае будет меньше. Результаты экспериментов подтвердили это предположение.

Поверхностное обезуглероживание можно предотвратить путем заливки и охлаждения в атмосфере защитного газа или с помощью засыпки керамических форм песком со специальными добавками. Такими добавками являются вещества, которые при температуре заливки разлагаются с выделением углекислого газа и тем самым предотвращают обезуглероживание. Практика показала, что создание в форме защитной атмосферы обходится очень дорого.

Науглероживание смеси газовой фазой часто является причиной образования раковин в отливках из-за трудно регулируемого процесса выделения газа. На практике отливки получаются с обезуглероженным слоем, глубина которого определяется номенклатурой заготовок, их материалом и принятым технологическим процессом. В том случае, если на изделии недопустимо обезуглероживание, то следует прибегать к дополнительной химико-термической обработке, например цементации.

Поверхностное обезуглероживание

Описание.

Обеднение стали углеродом, начинающееся с поверхности. Как правило, наружный слой стали почти полностью обезуглерожен. К этому слою примыкает область с пониженным содержанием углерода. При почти полном отсутствии углерода говорят о полном обезуглероживании, при уменьшенном содержании этого элемента — о частичном обезуглероживании.

Обезуглероживание у края поперечного сечения образца после его разрушения (на поперечном темплете — шлифе) обнаруживается с помощью локального химического анализа и анализа микроструктуры. Структура полностью обезуглероженной зоны представляет собой чистый феррит; Структура переходного слоя характеризуется посте-

пенно уменьшающейся к сердцевине долей феррита.

Причины возникновения.

Взаимодействие углерода, содержащегося в стали, главным образом с кислородом, а также с водородом окружающей среды, причем реакционная способность в системе металл — газ, так же как и диффузия кислорода и водорода, увеличиваются с ростом температуры. Поскольку диффузионный перенос контролируется, кроме того, временем, то и обезуглероживание увеличивается с ростом продолжительности нагрева. Основными причинами являются:

а) обезуглероживающая атмосфера при нагревах стали до температур горячей деформации и при отжиге (в печах без защитной или нейтральной атмосферы);

б) попадание в печь обезуглероживающей атмосферы при отжиге в печах с защитным газом (например, при светлом отжиге холоднодеформированных изделий);

в) недостаточное удаление окалины с поверхности термически обрабатываемых изделий, в частности при отжиге в печах с защитным газом;

г) обезуглероженная поверхность у исходных заготовок.

Предупреждение.

Создание надлежащей атмосферы, определяющей незначительное, обезуглероживание при нагревах исходных заготовок до температур горячей деформации или отжига.

Применение ускоренного нагрева.

Применение нагрева под деформацию или отжиг в защитной атмосфере с соответствующим регулированием ее состава.

Герметичность нагревательных устройств, предотвращающая подсос воздуха при отжиге в защитной атмосфере.

Использование очищенных от окалины полуфабрикатов при их отжиге в печах с защитной атмосферой.

В специальных случаях возможно применение науглероживающей атмосферы.

Использование исходных заготовок с необезуглероженной поверхностью.

Устранение.

В зависимости от типа изделий возможны огневая зачистка, шлифовка, обточка. В редких случаях применяют науглероживающий отжиг.

Примечание.

Обезуглероживание поверхностной зоны уменьшает ее прочность, твердость и соответственно сопротивление деформации и изнашиванию. Поэтому обезуглероживание поверхности особенно нежелательно для инструментальных, подшипниковых и износостойких сталей1.

К обезуглероживанию поверхности склонны практически все стали, содержащие >0,2% С. Необезуглероженную поверхность можно получить только при нагревах в соответствующих защитных атмосферах или при удалении обезуглероженных поверхностных слоев. Однако по экономическим и техническим соображениям это возможно только для ограниченного круга специальных изделий (например, сталей, к которым предъявляются требования повышенной отделки поверхности, тянутой стальной проволоки, горячекатаного стального прутка, предназначенного для волочения).

Поэтому обезуглероживание поверхности рассматривается как дефект только в том случае, если оно превышает допустимую величину. Электротехнические стали (трансформаторная, динамная) для уменьшения ваттных потерь специально для обезуглероживания отжигают в большинстве случаев в атмосфере водорода.

Источник: Атлас дефектов стали. Пер. с нем. М. «Металлургия», 1979.

Окисление и обезуглероживание стали при закалке

При высоких температурах нагрева могут происходить значительное окисление и обезуглероживание быстрорежущей стали, если при этом не применяются специальные меры защиты. Наиболее целесообразно производить подогрев инструмента в свинцовой ванне, а окончательный нагрев — в печах с контролируемой атмосферой или в специальных ваннах с расплавленной солью хлористого бария. Однако нагрев в жидких средах, предохраняя сталь от окисления, защищает ее от обезуглероживания только при условии тщательного и регулярного раскисления ванны. Недостаточное или несвоевременное раскисление приводит к образованию на поверхности инструмента, его режущей кромке, тонкого обезуглероженного слоя, твердость которого может снизиться после отпуска до 58—60 Rс . Трудность измерения твердости такого тонкого слоя часто приводит к тому, что обезуглероживание не обнаруживается при контроле, и в эксплуатацию поступает неудовлетворительный по качеству инструмент. Стойкость инструмента может понизиться даже при менее значительном обезуглероживании, характеризуемом падением твердости до 60—62 Rс Наличие такого слоя особенно опасно в инструменте, не проходящем шлифовки после термической обработки и затачиваемом но одной грани (фрезы и т. п.).
Лучшую защиту от обезуглероживания дает раскисление хлор-бариевой ванны введением в нее молотого ферросилиция в количестве 0,5—1% от веса соли или буры (обезвоженной) в количестве 2—3% от веса соли.

После введения ферросилиция или буры необходимо железным стержнем быстро перемещать ванну, а затем черпаком: а) удалить осадки железа, выпадающие на дне ванны, для того чтобы они не замкнули электродов ванны, и б) снять пену, образующуюся на ее поверхности, для того чтобы частицы шлака и нерастворившегося ферросилиция не прилипали к инструменту.

Такое раскисление при интенсивной работе ванны надо производить не реже чем каждые 4 часа. Практикуемое иногда раскисление один раз в смену (через 8 час.) может оказаться недостаточным.

Некоторым дефектом применения ферросилиция является его разрушающее действие на кладку ванны. Введение буры приводит к тому, что ванна «дымит», что затрудняет контроль температур ванны по оптическому пирометру. Поэтому отдельные заводы применяют для раскисления электродный бой.

Поскольку ферросилиций является хорошим раскислителем и применение его эффективно защищает металл от обезуглероживания, целесообразно иметь в цехе запасную ванну для периодической смелы ванны, выходящей из строя и передаваемой на ремонт, и производить раскисление ванны ферросилицием.

В последнее время отдельные заводы успешно применяют смесь, состоящую из 90% хлористого бария и 10% буры. Освежение и пополнение ванны также производится смесью этого состава. Такой способ позволяет за счет защитного действия буры, содержащейся в смеси, всегда иметь раскисленную ванну без принятия специальных мер защиты. Очищать ванну от осадков надо и в этом случае регулярно.

При нагреве инструмента в пламенной печи для предупреждения окисления надо предварительно подогретый инструмент покрыть защитным слоем буры. Это выполняется обкаткой инструмента в обезвоженной буре при температуре инструмента 800—850° или погружением подогретого (до 100—200°) инструмента на 1—2 мин. в пересыщенный водный раствор буры. Образующийся тонкий слой буры при нагреве расплавляется и (в виде жидкой тонкой пленки) защищает поверхность инструмента.

Целесообразно, кроме того, при нагреве в печи помещать инструмент в железную коробку. В коробку не надо загружать одновременно много инструментов, для того чтобы прогрев всех инструментов в коробке был максимально одинаковым. Продолжительность прогрева в коробке должна быть установлена экспериментально в зависимости от конструкции печи, размеров коробки и количества загруженных инструментов таким же способом, как это было указано ранее.

Раскисленность хлорбариевой ванны удобно проверять измерением твердости закаленных и отпущенных (три раза при 560°) образцов на приборе Виккерса, для чего шлифованные образцы стали РФ1 выдерживают в ваше при 1290—1300° в течение 3 мин., охлаждают в масле, отпускают и зачищают на сукне для снятия следов масла. Если показания по Виккерсу при нагрузке 5 или 10 кг будут давать значения твердости, более низкие чем замеры по Виккерсу при нагрузке 50 кг и чем замеры по Роквеллу (на 3—5 единиц Rс), то это служит показателем обезуглероживания стали и недостаточного раскисления ванны. Применение этого способа основано на том, что поверхностный слой стали РФ1, обедненный углеродом, дает после закалки и отпуска меньшую твердость, чем нижележащий слой, замеряемый по Роквеллу или по Виккерсу (при большой нагрузке).

При отсутствии на заводе прибора Виккерса применяется более сложный способ проверки путем микроанализа. Такой способ предложил В. Д. Садовский для стали РФ1 и заключается он в следующем. Образец стали шлифуют для снятия возможного обезуглероженного и окисленного слоя, а затем:

а) нагревают в хлорбариевой ванне при 1300° в течение 2—3 мин.;

б) переносят из хлорбариевой ванны в масляную ванну с температурой 180—200° и выдерживают в ней в течение 5—10 мин.;

в) по окончании выдержки в масляной ванне образец переносят в свинцовую ванну с температурой 580—600°, выдерживают в ней 10 мин., а затем охлаждают на воздухе.

После охлаждения изготовляют поперечный микрошлиф. Если в процессе нагрева в хлорбариевой ванне произойдет обезуглероживание стали, то микроанализ обнаружит в обезуглероженном слое темные иглы мартенсита.

Этот метод основан на том, что температура начала мартенситного превращения при охлаждении (Ar») зависит от состава аустенита, образующегося при нагреве; в участках, обедненных примесями и, в частности, углеродом, точка Ar» лежит выше, чем для остальной массы. Поэтому температура масляной ванны должна подбираться таким образом, чтобы она была ниже Ar» для обезуглероженных участков и выше для остальной массы, в которой при этой выдержке процесс мартенситного превращения не проходит. Отсюда следует, что температура масляной ванны должна быть различной в зависимости от марки стали, из которой изготовлены образцы. Для стали РФ1 В.Д. Садовский рекомендует температуру ванны 180—200°. Для малолегированной стали Н.С. Дегтяренко и. Н.А. Яхонин рекомендуют следующие режимы обработки (табл. 32).

Способ микроанализа, в отличие от способа измерения твердости, позволяет установить также и глубину обезуглероживания (толщину слоя). Однако в производственных условиях достаточно обычно установить, происходит ли обезуглероживание в ванне, хорошо ли она раскислена и возможно ли проводить в ней дальнейший нагрев. Поэтому способ измерения твердости является более удобным.

Надо учитывать также, что обезуглероживающее воздействие хлорбариевой ванны возрастает с повышением температуры нагрева. Поэтому для проверки следует применять образны стали РФ1: отсутствие обезуглероживания на них гарантирует, что последнее не будет происходить и при более низком нагреве инструмента из стали марок ЭИ262 и ЭИ 184.

Явления, сопутствующие нагреву металла. Угар металла. Обезуглероживание. Перегрев и пережог.

Раздел: БИБЛИОТЕКА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Короткий путь https://bibt.ru
<<�Предыдущая страница Оглавление книги Следующая страница>>

Нагрев металла под ковку и горячую штамповку сопровождается рядом отрицательных явлений, таких, как угар, обезуглероживание, перегрев, пережог, образование окалины и т. д.

Угар металла.

В процессе нагрева в пламенной печи металл омывается раскаленными газами, содержащими кислород и водяной пар. При этом кислород образует слой окисла железа — окалину.

Окалина образуется не только во время нахождения металла в печи, но также при подаче его к молоту, при ковке, охлаждении, так как кислород воздуха, соприкасаясь с раскаленным металлом, энергично его окисляет. Поэтому необходимо подавать заготовки из печи к молоту как можно быстрее, используя средства малой механизации.

Потеря металла в результате окисления называется угаром и вычисляется в процентах к весу загружаемого в печь металла. При высоких температурах нагрева угар может достигать 3% за один нагрев. Если учесть, что с момента выплавки до получения готового изделия сталь нагревается несколько раз, то ясно, какое большое народнохозяйственное значение имеет борьба с угаром металла. Вред окалинообразования заключается еще и в том, что при ковке и штамповке окалина частично остается на поверхности изделия, заштамповывается и тогда требуется резанием снимать значительный слой металла.

Ввиду большой твердости окалины быстро тупится режущий инструмент и резко увеличивается износ штампов. Если изделие поступает в термическую обработку, то при наличии окалины получается «пятнистая» закалка, так как окалина обладает небольшой теплопроводностью и под ее слоем металл не закаливается.

Образование окалины зависит от скорости и температуры нагрева металла, от формы изделия, состава печных газов и химического состава стали.

Работами советских ученых и практикой отечественных заводов установлено, что металл можно нагревать значительно быстрее. При увеличении скорости нагрева уменьшается время выдержки металла в печи, т. е. время контакта его с печными газами, и, следовательно, уменьшается угар.

Большое влияние на величину угара оказывает температура нагрева металла. Так, например, скорость окисления стали при температуре 1300° в семь раз выше, чем при температуре 850—900°.

Чем больше отношение поверхности заготовки к ее объему (поковки сложной формы), тем большее количество металла, при прочих равных условиях, превращается в окалину, так как окисление происходит по большей поверхности.

Количество образующейся окалины зависит и от химического состава стали. Добавка некоторых легирующих элементов — алюминия, хрома, кремния сообщает стали окалиностойкость, так как прочная и плотная пленка окислов этих элементов защищает от проникновения кислорода. Увеличение содержания углерода в стали также замедляет образование окалины.

Из печных газов наиболее сильное влияние на образование окалины оказывает чистый кислород и водяной пар.

Одновременно с окислением железа при нагреве происходит процесс окисления углерода — обезуглероживание. Углерод, содержащийся в поверхностных слоях стали, выгорает, и сталь становится более мягкой.

Процесс обезуглероживания начинается при температуре 800—850°, его интенсивность зависит от содержания углерода в стали (чем больше углерода, тем медленнее идет обезуглероживание), от наличия окалины (слой окалины защищает углерод от выгорания), от состава печных газов и т. д.

Образование обезуглероженного слоя — вредное явление. Этот слой необходимо удалять, что требует увеличения припусков на механическую обработку поковок. При термической обработке ответственных деталей и инструментов обезуглероживание недопустимо. Поэтому в таких случаях нагрев деталей ведут в специальных защитных атмосферах.

Перегрев и пережог. Порча металла при нагреве может происходить в результате перегрева и пережога.

Если сталь нагреть до температуры выше критической точки Аc3 (линия GS на рис. 2), то начинается интенсивный рост зерен. При слишком крупных зернах сцепление между ними уменьшается, прочность металла понижается и он становится непригодным для изготовления деталей. Такое явление называется перегревом. При ковке перегретого металла образуются трещины. Перегрев можно исправить отжигом.

При нагреве стали до более высоких температур (не ниже 1250°) наблюдается явление пережога. Внутрь металла проникает кислород из воздуха и окисляет поверхность зерен. Сцепление между зернами нарушается, и при обработке металл разваливается на куски.

Пережог стали зависит не только от температуры, но и от состава печных газов. Чем с большим избытком воздуха работает печь, тем больше возможность пережога. Во избежание пережога при вынужденном перерыве в работе необходимо снижать температуру печи и уменьшать подачу воздуха.

Пережженный металл является неисправимым браком и идет в переплавку.

Перейти вверх к навигации

Обезуглероживание металла при продувке инертным газом

• Главная
• >
• Библиотека
• >
• Внепечное рафинирование чугуна и стали

При продувке стали инертным газом парциальное давление оксида углерода в образующихся в металле пузырях приближается к нулю. Поэтому продувка стали инертным газом может сопровождаться обезуглероживанием расплава в результате реакции между растворенными в металле углеродом и кислородом у поверхности всплывающих в расплаве пузырей.

Для оценки расхода аргона, который необходим для обезуглероживания стали при продувке без поступления в расплав дополнительного количества кислорода, рекомендуют пользоваться уравнением

где [C]н и [C]к – начальное и конечное содержание углерода в стали, %; [O]н – начальная концентрация кислорода в расплаве, %; m = 0,0025 – произведение равновесных концентраций углерода и кислорода в металле. Остальные обозначения в уравнении (3.7) соответствуют использованным в уравнении (3.5).

Расчеты по уравнению (3.7) показывают, что при продувке раскисленной стали при атмосферном давлении заметное обезуглероживание металла возможно только при очень больших расходах инертного газа. Например, при обработке раскисленной кремнием стали с исходным содержанием кислорода 0,01% для понижения концентрации углерода с 0,08 до 0,07% расход аргона должен составлять 2,26 нм3/т. Поэтому при продувке раскисленной стали в открытых ковшах изменения концентрации углерода в металле не наблюдается.

Обезуглероживание нераскисленной стали за счет растворенного в металле кислорода продувкой инертным газом при атмосферном давлении также требует больших удельных расходов аргона. Результаты расчетов по уравнению (3.7), выполненных для условий P = 0,1 МПа и m = 0,0025, представлены на рис. 3.4. В ходе вычислений значения начального содержания кислорода в стали задавались, исходя из известных соотношений между концентрациями углерода и кислорода в металле в конце окислительного рафинирования.

Из рисунка видно, что в этих условиях глубокое обезуглероживание металла может быть достигнуто только при больших расходах инертного газа и низком начальном содержании углерода. Например, при начальном содержании углерода 0,04% расход аргона, который потребуется для получения конечного его содержания 0,01%, составляет около 2 нм3/т. Для получения конечного содержания углерода 0,002% расход инертного газа должен составлять свыше 10 нм3/т. Такие высокие расходы аргона экономически не оправданы. Поэтому обезуглероживание металла продувкой инертным газом при атмосферном давлении без поступления в расплав дополнительного количества кислорода обычно не используют.

Из уравнения (3.7) видно, что расход аргона для обезуглероживания стали пропорционален величине давления над поверхностью обрабатываемого металла. При продувке стали в вакууме необходимый для обезуглероживания расход аргона резко уменьшается. Поэтому интенсивная продувка нераскисленной стали аргоном в вакууме является эффективным средством повышения скорости обезуглероживания металла.

Снижению удельного расхода аргона для обезуглероживания металла способствует также повышение его окисленности путем подачи в расплав твердого или газообразного окислителя.

Рис. 3.4.

Зависимость удельного расхода аргона от начального и конечного содержания углерода в нераскисленной стали при продувке металла без доступа кислорода при 1600оС. Цифры у кривых – начальное содержание углерода в металле, %

• ← 3.1.2. Дегазация стали при продувке инертным газом
• 3.2. Десульфурация металла ковшевым шлаком →

Современные процессы рафинирования стали

6.4 Технология обезуглероживания металла без использования кислорода

Последовательность технологических операций при обезуглероживании металла в агрегатах RH в целом аналогична описанной ранее, но отличается следующими особенностями.

При производстве стали с низким и ультранизким содержанием углерода присадку раскислителей и легирующих в ковш во время выпуска плавки не проводят.

Понижение давления может сопровождаться интенсивными всплесками металла внутри вакуумной камеры. Поэтому, если в компьютере отсутствует режим, позволяющий минимизировать всплески, эжектор №2 рекомендуется включать только после того, как прекратится изменение давления при работе эжектора №3. То же самое относится к эжектору №1. Расход аргона можно увеличивать только после достижения в камере низкого давления.

Особенность рассматриваемого способа обезуглероживания металла заключается в том, что оно протекает за счет растворенного в металле кислорода, концентрация которого обратно пропорциональна концентрации углерода в металле.

Поэтому при исходном содержании углерода 0,06 – 0,08% концентрация его после вакуумной обработки составляет 0,04 – 0,05%. Для дальнейшего обезуглероживания в металле нет достаточного количества кислорода. При этом обезуглероживание металла заканчивается в течение 4 – 6 минут.

Содержание углерода на уровне 0,04 – 0,05% может быть получено непосредственно в сталеплавильных агрегатах. Однако, обезуглероживание в вакууме обеспечивает ряд преимуществ: значительно снижается угар алюминия при раскислении, в кислородно-конвертерном процессе увеличивается выход жидкого металла, уменьшается окисленность шлака заключительного периода плавки и увеличивается стойкость футеровки агрегата.

При производстве стали с ультранизким содержанием углерода исходная его концентрация должна составлять 0,02 – 0,04%.

Зависимость концентрации углерода от продолжительности обработки 200 – 350 т металла на установках RH с подачей аргона в подводящий патрубок в количестве 60 нм3/ч показана на рисунке 6.8.

Рисунок 6.8

– Зависимость содержания углерода от продолжительности вакуумирования: 1 – установка А 250 т; 2 – установка Б 250 т; 3 – установка В 200 т

Из рисунка видно, что содержание углерода менее 0,002% может быть получено через 20 минут после включения эжекторов.

Обработка результатов исследований свидетельствует о том, что кинетика обезуглероживания металла может быть описана кинетическим уравнением реакции первого порядка относительно концентрации углерода в металле

где C и C0 – исходная и конечная концентрации углерода в металле, ppm; KC – константа скорости реакции обезуглероживания, мин–1; t – продолжительность обработки, мин.

Данные на рисунке 6.8 с достаточной точностью могут быть описаны уравнением 6.1 с использованием KC = 0,159.

Одновременно с обезуглероживанием понижается содержание в металле водорода и азота. Кинетика этих реакций также может быть описана кинетическими уравнениями реакции первого порядка с использованием KH = 0,093 и KN = 0,011.

По окончанию обезуглероживания металл обычно раскисляют алюминием, после чего вводят ферросплавы.

6.4 Технология обезуглероживания металла без использования кислорода

Термическая обработка проката – эффективный прием улучшения эксплуатационных показателей различных сталей и сплавов. Различные виды термообработки адаптированы под достижение конкретных результатов. Например, термическая обработка стыков после сварки выполняется методами поверхностной закалки ТВЧ, а для изменения структуры и состава поверхностных слоев стали используется её химико-термическая обработка.

Для обеспечения необходимого качества рассматриваемых технологий необходимо своевременно и эффективно предотвращать возможные дефекты термической обработки.

1. Виды термообработки сталей
2. Дефекты
3. Способы исправления брака

Недостаточная твердость

Недостаточная твердость закаленного изделия появляется в результате неправильно выбранной температуры закалки или недостаточно интенсивного охлаждения. Скажем, при закалке доэвтектоидных сталей недостаточная твердость может получиться в результате того, что температура закалки была ниже АС3

и в структуре стали сохранился феррит.

Кроме того, в доэвтектоидной стали пониженная твердость может быть результатом перегрева. Образование при этом крупноигольчатой структуры мартенсита, помимо пониженной твердости, вызывает понижение ударной вязкости.

В заэвтектоидных сталях недостаточная твердость закаленного изделия может также являться результатом перегрева и образования крупноигольчатого мартенсита.

Дефекты

Дефекты, возникающие при термической обработке стали, принято подразделять на два вида: обратимые и необратимые. В первом случае, их можно «снять» дополнительной тепловой обработкой заготовки, во втором – изделие является браком, и далее подлежит переплавке.

К первой группе относится перегрев – нагрев стали до температуры выше 1250…11000С (меньшие значения – для сталей с повышенным содержанием углерода). Дефект усугубляется, если к тому же увеличить время выдержки заготовки при таких температурах. В перегретом металле начинается интенсивный рост зерен, сопровождающийся неблагоприятным изменением их формы. У высокоуглеродистых сталей на фоне такой структуры дополнительно появляются грубые игольчатые формы цементита Fe3C. В результате механические свойства стали резко падают, причем особенно интенсивно у перегретого изделия уменьшаются показатели ударной вязкости. Такие заготовки разрушаются при попытке любой механической их обработки (а также обработки давлением со сколько-нибудь значительными степенями деформаций).

Перегрев стали можно устранить. Для этого применяют отжиг до температур, на 40…600С превышающих температуру начала аустенитного превращения. После некоторой выдержки заготовки медленно охлаждают вместе с печью. В теплое время года возможно охлаждение на спокойном воздухе (без сквозняков и искусственных воздушных потоков). В результате зерна становятся мельче, приобретают округлую форму, а металлу возвращаются его прежние физико-механические характеристики.

Необратимым дефектом термообработки является пережог. Он возникает при нагреве стали до температур ниже температуры начала плавления на 50…1000С. При таких температурах неметаллические включения в стали, располагающиеся всегда по границам зёрен – сера и фосфор – плавятся. Этому сопутствует также интенсивное окисление, которое проходит по границам зерен. Пережженный металл полностью теряет свою пластичность, следствием чего является появление рваных трещин при последующей ковке или прокатке. Восстановить исходную структуру такой стали невозможно.

Окисление и обезуглероживание

Такой брак характеризуются образованием окалины на поверхности стальных изделий и выгоранием углерода в поверхностных слоях (так называемое — обезуглероживание) .

Такой брак термической обработки неисправим,

но если позволяет припуск на механическую обработку, то окисленный и обезуглероженный слой удаляют шлифовкой.

Для предотвращения этого вида брака нагрев изделий рекомендуется проводить в печах с нейтральной атмосферой либо в жидких средах.

Способы исправления брака

Кроме основных дефектов, каждому виду термической обработки свойственны и локальные. Во многих случаях они устранимы. Типовые дефекты термической обработки стали могут быть сведены к следующим:

• Несоответствие твердости обработанного изделия. Возникает при нарушении заданного режима: например, при повышенной/пониженной скорости охлаждения, недостаточном времени выдержки заготовки в печи или в результате нагрева до более низких/высоких температур. Исправляется повторной термообработкой;
• Появление сетки карбидных включений. Вызывается перегревом стали и устраняется выполнением нормализации металла, либо многократной перековкой заготовки;
• Трещинообразование, вызванное растрескиванием стальной заготовки из-за возникших в ней высоких термических напряжений при мартенситном превращении. Сталь становится хрупкой, излом имеет ярко выраженный крупнозернистый характер. Проявляется при превышении допустимых скоростей охлаждения металла при закалке. Исправить такой брак невозможно;
• Обезуглероживание: выгорание цементита в поверхностных слоях стали с одновременным образованием высокотемпературного оксида железа FeO. Происходит при слишком длительной выдержке нагретой заготовки в печи, либо при использовании пламенных нагревательных устройств с неконтролируемой атмосферой. Брак исправим лишь частично: заготовки можно подвергнуть нормализации, но марка стали при этом изменится в сторону снижения процентного содержания углерода. Нагрев следует вести в электропечах, либо в печах безокислительного нагрева;
• Неравномерная твердость по поверхности или сечению. Дефект связан с некачественным отпуском (например, использованием загрязненной включениями охлаждающей среды или касанием заготовок друг друга в отпускной емкости). Дефект устраняется последующей нормализацией и закалкой с применением более интенсивной охлаждающей среды, в частности, воды или водного раствора NaCl;
• Механическая деформация или коробление термообработанных изделий. Устраняется их правкой на гидравлических прессах, а – при необходимости – применением повторной термообработки, но с более медленной скоростью охлаждения.

Дефекты, возникающие при термической обработке стыков сварных конструкций, устраняются их повторным нагревом и последующим охлаждением на спокойном воздухе.

Услуги по термической обработке стоит заказывать на предприятиях с высокой культурой производства, современным оборудованием, эффективными средствами КИПиА, а также располагающими квалифицированным персоналом.

Закалочные трещины

Закалочные трещины могут являться результатом слишком быстрого и неравномерного нагрева, либо слишком быстрого охлаждения,

либо наличия на детали резких переходов сечений, где возникают большие внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию.

Они могут получиться и в том случае, если после закалки деталь сразу не подвергли отпуску для снятия внутренних напряжений.

Для устранения растрескивания деталей при закалке необходимо обеспечить равномерный и более медленный нагрев, использовать закалку с одстуживанием (в двух средах или ступенчатую), отпускать изделия непосредственно после закалки и т.д.

Дефекты термической обработки и меры их предупреждения.

Дефекты при отжиге могут возникать вследствие неправильного хода нагрева, применения слишком высоких или слишком низких температур, чрезмерной продолжительности нагрева, из-за неподходящей атмосферы в печи и неправильного режима охлаждения.

Недогрев– дефект, образующийся при нагревании стали до температуры ниже критической, что приводит к снижению ее прочности, твердости и пластических свойств. Этот дефект устраняется отжигом или нормализацией с последующей повторной термической обработкой.

Перегрев – дефект, являющийся следствием нагревания стали до температуры намного выше критической или чрезмерно большой выдержки при заданной температуре. Из-за перегрева получается крупноигольчатый мартенсит, механические свойства которого ниже мелкоигольчатого. Перегретую сталь отжигают и вновь подвергают закалке.

Окисление и обезуглероживание – дефекты, являющиеся результатом химических реакций, происходящих при нагреве стали между поверхностным слоем металла и кислородом окружающей среды. Эти процессы оказывают отрицательное влияние на конструктивную прочность изделий, приводят к потерям металла на угар, обуславливают необходимость увеличение припусков для последующей механической обработки. Применяют ряд способов предохранения стальных изделий от окисления и обезуглероживания при нагреве (нагрев в печах с контролируемой атмосферой, нагрев в расплавленных солях, нагрев в ящиках наполненных чугунной стружкой и т.п.).

Коробление и образование трещин – наиболее распространенные дефекты, являющиеся следствием возникновения в деталях больших внутренних напряжений, связанных с изменением их объема при закалке. Объемные изменения и сопровождающее их внутренние напряжения обусловлены двумя причинами. Первая причина – быстрое и резкое охлаждение изделий при закалке, в результате чего объем их различных слоев изменяется неравномерно. Другая причина появления закалочных трещин и коробления – изменение объема изделий при превращении аустенита в мартенсит. Из всех структурных составляющих стали, аустенит имеет наименьший объем, а мартенсит — наибольший. Так как при закалке аустенит переходит в мартенсит не одновременно по всему сечению изделия, в нем возникают внутренние напряжения. В тех местах изделия, где внутренние напряжения выше предела прочности стали, появляются трещины. Если внутренние напряжения значительны, но не достигают предела прочности стали, происходит коробление изделия.

Одним из способов уменьшения внутренних напряжений при закалке является предварительная подготовка изделия путем – отжига, нормализации или высокого отпуска. Весьма эффективный способ уменьшения внутренних напряжений – медленное охлаждение изделий при температурах превращения аустенита в мартенсит.

Недостаточная твердость – такой дефект получается в результате недогрева или недостаточно быстрого охлаждения изделия при закалке. Этот дефект исправляется правильной повторной закалкой, перед которой отжигом, нормализацией или высоким отпуском снимаются внутренние напряжения.

Термическая обработка чугуна.

Предыдущая22232425262728293031323334353637Следующая

Термическую обработку чугунов производят с целью снятия внутренних напряжений, возникающих при литье и вызывающих с течением времени изменением размеров и формы оливки, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием, повышения механических свойств.

Отжиг чугуна.

Отжиг для снятия внутренних напряжений. Этому отжигу подвергают чугуны при следующих температурах: серый чугун с пластинчатым графитом 500-570 ºС; высокопрочный чугун с шаровидным графитом 550-650 ºС; низколегированный чугун 570-600 ºС; высоколегированный чугун 620-650 ºС. Скорость нагрева составляет примерно 70-100 град/час, выдержка при температуре нагрева зависит от массы и конструкции отливки составляет от 1 до 8 часов. Охлаждение до 200 ºС (для предупреждения возникновения термических напряжений) медленное, со скоростью 20-50 град/час, что достигается охлаждением отливки вместе с печью. Далее отливки охлаждают на воздухе. Результатом этого вида отжига является снятие внутренних напряжений, повышение вязкости, исключается коробление и образование трещин в процессе эксплуатации.

Смягчающий отжиг (отжиг графитизирующий низкотемпературный) проводят для повышения обрабатываемости резанием и повышения пластичности. Его осуществляют длительной выдержкой при 680-700 ºС (ниже точки А1). Время выдержки для серых чугунов 1-4 часа, для ковких чугунов до 60 часов. Охлаждение медленное для деталей сложной конфигурации и ускоренное для деталей простой формы. В результате этого отжига в чугуне увеличивается количество феррита.

Отжиг графитизирующий, в результате которого из белого чугуна получают ковкий чугун.

Нормализация(серого и ковкого чугуна) при температуре 850-950 ºС. Время выдержки должно быть достаточным для насыщения аустенита углеродом (1 -3 часа). Охлаждение ускоренное, чтобы аустенит смог превратится в перлит и чаще всего осуществляется на воздухе. В результате нормализации получается структура перлит + графит и повышается прочность и износостойкость. После нормализации для снятия внутренних напряжений применяется высокий отпуск при 650-680 ºС с выдержкой 1-1,5 часа.

Закалка и отпуск чугуна.

Для закалки чугун нагревают до температуры 850-950 ºС. Время нагрева обычно составляет от 1 до 3 часов (полное растворение углерода в — железе). Охлаждение осуществляется в воде или масле. При закалке аустенит превращается в мартенсит или троостит + графит. После закалки проводят отпуск при температуре 200-600 ºС. В результате повышается твердость, прочность и износостойкость чугуна.

При изотермической закалке чугун нагревают и выдерживают от 10 до 90 минут, после чего охлаждают в расплавленной соли при 200-400 ºС. В результате этого аустенит распадается с образованием структуры игольчатого троостита + графит. Изотермическая закалка позволяет повысить твердость и прочность, сохраняя пластичность.

Поверхностная закалка с нагревом поверхностного слоя кислородо-ацетиленовым пламенем, ТВЧ или в электролите. Нагрев до 900-1000 ºС. Охлаждение в воде, масле или масляной эмульсии. При поверхностной закалке в поверхностном слое образуется мартенсит + графит или троостомартенсит + графит. Отпуск при 200-600 ºС, охлаждение на воздухе. В результате повышается твердость, прочность и износостойкость поверхностного слоя при наличии мягкой сердцевины.

Старение чугуна.

Для стабилизации размеров литых чугунных деталей, предотвращения коробления и снятия внутренних напряжений применяют старение.

Различают два вида старения: естественное и искусственное. Естественное старение осуществляется на открытом воздухе или в помещении склада. Изделия после литья выдерживаются в течении 6-15 месяцев. При естественном старении снижение напряжений в отливках составляет 3-10 %.

Искусственное старение осуществляется при повышенных температурах; длительность несколько часов.

Нагрев до температуры 550-570 ºС со скоростью 30-60 ºС в час, выдержка при этой температуре 3-5 ч и охлаждение вместе с печью до 150-200 ºС, с последующим охлаждением на воздухе.

Виды отжига

По наличию или отсутствию фазовой рекристаллизации металла эта операция делится на отжиг первого и второго рода. При первом фазовая рекристаллизация не наступает или происходит частично, однако сталь все равно приобретает требуемые свойства (снижается твердость, увеличивается вязкость), а качество ее поверхности становится выше: устраняются очаги окалины, а также следы валков прокатного стана и другие дефекты.

Отжиг второго рода вызывает кардинальные изменения структуры металла: нагрев ведется до температуры на 20…50℃ выше, чем точка начала размягчения (рекристаллизации). При этом важно не перегреть металл, иначе эти изменения станут необратимыми, что отрицательно скажется на качестве изделия, которое будет подлежать переплавке.

Также отжиг делят на полный или неполный. В первом случае сталь нагревают выше предельных показателей, выдерживают строго в течение указанного времени, а затем неукоснительно придерживаются схемы охлаждения. Это позволяет получить металл с точно заданными характеристиками. При неполном варианте температуру нагрева до верхнего критического значения не доводят, а требования по выдержке и времени охлаждения не столь строги.

Особые виды отжига

Отдельно выделяют изотермический отжиг, во время которого металлоизделия:

• нагреваются до аустенитного состояния;
• быстро охлаждаются до +660…+680°C;
• выдерживаются при этой температуре до превращения аустенита в перлит;
• охлаждаются в нормальных условиях – без камер или каких-либо иных установок.

Отжиг изотермического типа – наиболее быстрый и действенный способ придать металлу нужные свойства, однако подходит он не для всех сплавов. Эта технология была разработана для легированных и нержавеющих сплавов, с высокой концентрацией хрома, жаростойких сталей. Эффективнее всего обрабатывать таким образом небольшие изделия, заготовки для изготовления разнообразных инструментов, штамповки.

Рекристаллизационный отжиг позволяет избавиться от последствий предварительной обработки (механической или термической): снять наклеп, убрать другие нежелательные дефекты. Таким образом обрабатывают как небольшие детали, так и проволоку, листовой, трубный, сортовой прокат. Операция заключается в:

• нагревании металла до тех пор, пока температура не превысит предел рекристаллизации на 100…200°C;
• выдержке в том же температурном режиме;
• медленном постепенном охлаждении.

Диффузионный отжиг заключается в экстремальном нагреве металла до показателей, значительно превышающих предельные точки. Метод подходит для сплавов со сложной легирующей композицией, а также с легкоплавкими соединениями в составе. Технология очень эффективная, позволяет получить металл высокого качества. Однако она требует полного контроля над процессом, так как перегретая и пережженная сталь может частично или полностью утратить все полезные свойства и не будет пригодна к дальнейшим операциям.

Возможные дефекты, вызываемые отжигом

Технология отжига выверена десятилетиями практики, и появление дефектов возможно преимущественно при нарушении режима нагрева или других условий работы. Если температура в печи слишком высока (перегрев), в структуре стали начинают образовываться слишком крупные зерна. А если температурные показатели приближаются к точке плавления (пережог), в молекулы металла приникает кислород, запускающий процессы активного окисления. Если перегрев исправляется повторной термической обработкой, то пережог приводит к необратимым изменениям в металлической структуре, что делает изделие непригодным к дальнейшему использованию.

Излишне активное пламя также вредит отжигаемому металлу: на его поверхности появляется окалина – слой из смеси окислов железа. Использовать сталь с окалиной невозможно – возникнут неизбежные проблемы с последующей обработкой, а удаление этого слоя дробеструйным методом или операцией травления приводит к повышению ресурсоемкости: повышенному расходу сил, времени, материалов.

Вредно и обезуглероживание – итог воздействия на отжигаемый металл кислорода. Во время него на поверхностном слое образуются микротрещины, происходит комплексная деформация поверхности.

Отжиг или нормализационный отжиг?

Ошибочно эти две операции – отжиг и отжиг с последующей нормализацией – отождествляются друг с другом, однако на самом деле это две разные процедуры. Ключевое отличие между ними – наличие этапа нормализации во втором случае. Эта дополнительная стадия гарантирует получение показателей прочности и вязкости в среднем на 10% выше, чем аналогичные параметры металла, который прошел только традиционный отжиг. Это объяснимо законами физики: медленное охлаждение стали на воздухе способствует разложению аустенитной фазы в нижнем интервале температур и, как результат, увеличение перлитной составляющей. Это существенно улучшает эксплуатационные характеристики продукции.
Нормализационный отжиг (так называют совокупность двух операций) несколько уступает закалке и классическому высокотемпературному (выполняемому при +550℃) отпуску: механические свойства металла на выходе ниже. Однако технологический процесс значительно менее трудоемок, а по сравнению с процедурой закалки нормализация вызывает меньше тепловых деформаций металла.

Используемое оборудование

Нагрев металла осуществляется в:

• камерных печах (источник тепла может быть открытым или закрытым);
• индукционных печах;
• газопламенном оборудовании.

Операция может проходить в естественных условиях ли в защитной среде (присутствие химически инертных газов или вакуум).

Изотермический отжиг несколько отличается по технологии: он может проводиться не только в печах, но и в рабочих резервуарах с расплавами металлов, солей или других рабочих сред.

Доставка изделий в печь или ванну и из них выполняется на специальных тележках, движущихся по рельсам. Остужение металла осуществляется на них же. Погрузка деталей на тележки и снятие с них производится мостовыми кранами, манипуляторами, талями, а в случае небольших объемов производства – вручную.

Недостаточная твердость

Недостаточная твердость закаленного изделия появляется в результате неправильно выбранной температуры закалки или недостаточно интенсивного охлаждения. Скажем, при закалке доэвтектоидных сталей недостаточная твердость может получиться в результате того, что температура закалки была ниже АС3

и в структуре стали сохранился феррит.

Кроме того, в доэвтектоидной стали пониженная твердость может быть результатом перегрева. Образование при этом крупноигольчатой структуры мартенсита, помимо пониженной твердости, вызывает понижение ударной вязкости.

В заэвтектоидных сталях недостаточная твердость закаленного изделия может также являться результатом перегрева и образования крупноигольчатого мартенсита.

Дефекты при отжиге и нормализации. Дефекты при закалке.

Перегрев – при слишком высоких t° отжига и чрезмерно длительных выдержках происходит образование крупнозернистой структуры. Устраняется отжигом с фазовой перекристаллизацией, нормализацией или улучшением.

Пережог – очень большой перегрев, кроме сильного роста зерен, может вызвать повреждения границ зерен. Явл. неисправимым браком.

Большее значение имеет атмосфера печи. Избыток окислительных газов в атмосфере (кислорода, водяного пара, углекислого газа и др.) вызывает окалинообразование и обезуглероживание.

Обезуглероживание связано с тем, что кислород окисляет углерод раньше, чем железо. Чтобы этого не призошло газовая атмосфера должна оказывать не очень сильное окислительное действие.

С целью защиты изделия от обезуглероживания и окалинообразования при отсутствии печей с защитной атмосферой отжиг осущ. в ящиках или трубах, замазанных глиной, а также в ящиках с засыпкой древесным углем или чугунной стружкой.

Дефекты при закалке:

Деформация (изменение размеров детали); коробление (изменение формы детали) – для уменьшения коробления детали охлаждают в штампах и приспособлениях; появление трещин – для предупреждения трещин при конструировании изделий избегать резких переходов от сечения к сечению. Причины – внут. закалочные напряжения.

Внут. закалочные напряжения делят на: тепловые (вызваны перепадом t° по сечению изделия) и структурные (возникают в результате превращения аустенита в мартенсит).

Окисление и обезуглероживание – при нагреве в пламенных или элекрич. печах без контролируемых атмосфер. Поэтому увеличивают припуск на шлифование, что удорожает и усложняет технологию изготовления деталей.

Передержка и перегрев – укрупнение зерна аустенита, после закалки в укрупнении игл мартенсита и получении крупнозернистого излома. Устраняются повторной закалкой.

Недостаточная твердость – вызвана недогревом или недостаточно интенсивным охлаждением, т.е. охлаждение со скоростью меньше критической. Для устранения необходимо повысить t° печи или увеличить время выдержки.

Образование мягких пятен – неравномерное охлаждение из-за образования в отдельных местах пузырьков пара, сохранения приставшей окалины, захвата закалочными клещами. Для предотвращения – закалочную жидкость подводить к деталям под давлением или энергично перемещать деталь в закалочной жидкости; следует удалять окалину перед охлаждением; закалочные клещи должны иметь острые губки, чтобы не препятствовать охлаждению в месте захвата изделия.

Термомеханич. обработка. Новые способы термообработки (лазерная, электроннолучевая).

Термомеханич. обработка (ТМО) – наклеп аустенита и последующая его закалка.

Различают: 1. высокотемпературную (ВТМО) – нагревают до t° выше Ас3, пластически деформируют, проводят закалку и низкотемпературный отпуск.

2. низкотемпературную (НТМО) ТМО – нагревают до t° вышеАс3, охлаждают до t° выше точки Мн (400…600°С), но ниже t° рекристаллизации, затем закалка и низкотемпературный отпуск.

Лазерная – высокоскоростной разогрев поверхностного слоя металла под действием лазерного луча.

Химико-термическая обработка. Азотирование.

Химико-термическая обработка – технологич. процесс, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя деталей различными элементами с целью изменения его состава, структуры и св-в.

Различают: цементацию – насыщение углеродом; азотирование – азотом; нитроцементацию – углеродом и азотом; хромирование – хромом; силицирование – кремнием.

Азотирование – диффузионное насыщение азотом поверхностных слоев металлических изделий в целях повышения их износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости. t° азотирования 500…600°С.

Азотирование – длительная операция для получ. слоя толщиной 0,5 мм требуется порядка 60 ч при t° азотирования 500…520°С. С целью ускорения процесса азотирование проводят по двухступенчатому режиму: при 500…520°С в течение 12…15 ч и при 540…600°С в течение 20…25 ч. Вторая стадия ускоряет процессы и сокращается в 1,5…2 раза.

Поверхностное упрочнение стали.

Методы:

— ионно-диффузионное модифицирование (ионное азотирование): реализуется в тлеющем разряде постоянного напряжения в среде азота или аммиака. Ионы азота, ударяясь об обрабатываемую стальную деталь, являющуюся катодом, осаждаются на ней, а затем диффундируют вглубь, т.к. поверхность катода разогревается до 500…600°С. При соударении ионов с поверхностью детали происходит ее очистка от адсорбированных и оксидных пленок, препятствующих проведению обычного азотирования некоторых сталей. Длительность ионного азотирования сокращается по сравнению с обычным, t° процесса снижается, а мех. св-ва повышаются.

— ионная имплантация (ионное легирование): при повышении энергии бомбардирующих ионов последние проникают внутрь кристаллической решетки металла, легируя поверхностный слой и упрочняя его за счет искажения решетки.

— комбинации ионно-плазменных методов с лазерной (интенсивное кратковременное тепловое воздействие на поверхностный слой изделия, к-рое зависит от плотности энергии лазерного излучения, подводимой к поверхности, и длительности облучения) или электронно-лучевой обработкой (осущ. в вакууме при облучении изделия потоком электронов).

58. Особенности термической обработки легированных сталей.

Легирующие элементы (особенно вольфрам) понижают теплопроводность стали, поэтому нагрев нужно вести медленно, иначе могут появиться трещины.

Хром, ванадий, вольфрам, кремний, молибден, титан, медь повышают критич. точки Ас3 Ас1. Нагрев должен вестись до более высоких t° при отжиге, нормализации, закалке сталей. Марганец, никель – понижают критич. точки – нагревают до более низких t°.

Т. к. легированные стали имеют меньшую теплопроводимость, то для полного прогрева детали и более полного растворения карбидов в аустените нужна более продолжительная выдержка при достигнутой t°, чем для углеродистых сталей.

Все легирующие элементы, кроме кобальта, уменьшают критич. скорость закалки, => легированные стали при закалке можно охлаждать с меньшей скоростью.

Прокаливаемость у лег. сталей более высокая, чем у углер. стали с высоким содер. легирующих элементов закаливаются на полную глубину даже при больших сечениях изделий.

Цветные металлы и сплавы.

К цветным металлам относят все металлы, кроме железа и его сплавов.

Цветные дороже черных. Медь и алюминий обладают высокой электро- и теплопроводностью и прим. В электропромышленности. Сплавы магния, алюминия и титана благодаря малому удельному весу широко прим в самолетостроении.

Наибольшее распространение получили сплавы меди, алюминия и магния, а также подшипниковые сплавы.

Цветные металлы подразделяются на:

а) легкие (литий, магний, бериллий, алюминий, титан) – малая плотность.

б) легкоплавкие (ртуть, цезий, олово, свинец, цинк) – низкая температура плавления.

в) тугоплавкие (вольфрам, тантал, ниобий, молибден, ванадий) — t° плавления более высокая, чем железо.

г) благородные (золото, серебро, металлы платиновой группы) – высокая устойчивость против коррозии.

д) урановые металлы – актиноиды – используются в атомной технике.

е) редкоземельные (РЗМ) (скандий, иттрий, лантан, лантаноиды) – прим. в качестве присадок к сплавам др. элементов.

ж) щелочноземельные (натрий, калий, литий) – не находящие прим. В свободном состоянии.

60. Деформируемые алюминиевые сплавы –

легированы медью, магнием, марганцем и в отдельных случаях титаном, цинком и кремнием.

Различают сплавы: упрочняемые и неупрочняемые термич. обработкой.

Упрочняемые:

— сплавы нормальной точности – явл. дюралюмины, относящиеся к системе Аl-Cu-Mg, маркируют буквой Д. для упрочнения сплавов прим. закалку с t° 415…505°С (Д1, Д18) или 490…500°С (Д16) с охлаждением в холодной воде.

— высокопрочные – сплавы В95, В96 системы Аl-Zn-Mg-Cu. Сплавы закаливают при460…480°С с последующим искусств. Старением при 120…140°С.

— жаропрочные АК-4, АК-4-1. t°до 300°С.

— сплавы для ковки и штамповки АК6, АК8 системы Al-Cu-Mg с добавками кремния. t° 450…475°С.

Неупрочняемые – Al-Mn, Al-Mg. Отличаются высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, хорошо свариваются.

Окисление и обезуглероживание

Такой брак характеризуются образованием окалины на поверхности стальных изделий и выгоранием углерода в поверхностных слоях (так называемое — обезуглероживание) .

Такой брак термической обработки неисправим,

но если позволяет припуск на механическую обработку, то окисленный и обезуглероженный слой удаляют шлифовкой.

Для предотвращения этого вида брака нагрев изделий рекомендуется проводить в печах с нейтральной атмосферой либо в жидких средах.

Дефекты термической обработки стали

Нарушение в проведении термической обработки металлических изделий приводят к возникновению разнообразных дефектов.

Давайте остановимся на основных дефектах, которые могут возникать в результате термической обработки стали.

Недогрев. Недогрев стали возникает в том случае, когда сталь во время обработки нагревается до температуры ниже критической. В результате этого, к примеру, часть феррита может не превратиться в аустенит.

После охлаждения аустенит остаётся в закалённой стали, в результате этого образуется особая структура.

Перегрев. Перегрев возникает, когда сталь перегревается до температуры намного выше критической, или же в случае, когда температура находилось в норме, но была слишком долгая выдержка.

Перегрев приводит к росту зерен, а при очень сильном перегреве образуется видманштеттова структура, где пластинчатая форма ферритных участков расположены под углом друг другу, в результате чего образуются треугольники. Механические свойства стали находятся на крайне низком уровне.

Перегрев можно исправить путём повторного уже нормального отжига с соблюдением всех норм процесса.

Пережог. Пережог возникает в случае, когда сталь была нагрета до температуры, которая близка к температуре плавления, в результате чего по границам зерна происходит окисление, что делает сталь достаточно хрупкой. Данный вид дефектов исправить нельзя.

Окисление и обезуглероживание. Обезуглероживание и окисление стали во время нагрева является результатом взаимодействия с газами, которые находятся в печах. В результате данного взаимодействия на поверхности стали образуется окалина (при окислении), а в результате обезуглероживания происходит выгорание углерода, что приводит к образованию структуры феррита.

Образование окалины приводят к неравномерности твёрдости металла, вызывает необходимость дополнительной его обработки, а так же дополнительной потери металла.

Результатом действия обезуглероживания является резкое снижение твёрдости и выносливости на поверхностях металла. Для предотвращения данных неблагоприятных последствий, необходимо использовать печи с контролируемой атмосферой.

Закалочные трещины. Закалочные трещины возникают при резком нагреве или охлаждении метала. Предотвращения данных дефектов достаточно просто, достаточно придерживаться правильной технологии нагрева и охлаждения стали.

Коробление. Коробление возникает в результате неравномерного охлаждения отдельных частей детали (мест), в результате этого процесса происходит изменение внешней формы.

На данный процесс большое значение оказывает, как форма детали, так и способ погружения для охлаждения.

Предотвратить образование данного дефекта возможно путём правильного режима закалки.

Пятнистая закалка. Пятнистая закалка является дефектом, который возникает при неравномерном охлаждении поверхности детали, которое осуществляется в процессе проведения закалки.

Способствовать возникновения пятнистой закалки может наличие на поверхности окалины, грязи или в соприкосновение деталей между собой.

Результатом пятнистой закалки является неравномерная твёрдость. Средством профилактики пятнистой закалки является защита поверхности детали от окалины, её очистка и правильный способ охлаждения.

Закалочные трещины

Закалочные трещины могут являться результатом слишком быстрого и неравномерного нагрева, либо слишком быстрого охлаждения,

либо наличия на детали резких переходов сечений, где возникают большие внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию.

Они могут получиться и в том случае, если после закалки деталь сразу не подвергли отпуску для снятия внутренних напряжений.

Для устранения растрескивания деталей при закалке необходимо обеспечить равномерный и более медленный нагрев, использовать закалку с одстуживанием (в двух средах или ступенчатую), отпускать изделия непосредственно после закалки и т.д.