Alp22.ru

Промышленное строительство
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Сущность и основные способы термообработки стали

Сущность и основные способы термообработки стали

Что такое термическая обработка стали, ее назначение, принципы и виды. Сущность горячей и холодной обработки. Химико-термическая, термомеханическая и криогенная обработка. Виды печей для термообработки. Особенности работы с цветными сплавами.

Сталь после термической обработки

Как правило, одним из последних этапов в изготовлении изделия из стали является термическая обработка. Нагрев до требуемой температуры c дальнейшим охлаждением приводит к значительным изменениям во внутренней структуре металла. Вследствие этого он приобретает новые свойства, которые напрямую зависят от выбранных термических режимов. Термообработка стали позволяет изменять ее твердость, хрупкость и вязкость, а также делать ее устойчивой к деформации, износу и химической коррозии. К основным видам термообработки относят закалку, отпуск и отжиг. Кроме этого, существуют комбинированные способы: химико-термическая и термомеханическая обработки, сочетающие в себе нагрев и охлаждение с другими видами воздействия на структуру металла. При всем многообразии базовых видов и их разновидностей сущность у всех этих технологий одна – изменение внутренних фазных и структурных состояний металла с целью придания ему требуемых свойств.

Сталь после термической обработки

Назначение термической обработки

Главная задача термической обработки изделия из стали — придать ему требуемое эксплуатационное качество или совокупность таких качеств. При термообработке режущего инструмента из инструментальных и легированных сталей достигается твердость 63 HRC и повышенная износостойкость. А ударный инструмент после нее должен иметь твердый поверхностный слой и пластичную ударопрочную сердцевину. Стали для изготовления пружин и рессорных пластин после термической обработки становятся прочными на изгиб и упругими, а металл для рельсов — устойчивым к деформациям и износу. Кроме того, термическими способами производят упрочнение поверхностных слоев стальных изделий, насыщая их при высокой температуре углеродом, азотом или другими соединениями, а также укрепляя закалкой нагартовку после горячей обработки давлением. Другое назначение термической обработки — это восстановление изначальных свойств металла, которое достигается их отжигом.

Преимущества термообработки металлов

Термическая обработка кардинально изменяет эксплуатационные свойства металлов, используя при этом только внутреннее перестроение их кристаллических решеток. С помощью чередования циклов нагрева и охлаждения можно в разы увеличить твердость, износостойкость, пластичность и ударную вязкость изделия. Помимо этого, термическая обработка дает возможность производить структурные изменения только в поверхностном слое на заданную глубину или воздействовать только на часть заготовки. Сочетание термообработки с горячей обработкой давлением приводит к значительному увеличению твердости металла, превышающему результаты, полученные отдельно при нагартовке или закалке. При химико-термической обработке поверхностный слой металла диффузионным способом насыщается химическими элементами, значительно повышающими его износостойкость и твердость. При этом основная часть изделия сохраняет вязкость и пластичность. С производственной точки зрения оборудование для термической обработки гораздо проще и дешевле, чем станки и установки механообрабатывающих и литейных производств.

Термообработка металлов

Принцип термической обработки

  • нагрева, изменяющего структуру кристаллической решетки металла;
  • охлаждения, фиксирующего достигнутые при нагреве изменения;
  • отпуска, снимающего механические напряжения и упорядочивающего полученную структуру.

Особенностью технологии термической обработки стали является то, что при нагреве до 727 ºC она переходит в состояние твердого расплава — аустенита, в котором атомы углерода проникают внутрь элементарных ячеек железа, создавая равномерную структуру. При медленном охлаждении сталь возвращается в исходное состояние, а при быстром — фиксируется в виде аустенита или других структур. От способа охлаждения и дальнейшего отпуска зависят свойства закаленной стали. Здесь соблюдается принцип: чем быстрее охлаждение и ниже температура, тем выше ее хрупкость и твердость. Термообработка является одним из ключевых технологических процессов для всех сплавов железа с углеродом. Например, получить ковкий чугун можно только путем термической обработки белого чугуна.

Виды термообработки стали

Свойства стали после термообработки

Отжиг

  1. Диффузионный. Деталь нагревают до температуры около 1200 ºC, а затем постепенно остужают в течение десятков часов (для массивных изделий — до нескольких суток). Обычно такой термической обработкой устраняют дендритные неоднородности структуры стали.
  2. Полный. Нагрев заготовки производится за критическую точку образования аустенита (727 ºC) с последующим медленным остужением. Этот вид отжига используется чаще всего и применяется в основном для конструкционной стали. Его результатом является снижение зернистости кристаллической структуры, улучшение ее пластических свойств и понижение твердости, а также снятие внутренних напряжений. Полный отжиг иногда применяют до закалки для понижения зернистости металла.
  3. Неполный. В этом случае нагрев происходит до температуры выше 727 ºC, но не более чем на 50 ºC. Результат при таком отжиге практически такой же, что и при полном, хотя он не обеспечивает полного изменения кристаллической структуры. Но он менее энергозатратный, выполняется за более короткий период, а на детали образуется меньше окалины. Такая термическая обработка используется для инструментальных и подобных им сталей.
  4. Изотермический. Нагревание осуществляется до температуры, немного превышающей 727 ºC, после чего изделие сразу же переносят в ванну с расплавом при 600÷700 ºC, где оно выдерживается определенное время до окончания формирования требуемой структуры.

Еще одно достаточно распространенное применение отжига как в промышленности, так и в домашних мастерских — восстановление исходных свойств стали после неудачной закалки или проведения пробной термической обработки.

Сталь до и после отжига

Закалка

Температурный режим закалки

Скорость нагревания при термической обработке полностью зависит от марки стали, массы и формы детали, типа источника тепла и требуемого результата. Поэтому его можно подобрать или по справочным таблицам или же только опытным путем. Это же относится и к скорости охлаждения, которая также находится в зависимости от перечисленных характеристик. При выборе охлаждающей среды в первую очередь ориентируются на скорость охлаждения, но при этом учитывают и другие ее особенности. В первую очередь к ним относятся стабильность и безвредность ее состава, а также легкость удаления с поверхности изделия. Кроме того, при работе насосного и перемешивающего оборудования, используемого при термической обработке, важны такие характеристики, как вязкость и текучесть.

Отпуск

  1. Низкий. Нагрев осуществляется до 200 ºC. Такой отпуск применяют к режущему инструменту и цементированным сталям для сохранения высокой твердости и стойкости к износу.
  2. Средний. Изделия нагревают до температуры 300÷450 ºC. Этот вид отпуска используют для повышения упругости и сопротивления усталости рессорных и пружинных сталей.
  3. Высокий. Диапазон нагрева составляет 460÷710 ºC. Термическая обработка, включающая в себя закалку с высоким отпуском, у термистов носит название улучшение, т. к. в этом случае достигается наилучшее соотношение пластичности, износостойкости и вязкости.

При низкотемпературном термическом нагреве металл покрывается цветными оксидными пленками, которые меняют свою окраску в зависимости от температуры от бледно-желтого до серовато-сизого. Это довольно надежный индикатор нагрева детали, и многие производят отпуск, ориентируясь на цвет побежалости.

Сталь после обработки

Химико-термическая обработка

  1. Цементация. Насыщение верхнего слоя стали углеродом при температуре в диапазоне от 900 до 950 ºC.
  2. Нитроцементация. В этом случае термическое насыщение производится одновременно азотом и углеродом из газообразной среды при нагреве от 850 до 900 ºC.
  3. Цианирование. Поверхностный слой насыщается теми же элементами, что и при нитроцементации, но из расплава солей цианидов.
  4. Азотирование. Выполняется при температуре не выше 600 ºC.
  5. Насыщение твердыми соединениями металлов и неметаллов (бора, хрома, титана, алюминия и кремния).

При первых четырех видах насыщение происходит из газовых сред, а при последнем — из порошков, расплавов, паст и суспензий.

Термомеханическая обработка

Криогенная обработка

Криогенная обработка заключается в охлаждении стали до критически низких температур, в результате чего в ее кристаллической решетке происходят те же процессы, что и при термической закалке на мартенсит. Для этого деталь погружается в жидкий азот, который имеет температуру -195 ºC и выдерживается в нем в течение расчетного времени, зависящего от марки стали и массы изделия. После этого она естественным образом нагревается до комнатной температуры, а затем, как и при обычной термической закалке, подвергается отпуску, параметры которого зависят от требуемого результата. У изделия из стали, обработанного таким образом, повышается не только твердость, но и прочность. Кроме того, после воздействия сверхнизких температур в нем прекращаются процессы старения и в течение времени оно не меняет своих линейных размеров.

Криогенная обработка металла

Применяемое оборудование

  • нагревательные установки;
  • закалочные емкости;
  • устройства для приготовления и подачи жидких и газообразных сред;
  • подъемное и транспортное оборудование;
  • измерительная и лабораторная техника.

К первому виду относятся камерные печи для термообработки металлов и сплавов. Кроме того, нагрев может осуществляться высокочастотными индукторами, газоплазменными установками и ваннами с жидкими расплавами. Отдельным видом нагревательного оборудования являются установки для химико-термической и термомеханической обработки. Загрузка и выгрузка изделий производится с помощью мостовых кранов, кран-балок и других подъемных механизмов, а перемещение между операционными узлами термической обработки — специальными тележками с крепежной оснасткой. Устройства, обеспечивающие процесс термообработки жидкими и газообразными средами, обычно располагаются вблизи соответствующего оборудования или же соединены с ним трубопроводами. Основной измерительной техникой термического цеха являются различные пирометры, а также стандартный измерительный инструмент.

Оборудование для обработки стали

Особенности термообработки цветных сплавов

При термической обработке изделий из деформируемых алюминиевых сплавов (профили, трубы, уголки) требуется очень точное соблюдение температуры нагрева, при этом она не очень высокая: всего 450÷500 ºC. А как можно решить эту задачу в домашних условиях минимальными средствами? Если кто-нибудь знает ответ на этот вопрос, поделитесь, пожалуйста, информацией в комментариях.

Классификация сталей термическая обработка сталей

Внимание Скидка 50% на курсы! Спешите подать
заявку

Профессиональной переподготовки 30 курсов от 6900 руб.

Курсы для всех от 3000 руб. от 1500 руб.

Повышение квалификации 36 курсов от 1500 руб.

Лицензия №037267 от 17.03.2016 г.
выдана департаментом образования г. Москвы

Конспект урока для 7 класса «КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ»

ГООУ «Таловская школа-интернат для детей сирот и детей, оставшихся без попечения родителей»

Разработка урока технологии 7 классе

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ.

Выполнил: учитель технологии

Троценко Сергей Александроич

Класс 7 Дата ______________

Тема урока :«Классификация сталей. Термическая обработка стали. »

Тип урока : урок изучения нового материала.

Цели урока :-сформировать новые понятия о видах и свойствах сталей, научить расшифровке марок сталей, обучить приемам термической обработки сталей; воспитывать бережное и рациональное отношение к материалу; развитие мышления и воображения.

Форма урока: фронтальная.

Методы обучения: рассказ, объяснение, показ приемов работы учителем, демонстрация наглядных пособий, использование мультимедийной аппаратуры, устный опрос, анализ практической работы.

Оборудование и материалы: образцы сталей, медиа центр, напильники, кузнечный набор инструмента, муфельная печь, плакаты «Искровая проба стали», «Цвета каления и побежалости» «Маркировка и применение сталей и твердых сплавов», затемнение на окна.

Задание на дом: -повторить изученный материал по записям в тетради,

— прочитать параграф в учебнике (с. 62-65).

Литература и источники:

1. Муравьев Е.М. Технология обработки металлов: учебное пособие для учащихся 5-9 классов. М.:Просвещение, 1995.

2. Программы «Технология» 1-4 классы, 5-11 классы: для средних общеобразовательных учреждений РФ.- М., 2000.

3. Самородский П.С., Тищенко А.Т., Симоненко В.Д.. Технология. Технический труд: учебник для учащихся 7 класса. – М., Вентана-Граф, 2008.- 160 с.

4. Интернет ресурсы.

5. Интерактивная библиотека «Технология».

6. Журналы «Школа и производство».

Х о д у р о к а

Организационная часть. Приветствие учителя . Проверка готовности к уроку учащихся, контроль посещаемости, сообщение темы и целей урока.

Теоретический блок урока.

Повторение изученного ранее материала по вопросам:

— Вспомните, что такое сталь? (сплав железа с углеродом с содержанием последнего до 2 %).

— Какие изделия могут быть изготовлены из стали?

— Какие виды обработки стальных поверхностей вы знаете?

— Какие инструменты применяются для обработки стали?

2. Изложение нового материала по плану:

1) Виды сталей (углеродистые, легированные, конструкционные, инструментальные и специальные).

2) Маркировка сталей.

3) Свойства сталей (доклад учащегося).

4) Термическая обработка стали.

5) Демонстрация приемов термической обработки стали.

1.1. Сталь. Виды сталей . (Рассказ учителя иллюстрируется демонстрацией образцов стали)

Сталь занимает особое место среди металлов и сплавов. Она служит материальной основой для практически всех отраслей техники и производства. В зависимости от состава стали подразделяются на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали – это сплавы железа с углеродом, в состав которых входят некоторые обычные примеси. Углерод придает стали твердость, но увеличивает хрупкость и снижает пластичность.

Легированные стали – это сплавы, в которые, кроме железа, углерода и обычных примесей, входят так называемые легирующие элементы (хром, никель, вольфрам и др.). Слово «легирование» произошло от немецкого слова, означающего «сплавлять», а последнее, в свою очередь, было образовано от латинского – «связываю, соединяю». Добавление их в сталь во время плавки изменяет её свойства. Одни элементы повышают твердость и прочность, другие – упругость, третьи повышают коррозийную стойкость стали, улучшают другие полезные свойства и качества.

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и специальные с особыми свойствами.

Конструкционные стали применяются для изготовления различных металлических конструкций, деталей механизмов и машин и т.д. Конструкционная углеродистая сталь бывает обыкновенного качества и качественной.

Сталь обыкновенного качества обладает невысокой прочностью и применяется для изготовления болтов, шайб, мягкой проволоки, заклепок и др.

Качественная углеродистая сталь более прочная, и из неё изготовляют зубчатые колеса, шкивы и другие детали машин.

Все стали маркируются, то есть имеют условные обозначения, которые показывают вид стали, её состав, свойства и т.д. (Предлагается учащимся изучить таблицу «Маркировка и применение сталей и твердых сплавов».)

Конструкционная углеродистая сталь обыкновенного качества маркируется буквами «Ст.» и порядковым номером от 0 до7. Например, Ст.0, Ст.1 и т.д. Чем выше номер стали, тем больше в ней содержание углерода и прочность. Качественная углеродистая сталь обозначается цифрами, указывающими содержание углерода в сотых долях процента. Например, «Сталь 45» — сталь, содержащая 0.45% углерода. Более подробно по марке стали можно определить её состав и свойства, пользуясь специальным справочником.

Инструментальные углеродистые стали тоже подразделяются на качественные и высококачественные.

Инструментальные стали отличаются от конструкционных большей твердостью и прочностью. Они применяются для изготовления режущего и контрольно-измерительного инструмента.

Инструментальные качественные и высококачественные стали маркируются буквами и цифрами, указывающими содержание углерода в десятых долях процента. Например, У8 и У8а – углеродистая сталь, 8-0.8% углерода, А — высококачественная сталь.

Специальные стали – это стали с особыми свойствами: нержавеющие, износостойкие и т.д.

1.2. Маркировки сталей.

Широко и разнообразно применение легированных сталей. Конструкционные и инструментальные легированные стали маркируются сочетанием цифр и букв. Цифры, стоящие в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях для инструментальных сталей. Если цифры отсутствуют то содержание углерода составляет около 1%. Легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначаются буквами русского алфавита: хром- Х, никель – Н, вольфрам – В, марганец – Г, ванадий – Ф, алюминий – Ю. (разъяснение свойств легирующих добавок). Цифры после букв указывают среднее содержание этих элементов в процентах. Если цифры отсутствуют, то содержание элемента около 1%. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. Выполнение упражнений по расшифровке марок сталей: 12Х2Н4А; ХВГ; Р6М5; Р18.

Марку стали визуально определить практически невозможно. Поэтому приблизительно марку можно установить по её применению или по так называемой «искровой пробе». Она основана на свойстве стали при шлифовании на корундовом камне образовывать искры. По количеству, цвету и силе искры можно приблизительно определить марку стали.

Демонстрация учителем искрения сталей и определение учащимися марки стали по таблице «Искровая проба стали».

Свойства сталей можно изменять при помощи теплового воздействия – термической обработки, заключающейся в нагреве, выдержке при температуре нагрева и последующем охлаждении.

Основные иды термической обработки сталей – отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Они имеют различные назначения и отличаются друг от друга режимами термообработки, то есть температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и скоростью охлаждения. Изменение свойств стали в процессе термообработки при различных режимах зависит от содержания в ней углерода. Выбор температуры нагрева производят по специальной диаграмме ( объяснение правил работы с диаграммой ).

При закалке металл нагревают, а затем быстро охлаждают в воде, масле, растворах солей. Закалка увеличивает твердость и прочность стали, но вместе с тем повышает её хрупкость. Закалка целесообразна для сталей с содержанием углерода более 0,3 %.

Хрупкость стали после закалки можно уменьшить при помощи отпуска. Отпуск представляет собой нагрев остывшей заготовки до температуры ниже температуры закалки и последующее охлаждение в воде или на воздухе. Помимо хрупкости отпуск снижает и твердость стали, что улучшает её обрабатываемость.

При отжиге заготовку нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре и медленно, часто вместе с печью, охлаждают. Отжиг резко снижает твердость стали, она становится мягче и лучше обрабатывается.

Термическая обработка стали.

Термическую обработку стали на промышленных предприятиях производят рабочие — термисты, которые хорошо знают внутреннее строение металлов, их физические и технологические свойства, режимы термообработки. Для термической обработки сталей применяют специальное оборудование (демонстрация лекции 1 на экране) , состоящее из нагревательных устройств, охлаждающих приспособлений, приборов для контроля теплового режима и результатов термообработки и различных инструментов и приспособлений.

В школьных мастерских термическую обработку стали производят с помощью небольшой муфельной печи. Температуру нагрева определяют приближенно по таблице цветов каления и побежалости (демонстрация таблицы на экране ). Для охлаждения изделий в процессе термообработки используют воду и машинное масло, которые наливают в специальные анны. Для обработки также потребуются клещи, молоток и напильник.

1.5. Приемы выполнения основных операций термообработки.

Основные приемы термообработки мы выполним на примере образца стали У7.

Для стали У7 температура термообработки составляет примерно 770-790 градусов. Образец помещают в печь и выдерживают его в ней из расчета 1,5 — 2 минуты на 1 мм его диаметра. Для нашего образца это время составит 15 — 20 минут.

По истечении времени печь отключают и дают ей остыть вместе с образцом. Затем образец достают из печи и проверяют качество отжига пробой напильником.

Для проведения закалки этого образца его опять помещают в печь с той же температурой, что и при отжиге, и выдерживают 15-20 минут, но охлаждают его с большей скоростью. Качество закалки проверяют пробой напильником.

Нормализацию и отпуск проводят уже для закалённой детали с целью снятия внутренних напряжений и уменьшения хрупкости. Охлаждение детали для данных процессов выполняют на воздухе.

Время выдержки образцов в печи используется для записей в тетрадях.

Во время проведения опытов необходимо соблюдать правила техники безопасности при работе с муфельной печью, термической обработке и напильником.

Выполнение практической работы.

Лабораторная работа «Приемы термической обработки стали».

Организация рабочего места.

Для выполнения работы понадобится муфельная печь, бачки с охлажденными жидкостями (маслом, одой), закалочные клещи, напильник, тиски, комплект стальных образцов.

2. Вводный инструктаж.

закрепите в тисках образец из незакаленной стали (например, с содержанием углерода 0,6%) и проведите по ней несколько раз напильником, сделайте вывод об обрабатываемости незакаленной стали;

поместите образец в электрическую (муфельную) печь, нагретую до 800 С, и выдержите его 15 – 20 мин. Температуру нагрева образца определите по таблице «Цвета побежалости и каления и соответствующие им температуры»;

опустите раскаленный образец в воду или масло;

закрепите образец в тисках и попытайтесь обработать его напильником, сделайте вывод об обрабатываемости закаленной стали;

поместите образец в печь, нагретую до температуры 400…550 С, и выдержите 15…20 мин, после чего охладите в воде или на воздухе;

опилите образец тисках и сделайте вывод о его обрабатываемости после отпуска.

Правила техники безопасности с напильником и при термической обработке (приведены ранее).

3 .Текущий инструктаж.

Учащиеся выполняют задания 1 и 6 каждый на своем рабочем месте. Задания 2 – 5 выполняет учитель. Текущие наблюдения учителя, контроль понимания учащимися нового материала, ответы на возникающие вопросы работы, проверка правильности выполнения заданий.

4. Заключительный инструктаж.

Обсуждение результатов опытов. Разъяснение возможностей применения полученных знаний.

Конспект урока «КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ» по технологиям для 7 класса

Цели урока:-сформировать новые понятия о видах и свойствах сталей, научить расшифровке марок сталей, обучить приемам термической обработки сталей; воспитывать бережное и рациональное отношение к материалу; развитие мышления и воображения.

Форма урока: фронтальная.

Методы обучения: рассказ, объяснение, показ приемов работы учителем, демонстрация наглядных пособий, использование мультимедийной аппаратуры, устный опрос, анализ практической работы.

Оборудование и материалы: образцы сталей, медиа центр, напильники, кузнечный набор инструмента, муфельная печь, плакаты «Искровая проба стали», «Цвета каления и побежалости» «Маркировка и применение сталей и твердых сплавов», затемнение на окна.

Задание на дом: -повторить изученный материал по записям в тетради,

— прочитать параграф в учебнике (с. 62-65).

Литература и источники:

1. Муравьев Е.М. Технология обработки металлов: учебное пособие для учащихся 5-9 классов. М.:Просвещение, 1995.

2. Программы «Технология» 1-4 классы, 5-11 классы: для средних общеобразовательных учреждений РФ.- М., 2000.

3. Самородский П.С., Тищенко А.Т., Симоненко В.Д.. Технология. Технический труд: учебник для учащихся 7 класса. – М., Вентана-Граф, 2008.- 160 с.

4. Интернет ресурсы.

5. Интерактивная библиотека «Технология».

6. Журналы «Школа и производство».

Х о д у р о к а

Организационная часть. Приветствие учителя. Проверка готовности к уроку учащихся, контроль посещаемости, сообщение темы и целей урока.

Теоретический блок урока.

Повторение изученного ранее материала по вопросам:

— Вспомните, что такое сталь? (сплав железа с углеродом с содержанием последнего до 2 %).

— Какие изделия могут быть изготовлены из стали?

— Какие виды обработки стальных поверхностей вы знаете?

— Какие инструменты применяются для обработки стали?

2. Изложение нового материала по плану:

1) Виды сталей (углеродистые, легированные, конструкционные, инструментальные и специальные).

2) Маркировка сталей.

3) Свойства сталей (доклад учащегося).

4) Термическая обработка стали.

5) Демонстрация приемов термической обработки стали.

1.1. Сталь. Виды сталей. (Рассказ учителя иллюстрируется демонстрацией образцов стали)

Сталь занимает особое место среди металлов и сплавов. Она служит материальной основой для практически всех отраслей техники и производства. В зависимости от состава стали подразделяются на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали – это сплавы железа с углеродом, в состав которых входят некоторые обычные примеси. Углерод придает стали твердость, но увеличивает хрупкость и снижает пластичность.

Легированные стали – это сплавы, в которые, кроме железа, углерода и обычных примесей, входят так называемые легирующие элементы (хром, никель, вольфрам и др.). Слово «легирование» произошло от немецкого слова, означающего «сплавлять», а последнее, в свою очередь, было образовано от латинского – «связываю, соединяю». Добавление их в сталь во время плавки изменяет её свойства. Одни элементы повышают твердость и прочность, другие – упругость, третьи повышают коррозийную стойкость стали, улучшают другие полезные свойства и качества.

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и специальные с особыми свойствами.

Конструкционные стали применяются для изготовления различных металлических конструкций, деталей механизмов и машин и т.д. Конструкционная углеродистая сталь бывает обыкновенного качества и качественной.

Сталь обыкновенного качества обладает невысокой прочностью и применяется для изготовления болтов, шайб, мягкой проволоки, заклепок и др.

Качественная углеродистая сталь более прочная, и из неё изготовляют зубчатые колеса, шкивы и другие детали машин.

Все стали маркируются, то есть имеют условные обозначения, которые показывают вид стали, её состав, свойства и т.д. (Предлагается учащимся изучить таблицу «Маркировка и применение сталей и твердых сплавов».)

Конструкционная углеродистая сталь обыкновенного качества маркируется буквами «Ст.» и порядковым номером от 0 до7. Например, Ст.0, Ст.1 и т.д. Чем выше номер стали, тем больше в ней содержание углерода и прочность. Качественная углеродистая сталь обозначается цифрами, указывающими содержание углерода в сотых долях процента. Например, «Сталь 45» — сталь, содержащая 0.45% углерода. Более подробно по марке стали можно определить её состав и свойства, пользуясь специальным справочником.

Инструментальные углеродистые стали тоже подразделяются на качественные и высококачественные.

Инструментальные стали отличаются от конструкционных большей твердостью и прочностью. Они применяются для изготовления режущего и контрольно-измерительного инструмента.

Инструментальные качественные и высококачественные стали маркируются буквами и цифрами, указывающими содержание углерода в десятых долях процента. Например, У8 и У8а – углеродистая сталь, 8-0.8% углерода, А — высококачественная сталь.

Специальные стали – это стали с особыми свойствами: нержавеющие, износостойкие и т.д.

1.2. Маркировки сталей.

Широко и разнообразно применение легированных сталей. Конструкционные и инструментальные легированные стали маркируются сочетанием цифр и букв. Цифры, стоящие в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях для инструментальных сталей. Если цифры отсутствуют то содержание углерода составляет около 1%. Легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначаются буквами русского алфавита: хром- Х, никель – Н, вольфрам – В, марганец – Г, ванадий – Ф, алюминий – Ю. (разъяснение свойств легирующих добавок). Цифры после букв указывают среднее содержание этих элементов в процентах. Если цифры отсутствуют, то содержание элемента около 1%. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. Выполнение упражнений по расшифровке марок сталей: 12Х2Н4А; ХВГ; Р6М5; Р18.

Марку стали визуально определить практически невозможно. Поэтому приблизительно марку можно установить по её применению или по так называемой «искровой пробе». Она основана на свойстве стали при шлифовании на корундовом камне образовывать искры. По количеству, цвету и силе искры можно приблизительно определить марку стали.

Демонстрация учителем искрения сталей и определение учащимися марки стали по таблице «Искровая проба стали».

Свойства сталей.

Свойства сталей можно изменять при помощи теплового воздействия – термической обработки, заключающейся в нагреве, выдержке при температуре нагрева и последующем охлаждении.

Основные иды термической обработки сталей – отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Они имеют различные назначения и отличаются друг от друга режимами термообработки, то есть температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и скоростью охлаждения. Изменение свойств стали в процессе термообработки при различных режимах зависит от содержания в ней углерода. Выбор температуры нагрева производят по специальной диаграмме (объяснение правил работы с диаграммой).

При закалке металл нагревают, а затем быстро охлаждают в воде, масле, растворах солей. Закалка увеличивает твердость и прочность стали, но вместе с тем повышает её хрупкость. Закалка целесообразна для сталей с содержанием углерода более 0,3 %.

Хрупкость стали после закалки можно уменьшить при помощи отпуска. Отпуск представляет собой нагрев остывшей заготовки до температуры ниже температуры закалки и последующее охлаждение в воде или на воздухе. Помимо хрупкости отпуск снижает и твердость стали, что улучшает её обрабатываемость.

При отжиге заготовку нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре и медленно, часто вместе с печью, охлаждают. Отжиг резко снижает твердость стали, она становится мягче и лучше обрабатывается.

Термическая обработка стали.

Термическую обработку стали на промышленных предприятиях производят рабочие — термисты, которые хорошо знают внутреннее строение металлов, их физические и технологические свойства, режимы термообработки. Для термической обработки сталей применяют специальное оборудование (демонстрация лекции 1 на экране), состоящее из нагревательных устройств, охлаждающих приспособлений, приборов для контроля теплового режима и результатов термообработки и различных инструментов и приспособлений.

В школьных мастерских термическую обработку стали производят с помощью небольшой муфельной печи. Температуру нагрева определяют приближенно по таблице цветов каления и побежалости (демонстрация таблицы на экране). Для охлаждения изделий в процессе термообработки используют воду и машинное масло, которые наливают в специальные анны. Для обработки также потребуются клещи, молоток и напильник.

1.5. Приемы выполнения основных операций термообработки.

Основные приемы термообработки мы выполним на примере образца стали У7.

Для стали У7 температура термообработки составляет примерно 770-790 градусов. Образец помещают в печь и выдерживают его в ней из расчета 1,5 — 2 минуты на 1 мм его диаметра. Для нашего образца это время составит 15 — 20 минут.

По истечении времени печь отключают и дают ей остыть вместе с образцом. Затем образец достают из печи и проверяют качество отжига пробой напильником.

Для проведения закалки этого образца его опять помещают в печь с той же температурой, что и при отжиге, и выдерживают 15-20 минут, но охлаждают его с большей скоростью. Качество закалки проверяют пробой напильником.

Нормализацию и отпуск проводят уже для закалённой детали с целью снятия внутренних напряжений и уменьшения хрупкости. Охлаждение детали для данных процессов выполняют на воздухе.

Время выдержки образцов в печи используется для записей в тетрадях.

Во время проведения опытов необходимо соблюдать правила техники безопасности при работе с муфельной печью, термической обработке и напильником.

Выполнение практической работы.

Лабораторная работа «Приемы термической обработки стали».

Организация рабочего места.

Для выполнения работы понадобится муфельная печь, бачки с охлажденными жидкостями (маслом, одой), закалочные клещи, напильник, тиски, комплект стальных образцов.

2. Вводный инструктаж.

закрепите в тисках образец из незакаленной стали (например, с содержанием углерода 0,6%) и проведите по ней несколько раз напильником, сделайте вывод об обрабатываемости незакаленной стали;

поместите образец в электрическую (муфельную) печь, нагретую до 800 С, и выдержите его 15 – 20 мин. Температуру нагрева образца определите по таблице «Цвета побежалости и каления и соответствующие им температуры»;

опустите раскаленный образец в воду или масло;

закрепите образец в тисках и попытайтесь обработать его напильником, сделайте вывод об обрабатываемости закаленной стали;

поместите образец в печь, нагретую до температуры 400…550 С, и выдержите 15…20 мин, после чего охладите в воде или на воздухе;

опилите образец тисках и сделайте вывод о его обрабатываемости после отпуска.

Правила техники безопасности с напильником и при термической обработке (приведены ранее).

3.Текущий инструктаж.

Учащиеся выполняют задания 1 и 6 каждый на своем рабочем месте. Задания 2 – 5 выполняет учитель. Текущие наблюдения учителя, контроль понимания учащимися нового материала, ответы на возникающие вопросы работы, проверка правильности выполнения заданий.

4. Заключительный инструктаж.

Обсуждение результатов опытов. Разъяснение возможностей применения полученных знаний.

Итоговая часть.

— повторить изученный материал;

— прочитать параграф в учебнике (с. 62 – 65).

2. Уборка рабочих мест.

Здесь представлен конспект к уроку на тему «КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ», который Вы можете бесплатно скачать на нашем сайте. Предмет конспекта: Технологии (7 класс). Также здесь Вы можете найти дополнительные учебные материалы и презентации по данной теме, используя которые, Вы сможете еще больше заинтересовать аудиторию и преподнести еще больше полезной информации.

Термическая обработка стали: нагревы и охлаждения

Операции термической обработки стали, основой которых является нагрев до некоторой температуры и выдержка при ней были рассмотрены ранее. К ним относятся: отпуск, обработка на твердый раствор и отжиг. Далее рассмотрим операции термической обработки стали, которые включают как нагрев, так и регламентируемое охлаждение с различной интенсивностью – от охлаждения на спокойном воздухе до резкого охлаждения водой.

Нормализация стали

Нормализацией стали называют обработку стали на твердый раствор при температуре не менее, чем на 55 ºС выше верхней критической температуры с последующим охлаждением на воздухе. Температура нормализации зависит от содержания углерода в стали как это показано на рисунке. Целью нормализации обычно является улучшить зеренную структуру и, кроме того, немного упрочнить сталь.

Рисунок – Упрощенная диаграмма железо-углерод.
Заштрихованная полоса – интервал нагрева стали для нормализации и закалки

При нормализации изделия располагают так, чтобы при охлаждении садки после нагрева воздух мог свободно циркулировать вокруг каждого изделия. Если потоки воздуха вокруг нагретых изделий затруднены, то операция термической обработки будет ближе к отжигу, чем к нормализации. Ускоренное охлаждение вентиляторами или сжатым воздухом может дать результат больше похожий на закалку.

Микроструктура , которая возникает при нормализации, является смесью феррита и перлита, обычно с низкими остаточными напряжениями и почти без коробления. Некоторые изделия после нормализации подвергают отпуску, чтобы получить небольшое дополнительное умягчение стали, а также дополнительное снижение остаточных напряжений. Однородная нормализованная структура обычно хорошо обрабатывается резанием.

Закалка стали

Чтобы получить более высокую прочность и твердость, чем при нормализации, необходимо применять такую скорость охлаждения стали от температуры аустенитизации, которая обеспечивала бы превращение аустенита в бейнит и мартенсит, а не в феррито-перлитную смесь. Такую операцию называют закалкой. Закалка заключается в аустенитизации стали при температурах, показанных на рисунке 1, а затем достаточно быстром охлаждении для того, чтобы феррит и перлит не успели образоваться.

Закалочные среды

Максимально достижимая твердость закаленной стали твердость зависит практически только от содержания углерода. Она достигается путем охлаждения со скоростью равной или выше критической скорости охлаждения для данного сплава. В качестве закалочной среды применяют воду, соляные растворы, масло, водо-полимерные растворы и, в некоторых случаях, инертные газы.

Закалка стали в воде и масле

Обычно при закалке стали применяют воду и солевые растворы. Там где это возможно применяется более дешевая вода. Однако закалка, например, высокоуглеродистых сталей, требует применения масла. При закалке стальных изделий сложной формы для минимизации коробления и растрескивания также часто применяют масло. Охлаждение сталей маслом почти всегда медленнее, чем водой.

Закалка стали в растворах органических полимеров

Некоторые органические полимеры при добавлении в воду дают ей закалочные свойства, схожие с теми, которыми обладает масло. Основное преимущество этих растворов заключается в том, что они отнимают тепло более медленно, чем вода, но без опасности возгорания, которая характерна для масла. Недостатком полимерных растворов является то, что они требуют строгого контроля концентрации, температуры и перемешивания для достижения стабильных результатов закалки. Степень жесткости закалки в соляных ваннах может изменяться в широких пределах и зависит от типа полимера, его концентрации, температуры ванны и интенсивности перемешивания раствора в ходе закалки.

Прерванная закалка стали

В некоторых случаях требуется закаливать сталь в воде или солевом растворе для получения высокой поверхностной твердости изделия. Однако охлаждение водой или солевым раствором до полной закалки стали может привести к короблению изделия или образованию закалочных трещин. Если нет необходимости упрочнять сталь по всему поперечному сечению, то часто применяют так называемую прерванную закалку. По-английски ее еще называют «slack quenching», слабая или ослабленная закалка. Прерванная закалка обычно включает закалку в воде в течение определенного времени, а затем изделие переносят в масляную ванну для завершения превращения.

Закалка углеродистых и низколегированных сталей всегда сопровождается отпуском.

Отпуск закаленной стали

Отпуском называется процесс нагрева закаленной стали до температуры ниже нижней критической температуры с последующим охлаждением до комнатной температуры. Целью отпуска является снизить внутренние напряжения и уменьшить твердость и тем самым получить более высокую пластичность, чем в случае закаленных изделий без отпуска. Отпуск немного модифицирует структуру мартенсита и это изменение используют для «регулировки» прочности, твердости, вязкости и других механических свойств до заданных величин.

Углеродистые и низколегированные стали отпускают в температурном интервале от 175 до 700 °С. Длительность выдержки может различаться от 30 минут до нескольких часов. Более длинное время отпуска при данной температуре или более высокая температура при данной выдержке увеличивает степень умягчения стали. При одной и той же температуре мартенсит снижает свою прочность и твердость более значительно, чем перлит, а скорость изменения свойств стали при отпуске зависит от ее химического состава.

Отпускная хрупкость стали

Некоторые легированные стали при отпуске при температуре ниже 595 °С могут страдать к отпускному охрупчиванию. Для таких сталей нахождения в интервале температур отпускной хрупкости стараются избежать или проходить его с высокой скоростью.

Термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов

Борздыка А.М., Цейтлин В.З. Термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов

Понятие «жаропрочные сплавы» объединяет большую группу металлических материалов, применяемых для изготовления деталей машин и конструкций, работающих под нагрузкой при повышенных температурах. Интервал таких рабочих температур очень широк (100—1000° С и более). Этим обусловливается большое разнообразие сплавов, используемых в качестве жаропрочных.

При сравнительно невысоких температурах (100—400° С) в качестве жаропрочных могут применяться обычные конструкционные стали (углеродистые и малолегированные), а также сплавы на основе меди, алюминия и титана. При более высоких температурах (500—700° С) применяются легированные стали перлитного, ферритного, (феррито-мартенситного) и аустенитного классов. Для работы при еще более высоких температурах (700— 1000° С) детали изготовляют из высоколегированных сплавов, содержащих железа меньше 50%, а также безжелезных сплавов на основе никеля, кобальта, хрома, молибдена и других металлов.

Для весьма высоких температур (выше 1000—1200° С) используются металлокерамические сплавы.

Разнообразие жаропрочных металлических сплавов, резко отличающихся между собой по химическому составу, способу производства, структуре и свойствам, естественно затрудняет их классифицирование. Наиболее рациональной на наш взгляд является классификация, предложенная П. Б. Михайловым-Михеевым . Она охватывает почти все металлические сплавы (кроме сплавов на основе меди, алюминия и некоторых других) и более полно по сравнению с ранее предложенными классификациями [2]—[5] учитывает признаки, по которым можно сплавы делить на группы.

По способности подвергаться термической обработке жаропрочные сплавы (как и все металлические сплавы вообще) можно разделить на три группы: сплавы, не имеющие вовсе фазовых превращений в твердом состоянии; сплавы, у которых фазовые превращения связаны с перестройкой кристаллической решетки (полиморфные превращения) и сплавы, у которых фазовые превращения обусловлены только изменением предельной растворимости избыточных компонентов при нагревании и охлаждении.

К первой группе относятся главным образом однофазные жаропрочные сплавы-твердые растворы, такие, например, как чисто ферритные и аустенитные стали, а также нихромы (не содержащие избыточных компонентов, образующих фазы выделения), молибдено-вольфрамовые и другие сплавы. Эти сплавы можно подвергать только такой термической обработке, при которой нагрев производится до температур, находящихся ниже линии солидуса.

Вторую группу составляют сплавы, претерпевающие полиморфные превращения. К ним относятся углеродистые стали и жаропрочные чугуны, мало- и среднелегированные стали перлитного и феррито-мартенситного классов, а также титановые, кобальтовые и другие сплавы.

К сплавам третьей группы относятся дисперсионно-твердеющие аустенитные стали, алюминиевые, никелехромовые и другие сплавы.

Сплавы второй и третьей групп можно подвергать всем видам термической обработки.

На фиг. 1 схематически представлена предлагаемая классификация жаропрочных сплавов по способности подвергаться термической обработке. Все сплавы делятся на три группы: сплавы на железной основе, на нежелезной основе и металлокерамические сплавы.

Первые две группы имеют по три подгруппы, в которых сплавы объединены по способности воспринимать термическую обработку. Металлокерамические сплавы в данной книге не рассматриваются.

К сплавам на железной основе отнесены углеродистые и легированные стали и жаропрочные чугуны. Согласно ГОСТ 5632-61 на коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы к легированным жаропрочным сталям условно отнесены сплавы, в которых содержание железа больше 50%. К железохромоникелевым сплавам условно отнесены сплавы, основной структурой которых является твердый раствор хрома и других элементов в железе. При этом суммарное содержание никеля и железа в них должно быть больше 65%. К жаропрочным никелевым сплавам по этому же ГОСТу условно отнесены сплавы, основной структурой которых является твердый раствор хрома (и других легирующих элементов) в никеле, если содержание Ni в сплаве превышает 55%.

Такой же принцип, несмотря на его условность, видимо, следует распространить и на другие сплавы на нежелезной основе — называть кобальтовыми, хромовыми и т. д. при содержании в них соответствующих элементов более 50—55%.

2. ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, ПРИМЕНЯЕМОЙ ДЛЯ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ И ЕЕ ТЕРМИНОЛОГИЯ

Многочисленные разновидности термической обработки, которой подвергаются черные и цветные металлы и сплавы, А. А. Бочвар разделил на пять видов [6]. В основу классификации положены изменения, происходящие в металлах (сплавах) при термической обработке — изменения фазового состава, структуры и свойств. Эта классификация получила широкое признание [7], [8] и др.

Рассмотрим виды термической обработки, применяемые для изделий из жаропрочных сплавов.

Отжиг 1-го рода. Заключается в нагреве до температуры, лежащей ниже линий диаграммы состояния, выдержки при этих температурах и охлаждения с определенной скоростью. Отжигу 1-го рода подвергаются главным образом однофазные жаропрочные сплавы-твердые растворы (нихромы, молибденовольфрамовые сплавы и др.). Для этих сплавов такой отжиг является единственно возможным видом термической обработки, не считая химико-термическую. Отжиг преследует разные цели. Его применяют для снятия внутренних напряжений и восстановления структуры и свойств (прочности, пластичности, электропроводности и др.)» изменившихся в результате предшествовавшей обработки. Такой отжиг называется рекристаллизационным или возвратом. При этом нагрев производят до сравнительно невысоких температур. Отжигу 1-го рода также подвергают однофазные жаропрочные сплавы для устранения дендритной ликвации. В этом случае сплав нагревают до высоких температур, лежащих вблизи линии солидуса, выдерживают при этих температурах длительное время (десятки часов) для более полного и легкого происхождения процесса диффузии. Эта разновидность отжига 1-го рода является гомогенизацией или диффузионным отжигом.

Отжиг 1-го рода применим также и для термообработки жаропрочных сплавов, имеющих фазовые превращения. Для его осуществления сплавы нагревают до температур, находящихся ниже линии фазовых превращений. Поэтому его иногда называют низким отжигом. Его применяют главным образом для снятия внутренних напряжений и восстановления структуры и свойств металла, после холодной обработки давлением или резанием.

Все процессы, происходящие при отжиге 1-го рода, являются необратимыми.

Отжиг 2-го рода. Отжигу 2-го рода подвергают только такие жаропрочные сплавы, которые имеют фазовые превращения в твердом состоянии. Если фазовые превращения обусловлены лишь изменением предельной растворимости, то происходит перекристаллизация только избыточных фаз — при нагреве выше линии предельной растворимости они полностью исчезают, растворяясь в основной фазе, а при охлаждении выделяются из твердого раствора, т. е. происходит их новая кристаллизация. Если же в сплаве возможны полиморфные превращения, то фазовые изменения при нагревании и охлаждении протекают во всем объеме — происходит перекристаллизация всех фазовых составляющих. Примером служит образование аустенита при переходе через верхнюю критическую точку при нагревании и образование смеси феррит + цементит при охлаждении у перлитных жаропрочных сталей. В обоих случаях отжиг 2-го рода — это процесс фазовой перекристаллизации. Для жаропрочных сплавов отжиг 2-го рода может быть полным, если нагрев производят до температур, превышающих верхнюю критическую точку, и неполным, если температура нагрева находится между линиями диаграммы фазовых превращений (фиг. 2). Фазовая перекристаллизация, проведенная при более быстром охлаждении (на воздухе), называется иногда (например для сталей) нормализацией. При этом образуется менее равновесная структура.

Жаропрочные сплавы с фазовыми превращениями можно подвергать высокотемпературному диффузионному отжигу (гомогенизации) для устранения или уменьшения дендритной ликвации. По существу гомогенизация для таких сплавов является также разновидностью отжига 2-го рода, так как при этом происходит фазовая перекристаллизация.

Обычно диффузионный отжиг применяется для отливок сложной формы из высоколегированных многокомпонентных сплавов.

Закалка. Закалке могут подвергаться жаропрочные сплавы, не имеющие полиморфных превращений, и те, которые имеют их. В первом случае в результате закалки при комнатной температуре может быть зафиксировано состояние, свойственное высоким температурам, лежащим выше линии фазового превращения. Такую закалку А. А. Бочвар назвал «истинной закалкой». Структура сплава после закалки представляет собой пересыщенный твердый раствор. Характерным примером «истинной закалки» является закалка жаропрочыых дисперсионно-твердеющих аустенитных сталей и никелехромовых сплавов. В обоих случаях охлаждение от температур, лежащих в однофазной области с достаточно большой скоростью (превышающей критическую скорость закалки), фиксирует при комнатной температуре однофазное состояние, устойчивое только при высоких температурах (см. фиг. 2). При комнатной температуре это состояние сплава неустойчиво. Операция, в результате которой появилось такое состояние структуры, является типичной закалкой и нет никакой нужды давать ей другое название, как это делается, например, в технической литературе США, где она называется: «Solid Solution treatment» (обработка на твердый раствор). К сожалению, и в нашей технической литературе закалку сплавов, имеющих фазовые превращения, связанные только с изменением предельной растворимости, иногда называют не закалкой, а аустенизацией. Но этим термином давно пользуются для названия процесса образования аустенита при нагревании стали [9], поэтому нецелесообразно применять его вместо термина «закалка» даже для стали аустенитного класса. Тем более не нужно называть аустенизацией процесс закалки нежелезных жаропрочных, например, никелехромоалюминиевых сплавов. В этих сплавах железо содержится в незначительных количествах (до 10%), а часто является в них лишь неизбежной, хотя и нежелательной, примесью и допускается не более 1—3%. В таких сплавах аустенита вообще нет и, следовательно, нельзя называть закалку их аустенизацией. Во всех случаях, когда в результате быстрого охлаждения из однофазной области образуется неравновесное состояние, представляющее собой или зафиксированное высокотемпературное состояние или какое-либо промежуточное, необычное для низких температур, правильнее называть этот процесс закалкой.

При закалке жаропрочных сплавов, имеющих полиморфные превращения, обычно образуется промежуточное состояние.

Однако и в сплавах, не имеющих полиморфных превращений, наблюдаются случаи, когда охлаждение, даже с весьма большой скоростью, не в состоянии полностью сохранить при комнатной температуре структуру, характерную для высокой температуры.

В этих случаях образуется неустойчивая структура из продуктов распада твердого раствора высокой степени дисперсности. Это сопровождается повышением твердости, прочности, а иногда и хрупкости. В частности, это наблюдается в некоторых высоколегированных никелехромовых сплавах.

Отпуск. Отпуск является всегда операцией вторичной, следующей после закалки, поэтому для упорядочения терминологии нецелесообразно операцию отжига 1-го рода (низкого отжига), которая по режиму похожа на отпуск (температура нагрева лежит ниже критических точек), называть высоким отпуском.

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Конвектор ballu camino инструкция
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector