Скорость затвердевания слитков в изложнице

     В отличие от других видов отжига здесь распад аустенита проходит не при непрерывном охлаждении, а в изотермических условиях (при постоянной температуре). Проводить такой отжиг проще, т.к. контролировать температуру легче, чем скорость охлаждения.

Изотермический отжиг обычно применяют  для легированных сталей обладающих высокой устойчивостью аустенита (кривая изотермического распада сильно сдвинута вправо). Такой отжиг можно применять только для мелких заготовок, у которых температура по сечению выравнивается сравнительно быстро. 

Отжиг на зернистый перлит проводят с целью улучшить обрабатываемость резанием за счет снижения твердости при переводе пластинчатого перлита в зернистый. Такой отжиг применяют для эвтектоидной и заэвтектоидных сталей (при отсутствии сетки цементита).

Отжиг проводят по одному из следующих  режимов:

1. Нагрев на 20-30⁰ С выше А₁, выдержка 3-5 часов, медленное охлаждение  

2. Нагрев до тех же температур  с небольшой выдержкой, охлаждение  до 600⁰С, снова нагрев до 740-750⁰ С и снова охлаждение до 600⁰С. Такие циклы нагрева и подстуживания повторяют 2-4 раза, т.е. проводят как бы покачивание температуры стали около А₁. Поэтому такой отжиг называют еще маятником отжигом.. Общая продолжительность  по второму режиму меньше, чем по первому

Почему при таком отжиге цементит изменяет форму от пластинки до сферы?  Представим себе пластинку цементита в аустените. По краям этой пластинки радиус кривизны мал (0,5 толщины пластины), а по плоскости бесконечно большой. Там, где радиус кривизны мал, углерод легче переходит из цементита в аустенит, т.е. концентрация углерода у краев пластины будет повышаться. За счет диффузии концентрация углерода в аустените выравнивается  атомы углерода будут переходить от края пластины к плоской части и там выделяться в виде цементита. Процесс идет пока вся пластина не превратится в сферу.

Отжиг рекристаллизационный применяют для снижения прочности, твердости, повышения пластичности и устранения вытянутости зерен после холодной пластической деформации (например, промежуточные отжиги при волочении проволоки). Такому отжигу подвергают малоуглеродистые стали, так как высокоуглеродистые стали в холодном состоянии деформируются плохо и их такой обработке практически не подвергают.

Нагрев при этом отжиге проводят ниже температуры А₁  до 600-700⁰ С с последующим охлаждением в печи или на воздухе. При этом временное сопротивление разрыву (высокое после деформации) снижается, а пластичность растет. 

Нормализация  стали

Нормализация заключается в нагреве стали на 30-50⁰ С выше критических температур А3 с последующим охлаждением на воздухе.

Цель нормализации доэвтектоидных конструкционных сталей несколько повысить прочность (по сравнению с прочностью после отжига) за счет измельчения структурных составляющих (феррита и перлита).

Цель нормализации заэвтектоидных инструментальных сталей - устранить  цементитную сетку по границам перлитных зерен и тем самым предотвратить повышенную хрупкость стали при последующей закалке. Структура таких сталей после охлаждения на воздухе из аустенитной области (выше А_C3) получается сорбит.

Закалка стали

Закалка - вид термической обработки состоящий в нагреве стали до определенных температур (доэвтектоидных на 30-40⁰ выше А₃, заэвтектоидных на 30-40⁰ выше А₁), выдержке и быстром охлаждении, со скоростью более верхней критической.

Цель закалки - повысить твердость, прочность, износоустойчивость.

Скорость охлаждения при закалке  обычно задают охлаждающей средой (вода, масло, специальные среды). Верхняя  критическая скорость закалки сильно зависит от содержания углерода и легирующих элементов. Малоуглеродистые стали (<0,25%С) обычно закалке не подвергаются, так как V_вкз у них настолько велика, что не достигается даже при охлаждении в воде. 

Закалка в одном  охладителе (воде или масле)

Наиболее простой и распространенный способ. Однако, некоторые стали  при охлаждении в воде склонны  к возникновению трещин. При охлаждении в масле скорость охлаждения меньше, но многие стали при таком охлаждении не закаливаются (скорость охлаждения меньше V_вкз и мартенсит не образуется).

       Закалка в двух охладителях (через воду в масло)

При этом методе в верхнем интервале температур скорость охлаждения велика, но сталь достаточно пластична и значительных напряжений не возникает. В области же мартенситного превращения (ниже 300⁰С) скорость охлаждения при переносе детали в масло значительно меньше, что практически исключает образование трещин. Твердость при таком методе закалки такая же, как при закалке в воде.

Ступенчатая закалка заключается в том, что после нагрева детали переносят в печь-ванну с расплавом щелочей (обычно КОН+NaOH). Нагретую до температуры немного выше начала образования мартенсита (350-400⁰С), выдерживают небольшое время для выравнивания температуры по сечению, а затем охлаждают в масле или на воздухе.

Твердость после такой закалки  такая же, как и в предыдущих способах, но напряжения и вероятность образования трещин еще меньше.

Ступенчатая закалка применяется  только для мелких изделий (до 10мм) из углеродистых сталей. Для более крупных  деталей ее не применяют, так как  в расплаве щелочей скорость охлаждения внутри детали мала.

Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, такую закалку применять нецелесообразно, так как они обычно хорошо закаливаются в масле, которое достаточно медленно охлаждает при температурах образования мартенсита. 

Изотермическая закалка проводится так же как и ступенчатая, но в расплаве щелочей детали выдерживают более длительное время (до полного распада аустенита на бейнит). При этом существенных напряжений не возникает, но твердость получается ниже, чем при других способах закалки. Преимуществом этого способа является то, что после него не требуется отпуска. Изотермическая закалка обычно применяется для деталей сложной формы, склонных к деформациям и образованию трещин.

    Закалка является наиболее ответственной операцией термической обработки, так как проводится в конце технологического цикла изготовления детали или инструмента.  

Прокаливаемость и закаливаемость стали

Прокаливаемость характеризует способность  стали закаливаться на определенную глубину. При охлаждении в процессе закалки по сечению детали скорость охлаждения будет различна - чем дальше от поверхности тем она меньше. Поэтому и структура по сечению детали может быть различной (М, М+Т, Т, С, Ф+П).

Прокаливаемость - расстояние от поверхности до того места, где в структуре 50% мартенсита и 50% тростита (полумартенситная зона). Прокаливаемость выражается в мм и зависит от состава стали, а точнее от величины верхней критической скорости закалки. С увеличением содержания углерода и легирующих элементов, верхняя критическая скорость закалки уменьшается и глубина прокаливаемости увеличивается. Прокаливаемость характеризуют также критическим диаметром закалки. Это такой диаметр прутка стали в центре которого при охлаждении в воде получается полумартенситная зона. Естественно, что критический диаметр закалки в 2 раза больше прокаливаемости.

Прокаливаемость важнейшая характеристика стали, определяющая выбор марки  стали в зависимости от размеров закаливаемой заготовки. Чем больше размер заготовки, тем более легированная сталь должна быть применена.

Закаливаемость стали характеризует твердость правильно закаленной стали и измеряется в единицах твердости. Чем больше содержание в стали углерода, тем больше искажения решетки мартенсита и выше твердость. Легирующие элементы на закаливаемость влияют слабо.

Закаливаемость и прокаливаемость  сталей определяют опытным путем. Значения этих характеристик для различных сталей приведены в справочниках.

    Обработка стали холодом

Обработку стали холодом применяют  для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленных высокоуглеродистых сталях. При охлаждении до

-70..-190⁰ С остаточный аустенит превращается в мартенсит.

Обработку холодом проводят непосредственно  после закалки путем погружения изделий в смесь авиационного бензина с жидким азотом на 1-1,5 часа.

Обработка холодом обычно применяется:

1. Для инструмента из быстрорежущих  сталей и деталей

шарикоподшипников с целью повышения  твердости;

2. Для улучшения свойств постоянных  магнитов;

3. Для стабилизации размеров  точного измерительного инструмента  (например, калибров) 

Отпуск закаленной стали

Отпуск - вид термической обработки состоящий в нагреве закаленной стали до температур ниже А₁, выдержке и охлаждении в воде или на воздухе.

Отпуску подвергают все закаленные стали с целью уменьшения внутренних напряжений, повышения ударной вязкости при некотором снижении твердости и прочности.

В зависимости от требований предъявляемых  к изделиям их подвергают отпуску при различных температурах.

Низкий отпуск (150-220⁰С) проводится с целью чуть-чуть снизить остаточные напряжения без существенного снижения твердости. Применяется для металлорежущего инструмента из высокоуглеродистых сталей и деталей работающих на истирание (например, шестерни). Получаемая структура - отпущенный мартенсит.

Средний отпуск (300-500⁰С) проводят с целью более полно снять напряжения и повысить ударную вязкость за счет более значительного снижения твердости. Применяется для деревообрабатывающего инструмента, рессор, пружин, штампов. Получаемая структура - тростит отпуска.

Высокий отпуск (500-680⁰С) проводят обычно для деталей из легированных сталей с целью получить хорошее сочетание прочности и ударной вязкости. Получаемая структура - сорбит отпуска.

Термическую обработку, состоящую  из закалки с высоким отпуском, называют улучшением, а стали подвергаемые такой обработке улучшаемыми сталями.

 

4. Гомогенизирующий или диффузионный отжиг, возможность совмещения его с нагревом под деформацию.

Основная цель гомогенизирующего  отжига— получение однородной (гомогенной) структуры путем устранения дендритной ликвации. Поскольку эта ликвация возникает из-за неполноты диффузии при кристаллизации и в период последующего охлаждения, отжиг проводят в условиях, благоприятствующих диффузии: при длительной выдержке и высокой температуре. Поэтому отжиг такого рода часто называют диффузионным. Однако полностью устранить дендритную ликвацию в легированных сталях очень трудно, так как для этого требуется выдержка продолжительностью в сотни часов при температуре более 1200° С. Поскольку интенсивность процесса диффузии зависит от перепада концентраций, а последний с течением времени убывает, эффективность гомогенизации также убывает со временем. Наиболее ощутимые результаты отжига наблюдаются в первые 8—10 ч выдержки. Скорость выравнивания концентрации обратно пропорциональна квадрату расстояния между участками с различной концентрацией. Поэтому чем меньше размер слитка, тем меньшее, при прочих равных условиях, развитие получают дендриты, и тем, следовательно, эффективнее процесс гомогенизации. Деформация литого металла ускоряет гомогенизацию. При непрерывной разливке стали наблюдается меньшая ликвация, чем в слитке, отлитом в изложницу. Скорость нагрева при гомогенизации в случае посадки горячих слитков не ограничивают и принимают не менее 100 град/ч. Целесообразно, чтобы слитки при посадке имели, возможно, более высокую температуру (не ниже 700—750° С). Обычно температуру нагрева при гомогенизирующем отжиге устанавливают в пределах 1100—1150 °С, иногда до 1170° С. Продолжительность выдержки от 8 до 15 ч. Охлаждение производят замедленно, с печью. Под влиянием высокой температуры при гомогенизирующем отжиге происходит рост зерна. Однако специальной термической обработки для устранения крупнозернистости не требуется, поскольку измельчение зерна достигается при последующей горячей обработке давлением (ковка, прокатка), которую целесообразно проводить с использованием нагрева под отжиг. 

5. Условия охлаждения сортовой заготовки.

Сортамент сортового проката включает простые и фасонные профили общего и отраслевого назначения и является массовым видом продукции (более 50% всего объема проката). К простым профилям относятся профили общего назначения,  сечение которых имеет простую форму:  круг,  квадрат, шестигранник,  прямоугольник.  Они служат заготовками для изготовления изделий в машиностроении. Фасонные изделия – это прокат общего назначения с поперечным сечением в виде:  уголка равно-  и неравностороннего, швеллера,  двутавра и т.д.  К фасонным профилям отраслевого назначения относится строительная арматура, шахтная крепь, буровые штанги.

Сортовой прокат общего назначения производят диаметром или стороной квадрата от 5 до 250 мм в прутках длиной 1,5 до 12 м, или а бунтах (катанка)  различной массы. Он изготавливается из углеродистых и легированных конструкционных сталей,  инструментальных углеродистых и легированных сталей,  коррозионностойких,  жаростойких,  жаропрочных и других сталей специального назначения.

Сортовой прокат получают горячей  прокаткой с нагревом 1 150-700 °С, то есть значительно выше температур критических точек сталей. Это вызывает перегрев заготовок, что ведет к образованию в их структуре грубых выделений избыточных фаз и крупнопластинчатого перлита или сорбита с трооститом. В большинстве случаев целью термической обработки сортового проката является понижение твердости до величины    НВ 230-260,  чтобы обеспечить последующую обработку резанием или давлением или подготовить структуру к дальнейшей термической обработке, а также для уменьшения внутренних напряжений.

Основными видами термической обработки  сортового проката является отжиг и высокий отпуск, хотя возможно применение и других видов термообработки, что связано с назначением проката и требованиями к нему. В зависимости от требований нормативной документации к прокату могут регламентироваться следующие параметры:  механические свойства,  глубина обезуглероживания, величина зерна, микроструктура, макроструктура, прокаливаемость.

 

6. Структуры, получаемые в результате проведения термической обработки.

Одинарная термообработка заключается в нагреве стали выше А3, 
среднезамедленном охлаждении струей сжатого воздуха и душировании водой. 
Небольшая выдержка обусловлена необходимостью попасть в область сорбита. 
После такой обработки получается пластинчатые структуры - сорбит или 
троостит. [9]

Патентирование - термообработка, применяемая для получения высокопрочной канатной, пружинной и рояльной проволок. При выходе из ванны проволока имеет ферритно-цементитную структуру с очень малым межпластинчатым расстоянием и отсутствием зерен избыточного феррита. 
Благодаря этому проволока способна выдерживать большие обжатия при 
холодной протяжке без обрывов. Получаемая структура называется квазиэвтектоидной. [9]