Отжиг сталей как вид термической обработки. Классификация видов отжига, особенности их реализации и назначение
Отжиг сталей как вид термической обработки. Классификация видов отжига, особенности их реализации и назначение.
Отжигом называется процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до определенной температуры (рис. 114) и последующем, как правило, медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры.
По классификации А. А. Бочвара различают 2 вида отжига:
Отжиг 1-го рода — без фазовой перекристаллизации — применяется для приведения металла в более равновесное структурное состояние: снимается наклёп, понижается твёрдость, возрастают пластичность и ударная вязкость, снимаются внутренние напряжения (в связи с процессами отдыха и рекристаллизации).
Отжиг 2-го рода осуществляется с фазовой перекристаллизацией: сталь нагревается до температуры выше критических точек, затем следует выдержка различной продолжительности и последующее сравнительно медленное охлаждение.
Разновидностями отжига первого рода являются: диффузионный (гомогенезирующий отжиг), рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация), отжиг для снятия напряжения.
Гомогенизирующий (диффузионный) отжиг. Температура нагрева зависит от температуры плавления Тн = 0.7-0.8 Тпл.. Цель гомогенизирующего отжига — устранение химической, а иногда и фазовой неоднородности, вызванной внутрикристаллической ликвацией, и, как правило, отрицательно влияющей на свойства материала Длительность отжига и температура подбираются таким образом, чтобы диффузия успела пройти на расстояния, равные по порядку величины размеру областей неоднородности продолжительность отжига может достигать нескольких десятков часов. В процессе отжига металла на гомогенизацию происходит постепенное растворение неравновесных фаз, которые могут образоваться в результате кристаллизации с большой скоростью. При последующем медленном охлаждении после отжига такие неравновесные фазы больше не выделяются. Поэтому после гомогенизации металл обладает повышенной пластичностью и легко поддается пластической деформации.
Рекристаллизационный отжиг.— нагрев до температуры на 100-200 °C выше температуры рекристаллизации ,выдержка и последующее охлаждение. Вследствие процесса рекристаллизации происходит снятие наклепа, и свойства металла соответствуют равновесному состоянию.Применяется, в основном, для металлов и сплавов, подвергшихся деформационным воздействиям. Холодная пластическая деформация вызывает изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговая деформация вызывает увеличение плотности дефектов кристаллической решетки, возникает наклеп или нагартовка. Для снятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг, т. е. металл нагревают до температур выше начала кристаллизации, выдерживают и затем медленно охлаждают. Состояние наклепанного материала является термодинамически неустойчивым при всех температурах. Если необходимо получить металл или сплав, сочетающий определенный уровень прочности с необходимым запасом пластичности, то вместо рекристаллизационного отжига используют отжиг на полигонизацию. Отжиг на полигонизацию проводят при температуре ниже температуры начала рекристаллизации. Соответственно при такой температуре происходит лишь частичное устранение наклепа за счет процессов возврата, т. е. происходит уменьшение плотности дефектов кристаллической решетки, образование ячеистой дислокационной структуры без изменения формы зерен.
Отжиг для снятия внутренних напряжений. Внутренние напряжения могут возникать в результате различных видов обработки. Например, в металлах и в сплавах это могут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей деформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными, возникшими в результате структурных превращений, происходящих внутри детали в различных местах с различной скоростью. Внутренние напряжения в металле могут достигать большой величины и, складываясь с рабочими, т. е. возникающими при работе, могут неожиданно превышать предел прочности и приводить к разрушению. Устранение внутренних напряжений производится с помощью специальных видов отжига. Этот отжиг проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации и составляющей 0,2-0,3)Тпл. Повышенная температура облегчает скольжение дислокаций и, под действием внутренних напряжений, происходит их перераспределение, т. е. из мест с повышенным уровнем внутренних напряжений дислокации перемещаются в области с пониженным уровнем. Происходит как бы разрядка внутренних напряжений. Увеличение температуры резко увеличивает скоростьпроцесса, и продолжительность такого отжига составляет несколько часов.
Наличие внутренних макронапряжений характерно для большинства выращенных монокристаллов. Величина и уровень напряжений зависят от способа выращивания и технологических параметров процесса. Например, в большинстве практических случаев выращивание объемных кристаллов из расплава сопровождается возникновением внутренних макронапряжений, которые не только определяют формирование дислокационной структуры в процессе роста, но и в значительной мере влияют на механические и физические свойства выращенных кристаллов. Наличие напряжений в объемных кристаллах приводит к их механическому разрушению (образованию трещин, сколов) при изготовлении приборов (на стадии резки слитков, шлифовке пластин). Отжиг в течение нескольких часов с последующим медленным охлаждением позволяет значительно снизить уровень напряжений в кристалле. Так как термообработка полупроводников сопровождается изменением состава и состояния точечных дефектов кристаллов, изменение которых в свою очередь приводит к изменению физических параметров материала, то режимы отжига подбираются индивидуально
Изотермический отжиг.Для легированных сталей применяют изотермический отжиг, состоящий в нагреве выше верхней критической точки А3 область избыточного аустенита, выдержке, охлаждении до температуры ниже нижней критической точки А1, выдержке, достаточной для полного превращения аустенита в перлит, и охлаждении до комнатной температуры.
Основные физические методы исследования материалов и их основная характеристика. Применение при решении материаловедческих задач.
Для изучения
металлов и сплавов нередко
используют физические методы
исследования (тепловые, объемные, электрические,
магнитные). В основу этих исследований
положены взаимосвязи между
Термический анализ представляет собой
метод физико-химического
Качественный термический
Количественный термический
Наибольшее распространение
Наряду с ДТА, широко развит метод исследования вещества и процессов, происходящих при изменении массы, который носит название термовесового или термогравиметрического анализа (ТГА). Метод заключается в регистрации изменения массы образца при изменении условий, в которой находится навеска исследуемого вещества.
Некоторые характерные задачи, решаемые при использовании метода ДТА
-определение температур
-определение теплофизических
-изучение тепловых эффектов
химического взаимодействия
Дилатометрический метод
– это метод, при помощи которого
определяются критические точки
металлов и сплавов, изучаются процессы
распада твердых растворов, а
также устанавливаются
Высокую чувствительность
электрических методов
Металлические и
неметаллические
Подшипниковые сплавы – это сплавы, из которых изготовляют вкладыши подшипников. По условиям работы такой сплав должен иметь мягкую основу с твердыми включениями в ней. Количество твердых частиц должно быть небольшим и они должны равномерно распределяться по объему кристалла с целью уменьшения трения и равномерного распределения нагрузки на подшипник. Сплав, из которого сделан вкладыш, должен обладать следующими свойствами:
1) Коэффициент трения
со стальной поверхностью
2) Обе трущиеся поверхности должны мало изнашиваться;
3) Этот материал должен
выдерживать достаточные
4) Подшипниковые сплавы должны обладать не слишком низкой температурой плавления;
В промышленности нашли широкое распространение подшипниковые сплавы на основе олова и свинца (баббиты).
Исходя из химического состава (таблица 12.1) все подшипниковые сплавы можно разделить на три группы:
1) Сплавы на оловянной основе (Б89, Б83);
2) Сплавы на свинцовой основе (БС, БК);
3) Сплавы на оловянно-свинцовой основе (Б16, БН, БТ, Б6).
Таблица 12.1 – Подшипниковые сплавы на основе олова и свинца
Группа |
Марка сплава |
Химический состав, % | ||||||
Sb |
Cu |
Ca |
Na |
Fe |
Sn |
Pb | ||
Оловянистые баббиты |
Б83 |
11 |
6
|
- |
- |
- |
ост. |
- |
Баббиты |
Б89 |
7,7 |
3 |
- |
- |
ост. |
- | |
Свинцово-оловянистые баббиты |
Б16 БТ БТ |
16 15 5 |
2 0,9 |
- |
- |
0,15 |
16 10 |
ост. ост. |
Свинцовистые баббиты |
БК |
- |
- |
1 |
0,75 |
- |
- |
ост. |
Сплавы на основе олова
Структуру подшипниковых сплавов Б89 и Б83 можно описать, руководствуясь двойной диаграммой состояния Sn-Sb. До 3,5 % сурьмы растворяется в олове, образуя a -твердый раствор. С увеличением содержания сурьмы в структуре сплава появляются кристаллы b -твердого раствора на основе химического соединения SnSb. Микроструктура сплава Б89 состоит из a -твердого раствора сурьмы и меди в олове (темные участки) и твердых кристаллов b - фазы (светлые квадраты). Фаза b при затвердевании выпадает в двойном сплаве Sn-Sb в первую очередь. В β -фазе сурьмы значительно больше, чем в жидкой фазе, из которой она выпадает. Олово отличается гораздо большей плотностью, чем сурьма, и поэтому b - фаза всплывает, образуется ликвация по удельному весу. Чтобы предотвратить ее, вводят медь, которая вместе с оловом образует e -фазу (Cu3Sn). Эта фаза распределяется равномерно по всему объему и имеет вид медных кристаллов в виде звездочек. После e-фазы выпадают кристаллы β -фазы, но всплывать они не могут, так как в тройном сплаве Sn-Sb-Cu этому препятствуют мелкие кристаллики e-фазы. Кристаллы β-фазы застревают на них и могут расти.
Сплав Б83 имеет структуру, аналогичную сплаву Б89, но отличается от него большим содержанием кристаллов β (SnSb) фазы и химического соединения Cu3Sn. В этих сплавах сложнолегированный a -твердый раствор является мягкой основой, включения β (SnSb) – фазы и химическое соединение Cu3Sn – твердые составляющие. Оловянистые баббиты являются лучшими подшипниковыми сплавами и применяются для заливки наиболее ответственных подшипников паровых турбин, турбокомпрессоров, турбонасосов, компрессоров, дизелей, паровых машин и других высоконагруженных установок.
Сплавы на основе свинца
Сплавы на основе свинца являются заменителями оловянистых баббитов. Наиболее широкое применение в промышленности получали сплавы свинца с сурьмой и небольшими добавками меди (БС) и свинца с кальцием и натрием (БК). Сплав БК принадлежит к тройной системе Pb-Cu-Na, структура сплава показана на рисунке 12.1. Мягкой основой сплава в этом случае является твердый раствор натрия и кальция в свинце, твердой составляющей - кристаллы Pb3Ca. Вводимые добавки натрия и кальция, образующие со свинцом твердые растворы, повышают его твердость. Сплавы БК менее хрупки и более износостойки, чем сплавы БС. Они хорошо сопротивляются воздействию ударных нагрузок и поэтому с успехом работают в подшипниках подвижного состава железных дорог.
Рисунок 12.1 – Микроструктура баббита БК; х100 |
Рисунок 12.2 – Микроструктура баббита Б16; х100 |
Свинцово-оловянистые сплавы
К свинцово-оловянистым сплавам относятся Б16, БМ, БТ и Б6. Для повышения пластичности и прирабатываемости в подшипниковые сплавы на основе свинца, кроме сурьмы, вводят олово ( до 16 %). Сплавы Б16 по содержанию компонентов относятся к четвертной системе Pb-Sb-Sn-Cu. Структура сплава показана на рисунке 12.2. В этом сплаве мягкой составляющей является эвтектика a+β, твердой составляющей являются b (SnSb) – фазы (белые, крупные включения) и частицы химических соединений Cu3Sn и Cu2Sb (мелкие игольчатые образования). В отличие от баббита БС, где основой твердой составляющей является хрупкая сурьма, баббит Б16 менее склонен к выкрашиванию и износу.,
В настоящее время наибольшее распространение получили многослойные подшипники, в состав которых входят многие из рассмотренных выше сплавов. Сплавы или чистые металлы в них уложены слоями, каждый из которых имеет определенное назначение. Четырехслойный металлический подшипник состоит из стального основания, на котором находится слой (250 мкм) свинцовистой бронзы (БрСЗ0). Этот слой покрыт тонким слоем ( — 10 мкм) никеля или латуни. Слой никеля служит барьером, не допускающим диффузию олова из верхнего слоя в свинец бронзы.
1 — сплав свинца и олова; 2 — никель; 3 — свинцовистая бронза; 4 — сталь Рисунок 12.3 - Схема строения четырехслойного металлического подшипника скольжения |
На него нанесен слой сплава Pb —Sn толщиной 25 мкм. Стальная основа обеспечивает прочность и жесткость подшипника; верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость. Когда он износится, рабочим слоем становится свинцовистая бронза. Слой бронзы, имеющей невысокую твердость, также обеспечивает хорошее прилегание шейки вала, высокую теплопроводность и сопротивление усталости. |
Неметаллические материалы. Для изготовления подшипников скольжения применяют пластмассы — термореактивные и термопластичные (полимеры) более десяти видов. Из термореактивных пластмасс используют текстолит. Из него изготовляют подшипники прокатных станов, гидравлических машин, гребных винтов. Такие подшипники допускают тяжелые режимы работы, смазываются водой, которая хорошо их охлаждает и размягчает поверхностный слой. Из полимеров наиболее широко применяют полиамиды: ПС 10, анид, капрон (ГОСТ 10589-73) и особенно фторопласт (Ф4, Ф40). Достоинство полимеров — низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость.
Исключительно высокими антифрикционными свойствами обладает фторопласт, коэффициент трения которого без смазочного материала по стали составляет 0,04—0,06. Однако фторопласт «течет» под нагрузкой и, как все полимеры, плохо отводит теплоту. Он может применяться лишь при ограниченных нагрузках и скоростях. Высокие антифрикционные свойства фторопласта реализуют в комбинации с другими материалами, используя его в виде тонких пленок либо как наполнитель.
Комбинированные материалы. Такие материалы состоят из нескольких металлов и неметаллов, имеющих благоприятные для работы подшипника свойства. Существуют подшипники двух типов.
1. Самосмазывающиеся подшипники получают методом порошковой металлургии из материалов различной комбинации: железо-графит, железо-медь (2-3 %)-графит или бронза-графит. Графит вводят в количестве 1-4 %. После спекания в материале сохраняют 15-35 % пор, которые затем заполняют маслом. Масло и графит смазывают трущиеся поверхности. При увеличении трения под влиянием нагрева поры раскрываются полнее, и смазочный материал поступает обильнее. Тем самым осуществляется автоматическое регулирование подачи смазочного материала (его запас находится в специальной камере). Такие подшипники работают при небольших скоростях скольжения (до 3 м/с), отсутствии ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных для смазки местах.
2. Металлофторопластовые
подшипники изготовляют из
1 – фторопласт с дисульфидом молибдена; 2 – бронза в слое фторопласта; 3 – медь; 4 – сталь Рисунок 12.4 – Схема строения металлофторопластовой ленты |
Толщина слоя 0,01-0,05 мм. В тех случаях, когда допустимая величина линейного износа достаточно велика, первый слой утолщают до 0,1-0.2 мм. Второй слой (0,3 мм)-бронзофторопластовый. Он представляет собой слой пористой бронзы БрО10Ц2, полученный спеканием частиц порошка сферической формы. Поры в этом слое заполнены смесью фторопласта с 20 % Рb (или фторопласта и дисульфида молибдена). |
Третий слой (0,1 мм) образован медью. Его назначение - обеспечить прочное сцепление бронзового пористого слоя с четвертым слоем - стальной основой. Толщина основы, которую изготовляют из стали 08кп, составляет 1-4 мм.
При работе такого подшипника пористый каркас второго слоя отводит теплоту и воспринимает нагрузку, а поверхностный слой и питающая его фторопластовая «губка» выполняют роль смазочного материала, уменьшая трение. Если первый слой в отдельных местах по какой-либо причине изнашивается, то начинается трение стали по бронзе, что сопровождается повышением коэффициента трения и температуры. При этом фторопласт, имеющий более высокий температурный коэффициент линейного расширения, чем бронза, выдавливается из пор, вновь создавая смазочную пленку.
При тяжелых режимах трения,
когда температура нагрева
Металлофторопластовые подшипники имеют высокие антифрикционные свойства (в диапазоне температур -200÷280 °С: f = 0,03÷0,1: pv =1500 .105 Па. м/с). Их используют в узлах трения, работающих без смазочного материала, хотя его введение оказывает благоприятное действие. Они могут работать в вакууме, жидких средах, не обладающих смазочным действием, а также при наличии абразивных частиц, которые легко «утапливаются» в мягкой составляющей материала. Такие подшипники применяют в машиностроительной, авиационной и других отраслях промышленности.
Антифрикционные чугуны
Антифрикционные чугуны используют для изготовления литых деталей (подшипников скольжения др.), работающих в узлах трения со смазкой. Такие чугуны должны обеспечивать низкий коэффициент трения, а в связи с этим малые потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали (стального вала).
Антифрикционные свойства чугуна определяются перлитной структурой металлической основы, наличием фосфидной звтектики и большого количества крупных разрозненных включений графита. При этом перлитная основа создает достаточную прочность детали, фосфидная эвтектика обеспечивает повышение износостойкости, а впитывание и удержание смазки происходят в местах расположения графита.
Маркируют антифрикционные чугуны буквами АЧ (А — антифрикционный, Ч — чугун) и в зависимости от формы графитных включений буквами С (серый чугун с пластинчатым графитом), В (высокопрочный чугун с шаровидным графитом), К (ковкий чугун с хлопьевидным графитом).
Большинство антифрикционных чугунов содержат в небольшом количестве специальные добавки хрома, титана, меди и других элементов.
Антифрикционные чугуны изготовляют следующих марок (ГОСТ 1585—85): АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧС-4, АЧС-6, АЧВ-1, АЧВ-2, АКЧ-1, АЧК-1, АЧК-2 (цифра в конце марки означает ее порядковый номер).
Ниже приведен химический
состав некоторых серых
АЧС-1 (3,2-3,6 % С; 1,3—2,0 % Sі; 0,6-1,2 % Мn; 0,2-0,5 % Сг; 0,8-1,6 % Сu; 0,15-0,40 % Р; <0,12 % S).
АЧС-2 (3,0—3,8 % С; 1,4—2,2 % Sі; 0,3—1,0 % Мn; 0,2—0,5% Сг; 0,2—0,5% Ni; 0,03—0,10% Ті; 0,2— 0,5 % Сu; 0,15—0,40 % Р; <0,12 % S).
АЧС-3 (3,2—3,8 % С; 1,7—2,6 % Sі; 0,3—0,7 % Мn; <0,3 % Сг; <0,3 % Ni; 0,03—0,10 % Ті; 0,2—0,5 % Сu; 0,15—0,40% Р; <0,12 % S).
С целью уменьшения износа
сопряженной детали марку чугуна
выбирают так, чтобы его твердость
была ниже твердости сопряженной
детали. Примеры использования
Минералы. Естественные (агат), искусственные (рубин, корунд) минералы или их заменители - ситаллы (стеклокристаллические материалы) применяют для миниатюрных подшипников скольжения - камневых опор. Камневые опоры используют в прецизионных приборах — часах, гироскопах, тахометрах и т. д. Главное достоинство таких опор - низкий и стабильный момент трения. Низкое трение достигается малыми размерами опор, что уменьшает плечо действия силы трения, а также низким коэффициентом трения вследствие слабой адгезии минералов к металлу цапфы. Постоянство момента трения обусловлено высокой износостойкостью минералов, способных из-за высокой твердости выдерживать громадные контактные давления.
Фрикционные материалы
Фрикционные материалы применяют в тормозных устройствах и механизмах, передающих крутящий момент. Они работают в тяжелых условиях изнашивания — при высоких давлениях (до 6 МПа), скоростях скольжения (до 40 м/с) и температуре, мгновенно возрастающей до 1000 °С. Для выполнения своих функций фрикционные материалы должны иметь высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент трения, минимальный износ, высокие теплопроводность и теплостойкость, хорошую прирабатываемость и достаточную прочность. Этим требованиям удовлетворяют многокомпонентные неметаллические и металлические спеченные материалы. Их производят в виде пластин или накладок, которые прикрепляют к стальным деталям, например дискам трения. Выбор материала производят по предельной поверхностной температуре нагрева и максимальному давлению, которые он выдерживает. Неметаллические материалы применяют при легких (tпред ≤ 200 °С, рмах ≤ 0,8 МПа) и средних (tпред = 400 оС, рмах = '5 МПа) режимах трения. Из них преимущественно используют асбофрикционные материалы, состоящие из связующего (смолы, каучука), наполнителя и специальных добавок. Основным наполнителем является асбест, который придает материалу теплостойкость, повышает коэффициент трения и сопротивление схватыванию. К нему добавляют металлы (Си, Al, Pb, латунь) в виде стружки или проволоки для повышения теплопроводности; графит для затруднения схватывания (этому же способствует свинец, который, расплавляясь, служит как бы жидким смазочным материалом); оксиды или соли металлов (оксид цинка, барит BaSO4 и др.) для увеличения коэффициента трения.
Из асбофрикционных материалов наибольшей работоспособностью обладает ретинакс (ФК-24А и ФК-16Л), который содержит 25 % фенолформальдегидной смолы, 40 % асбеста, 35 % барита, рубленую латунь и пластификатор. В паре со сталью ретинакс обеспечивает коэффициент трения 0,37-0,40. Его используют в тормозных механизмах самолетов, автомобилей и других машин.
Недостатком неметаллических материалов является невысокая теплопроводность, из-за чего возможны перегрев и разрушение материала. Металлические спеченные материалы применяют при тяжелых режимах трения (tпред ≤ 1200 °С, рмах ≤ 6 МПа). Их производят на основе железа (ФМК-8 и ФМК-11) и меди (МК-5). Кроме основы и металлических компонентов (Sn, Pb, Ni и др.), обеспечивающих прочность, хорошую теплопроводность и износостойкость, эти материалы содержат неметаллические добавки: асбест, графит, оксид кремния, барит. Они выполняют те же функции, что и в асбофрикционных материалах.
Материалы на основе железа из-за высокой теплостойкости используют в узлах трения без смазочного материала, а на основе меди-при смазывании маслом.
В многодисковой тормозной системе самолетов используют бериллий из-за его высокой теплоемкости, теплопроводности и малой плотности.
Изотермический распад переохлажденного аустенита. Критические скорости закалки углеродистых и легированных сталей.
2. Превращение аустенита
в перлит при медленном
Превращение связано с диффузией углерода, сопровождается полиморфным превращением , выделением углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием образовавшегося цементита.
В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения. Вначале, с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, а затем убывает. При температуре 727 oС и ниже 200o С скорость равна нулю. При температуре 200o С равна нулю скорость диффузии углерода.
Закономерности превращения.
Образцы нагревают до температуры, при которой структура состоит из однородного аустенита (7700 С). Затем переносят в термостаты с заданной температурой (интервал 25 – 500 С). Превращение аустенита можно легко обнаружить с помощью наблюдений за изменением магнитных характеристик, так как аустенит парамагнитен, а феррит и цементит обладают магнитными свойствами.
Получают серию кинетических кривых (рис. 12.5 а), которые показывают количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения.
Рис. 12.5. Кинетические кривые
превращения аустенита при
В начале наблюдается инкубационный подготовительный период, время, в течение которого сохраняется переохлажденный аустенит. Превращение протекает с различной скоростью и достигает максимума при образовании 50 % продуктов распада.
Затем скорость начинает уменьшаться и постепенно затухает. С увеличением степени переохлаждения устойчивость аустенита уменьшается, а затем увеличивается.