Термическая обработка стали.

Свойства металлов и сплавов зависят не только от химического состава, но и от структуры. С помощью термической обработки ( нагрева до определенной температуры, выдержки при этой температуре и подбором различных скоростей охлаждения ) можно получить ту или иную структуру (рис. 1.36).

Из диаграммы Fe - C (рис 1. 29) видно, что в результате медленного охлаждения доэвтектоидные стали приобретают структуру феррита и перлита, а заэвтектоидные — перлита и вторичного цементита.

Критическими точками называют температурные .точки, при которых происходят эти превращения :

точки Ас 1, Аr 1 на линии РSK;

точки Ас2, Аr2 на линии MO;

точки Ас3, Аr3 на линии GOS;

точки Ас4, Аr4 на линии HJB;

точки Асm на линии SE.

(На рис 1.29. представлена упрощенная диаграмма; фактически же в верхней части ее около точки А и внизу около точки Р наблюдается более сложная картина, поэтому некоторые вышеуказанные линии на ней не показаны.)

Приняты обозначения для линий нагрева -Ас и охлаждения - Аr. Выше этих точек сплав будет находиться в одной фазе, а ниже – в другой. При этом изменения фаз ниже линий Аr происходят в твердом состоянии сплава.

Имеется несколько видов термической обработки (рис.1.37) :

1. Рекристаллизационный отжиг ( отжиг I рода ) ,в сплавах отсутствуют фазовые превращения. Применяется для снижения внутренних напряжений, уменьшения твердости и повышения пластичности после холодной обработки.

2. Отжиг с фазовой перекристаллизацией ( отжиг II рода ). Температура нагрева выше температуры фазовых превращений, поэтому происходят фазовые изменения. Охлаждение ведется медленно. Получают мелкозернистую структуру, снимают внутренние напряжения.

3. Закалка. Нагрев выше температуры фазовых превращений и оченьбыстрое охлаждение. В результата фиксируются фазы и структуры, характерные для высоких температур. Прочность и твердость повышается, но структуры находятся в неравновесном состоянии.

4. Отпуск. Нагрев ниже температуры фазовых превращений с целью приближения к устойчивому равновесному состоянию. Увеличивается пластичность, но снижается твердость и прочность.

5.
Химико — термическая обработка – насыщение сплавов углеродом C, азотом N, серой S и другими химическими элементами путем выдержки сплавов в газовых, жидких или твердых средах.

Диффузионный отжиг 1 рода устраняет химическую неоднородность в слитках и отливках ; металл нагревается до температуры Тн, составляющей 80…90% температуры плавления Тпл.

Рекристаллизационный отжиг устраняет наклеп нагревом металла до температуры Тн =(0,2…0,6) Тпл . Он необходим для подготовки заготовок из проката для последующей механической обработки при изготовлении деталей..

Отжиг необходим для уменьшения остаточного напряжения в отливках, сварных конструкциях и после механической обработки. Он предотвращает коробление и стабилизирует размеры детали.

Нормализация это нагрев стали на 30 ..50 °С выше критических точек Ас3 и Ас4 ,выдержка необходимое время и более быстрое охлаждение на воздухе, чем при отжиге, поэтому получается более мелкозернистый перлит, выше прочность и твердость металла. Охлаждение детали при отжиге проводится более медленно (деталь охлаждается вместе с печью) , чем при нормализации (деталь охлаждается на воздухе).

Отпуску подвергают закаленную сталь для повышения её вязкости и пластичности при некотором уменьшении твердости и прочности (рис. 1.38). Нагревают деталь до температуры ниже Ас1 и охлаждают на воздухе.

Низкий отпуск (150 … 250 °С) проводится для изделий, обладающих высокой твердостью (режущие инструменты : напильники, метчики, плашки,…). Средний отпуск (350 … 400 °С) необходим для изделий, обладающих высокой упругостью и прочностью при достаточной вязкости (пружины, рессоры,…). Высокий отпуск (450 … 650 °С) дает наиболее вязкую структуру, но наименьшую твердость и прочность. (валы, шестерни и другие детали). Для легированных сталей температура отпуска подбирается более высокой , чем для углеродистых сталей.

Закалка сталей.

Закалка и отпуск проводятся в комплексе с целью повышения механической прочности и твердости и сохранения достаточно вязкой структуры.

Закалка — это нагрев стали на 30…50 °С выше температуры фазовых превращений, выдержка при этой температуре и последующее очень быстрое охлаждение в воде или в масле. Полученные при быстром охлаждении структуры являются нестабильными, они представляют собой различные стадии превращений аустенита ( мартенсит, троостит, сорбит ).

Процесс закалки сталей всегда был окутан мистикой, т.к. человек не знал процессов, происходящих при этом. Вспомним тайну булата. Еще до новой эры изготовляли булат (дамасская сталь), потом секрет был утерян, и только русский металловед Аносов П.П. в 1833 году в городе Златоусте открыл секрет. Оказывается здесь комплекс воздействий на металл : нагрев до определенной температуры, выдержка ( насыщение поверхности лезвия углеродом в кузнечном горне) и поэтапная ковка и закалка в несколько приемов. В итоге получается вязкая середина и высокая поверхностная твердость лезвия клинка из-за насыщения поверхности углеродом и закалки.

В середине XVII века «по неведению» возили в Америку из Англии воду, чтобы добиться таких же результатов закалки, как и в Англии. И вообще был даже . арабский рецепт закалки такого рода: нагреть кинжал до каления, охладить до цвета царского пурпура, погружая его в тело мускулистого раба. Считали, что сила раба перейдет в кинжал и придаст ему твердость. Также, были английские патенты с рекомендацией добавления в охлаждающую воду полевых цветов.

Доэвтектоидные стали (конструкционные стали) при закалке нагревают на 30 …50 °С выше точки Ас3 ; феррит и перлит образуют однородный твердый раствор аустенита. Если охлаждение металла проводить медленно, то будут происходить обычные фазовые превращения в соответствии с диаграммой железо- углерод. При очень быстром охлажденииаустенит не успевает изменить свою фазу при температурах ниже 727 °С , а в диапозоне температур 300…350 °С и ниже с ним происходят так называемые аустенитные превращения и образуется мелкоигольчатый мартенсит. Это будет полная закалка. А если нагреть сталь в интервале Ас1 .. Ас3, то будет неполная закалка (частичная перекристаллизация стали).

Эвтектоидные и заэвтектоидные стали также нагревают до температуры на 30… 50 °С выше Ас1, выдерживают и быстро охлаждают. В заэвтектоидной стали будет : мартенсит, вторичный цементит и остаточный аустенит (неполная закалка).

Нагревать деталь надо постепенно и равномерно, чтобы не было внутренних напряжений, трещин и разрушений. Однако медленный нагрев — это снижение производительности, обезуглераживание и окисление поверхности.

Чем больше углерода и легирующих элементов в стали, чем сложнее форма, тем медленнее надо нагревать деталь .

Предохранение от окисления металла проводится путем использования защитной газовой среды ( CO2, N,...) или вакуумных печей.

Охлаждение должно иметь большую скорость в пределах 650… 500 °С (чтобы не было распада аустенита на смесь феррита и цементита) и более медленно при 300… 200 °С, т.к. в этой области при образовании мартенсита возникают большие внутренние напряжения.

Вода очень хорошо охлаждает деталь в интервале 650… 550 °С, но и слишком быстро в интервале 300 …200 °С, поэтому для закалки высокоуглеродистых и легированных сталей применяют минеральные масла.

Изделия сложной формы закаливают в двух различных жидких средах или прерывистой закалкой (перенос в другую охлаждающую среду).

Закалка с самоотпуском. «Главными» инструментами в строительстве пока являются лом, зубило, кувалда и молоток, которые должны иметь высокую твердость на поверхности и сравнительно вязкую сердцевину. Охлаждение их при закалке ведут не до конца, поэтому за счет тепла внутренних слоёв детали происходит отпуск (самоотпуск) металла.

Поверхностная закалка . Нагрев поверхности металла проводится токами высокой частоты (т.в.ч.), газовыми горелками и плазмой . При поверхностной закалке уменьшается коробление детали и практически нет окалины. В итоге образуется вязкая середина и твердая поверхность. Причем твердость поверхности будет выше, чем при обычной закалке.

Закалка с последующей обработкой холодом проводится для высокоуглеродистых сталей, у которых температура мартенситного превращения сталей находится в отрицательной области температур.

При химико - термической обработке (ХТО) сталей изменяется химический состав, структура и свойства поверхностного слоя. В результате ХТО упрочняется поверхностный слой (повышаются твердость и прочность, износоустойчивость)

Виды ХТО : цементация (насыщение поверхности углеродом), азотирование (насыщение азотом), цианирование (насыщение азотом и углеродом), металлизация, хромирование, борирование и др.

При цементации науглераживают поверхность на глубину 0,5.. 2 мм до повышения содержания углерода до 0,75… 1,2% . Цементация проводится в твердых (древесный уголь), газовых (природный газ, смеси газов) и жидких средах.

Азотирование — это насыщение стали или чугуна азотом. Чаще всего оно проводится в атмосфере аммиака NH₃ . Процесс азотирования очень длителен, так насыщение азотом на глубину 0,5 мм надо проводить не менее 60 часов.

Эффективно цианирование ( твердое, газообразное и жидкое) мелких и средних деталей (шестерни, поршни, кольца, валики и др.).

Прокатка металлов.

До 90 % сталей и до 50 % цветных металлов используются в виде проката,, штампованных, кузнечных заготовок (рис. 1.39) . Достоинство процесса прокатки в высокой экономичности: мало потерь металла, т .к. происходит перераспределение металла по объему, а при обработке резанием много металла идет в стружку; процесс высокопроизводительный; прокат эффективно использовать для изготовления сварных и клепанных конструкций и конструктивно сложных и громоздких деталей.

Деформация может быть холодная и горячая. В последнем случае снижается усилие деформации, но обезуглераживается поверхностный слой и образовывается окалина.

На улучшение пластичности металла влияют :

1. Химический состав. Так при содержании углерода свыше 0,15 % сталь уже трудно ковать. Легирующие добавки кремния, хрома и вольфрама снижают пластичность, а никеля и молибдена, наоборот, -повышают. Для изготовления деталей холодной листовой штамповкой с глубокой вытяжкой применяется кипящая малоуглеродистая сталь ( 08кп, 10кп,… ) с малым содержанием кремния .

2. Температура металла.

3. Скорость деформации; с увеличением ее пластичность падает.

Прокатные станы разделяются на обжимные, заготовительные, сортовые, полосовые, проволочные, листовые, трубопрокатные и специального назначения (рис.1.40) .

Крупный по размерам слиток на обжимных .станах ( блюмингах и слябингах) делится на более мелкие слитки: блюмы квадратного сечения (250 r 250 мм,…) или прямоугольного ( 300 r 400 мм,…) получают на блюмингах, а слябы (заготовки для листового проката) шириной 400… 2500 мм и высотой 75… 600 мм. – на слябингах. Диаметр валков этих станов от 800 до 1500 мм, на них получают заготовки весом 2 …35 т для других станов

У слябинга, в отличие от блюминга, есть дополнительные вертикальные валки для обжатия слитка на ширине.

На заготовительных станах получают из блюмов необходимый сортамент проката. Для прокатки листовой стали используются гладкие валки, а на калиброванных валках более сложной формы изготовляются остальные виды проката. На калиброванных валках имеются канавки (выступы) –ручьи. Совокупность ручьев пары валков называется калибром, На прокатных станах используются различные (рис.1.41.) виды калибров. Калибровка валков — это разработка схемы прокатки и такое последовательное по длине прокатки размещения калибров, при котором металл проходит через большое количество калибров, в каждом происходит его деформация , а в результате последовательного воздействия на металл обеспечивается получение заданного профиля проката.

Сортамент проката.

Сортовая сталь :n -круглая (диаметром 5…250 мм); g -квадратная (5 …250 мм); шестигранная (6…100 мм); y- полосовая (шириной 10… 200 и толщиной 4 ...60 мм): d - угловая сталь (табл. 1.10); лента, проволока; [- швеллера, I- двутавры, рельсы.

2. Листовая сталь (тонколистовая до 4 мм толщиной и толстолистовая -более 4мм ).

3. Специальные виды проката ( колеса, периодические профили, арматурная сталь, гнутые профили и др. ).

4. Стальные трубы (бесшовные и сварные).

Таблица 1.10.

Размеры профилей стали угловой равнополочной

По точности прокатки изготовляют сталь угловую высокой ( обозначается индексом А) и — обычной точности ( индекс Б) .

Пример обозначения стали угловой:

Б - 50 х 50 х 3 ГОСТ 8509- 86

Ст3сп ГОСТ 535 - 79

Расшифровывается , как сталь угловая равнополочная, с шириной полок 50 мм и толщиной 3 мм, обычной точности прокатки по ГОСТ 8509- 86 , изготовленная из стали обыкновенного качества группы А, марки Ст3сп по ГОСТ 535 - 79, спокойной .

Сталь угловая неравнополочная может быть размеров: 25 х 16 х 3, 32 х 20 х 3, 40 х 25 х 4 (3) ,….100 х 63 х 6(7, 8 или 9). Пример обозначения:

А - 63 х 40 х 4 ГОСТ 8510 – 86

Ст2сп ГОСТ 535 - 79

Расшифровывается, как сталь угловая, неравнополочная, с шириной полок 63 и 40 мм и толщиной 4 мм, повышенной точности прокатки ( см. индекс А) по ГОСТ 8510 – 86, изготовленная из стали обыкновенного качества группы А, марки Ст 2сп по ГОСТ 535 – 79, спокойной.

Швеллеры и двутавровые балки (табл. 1.11 ) различаются по номерам, причем номер профиля указывает на высоту в сантиметрах швеллера (двутавровой балки).

Таблица 1.11

Размеры швеллеров и балок двутавровых.

Толстолистовую сталь изготовляют из слябов массой до 2 тн. Сначала раскатывают сляб в поперечном направлении до получения необходимой ширины, а затем раскатывают вдоль.. На стане имеются нормализационная печь, травильная установка и сушильная машина.

Тонколистовую сталь выпускают в листах и рулонах. После травления рулоны поступают на станы холодной прокатки, где проводится лужение (горячее и электролитическое), или цинкование, или нанесение пластмассового покрытия.

Стальные трубы по способу изготовления делятся на бесшовные (цельнотянутые) и шовные (сварные). Шовные трубы могут быть: прямошовными и спиральношовными, однослойными ( традиционная технология) и многослойными (перспективная технология). Сварные трубы дешевле цельнотянутых, но они менее надежны. Сварные трубы изготовляют диаметром от 10 до 2500 мм, а цельнотянутые - до 100 мм.

Технология изготовления бесшовных (цельнотянутых) труб.

Круглый или граненый слиток диаметром 250… 600 мм и массой 0,6 …3 т прошивается на прошивочном стане (рис. 1.42). Валки (грибовидной или дисковой формы) установлены под углом 9 …14 º друг к другу. Заготовка продавливается через оправку, а из - за растягивающих напряжений ,создаваемых вращающимися валками, происходит течение металла от центра слитка и за счет этого без больших усилий происходит прошивка отверстия.

Далее проводится раскатка полученной гильзы тоже на оправке ( рис. 1.43) , в результате уменьшаются внутренний и наружный диаметры и увеличивается длина заготовки. Прокатку выполняют за два прохода с поворотом трубы на 90 °. Получают трубу диаметром свыше 57 мм. На третьем этапе получения трубы дальнейшее уменьшение их диаметров ведут в непрерывных станах уже без оправки.

Сварные трубы изготовляются диаметром до 2500 мм. Они дешевле бесшовных, но менее надежны и прочны. Сначала проводится формовка плоской заготовки в трубу, далее сваривается стык трубы, проводится отделка и правка. Заготовка изготовляется в виде ленты или берутся листы, шириной равные длине трубы. Сваривание проводят способами: электродуговой под слоем флюса, электроконтактной сопротивлением, кузнечной (печной) .

При непрерывной печной сварке проводится нагрев заготовки до 1300 …1350 °С, стык обдувается кислородом или воздухом и металл разогревается до расплавления и проводится кузнечная сварка стыка кромок трубы сжатых роликами непрерывого стана.

При электроконтактной сварке (рис. 1.44) заготовка поступает в трубоэлектросварочный стан и сжимается. Стык разогревается электрическим током низкого напряжения (6…10 В ) ., подаваемом через сварочные ролики, и при охлаждении сваривается.

Волочение металла-это процесс протягивания проволоки, прутка или трубы через очко специнстумента (волоку). В итоге получаются точные размеры, чистая и гладкая поверхность. Перед волочением металл очищают от окалины промывают, наносят подсмазочный слой (омеднение, фосфатирование и т.д.), сушат и наносят слой смазки (графит, эмульсии, минеральные масла).

Прессование металла используется чаще всего для цветных сплавов: можно получить прутки диаметром 5… 200 мм, трубы до 800 мм диаметром с толщиной стенок 1,5 … 8 мм, фасонные профили. Нагретый металл из контейнера выдавливается через очко матрицы. При прессовании труб заготовка прошивается стальной иглой, конец которой проходит через очко; металл выпрессовывается .между иглой и очком.

Ковка и штамповка — промежуточные операции для изготовления заготовок деталей на пневматических, гидравлических или механических прессах. Механические свойства кованных и штампованных изделий выше, чем у полученных механической обработкой, т.к. в этом случае волокна перераспределяются в соответствии с формой деталей. Штамповка может быть горячая и холодная. Объемная штамповка проводится в штампах, где течение металла ограничено поверхностями штампа. По сравнению со свободной кузнечной ковкой объемная штамповка в 50…100 раз производительнее , получается выше качество и прочность поковок, имеется возможность получения поковок сложной формы. В автомобилестроении листовой штамповкой получают до 75 % деталей, а при производстве товаров широкого потребления - до 98 %.