что такое термостабилизация металла
Термическая стабилизация
Под стабилизацией исходной фазы понимают затруднение ее превращения в мартенсит в результате теплового (термическая стабилизация), механического (механическая стабилизация) или любого другого воздействия.
Термическая стабилизация аустенита, которую обычно называют просто стабилизацией, наблюдается при временной остановке охлаждения железного сплава в мартенситном интервале атермического превращения. Если прервать охлаждение при температуре Тп
Мартенситные кривые при разной стабилизации аустенита
Мартенситные кривые при разной стабилизации аустенита:
Т — температура, при которой охлаждение прерывают и проводят выдержку;
1 — кривая непрерывного охлаждения;
2 и 3 — кривые, соответствующие разной выдержке (τ) при температуре Тп, причем τ3 > τ2.
Наиболее простой случай термической обработки, включающей стабилизацию аустенита, можно наблюдать, когда точка Мн находится выше, а Мк — ниже комнатной температуры причем Тп = 2:0 °С.
Так, выдержка углеродистой стали при комнатной температуре после обычной закалки в воде стабилизирует аустенит, затрудняя мартенситное превращение при последующем охлаждении стали в области отрицательных температур и увеличивая количество остаточного аустенита после такой обработки. Поэтому изучение закономерностей термической стабилизации аустенита представляет интерес для технологии обработки стали холодом (смотрите Нагрев и охлаждение при закалке сталей).
Мерой эффекта стабилизации часто служит температурный гистерезис θ = Тп — Мн.
Степень стабилизации аустенита зависит от температуры прерывания охлаждения Тп и выдержки при этой температуре. Если же после прерывания охлаждения сплав был нагрет до некоторой температуры Тс > Тп, то степень стабилизации θ зависит от Тс и времени выдержки при этой температуре.
С понижением т. е. с ростом количества мартенсита, присутствующего при стабилизирующей выдержке, степень стабилизации возрастает. Более сложно влияние времени выдержки. С увеличением времени выдержки при температуре Тп или Тс степень стабилизации может непрерывно возрастать (кривые 2 и 3 на рисунке). При достаточно высоких температурах увеличение времени выдержки сначала приводит к росту, а затем к уменьшению степени стабилизации. Чем выше температура Тс, тем быстрее достигается максимум θ.
На стали с 1,4% С и 5% Ni было обнаружено, что величина θ с увеличением времени выдержки при температуре Тс после прохождения через максимум снижалась и становилась отрицательной. Это означает, что большие выдержки после прерывания охлаждения приводили не к стабилизации (Мн Тп).
Термическая стабилизация аустенита — сложный процесс. Вполне возможно, что в разных случаях, например в разных температурных интервалах, действуют разные механизмы стабилизации.
В термическую стабилизацию при температурах ниже точки Мн определенный вклад может внести релаксация упругих напряжений в аустенитной матрице вокруг мартенситных пластин. Эти напряжения, как уже отмечалось, вызывают автокаталитический эффект, свойственный всем мартенситным превращениям.
Уменьшение упругих напряжений вокруг мартенситных кристаллов хорошо объясняет повышение степени стабилизации с увеличением времени выдержки, но не может объяснить снижения θ при больших выдержках.
Для понимания природы стабилизации аустенита весьма важно, что термическая стабилизация наблюдается только в тех сплавах на основе железа, которые содержат, хотя бы и в сравнительно небольшом количестве, элементы внедрения: углерод и азот. Поэтому почти все современные гипотезы механизма термической стабилизации аустенита исходят из предположения о решающей роли сегрегации атомов углерода или азота.
Атомы элементов внедрения во время стабилизирующей выдержки могут сегрегировать в потенциальные участки зарождения в аустените, препятствуя превращению этих участков в зародыши мартенсита. Они могут сегрегировать на межфазную границу матрицы и зародыша, препятствуя его росту.
Весьма убедительна гипотеза, связывающая термическую стабилизацию с деформационным старением — образованием сегрегаций из внедренных атомов на дислокациях в аустените. Так как образование мартенситного кристалла вызывает пластическую деформацию аустенитной матрицы, то упрочнение ее при деформационном старении затрудняет мартенситное превращение.
Развитие деформационного старения аустенита с увеличением времени выдержки при температуре Тс объясняет рост θ. Уменьшение эффекта стабилизации с дальнейшим увеличением времени выдержки легко объяснить перестариванием (смотрите Выбор режима старения), с которым связано падение предела текучести аустенита.
Достижение отрицательных значений 0 можно связать с далеко зашедшим перестариванием, которое, во-первых, сильно разупрочняет аустенит и, во-вторых, может привести к обеднению аустенита углеродом вблизи выделений карбида. Такие обедненные углеродом участки имеют повышенную температуру Мн. С повышением температуры Тс деформационное старение ускоряется и соответственно ускоряется достижение максимума θ.
Рассмотренное в Термодинамике мартенситных превращений, снижение температуры Мн при переходе от чрезвычайно больших скоростей охлаждения выше этой температуры к обычным скоростям закалки в воде также является результатом стабилизации аустенита из-за предполагаемого закрепления дислокаций сегрегациями атомов углерода.
Термическая стабилизация проявляется при мартенситном превращении не только в железных, но и в других сплавах. Так, в сплаве меди с 15% (ат.) Sn, закаленном в воде, при охлаждении в жидком азоте развивается атермическое превращение. Если после закалки в воде сделать выдержку при комнатной температуре, то при последующем охлаждении точка Мн и количество образовавшегося мартенсита оказываются пониженными и в тем большей степени, чем дольше была выдержка.
Четырехдневная выдержка полностью подавляет мартенситное превращение. Одной из причин этой термической стабилизации может быть постепенно развивающаяся при комнатной температуре сегрегация атомов олова в исходной фазе, затрудняющая образование и рост зародышей мартенсита.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков
Что такое отжиг стали
Чтобы обеспечить надежность и долговечность металлоконструкций, прибегают к отжигу сталей. Завод металлоконструкций ЧЗМК располагает всем необходимым для этого оборудованием.
Почему нужна термическая обработка металла
В процессе эксплуатации металлоконструкции изделия из стали и других сплавов подвергаются различным нагрузкам – статическим, динамическим, циклическим. На них оказывают воздействие агрессивные среды, перепады температур. Чтобы обеспечить высокую эксплуатационную надежность, необходимо упрочнить структуру материала. Для этого используют разнообразные процедуры, включая термообработку.
Для упрочнения и стабилизации эксплуатационных свойств металла, предстоит повысить его механические и физико-химические показатели. Отжиг стали – термическая обработка, которая и позволяет достичь желаемого эффекта путем последовательного нагрева, выдержки и охлаждения сплава.
Такая процедура позволяет целенаправленно поменять характеристики металла. Благодаря отжигу стали этого удается достичь с максимальной точностью. Хотя схожего эффекта добиваются и другими способами. Например, вовлекают химические вещества, подвергают материал электромеханической обработке.
Во время отжига сталей в структуре происходят важнейшие изменения:
Конечный результат зависит от точности соблюдения технологии. Чтобы получить желаемый эффект, выполняя отжиг стали, учитывают химический состав сплава. Под него подбирают температурно-временные параметры, защитную среду. В противном случае в процессе возможно обезуглероживание, окисление, науглероживание.
Чаще всего к отжигу стали прибегают перед дальнейшей обработкой металла. Воздействуя на сплав посредством высоких температур, удается понизить показатель его твердости. Благодаря этому будет легче придавать заготовкам желаемые формы при помощи резательного и другого инструмента.
Поскольку структура стали становится более однородной, химические, механические и физические характеристики улучшаются.
Виды отжига
Чтобы получить равновесную структуру, к сталям применяют несколько вариантов термообработки. Но в любом случае предполагается три этапа процедуры:
Параметры выдержки на каждом этапе подбирают под марку стали. В таком случае удается снизить внутренние напряжения и повысить пластичность для уравновешивания структуры.
Основное отличие между разными видами заключаются в том, какая используется температура. Однако имеет значение также способ и скорость охлаждения – иногда его выполняют крайне медленно, оставляя металл в печи, а порой процесс протекает на открытом воздухе.
Полный и неполный отжиг
Благодаря грамотной термообработке после устранения структурной неоднородности легче подвергать металлы резке и другим процедурам. К классическим видам отжига стали относят полный и неполный.
Первый предполагает нагрев металла на 30-50 градусов выше критической точки на начальной стадии. Когда структура превратится в аустенит, начинается медленное охлаждение в печи. Как правило, для этого выдержка длится около одной четверти времени, которое требовалось для нагрева.
Скорость медленного охлаждения при полном отжиге сталей зависит от марки:
Температура снижается до 400-600 градусов. В результате образовывается феррит и перлит. Во время отжига охлаждение выполняют не только в печи, но и на воздухе, если хотят добиться нормализации.
Такой способ гарантирует полную перекристаллизацию. В крупнозернистых сталях структура становится мелкозернистой. Из металла уходят напряжения, он более вязкий и мягкий. Данный способ помогает также устранить дефекты, которые образовались при предыдущей обработке. Например, к нему прибегают после литья или деформации, сварки либо термообработки, которая привела к неблагожелательным результатам.
При неполном отжиге сталей температуру удерживают, не превышая верхнюю критическую точку. Однако она должна быть выше нижней критической. Далее следует медленное охлаждение.
К неполному отжигу стали прибегают для того, чтобы облегчить их обработку методом резки. Поэтому по отношению к мягким сплавам он применим редко. Кроме того, данный вид не поможет избавиться от дефектов.
Наиболее востребован данный вид отжига при работе с инструментальными сталями. Так как они становятся более податливыми к резанию, уменьшаются затраты на последующую обработку.
Изотермический отжиг
Некоторые марки стали не поддаются полному и неполному отжигу. Например, сталь конструкционная 18Х2Н4ВА. Даже самое медленное охлаждение не помогает поменять структуру должным образом. В таком случае прибегают к изотермическому отжигу.
Отличие заключается в том, что охлаждение происходит с остановкой. Благодаря этому удается добиться цели и придать сталям необходимые характеристики.
Процесс изотермического отжига начинается с нагрева до определенной температуры. Какой именно, зависит от марки стали. Далее переходят к охлаждению, но, когда доходят до 670-600 градусов, на этом на некоторое время останавливаются. После продолжают охлаждать сплав.
К преимуществам изотермического отжига относят увеличение производительности печей. Поскольку сокращается время, необходимое для термообработки.
Если говорить о специфике воздействия на металл, определенным сталям удается придать желаемую структуру благодаря тому, что поддерживается определенная температура, при которой происходит распад аустенита на ферритно-цементитную смесь. Когда этот процесс завершается, нет необходимости продолжать медленное охлаждение – оно может идти быстро, поэтому заготовку выставляют на воздух.
При работе с легированными сталями изотермический отжиг наиболее целесообразен. Альтернативой может быть только процесс с крайне медленным охлаждением. И все равно не получится добиться такой идеальной однородной структуры, как при интервальном способе.
Диффузионный отжиг
Если приходится работать со стальными слитками, тогда вышеперечисленные методы бывают недейственными. Литым сталям свойственна неоднородность химического состава. Из-за дендритной кристаллизации сплавов неоднородным становится химический состав дендритных кристаллов. Поэтому и приходится прибегать к особому отжигу сталей. Его называют диффузионным, хотя еще считают подвидом полного.
В данном случае на первой стадии отжига стали нагревают до отметки, которая намного выше интервала превращений. А именно, разница в большую сторону составляет в пределах 180-300 градусов. Дальше переходят к медленному охлаждению, чтобы придать стали желаемую структуру.
Этот способ помогает сделать сплав однородным, уменьшив микроликвацию. Поэтому встречается еще одно название такого отжига сталей – гомогенизация. Путем диффузии удается выровнять химическую неоднородность.
Длительность диффузионного отжига достигает до сотни часов. Только на выдержку уходит около 12-15 ч. Последующее охлаждение с температур в 1100-1150 до 250-200 градусов весьма долгое. Причем нередко требуется еще один отжиг. Поскольку после гомогенизации стали получаются крупнозернистыми. Однако, когда их готовят под прокат или ковку, то в дополнительной термообработке нет необходимости. Так как пластическая деформация поможет измельчить зерно.
Рекристаллизационный отжиг
Если металл прошел процесс холодной деформации, его термообработка требует особого подхода. Тогда прибегают к рекристаллизационному отжигу. Благодаря специфике процесса удается уменьшить прочность и увеличить пластичность параллельно со снятием наклепа, который неизбежно образовывается в ходе холодной пластической деформации.
Для выполнения рекристаллизационного отжига необходимо достичь температуры, которая на 100-150 градусов выше порога рекристаллизации. Далее следует выдержка и охлаждение. Для отжига холоднодеформированной стали самое главное – не перегреть металл. В противном случае зерно станет крупнее, а пластичность будет утрачена.
Этот вид отжига особенно часто применим по отношению к цветным металлам, а со сталями таким образом работают реже. Если его используют, то преимущественно перед очередным холодным деформированием либо перед окончательной термообработкой.
Для данного метода прибегают к помощи диаграмм рекристаллизации, чтобы правильно рассчитать продолжительность и температуру. Чтобы исключить укрупнение зерен и разрозненности структуры после отжига холоднодеформированной стали, прибегают к ускорению нагрева. Быстрее добиться достижения нужной температуры удается, погрузив заготовку в соляную ванну.
Особенности отжига различных видов стали
Чтобы не возникали сложности разного рода, к процедуре прибегают, изучив состав сплава. Большое значение имеет содержание углерода в стали. На основании сведений о свойствах рассчитывают температуру нагрева, длительность выдержки и время охлаждения.
Время рассчитывают, учитывая назначение отжига. От него требуются структурные изменения в сталях, поэтому продолжительность процедуры должна быть такой, чтобы металл успел не только прогреться, но и измениться. В случае нарушения регламента или в результате ошибок в расчетах возникают дефекты.
Например, после отжига, выполненного с нарушениями, образовывается окисление поверхностного слоя с образованием окалины. С нею борются при помощи химических реактивов. Но возможна очистка стали механическим образом.
Для отжига необходимы специальные печи не только по той причине, что металл разогревают до очень высоких температур: важно исключить воздействие кислорода. Иначе произойдет выгорание углерода, что приведет к ухудшению механических и технологических свойств стали. Поэтому в печи подают специальные газы, именуемые защитными.
Если температура будет превышена, в результате зерно станет слишком крупным, а металл обретет нежелательную хрупкость. Подобный дефект исправляют, повторяя процедуру заново. Однако, если все допустимые значения нагрева и выдержки значительно превышены, может произойти пережег. В таких сталях нарушаются связи между зернами. Поэтому металл бесповоротно портится.
Чтобы исключить ошибки, необходимо понимать процессы, протекающие в сталях, и обладать профессиональными навыками. У нас трудятся компетентные специалисты, которые знают, что такое отжиг, умеют работать с различными сплавами. Они выбирают необходимый режим в соответствии с маркой и поставленной целью. Череповецкий завод металлоконструкций располагает необходимым оборудованием и инструментами для работы с различными сталями.
Термическая обработка стали
Термическая обработка стали – процесс температурного воздействия на материал. Решение о выборе способа термической обработки применяется на основании анализа стоящей задачи, а также особенностей марки стали.
Термическая обработка стали – это процесс температурного воздействия на материал. Он позволяет поменять размеры зерен внутри металла, то есть изменить его характеристики, улучшить.
При обработке применяется сразу несколько методов. Металл нагревают, выдерживают при определенной температуре и равномерно охлаждают. Делать это можно на разных этапах, как с заготовками, так и с уже готовыми изделиями.
Метод используется для достижения следующих целей:
Решение о выборе способа термической обработки применяется на основании анализа стоящей задачи, а также особенностей марки стали. Можно использовать материалы любого качества.
Сталь должна соответствовать трем основным требованиям:
Рассмотрим, какие способы применяются в работе, их особенности и другие параметры, влияющие на результат и уровень качества.
Отпуск
Часто применяется в машиностроении, а также при изготовлении деталей разного назначения из стальных заготовок. Обычно используется с закалкой, потому что помогает снизить внутреннее напряжение материала. Это делает сырье значительно прочнее, снимает хрупкость, которая может появиться при воздействии повышенных температур.
Еще одна цель применения – увеличение показателей ударной вязкости. Материал становится менее жестким, а значит, при сильном внешнем механическом воздействии его будет сложно повредить.
Технология отпуска разделена на три типа:
Максимальная температура нагрева – до 250 °С. Обычно она составляет не более 150 °С. При таком нагреве сталь нужно будет держать около полутора часов. Охлаждение проводится внутри масла или воздуха, что помогает также упрочнить заготовку или готовое изделие.
Чаще всего низкий отпуск применяется при создании измерительного инструмента или разных типов режущих изделий.
Главная задача среднего отпуска – перевести мартенсит в троостит. Это обеспечивает рост вязкости на фоне понижения твердости. Технология пригодится, если планируется производить детали, работающие под сильными нагрузками.
Отжиг
Метод применяется для стабилизации внутренней структуры материала и увеличения ее однородности. Это также помогает сильно уменьшить уровень напряжения. Технологический процесс предполагает нагрев до высоких температур, выдержку и длительное, медленное охлаждение.
В промышленности используется несколько основных подходов:
Закалка
Закалка и отпуск стали являются одними из наиболее распространенных режимов термической обработки.
Такой вариант воздействия нужен, чтобы нарастить важные показатели материала – от твердости и максимальной упругости до защиты от износа и твердости. При помощи закалки удается уменьшить предел на сжатие и пластичность.
Такой формат обработки является одним из наиболее старых. Он основывается на быстром охлаждении прогретого до высоких температур металла. Предел нагрева отличается в зависимости от типа сплава. Нужно учитывать, при какой температуре начинает изменяться внутренняя кристаллическая решетка.
В зависимости от марки стали меняется несколько основных параметров:
Нормализация
Процесс нормализации необходим для того, чтобы изменить структуру и создать внутри металла мелкое зерно. Этот вариант подходит как для легированных, так и для низкоуглеродистых сталей.
Главное преимущество технологии позволяет довести твердость до 300 НВ. Вы сможете использовать полученные горячекатаным методом заготовки, а также нарастить прочность, защиту от излома и вязкость. Это позволяет упростить процесс последующей обработки.
В качестве среды охлаждения используется воздух. Максимальные температуры нагрева – не более 50°С сверх установленного для материала предела.
Криогенная термообработка
Основы термической обработки стали криогенного типа заключаются в значительном охлаждении ранее закаленных заготовок. Главная цель использования – прекращение мартенситного преобразования.
Как и в случае с другими перечисленными средствами, заготовку потребуется постепенно прогреть до стандартной температуры.
Химико-термическая обработка
В ходе обработки происходит преобразование внешнего слоя материала. Это позволяет повысить твердость, защитить сырье от коррозии и дополнительно нарастить износостойкость.
В процессе могут использоваться следующие методы:
Технология выбирается с ориентиром на особенности и характеристики конкретного типа сплава.
Что такое термостабилизация металла
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
ДЕТАЛИ ПРИБОРОВ ВЫСОКОТОЧНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ.
СТАБИЛИЗАЦИЯ РАЗМЕРОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
Типовые технологические процессы
Metal high precision parts of devices. Dimension stabilization by heat treatment.
Standard technological processes
Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 23 декабря 1977 г. N 3018 срок введения установлен с 01.01.79
Проверен в 1982 г. Постановлением Госстандарта СССР от 28.03.83 N 1410 срок действия продлен до 01.01.89**
* ПЕРЕИЗДАНИЕ (январь 1988 г.) с Изменением N 1, утвержденным в марте 1983 г. (ИУС 7-83).
ВНЕСЕНА поправка, опубликованная в ИУС N 7, 1990 год
Поправка внесена изготовителем базы данных
Настоящий стандарт распространяется на высокоточные металлические детали приборов с наибольшим размером до 600 мм и рабочей температурой до 100 °С и устанавливает рекомендуемые типовые технологические процессы термической обработки, обеспечивающие стабилизацию размеров деталей приборов.
На основе настоящего стандарта министерства (ведомства) СССР могут разрабатывать отраслевые стандарты, устанавливающие особенности технологических процессов отрасли.
Отраслевые стандарты должны быть согласованы с Госстандартом СССР.
1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
1.1. Для стабилизации размеров деталей должны применяться методы, приведенные в обязательном приложении 1.
1.2. Категория деталей должна определяться согласно данным обязательного приложения 2.
1.3. Высокоточные металлические детали приборов должны изготовляться из материалов с характеристиками размерной стабильности, приведенными в справочном приложении 3.
1.4. В зависимости от специфики производства и особенностей деталей отделочная операция может выполняться после окончательной механической обработки.
Если отделочная операция связана с нагревом выше 100 °С, заключительную операцию термической обработки допускается не проводить.
1.5. Разрыв во времени между операциями охлаждения и нагрева при термоциклической обработке (ТЦО) не регламентируется.
1.6. Если недопустимо окисление поверхностей деталей, стабилизирующую обработку следует проводить в вакууме или защитной среде.
1.7. Для деталей с большим объемом механической обработки стабилизирующую термическую обработку допускается проводить в два приема, при этом суммарная продолжительность операций не должна превышать время, предусмотренное настоящим стандартом.
1.8. Охлаждение с печью должна проводиться со скоростью не более 100 °С/ч.
1.9. Обработка холодом должна проводиться не позже, чем через 2 часа после закалки.
1.10. Для деталей из дисперсионно-твердеющих сплавов, термически обрабатываемых для получения высокой твердости, упрочняющее старение допускается проводить перед окончательной механической обработкой.
1.11. Время выдержки при нагреве для закалки, нормализации и отпуска (когда время не указывается) назначают в зависимости от толщины стенок детали и возможностей производственного оборудования (печи, соляные ванные и т.п.).
1.12. Примеры условных обозначений процессов стабилизации размеров деталей:
стабилизации корпуса из алюминиевого сплава состояния Т1, с постоянством размеров по 2-й категории:
Стабилизировать Т1-2 ГОСТ 17535-77
* Категории обрабатываемых деталей указаны в приложении 2.
(Измененная редакция, Изм. N 1).
2. ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ
2.1. Схемы типовых технологических процессов для высокоточных деталей из литейных сталей и сплавов должны соответствовать указанным в табл.1.
Типовые технологические процессы для высокоточных деталей из литейных сталей и сплавов
Для стальных отливок
Для отливок из алюминиевых и магниевых сплавов