Термическая обработка железоуглеродистых сплавов

Структура углеродистых сталей

Основной фактор, от которого зависит микроструктура стали после отжига 2-го рода, — это степень переохлаждения аустенита. Разновидности отжига 2-го рода различаются главным образом способами охлаждения и степенью переохлаждения аустенита, а также положением температур нагрева относительно критических точек.

Необходимая степень переохлаждения аустенита достигается или при непрерывном охлаждении, или при изотермической обработке.

На рисунке на примере доэвтектоидной стали схематично изображены режимы охлаждения, соответствующие основным разновидностям отжига 2-го рода: полный (1), изотермический (2), нормализационный (3) отжиг (нормализация) и патентирование (4).

Основные разновидности отжига 2-го рода доэвтектоидной стали

Основные разновидности отжига 2-го рода доэвтектоидной стали

К заэвтектоидным сталям применяют сфероидизирующий отжиг и нормализацию.

Критические точки превращения

На рис.2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа. Как видно из этих кривых, в процессе перестройки одной решетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении дополнительного количества тепла при нагревании.

Кривые охлаждения и нагрева чистого железа

Рис. 2. Кривые охлаждения и нагрева чистого железа.

Температурные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются Аrпри охлаждении и Ас при нагревании. В точках Аr2и Ас2,не происходит перестройка атомной решетки, а изменяются магнитные свойства железа. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения критические точки А с3и Аr3не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис.

При нагревании и охлаждении стали происходит также перестройка атомной решетки, но температуры критических точек не постоянны. Они зависят от содержания углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.

На рис. 3 представлена диаграмма состояния углеродистой стали при медленном охлаждении и нагревании.

Рис.3. Диаграмма состояния углеродистых сталей.

Классификация сталей

Стали характеризуются или классифицируются по множеству признаков:

Классификация по химическому составу

  • углеродистые стали – классифицируются в зависимости от содержания углерода в %:
    • низкоуглеродистые (< 0,25 %C)
    • среднеуглеродистые (0,25-0,65 %C)
    • высокоуглеродистые (> 0,65 %C)
    • легированные стали – классифицируются в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов в %:
      • низколегированные (< 2,5%)
      • среднелегированные (2,5-10 %)
      • высоколегированные (> 10 %)

      Если содержание Fe меньше 45 %, то это сплав, на основе элемента самого высокого содержания. Если содержание Fe больше 45 %, то это сталь.

      Классификация по назначению

      • конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов, содержание углерода <0,8%. Конструкционные подразделяются на цементуемые, с содержанием углерода <0,3% и улучшаемые, с содержанием углерода >0,3%. Основную классификацию и группы конструкционных сталей можно посмотреть здесь
      • инструментальные – применяются для изготовления мерительного, режущего инструмента, штампов горячего и холодного деформирования. Содержание углерода >0,8%;
      • с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами, жаропрочные, износостойкие и др.

      Классификация по структуре

      Классификация по Обергофферу – по структуре в равновесном состоянии

      Изначально эта классификация содержала только 4 типа сталей:

      • доэвтектоидные
      • эвтектоидные
      • заэвтектоидные
      • ледебуритные (имеющие в литом состоянии эвтектику)

      Позже были внесены дополнения:

      • ферритные
      • аустенитные

      Равновесное состояние – состояние сплава или стали после медленного охлаждения, чаще всего после отжига

      Классификация по Гийе – по структуре после нормализации (нагрева и охлаждения на воздухе)

      • перлитные
      • мартенситные
      • ферритные
      • аустенитные
      • карбидные

      Также могут быть смешанные классы: феррито-перлитный, аустенитно-ферритный и т.д.

      Классификация сталей по качеству

      Количественным показателем качества является содержания вредных примесей- серы и фосфора:

      • обыкновенного качества (S≤0,05, P≤0,04)
      • качественные стали (S, P ≤0,035)
      • высококачественные (S, P ≤0,025)
      • особовысококачественные (S≤0,015, P≤0,025)

      Классификация по способу выплавки

      • в мартеновских печах
      • в кислородных конверторах
      • в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

      Классификация по степени раскисления

      • кипящие (кп)
      • полуспокойные (пс)
      • спокойные (сп)

      Расширенные характеристики и свойства (технологические, физические. химический состав) некоторых марок сталей смотрите здесь.

      Промышленное получение

      Железоуглеродистые сплавы производятся металлургическими заводами из разных компонентов. Основа — железо с углеродом. Этапы производственного процесса:

      1. Подготовка расходного сырья (руды). Ее сортируют по размерам кусков, химическому составу. Бедные руды обогащаются требуемыми компонентами. Пустые породы удаляются.
      2. Подготовка топлива. Коксовый уголь проходит процедуру грохочения. Она нужна, чтобы удалить из топлива посторонние примеси, которые могут привести к тепловым потерям при плавке руды.
      3. Подготовка флюса. Вещества, которые будет применяться для производства чугуна измельчают. При этом отсеивается мелочь, удаляются сторонние примеси.
      4. Загрузка расходных материалов, руды в доменную печь. Сначала она заполняется коксом, сверху выкладывается руда, поверх нее засыпается еще один слой кокса. Внутрь вдувается разогретый воздух для поддержания температуры плавления металла. При сгорании кокса выделяется большое количество углекислого газа, который проходит через остатки кокса, образуя соединение СО. В процессе восстановления железо набирается твердости. Постепенно углерод начинает растворяться. Жидкий чугун подается к специальным ковшам, из которых разливается по формам.

      Для производства чугуна применяются большие доменные печи. Их высота может достигать 30 м, а внутренний диаметр — 12 м.

      Доменная печь (Фото: Instagram / viktormacha)

      Отжиг второго рода (ΙΙ-го рода)

      Отжиг ΙΙ рода основан на использовании фазовых превращений сплавов и состоит в нагреве выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого структурного состояния сплавов.

      Полный отжиг

      Полный отжиг производится для доэвтектоидных сталей. Для этого стальную деталь нагревают выше критической точки А3 на 30–50°С и после прогрева проводят медленное охлаждение. Как правило, детали охлаждают вместе с печью со скоростью 30–100°С/час. Структура доэвтектоидной стали после отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

      Какое оборудование используется?

      Для разогрева однородных металлов, сплавов, используется разное оборудование. К нему относятся:

      1. Шахтные печи. Подходят для разных технологических процессов, связанных с металлическими заготовками. Могут разогреваться газом или электрическими элементами.
      2. Камерные печи. Используются для нагрева заготовок небольшого размера.
      3. Печи с установленным механизмом выдвигающегося пода. Предназначены для термической обработки крупногабаритных деталей. Сверху на конструкции закрепляется кран балка, с помощью которой заготовки выгружаются, загружаются новые.
      4. Вакуумные печи. Используются при термообработке быстрорежущих сталей, тугоплавких металлов, титана, меди.

      Оборудование

      Оборудование для отжига

      Другие структурные составляющие в системе «железо-углерод»

      Кроме компонентов и фаз в системе сплавов «железо-углерод» присутствуют другие структурные составляющие — перлит и ледебурит

      Перлит

      Перлит — эвтектоид, механическая смесь феррита и цементита, полученная в результате распада аустенита при охлаждении сплавов ниже 727° С. При медленном охлаждении перлит присутствует во всех сплавах с концентрацией углерода от 0,02 до 6,67%. Под микроскопом перлит может выглядеть либо как пластины, либо как зерна — зернистый перлит. Его вид, также как и механические свойства, зависит от скорости охлаждения сплава и вида его термической обработки

      Ледебурит в сталях

      Ледебурит — эвтектика, механическая смесь аустенита и цементита, выделяющаяся из жидкости при охлаждении сплавов ниже 1147° С. Принципиальное отличие эвтектикой составляющей от эвтектоидной заключается в том, что первая выделяется из жидкости, а вторая из твердого раствора, в случае железоуглеродистых сплавов — из аустенита. Название данная структурная составляющая получила в честь имени немецкого ученого-металлурга Ледебура.

      История открытия

      Впервые на то, что в сплавах (сталях и чугунах) есть определенные (особые) точки, указал великий металлург и изобретатель – Дмитрий Константинович Чернов (1868 год). Именно он сделал важное открытие о полиморфных превращениях и является одним из создателей диаграммы состояния железо-углерод. По мнению Чернова, положение этих точек на диаграмме имеет прямую зависимость от процентного содержания углерода.
      И что самое интересное, именно с момента этого открытия и начинает свою жизнь такая наука, как металлография.

      Диаграмма сплавов железа с углеродом является результатом кропотливого труда ученных нескольких стран мира. Все буквенные обозначения главных точек и фаз в диаграмме являются интернациональными.

      Технологии производства

      На сегодняшний день в металлургической промышленности используются три основных технологии производства углеродистой стали. Их основные отличия состоят в типе используемого оборудования. Это:

      • плавильные печи конвертерного типа;
      • мартеновские установки;
      • плавильные печи, работающие на электричестве.

      В конвертерных установках расплавке подвергаются все составляющие стального сплава: чугун и стальной лом. Кроме того, расплавленный металл в таких печах дополнительно обрабатывается при помощи технического кислорода. В тех случаях, когда примеси, присутствующие в расплавленном металле, необходимо перевести в шлак, в него добавляют обожженную известь.

      Печь для конвертерной выплавки стали

      Печь для конвертерной выплавки стали

      Процесс получения углеродистой стали по данной технологии сопровождается активным окислением металла и его угаром, величина которого может доходить до 9% от общего объема сплава. К недостатку данного технологического процесса следует отнести и то, что он проходит с образованием значительного количества пыли, а это вызывает необходимость использования специальных пылеочистительных установок. Применение таких дополнительных устройств сказывается на себестоимости получаемой продукции. Однако все недостатки, которыми характеризуется этот технологический процесс, в полной мере компенсируются его высокой производительностью.

      Выплавка в мартеновской печи – еще одна популярная технология, которую применяют для получения углеродистых сталей различных марок. В ту часть мартеновской печи, которая называется плавильной камерой, загружается все необходимое сырье (стальной лом, чугун и др.), которое подвергается нагреванию до температуры плавления. В камере происходят сложные физико-химические взаимодействия, в которых принимают участие расплавленные металл, шлак и газовая среда. В результате получается сплав с требуемыми характеристиками, который в жидком состоянии выводится через специальное отверстие в задней стенке печи.

      Цех мартеновских печей

      Цех мартеновских печей

      Сталь, получаемая при выплавке в электрических печах, за счет использования принципиально другого источника нагревания не подвергается воздействию окислительной среды, что позволяет сделать ее более чистой. В различных марках углеродистой стали, полученной при выплавке в электрических печах, присутствует меньшее количество водорода. Этот элемент является основной причиной появления в структуре сплавов флокенов, значительно ухудшающих их характеристики.

      Каким бы способом ни выплавлялся углеродистый сплав и к какой бы категории в классификации он ни относился, основным сырьем для его производства являются чугун и металлический лом.

      Компоненты сплавов

      Технические характеристики железоуглеродистых сплавов зависят от типа и количества легирующих добавок:

      1. Углерод. В составе присутствуют в виде цементита, графита, карбида железа. Этот компонент вводят специально, чтобы придать материалу твердость, прочность, изменить технические характеристики в лучшую сторону.
      2. Марганец, кремний. Полезные примеси, которые специально вводятся в сплав (определенная их часть попадает из руды). Они уменьшают хрупкость, твердость сплавов, повышая его прочность, износоустойчивость.
      3. Фосфор, сера. Вредные примеси для железоуглеродистых сплавов. Их количество производители стараются снизить. При большом содержании этих примесей увеличивается хрупкость, твердость, ухудшаются литейные свойства, появляется усадка при охлаждении расплавленного металла.

      Способы улучшения прочностных характеристик

      Если свойства марок легированных сталей улучшают посредством ввода в их состав специальных добавок, то решение такой задачи по отношению к углеродистым сплавам осуществляется за счет выполнения термообработки. Одним из передовых методов последней является поверхностная плазменная закалка. В результате использования этой технологии в поверхностном слое металла формируется структура, состоящая из мартенсита, твердость которого составляет 9,5 ГПа (на некоторых участках она доходит до 11,5 ГПа).

      Само оборудование для плазменной закалки малогабаритно, мобильно и просто в эксплуатации

      Само оборудование для плазменной закалки малогабаритно, мобильно и просто в эксплуатации

      Поверхностная плазменная закалка также приводит к тому, что в структуре металла формируется метастабильный остаточный аустенит, количество которого возрастает, если в составе стали увеличивается процентное содержание углерода. Данное структурное образование, которое может преобразоваться в мартенсит при выполнении обкатки изделия из углеродистой стали, значительно улучшает такую характеристику металла, как износостойкость.

      Одним из эффективных способов, позволяющих значительно улучшить характеристики углеродистой стали, является химико-термическая обработка. Суть данной технологии заключается в том, что стальной сплав, нагретый до определенной температуры, подвергают химическому воздействию, что и позволяет значительно улучшить его характеристики. После такой обработки, которой могут быть подвергнуты углеродистые стали различных марок, повышаются твердость и износостойкость металла, а также улучшается его коррозионная устойчивость по отношению к влажным и кислым средам.

      Обработка деталей химико-термическим способом в вакуумной печи значительно увеличивает поверхностную прочность

      Обработка деталей химико-термическим способом в вакуумной печи значительно увеличивает поверхностную прочность

      Некоторые элементы диаграммы железо-углерод

      Выделим несколько границ на диаграмме железо-углерод:

      • линия ACD. Линия ликвидус. При охлаждении сплавов ниже нее начинается их кристаллизация;
      • линия AECF. Линия солидус
        . При охлаждении сплавов ниже нее весь сплав переходит в твердое состояние;
      • линия ECF. Иногда называется линией ледебуритного превращения. При охлаждении сплавов с содержанием углерода выше 2,14% ниже нее жидкая фаза превращается в ледебурит;
      • линия PSK. Линия перлитного превращения
        . При охлаждении сплавов ниже нее аустенит превращается в перлит.

      Отметим несколько важных точек на диаграмме:

      • точка E. Точка максимального насыщения аустенита углеродом – 2,14%, при температуре 1147°С;
      • точка P. Точка максимального насыщения феррита углеродом – 0,025%, при температуре 727°С;
      • точка S. Точка «0,8% С-727°С» превращения аустенита с концентрацией углерода 0,8% в перлит (эвтектоид) той же средней концентрации;
      • точка C. Точка «2,14 % С-1147°С» превращения жидкости с концентрацией углерода 2,14% в ледебурит (эвтектику) той же средней концентрации.

      Часто значения температур, при которых происходят структурные изменения конкретного сплава обозначают буквами A:

      • A1 – линия PSK;
      • A2 – линия MO – точка Кюри, в которой происходит изменение магнитных свойств сплавов;
      • A3 – температуры, соответствующие линии GS;
      • Acm – температуры, соответствующие линии SE.

      Поскольку температуры фазовых переходов при нагреве и охлаждении слегка отличаются, то часто вводят дополнительные буквенные обозначения:

      • с – для температур фазовых переходов при нагреве;
      • r – при охлаждении,

      например, Ac1 или Ar1.

      Другие параметры классификации

      Еще одним параметром, по которому классифицируют углеродистые сплавы, является степень их очищения от вредных примесей. Лучшими механическими характеристиками (но и более высокой стоимостью) отличаются стали, в составе которых присутствует минимальное количество серы и фосфора. Данный параметр стал основанием для классификации углеродистых сталей, в соответствии с которой выделяют сплавы:

      • обыкновенного качества (В);
      • качественные (Б);
      • повышенного качества (А).

      Общие принципы классификации сталей

      Общие принципы классификации сталей

      Стали первой категории (их химический состав не уточняется производителем) выбирают, основываясь только на их механических характеристиках. Такие стали отличаются минимальной стоимостью. Их не подвергают ни термообработке, ни обработке давлением. Для качественных сталей производитель оговаривает химический состав, а для сплавов повышенного качества – и механические свойства. Что важно, изделия из сплавов первых двух категорий (Б и В) можно подвергать термообработке и горячей пластической деформации.

      Существует классификация углеродистых сплавов и по их основному назначению. Так, различают конструкционные стали, из которых производят детали различного назначения, и инструментальные, используемые в полном соответствии с их названием – для изготовления различного инструмента. Инструментальные сплавы, если сравнивать их с конструкционными, отличаются повышенной твердостью и прочностью.

      Содержание основных элементов в инструментальных сталях

      Содержание основных элементов в инструментальных сталях

      В маркировке углеродистой стали можно встретить обозначения «сп», «пс» и «кп», которые указывают на степень ее раскисления. Это еще один параметр классификации таких сплавов. Буквами «сп» в маркировке обозначаются спокойные сплавы, в составе которых может содержаться до 0,12% кремния. Они характеризуются хорошей ударной вязкостью даже при низких температурах и отличаются высокой однородностью структуры и химического состава. Есть у таких углеродистых сталей и минусы, наиболее значимые из которых заключаются в том, что поверхность изделий из них менее качественная, чем у кипящих сталей, а после выполнения сварочных работ характеристики деталей из них значительно ухудшаются.

      Полуспокойные сплавы (обозначаются буквами «пс» в маркировке), в которых кремний может содержаться в пределах 0,07–0,12%, характеризуются равномерным распределением примесей в своем составе. Этим обеспечивается постоянство характеристик изделий из них.

      Характеристики распространенных полуспокойных сталей

      Характеристики распространенных полуспокойных сталей

      В кипящих углеродистых сталях, содержащих не более 0,07% кремния, процесс раскисления полностью не завершен, что становится причиной неоднородности их структуры. Между тем их выделяет ряд достоинств, к наиболее значимым из которых следует отнести:

      • невысокую стоимость, что объясняется незначительным содержанием специальных добавок;
      • высокую пластичность;
      • хорошую свариваемость и обрабатываемость при помощи методов пластической деформации.

      Превращения, происходящие в стали при охлаждении в среде, имеющей температуру выше 200° (изотермическое превращение)

      Если деталь, нагретую выше критической точки, поместить в среду, имеющую температуру от 700 до примерно 200°, и выдержать в ней до выравнивания температуры по всему сечению, то аустенит превратится в ту структуру, которая соответствует превращению при данной температуре.

      О поведении стали при изотермической обработке, выборе температуры и времени выдержки судят по кривым изотермического превращения, построенным для разных марок стали.

      Рис. 7. Диаграмма изотермического превращения аустенита углеродистой стали.

      На рис. 7 дан вид диаграммы изотермического превращения в стали. На горизонтальной оси отложено время начала и конца превращения, а на вертикальной— температура, при которой оно происходит. Линия А с соответствует переходу аустенита в перлит, а линия Мн — образованию мартенсита из аустенита. На кривой I начинаются, а на кривой II заканчиваются структурные превращения.

      Если углеродистую инструментальную сталь, нагретую до 800°, поместить в масло, расплавленную соль или щелочь при температуре 250°, в ней образуется игольчатый троостит с высокой твердостью Rc=45—55. Если эту же сталь охладить в среде, имеющей температуру свыше 600°, в ней образуется перлит и такая сталь легко обрабатывается на станках. При охлаждении стали в среде с промежуточными температурами образуются структуры троостита и сорбита с соответствующей твердостью.

      Изотермический отжиг нашел большое применение при термической обработке инструментальных сталей как процесс, резко уменьшающий время по сравнению с другими видами отжига.

      Изотермическая закалка в инструментальном деле применяется редко из-за недостаточной для инструмента твердости, достигаемой при этом процессе.

      Источник:
      Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.
      Каменичный И.С. Практика термической обработки инструмента. Киев, 1959 г.

      Классификация

      Сталь классифицируется по разным признакам. По химическому составу:

      1. Высокоуглеродистые — более 0,65% С.
      2. Среднеуглеродистые — от 0,25% до 0,65% С.
      3. Низкоуглеродистые — менее 0,25% С.
      • заэвтектоидные;
      • эвтектоидные;
      • доэвтектоидные;
      • ледебуритные.
      1. Инструментальные. Используются при изготовлении рабочих частей и оснастки электрических инструментов, промышленного оборудования.
      2. Конструкционные. Применяются при изготовлении металлоконструкций, деталей промышленного оборудования, машин.

      Сталь в рулонах (Фото: Instagram / mmz_sim)

      Свойства

      Характеристики железоуглеродистых сплавов:

      1. Плотность — до 7,9 г/см3.
      2. Температура плавления — до 1520 °C.
      3. Удельная теплоемкость — 462 Дж/(кг·°C) при температуре окружающей среды не более 20 °C.
      4. Удельная теплота плавления — 84 кДж/кг.
      5. Коэффициент теплопроводности — 30 Вт/(м·К) при температуре 100 °С.
      6. Коэффициент линейного теплового расширения — 11,5·10-6 1/°C.

      Железоуглеродистые сплавы производятся промышленными предприятиями. К ним относятся разные виды стали, чугуна. Они применяются в разных сферах промышленности.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий