Ту Протокол по Материалознание и технология на материалите на тема Закаляване и отвръщане на стоманите


ПРОТОКОЛ НА ЛАБОРАТОРНО УПРАЖНЕНИЕ в„–9
 
ТЕМА: Закаляване и отвръщане на стомани и чугуни
 
     I.        Цел на лабораторното упражнение: Запознаване с целта, същността, съораженията и технологиите за термична обработка на стоманите. Изследване на структурата и свойствата на термообработена стомана.
 
 II.        Теоритични положения: Закаляването представлява вид термична обработка, която се състои в нагряване и задържане до температура по-висока от критичната за дадена сплав и следващо бързо охлаждане с цел фиксиране на високотемпературно или някакво междинно неустойчиво при стайна температура структорно състояние, обуславящо и нови механични и физични свойства. На закаляване се подлагат готови механични детайли и въпросът за качеството на продукцията повишава изискванията за правилно провеждане на тази технологична операция. Температурата на нагряване за закаляване се определя от въглеродното съдържание на стоманата. За подевтектични стомани 20-50 ºС при структура еднофазен аустенит. Прегряването е нежелателно и води до недостатъци, зърната наедряват и при бързо охлаждане се получават по-едри мартензитни игли и се увеличава количеството на остатъчния аустенит. Грубият мартензит е по-крехък, а остатъчния аустенит намалява твърдостта на стоманата.
Видове закаляване според начина на охлаждане:
а) Обикновенно закаляване- провежда се чрез непрекъснато охлаждане в една среда, осигуряваща скорост на охлаждане по-голяма от критичната.
б) Закаляване с прехвърляне в друга среда- при използването на две охлаждащи среди, едната осигурява голяма скорост на охлаждане, след което детайла се прехвърля в друга среда с по-малка охлаждаща способност. При този начин на закаляване се намаляват вътрешните напрежения, а от там и опасността от брак. Най-често се използва комбинацията вода-масло. Прилага се при производството на режещи инструменти от инструментална въглеродна стомана.
в) Степенно закаляване- детайлите се потапят в разтопена сол или метал с температура малко по-висока от Мн за сплавта, след което се охлажда бавно мартензитното превръщане потича еднвременно по целия обем, което намалява вътретното напрежение.
г) Изотермичниото закаляване – осигурява се охлаждане с над критична скорост и следващо задържане в баня с температура малко по-висока от Мн, до пълното превръщане. Получената структура е бенит, с по-ниска твърдост, но с по-висока якост на удар. Намалени са термичните и структурните напрежения. След този начин на закаляване не се провежда отвръщане.
След закаляване стоманата има голяма твърдост и якост, но е крехка и сравнително лесно се разрушава от ударни и огъващи натоварвания поради появяването на вътрешни напрежения за премахването им и за повишаване на жилавостта, въпреки че се случва известно намаляване на твърдостта закалените детайли се подлагат на отвръщане. Отвръщането е термична обработка, която се прилага след закаляване на стоманата, като детайлите се нагряват до температура по-ниска от критичната точка А, задържат се при тази температура определено време и се охлаждат до стайна температура. В зависимост от химичния състав на стоманите и режима на отвръщане се получават различни структури, обуславящи и съответните свойства. Отвръщането е един от най-важните видове термично обработване.
Получаването на едни или други свойства на стоманите след отвръщане зависи от технологичния режим, който включва следните параметри: скорост на нагряване, температура на нагряване, време на задържане и скорост на охлаждане. При отвръщането най-голямо значение имат температурата на нагряване и придължителността. Според температурата на нагряване се различават ниско, средно и високотемпературно отвръщане:
Нискотемпературно- в интервал 150 до 250 ºС в маслени или солни вани и продължителност от 1 до 4 часа, при което се намаляват вътрешните напражения. Структурата е отвърнат мартензит. Твърдостта е запазена.
Среднотемпературно- интервал 350 до 500 ºС в солни вани или пещи с циркулираща газова среда. Подлагат се пружини, ресори, щампи и други. Структурата е тростит на отвръщане с твърдост 40 до 50 HRC, голяма еластичност и якост на удар.
Високотемпературно- интервал 500 до 600 ºС в солни вани или пещи с циркулираща газова среда. Структурата е сурбит на отвръщане с твърдост 30 до 40 HRC, голяма якост на удар и опън. Термична обработка, състояща се от закаляване и високотемпературно отвръщане се нарича “подобряване”, а структурата подобрена.
 
III.             Задачи за изпълнение:
1)      Задача: Да се наблюдават, скицират и анализират микроструктури на стомани след различни режими на закаляване.
2)      Задача: Да се изследва влиянието на въглеродното съдържание върху структурата и свойствата на термообработени стомани.
3)      Задача: Да се изследва влиянието на относителната скорост на охлаждане върху твърдостта на различни марки стомани.
4)      Задача: Да се препише режим на термообработка за метчици и флашки от стомани У10 и У12. Да се опишат структурите на стоманите след закаляване и след отвръщане.
 
IV.             Методика на експеримента:
1)      Задача: Да се изследват микроструктурите на въглеродни конструкционни и инструментални стомани. След различни режими на закаляване- пълно, непълно, частично и изотермично. Металографския анализ се извършва с микроскоп с увеличение 1000 пъти. Структурите се скицират и анализират, оценя се използвания режим на закаляване.
2)      и 3) Задачи: По три проби от стомани 20, 45, У8, У12, Х12М се нагряват в лабораторна камерна електропещ с мощност 2,5kW до температура на закаляване оптимална за всяка марка стомана. Задържат се до протичане на перлитно-аустенитно задържане и се охлаждат в три охлаждащи среди: въздух (нормализация), масло (частично закаляване) и вода (закаляване). Пробите се прочистват от укалината и се измерва твърдостта HRC на термообработени стомани. Резултатите се оформят в таблица. Описват се структурите след термообработка и се строят зависимостите на твърдостта от въглеродното съдържание (за трите охлаждащи среди) и относителната скорост на охлаждане (за петте марки стомани).
4)      Задача: Режима за термообработка се взема от справочната литература. Обясняват се превръшанията протичащи при закаляване и отвръщане на стоманите, както и резултантните и структури.
 
V.                Опитни резултати:
1) Задача:
 
 

 
Дребноиглест мартензит. При температура 60°С преохладения аустенит се превръща в най-фин перлит+тростит. Превръщането не протича докрай. Една част от аустенита се превръща при температура 200°С. Мартензитното превръщане се извършва при постоянна температура от всички стомани.
 

Едроиглест мартензит. Характерна особеност на мартензита е неговата висока твърдост, голяма якост и ниска пластичност. Твърдостта на мартензита нараства с увеличаване съдържанието на въглерод.
 

 
Мартензит и аустенит. Получава се при пълно закаляване над А3 на надевтектоидни стомани. Има високо съдържание на въглерод. Голямо количество остатъчен аустенит остава. Структурата се влошава, зашото той е мек и пластичен.
 

 
Мартензит и тростит. 50% мартензит+50% тростит. Получава се при частично закаляване на стомана в един кристал от критичната част претърпява перлитно превръщане.
 

 
Мартензит и ферит. Получава се при непълно закаляване на подевтектоидна стомана. Наблюдават се меки феритни участъци в структурата.
 
 
2) Задача:
Х12М
У12
У8
45
20
Стомана
1,45-
1,7
1,2
0,8
0,45
0,2
Въгл. Съдържание Сс[мас.%]
1030°
770°С
780°С
830°С
880°С
Темпе-ратура на закаля-ване
вода
масло
въздух
вода
масло
въздух
вода
масло
въздух
вода
масло
въздух
вода
масло
въздух
Охлаж-даща среда
1
0,3
0,03
1
0,3
0,03
1
0,3
0,03
1
0,3
0,03
1
0,3
0,03
Отн. скорост на охлаж-дане
60
58,5
55
62,5
55
14,5
61
50
12
56
38,5
9
37
14,5
156НВ
1
HRS
59
59,5
55,5
63,5
52
15
60
48,5
11
54,5
35
12
38
15
2
59,5
57,5
57
64
53
15,5
62
51,5
13,5
53
40
11,5
35
14
3
60
58
55,5
61,5
52,5
14
63,5
45
12,5
53,5
39
11
38
15,5
4
61
57
56
63
54
15
61,5
45,5
13
55
42
10,5
38,5
16
5
59,9
58,1
55,8
62,9
53,3
14,8
61,6
48,1
12,4
54,4
38,9
10,8
37,3
15
0
Ср.
 
 
 
 
 
Структура
 

 
4)      Задача: Стомана У10 е инструментална и се подлага на термична обработка. Температурата и на закаляване е 770°С. Температурата на отвръщане е 150°С. Охлаждащата среда е вода. Твърдостта HRC=62. Стомана У10 се използва за направата на режещи и измерителни инструменти: пили, мачцици, щанги с малки размери. При изработката на режещи инструменти изискването от стоманата е да притежава голяма износоустойчивост. Това се постига чрез добавка на карбидообразуващи елементи.
Стомана У12: Температура на закаляване 770°С. Температура на отвръщане 150°С. Охлаждащата среда е вода. Твърдостта HRC=63. Стомана У12 се използва за направа на режещи инструменти, хирургични и гравирани инструменти.