Распространенные дефекты термообработки и способы их предотвращения

Thread Content

Недостаточная твердость. Между твердостью металлических материалов и их прочностью при статическом растяжении, а также прочностью при усталости существует определенная эмпирическая связь. Кроме того, твердость в некоторой степени связана с способностью металла к холодной обработке, его обрабатываемостью при резании и возможностями для сварки； Испытание на твердость не повреждает деталь, процедура его проведения проста, а получаемые данные наглядны; поэтому оно широко используется в качестве важнейшего показателя контроля качества деталей, подвергаемых термообработке. Во многих случаях это единственное техническое требование к таким деталям. Недостаточная твердость — один из наиболее распространенных дефектов термообработки. Основными причинами являются недостаточная твердость, недостаточная скорость охлаждения при закалке, декарбонизация поверхности, недостаточная способность стали к закалке, чрезмерное количество остаточного аустенита после закалки и недостаточная отжиговка. Явление низкой твердости в отдельных участках закаленной детали называется мягкими точками. Ткань в зонах с мягкими участками в основном представляет собой смесь мартенсита и торита, расположенного вдоль границ первоначальных кристаллов аустенита. Неравномерность мягкости или твердости обычно вызвана неравномерным нагревом при закалке или неравномерным охлаждением после закалки. Неравномерность температуры в печи во время нагрева, а также недостаточная температура нагрева или время удержания при той же температуре являются основными причинами неравномерного нагрева. Неравномерное охлаждение обусловлено в основном наличием пузырьков среды для закалки на поверхности детали во время охлаждения, загрязнением этой среды (например, наличием капель масла в воде) или недостаточным перемешиванием среды. Кроме того, структура стали слишком крупнозернистая, имеется серьезная депрессия; крупные карбиды или крупные ферриты также приводят к неравномерной закалке и образованию мягких участков. Цель нагрева при закалке — обеспечить преобразование структуры детали в процессе закалки. Для этого необходимо нагреть до соответствующей температуры и обеспечить достаточное время для сохранения тепла. Недостаточно высокая температура нагрева и недостаточное время удержания приводят к тому, что первоначальная пиротитовая структура не может полностью преобразоваться в аустенит, а состав аустенита, образовавшегося в результате преобразования, остается неравномерным. В результате после закалки не формируется полноценная мартенситовая структура, из-за чего на изделии после закалки появляются слабые участки. 1- Мартенсит тонкой иглы 2- Тортит после закалки 3- Перлит. При недостаточном перемешивании среды для закалки, недостаточном движении детали в этой среде или неправильном направлении её погружения, происходит замедление процесса разрушения парового слоя на некоторых участках поверхности детали. Это приводит к снижению скорости охлаждения в этих местах, в результате чего образуются продукты разложения при высоких температурах, что вызывает появление мягких участков или снижение локальной твердости. Пленка водяного пара более стабильна, чем соленая вода, поэтому мягкие участки легче образуются на деталях, подвергнутых водной обработке. Чем выше температура воды и водных растворов, тем легче возникают мягкие точки. У углеродистой стали с низкой способностью к закалке при большом сечении детали легко образуются мягкие участки. Нечистая поверхность детали, наличие ржавчины, углеродных частиц и т. п., также могут привести к снижению твердости после закалки. Недостаточная твердость: недостаточная температура нагрева часто приводит к недостаточной твердости отжатых деталей. Но недостаточное охлаждение является распространенной причиной недостаточной твердости детали. Чрезмерно длительное время предохлаждения детали после выхода её из печи до процедуры закалки, неправильный выбор средства охлаждения или чрезмерно высокая температура этого средства приводят к недостаточной способности к охлаждению. На поверхности детали могут образовываться оксидные пленки или осадки солей. Кроме того, если после закалки температура детали при извлечении её из среды охлаждения остается слишком высокой, это также может привести к разложению перекристаллизованного аустенита в зоне превращения в перлит по кривой C. В результате формируются такие структуры, как сорбит и торбит, которые не являются мартенситными, что снижает твердость детали. Наличие большого количества остаточного аустенита в структуре после закалки является важной причиной недостаточной твердости закаленных деталей. Количество остаточного аустенита связано с химическим составом аустенита. При содержании углерода выше 0,5–0,6% в структуре после закалки можно заметно наблюдать наличие остаточного аустенита. При дальнейшем увеличении содержания углерода количество остаточного аустенита резко возрастает; при массовом содержании углерода 1,4% доля остаточного аустенита (по объему) достигает 30%. Любые элементы сплава, которые растворяются в аустените путем замещения, приводят к увеличению количества остаточного аустенита. При небольшом количестве остаточного аустенита это не оказывает значительного влияния на твердость. Однако при большом количестве остаточного аустенита происходит снижение твердости. При содержании остаточного аустенита 20% твердость после закалки снижается примерно на 6,5 HRC. Недостаточная мягкость и твердость деталей, обработанных методом высокочастотной закалки и карбидирования. Мягкие участки в деталях, полученных методом высокочастотной закалки, включают два типа: оставшиеся мягкие участки на поверхности, где процесс закалки не произошел, и участки с неравномерной толщиной зоны закалки. Эти дефекты твердости возникают из-за неправильного выбора материала, плохой первоначальной структуры материала, неподходящих электрических параметров процесса высокочастотной закалки, а также неправильной настройки индуктора и устройств для охлаждения. Высокочастотная закалка чаще всего применяется к сталям с средним содержанием углерода и низкосодержащим стальм среднего сплавления. Поскольку при высокочастотной закалке нагрев происходит очень быстро, углерод в аустените не успевает равномерно распределиться в результате диффузии. Поэтому в сталях, содержащих элементы, способствующие образованию карбидов, такие как Cr, Mo, W, V, из-за более высокой температуры фазового перехода при высокочастотном индукционном нагреве может возникать проблема мягких участков и неравномерности твердости. При выборе стали для высокочастотной закалки необходимо учитывать, чтобы содержание вышеупомянутых элементов не превышало определенных значений. Тип, форма, размер и распределение карбидов в стали оказывают значительное влияние на качество деталей, подвергнутых высокочастотной закалке. При наличии в стали сетчатых карбидов, а также при слишком больших размерах карбидов и их неравномерном распределении могут возникать дефекты в виде неравномерной твердости и недостаточной твердости. Поэтому высокочастотная закалка в значительной степени зависит от предварительной термообработки; наилучшей исходной структурой для высокочастотной закалки является отжатый сорбид, полученный в результате закалки с последующей отжигом. При неравномерности высокочастотной катушки индукции также может возникнуть недостаточная твердость отжигаемой детали. Неправильный угол распыления, нерациональные размеры и количество отверстий для распыления, а также их засорение часто приводят к недостаточной твердости детали после высокочастотного отжига или к образованию мягких участков. Недостаточная твердость и наличие мягких участков в деталях, подвергнутых процедуре карбидирования, обычно обусловлены недостаточным количеством карбидов, декарбонизацией во время закалки, слишком низкой температурой закалки, недостаточной скоростью охлаждения, чрезмерным количеством остаточного аустенита на поверхности, чрезмерной отжигом, нечистотой поверхности детали, неравномерным карбидированием или неравномерным охлаждением. Механические свойства сплавов цветных металлов не соответствуют требованиям. Наиболее широко используемыми в промышленности цветными металлами являются алюминий, медь, магний, титан и их сплавы. Принципы термообработки цветных металлов и стали схожи, но у них есть свои особенности. Например, аналитический переход играет важную роль в термообработке стали, но в цветных металах встречается крайне редко ； Переход в мартенсит является основным способом укрепления стальных материалов, однако, за исключением некоторых медных и титановых сплавов, другие цветные металлы обычно не могут быть укреплены путем перехода в мартенсит. Распространенными термообрабатывающими процессами для цветных металлов являются унификационная аннотация, аннотация с рекристаллизацией, дестресс-аннотация, растворение в растворителе и старение. Термообработка путем растворения примесей является наиболее распространенным и важным способом усиления свойств цветных металлов. При термообработке цветных металлов необходимо уделять особое внимание следующим аспектам: цветные металлы являются активными, поэтому к условиям нагрева предъявляются строгие требования. Например, среда нагрева титановых сплавов обычно должна быть вакуумной или с слабым окислительным фоном ； Чтобы избежать окисления, магниевые сплавы обычно нагревают в защитной атмосфере диоксида серы или диоксида углерода ； Чтобы избежать водородной хрупкости, медь требуется подвергать термообработке в нейтральной или слабо окислительной среде. Для достижения максимального эффекта растворения во многих сплавах цветных металлов температура растворения близка к температуре границы фаз. Чтобы избежать перегрева и чрезмерной обработки, необходимо строго контролировать температуру в печи и время нагрева и удержания. Перегрев и переплавление. При нагревании металлов или сплавов в процессе термообработки из-за чрезмерно высокой температуры кристаллы становятся слишком большими, в результате чего их свойства существенно снижаются. Это явление называется перегревом ； Явление окисления границ кристаллов и начала частичного плавления при температуре, близкой к линии твердого состояния, называется переплавлением. Перегрев. Признаками перегрева являются крупные зерна в структурной стали, крупная мартенситовая структура, чрезмерное количество остаточного аустенита, вейситовая структура; сетчатые углеродистые включения в высокоскоростных сталях; эутектическая структура (ляйситовая структура); нифелиновидный фрагмент поверхности; чрезмерное количество феррита в мартенситных нержавеющих сталях; образование беловато-серой пленки на поверхности латунных сплавов в результате деазотирования; появление шероховатой поверхности после химической обработки. Типичная структура перегрева показана на рисунке 2. В зависимости от степени легкости устранения перегретых тканей с помощью обычных процедур термообработки, их можно разделить на стабильно перегретые и нестабильно перегретые. Обычно перегретые ткани можно устранить с помощью обычной термообработки; такие ткани называются нестабильно перегретыми. Стабильная перегретая структура — это структура, которую невозможно полностью устранить с помощью обычного отжига, отжима и закалки. Важной особенностью перегрева является увеличение размеров кристаллитов, что снижает предел прочности при сжатии, пластичность, ударную вязкость и прочность на износ стали, а также повышает температуру хрупкого перехода у стали. Другой важной особенностью перегрева является увеличение размеров мартицита после закалки. Это снижает ударную прочность и износостойкость стали, а также увеличивает склонность к деформации и трещинованию при закалке. Среди дефектов, возникающих при перегреве стали, можно выделить также организацию Вейса, нифтистый тип разлома, каменистый тип разлома и т. д. Все это не только снижает механические свойства стали, но и способствует возникновению трещин при закалке. Чтобы предотвратить перегрев, необходимо правильно разработать и применять рациональные процессы термообработки, строго контролируя температуру в печи и время выдержки. Обычно структуру, возникшую в результате перегрева, можно устранить путем многократной аннелировки или отжига. Однако в случае более серьезных форм перегрева, таких как каменистая структура поверхности, термообработка не помогает; для ее устранения необходимо сочетание высокотемпературной деформации и аннелировки. Перегрев: при перегреве возникают такие явления, как локальное плавление на границах кристаллов, образование волокнистых полостей; на поверхности алюминиевых сплавов появляется темный цвет, пузыри; на разломе поверхность имеет серый цвет и неимеет блеска. У магниевых сплавов может образовываться оксидный нарост на поверхности. Перегрев ткани приводит к существенному ухудшению её свойств и значительно повышает риск возникновения трещин в результате термообработки. Поэтому перегрев является недопустимым дефектом при термообработке. Если происходит перегрев, ценные детали приходится уничтожать. Следовательно, в процессе термообработки необходимо строго предотвращать его возникновение. Уровень сферизации не соответствует стандартам. В автомобилях, тракторах и других машинах широко используются стандартные детали и крепежные элементы. Большинство таких деталей, как валы, штифты и стержни, изготавливаются с помощью автоматических токарных станков. Что касается крепежных элементов, таких как болты, гайки и заклепки, то их в основном производят путем холодного прессования. Для повышения производительности и обеспечения эффективности автоматической обработки и холодного прессования, сталь должна подвергаться предварительной термообработке – аннелированию или сферизационному аннелированию. При этом необходимо контролировать степень сферизации. Для автоматической токарной обработки необходимо, чтобы сталь обладала хорошими свойствами при токарной обработке; её пластичность не должна быть слишком высокой, иначе может возникнуть проблема с «прилипанием» материала к режущему инструменту, а также появится много стружки. Желательно, чтобы структура стали состояла из листовидного пегматита ； При обработке холодным прессованием необходимо, чтобы сталь обладала хорошими свойствами при этом процессе, а также высокой пластичностью, чтобы избежать трещин во время обработки. Желательно, чтобы микроструктура стали состояла из сферического пегматита. Для этой цели существует отраслевой стандарт JB/T5074-91 «Классы степени глобулизации низкосодержащих и среднесодержащих углерода стальных шариков», который используется для оценки степени глобулизации. По степени сферизации карбидов: на 1-м уровне степень сферизации составляет 0, то есть пегматит имеет полностью листоватую структуру; на 6-м уровне степень сферизации равна 100%, то есть карбиды находятся в полностью сферическом состоянии. Для холодного прокатки стали среднего углерода обычно требуется класс 4–6, а для обработки на автоматических станках — стали с низким и средним содержанием углерода класса 1–3. Недостаточный уровень сферизации при предварительной термообработке сталей с низким и средним содержанием углерода серьезно влияет на их способность к холодному штампованию и автоматической обработке. Влияние уровня сферизации на качество холодного штампования показано в таблице 7. Из нее видно, что при уровне сферизации 1–3 при больших объемах штамповки возникают трещины; в то время как при уровнях 4–6 трещин при штамповке не возникает. Следовательно, для использования в процессе холодного штампования сталь должна иметь уровень сферизации 4–6. Опыт массового производства показывает, что при контроле уровня глобулизации стали для автоматической токарной обработки на уровне 1–3 поверхность деталей имеет подходящую шероховатость, износ зубчатых пил остается в норме, а производительность высока ； Если степень сферизации превышает 3 уровня, автоматизированная обработка на станках становится крайне затруднительной.