Усадка металла при закалке
Эту цитату необходимо воспринимать как аксиому, ведь процесс упрочнения стальных деталей неизбежно связан с их короблением или поводками. Коробление деталей при закалке это такая же закономерность, как и замерзание воды при понижении температуры.
- Формообразование (механическая обработка, гибка, штамповка, высадка и т.д.) - термообработка деталей с припусками под коробление - доводка геометрических размеров механической обработкой
- Термообработка поковок и отливок, близких по форме к готовой детали - доводка геометрических размеров механической обработкой
Также используются и уникальные схемы, позволяющие термообрабатывать детали в полуфабрикатах (листы, уголки, полосы). Это более трудоёмкий процесс с точки зрения конструкторских расчётов, т.к. должны быть учтены такие факторы, как прокаливаемость стали при разных параметрах закалки, возможные проблемы с анизотропией механических свойств по сечению детали и многие другие.
Коробление деталей при мартенситном превращении невозможно устранить даже при использовании самого современного термического оборудования. Но при использовании такого оборудования можно устранить другие причины влияющие на изменение размеров деталей при термообработке. Одной из таких причин является температурный удар при нагреве. Как правило, детали загружаются в печь с уже рабочей температурой. Это вызывает быстрый и неравномерному разогрев металла в микроскопических объёмах, особенно легированных сталей. Из-за разных коэффициентов линейного термического расширения элементов сплава, могут возникать растягивающие и сжимающие напряжения, что также вызовет изменение геометрии. В качестве примера можно привести рекомендуемый режим термообработки быстрорезов Р18 и Р6М5. Из-за разных свойств теплопроводности вольфрама, молибдена и железа необходимо делать изотермические выдержки при нагреве. В противном случае, величина короблений может превысить предел прочности, что приведет к появлению трещины.
Еще, на появление короблений деталей влияет неравномерность нагрева в макроскопических объёмах, т.е в пределах размера детали. Эта неравномерность вызвана прежде всего устройством печи, плотностью и расположением нагревательных элементов, расположением деталей в садке. Если деталь будет с одной стороны нагреваться быстрее, чем с другой, то это вызовет разнонаправленные напряжения, которые также могут превысить предел текучести и даже предел прочности.
Два последних фактора устраняются использованием качественного термического оборудования и отработанными режимами термообработки для конкретных марок стали. Конечно, большим плюсом в борьбе с термическими короблениями будет являться применение вакуумного оборудования. Не зря производители вакуумных печей говорят о минимальных короблениях деталей при использовании их оборудования. При вакуумном нагреве, степень искажения размеров минимизируется за счёт очень плавного разогрева деталей вместе с печью и за счёт однородности температурного поля как при конвекционном нагреве, так и в вакууме. Но повторимся, высокотехнологичные вакуумные печи не смогут подавить физико-химические закономерности изменения удельного веса при мартенситном превращении.
Недавно, на каком-то сайте, зарубежные коллеги рассказывали о короблении изделий в аустенитном состоянии под собственным весом или весом других деталей, в неправильно сформированной садке. Как вариант, можно рассмотреть и этот случай. Действительно, аустенит обладает очень низкими механическими свойствами: низким пределом текучести и прочности. Например его твердость составляет всего 160-200 HB. Соответственно, если нагрузка на деталь в аустенитном состоянии превысит допустимую (предел текучести), то это приведет к точечной или объемной пластической деформации.
В статье мы рассмотрели основные причины коробления сталей при закалке. Конечно, существует еще множество причин поводок и отклонения геометрических размеров. Это могут быть такие факторы, как: дисперсионное твердение, повышенная прокаливаемость, сложная геометрия детали и многие другие. Но все эти факторы являются очень явными и останавливаться на них нет смысла.
Причины коробления стали при закалке
Дефекты, возникающие при термической обработке и их устранение
Неправильно проведенная закалка стали приводит к дефектам (браку изделия). Наиболее распространенные из них:
- недостаточная твердость закаленного изделия;
- мягкие пятна;
- пережог и закалочные трещины;
- обезуглероживание и окисление поверхности;
- коробление и деформация;
В этой небольшой статье мы детально рассмотрим каждый из этих потенциальных дефектов закаленной стали.
Недостаточная твердость
Недостаточная твердость закаленного изделия появляется в результате неправильно выбранной температуры закалки или недостаточно интенсивного охлаждения. Скажем, при закалке доэвтектоидных сталей недостаточная твердость может получиться в результате того, что температура закалки была ниже АС3 и в структуре стали сохранился феррит.
Кроме того, в доэвтектоидной стали пониженная твердость может быть результатом перегрева. Образование при этом крупноигольчатой структуры мартенсита, помимо пониженной твердости, вызывает понижение ударной вязкости.
В заэвтектоидных сталях недостаточная твердость закаленного изделия может также являться результатом перегрева и образования крупноигольчатого мартенсита.
Образование мягких пятен
Образование мягких пятен может являться результатом неравномерного охлаждения, соприкосновения деталей друг с другом в процессе охлаждения, наличия жировых пятен на поверхности изделия и неоднородности структуры.
Исправляется такой брак повторной закалкой изделия. Неоднородность структуры устраняется предварительной его нормализацией.
Окисление и обезуглероживание
Такой брак характеризуются образованием окалины на поверхности стальных изделий и выгоранием углерода в поверхностных слоях (так называемое - обезуглероживание) .
Такой брак термической обработки неисправим, но если позволяет припуск на механическую обработку, то окисленный и обезуглероженный слой удаляют шлифовкой.
Для предотвращения этого вида брака нагрев изделий рекомендуется проводить в печах с нейтральной атмосферой либо в жидких средах.
Пережог
Пережог наступает при весьма высоких температурах нагрева, близких к температуре плавления, поэтому имеет место проникновение кислорода внутрь металла и образование окислов, располагающихся по границам зерен, или даже оплавление металла по границам зерен. Это нарушает сплошность металла, и, как результат, он становится не пригодным для применения. Такой брак термической обработки также неисправим.
Закалочные трещины
Закалочные трещины могут являться результатом слишком быстрого и неравномерного нагрева, либо слишком быстрого охлаждения, либо наличия на детали резких переходов сечений, где возникают большие внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию.
Они могут получиться и в том случае, если после закалки деталь сразу не подвергли отпуску для снятия внутренних напряжений.
Для устранения растрескивания деталей при закалке необходимо обеспечить равномерный и более медленный нагрев, использовать закалку с одстуживанием (в двух средах или ступенчатую), отпускать изделия непосредственно после закалки и т.д.
Деформация и коробление
И последний возможный дефект закаленной стали - деформация и коробление. Структурные изменения, происходящие в металле при термической обработке, вызывают изменение объема (деформацию), а неравномерность охлаждения — искажение внешней формы (коробление).
Такие дефекты закаленной стали происходят в связи с тем, что структуры имеют различный удельный объем. Это следует учитывать при назначении допуска на шлифовку. Например, удельный объем мартенсита больше, чем удельный объем перлита. Также форма различных деталей под влиянием структурных напряжений изменяется иначе, чем под влиянием термических напряжений.
Тела простой формы после деформации и правильное положение положение деталей при погружении их в закалочный бак
Для предотвращения деформаций и коробления необходимо обеспечить медленное охлаждение в интервале мартенситного превращения путем ступенчатой и изотермической закалок, закалки.
Прогнозирование изменения размера от термической обработки
В большинстве случаев изменения объема объемного размера во время термообработки не могут быть точно предсказаны (по крайней мере, недостаточно точно, чтобы обеспечить окончательную механическую обработку и / или шлифование, чтобы закрыть допуски до термообработки).
Ответ на вопрос об изменении размеров чрезвычайно сложный и включает в себя сотни переменных. Термическая обработка может также добавить свой собственный набор уникальных переменных, которые повлияют на изменение размера детали. Хотя точный прогноз изменения размера детали не может быть ожидаемым, учитывая каждый из этих потенциальных факторов, жаростойкость может обеспечить разумную оценку, которая может помочь магазину подготовиться к окончательной обработке. Оценка изменения размера Экспериментальная работа была проведена во многих материалах, чтобы показать влияние термической обработки на изменение размера. Эффекты различны для каждого материала.
Обратите внимание, что размер детали увеличивается на 0,08 процента в одном измерении, а уменьшается в двух других направлениях. Этот график демонстрирует, как важно знать ориентацию детали от балки, поставляемой мельницами, при попытке планировать изменение размера во время термообработки. На рисунке 2 показано изменение размеров инструментальной стали D-2 во время отпуска. D-2 - это инструментальная сталь для упрочнения, которая требует процесса отверждения и отпуска в процессе термообработки. Изменения размеров при закалке и отпуска должны быть добавлены вместе при попытке оценить изменение общего размера. Твердость конечной части определяется температурой отпуска. Ж есткость, запрошенная клиентом, окажет существенное влияние на изменение размера. В другом примере, согласно листу данных Latrobe Steel, можно ожидать, что 17-4 из нержавеющей стали с твердым покрытием, как правило, будет уменьшаться на 0,0004-0,0006 дюйма / дюйм (изменение размера на единицу длины) при старении от условия А до состояния Н-900 и 0,0018 до 0,0022 дюйма / дюйм при старении от условия А до состояния Н-1150. Связь с теплоотводом, экспериментирование и контроль процесса могут помочь обеспечить довольно точные, согласованные / повторяемые оценки изменения размера.
Консистенция - это ключ
Производитель и тепловой нагреватель перечислили все переменные, которые повлияли бы на изменение размера во время термообработки. Из этого списка был приведен более короткий список переменных, которые можно было контролировать во время процесса. Эти факторы включали поставщика стали (как мельницы, так и сервисный центр), химию, состояние стали, последовательность производства, термообработку и требуемую твердость. В процессе термообработки теплоотвод обязуется точно контролировать параметры для размера нагрузки, конфигурации нагрузки (расстояние / стеллаж / крепление), скорости рампы, времени выдержки, температуры предварительного нагрева, температуры аустенизации, скорости гашения и температуры отпуска. Контролируя все эти переменные и повторяя процесс на еженедельной основе, производитель инструмента теперь может прогнозировать изменение размера во время термообработки матриц (всех размеров) с точностью до ± 0,001 дюйма, что обеспечивает значительную экономию времени и затрат в обработке после термообработки.
Переменные, влияющие на изменение размеров
• Изменение свойств материала (химия, однородность, размер зерна, количество и тип включений и упрочняемость)
• Ориентация ориентации по отношению к зерну
• Термическая обработка, выполняемая на мельнице (десятки переменных)
• Производственный процесс и последовательность операций
• Состояние остаточного напряжения (от производства)
• Термическая обработка после изготовления компонентов (десятки переменных)
• Диапазон твердости (начальный, конечный) Переменные, относящиеся к термической обработке
• Тип выбранного процесса (отжиг, упрочнение, азотирование , науглероживание и т. д.)
• Процесс высокой температуры (отжиг, нормализация, аустенизация), температура и время выдержки
• Низкотемпературный процесс (возраст, температура, снятие напряжения), температура и время выдержки
Усадка металла при ремонте кузова
Одним из наиболее успешных приемов при работе с металлом является его усадка. При работе с металлом - рихтовке, выдавливании, скручивании и другом воздействии металл становится тонким и растягивается. Результатом становится наличие "большего" количества металла в ремонтируемой области, чем было изначально.
Если ремонтируемая область изначально была плоской, то теперь она будет иметь выпуклость. Если она имела выпуклость, то выпуклость станет больше. Нет смысла рихтовать такую область обычными молотком и наковальней - ситуация только ухудшится. Для преодоления этой трудности ремонтируемая область должна быть усажена или стянута.
Имеются два способа усадки: горячая и холодная. Рассмотрим сначала холодную усадку.
Холодная усадка
Выполняется специальными молотком и наковальней. Усадочные молотки и наковальни имеют на своей поверхности клетчатую (или "вафельную") структуру (см.рис). Каждая из этих деталей имеет на рабочей поверхности структуру из выступающих квадратиков.
Каждый выступ при воздействии на металл создает маленький выступ и вмятину, уменьшая таким образом эффективную площадь обрабатываемой поверхности.
Не используйте усадочный молоток и наковальню совместно. Нужно использовать одно или другое совместно с обычными наковальней или молотком соответственно.
Для холодной усадки вначале определите размер и форму растянутой области. Подоприте эту область наковальней такой же формы и ударьте по металлу усадочным молотком с использованием методики удара по металлу над центром наковальни. Можно воспользоваться также усадочной наковальней и ударить по металлу обычным рихтовочным молотком. Бейте по металлу немного сильнее, чем при рихтовке.
После первого удара взгляните на металл. Проверьте, перешел ли клетчатый рисунок с головки молотка или с наковальни на металл. Маленькие области металла опускаются, а другие области -поднимаются. Этот миниатюрный эффект опускания и подъема усаживает металл и это можно проиллюстрировать простым примером.
Сомните стандартный лист бумаги и мните, скручивайте, сжимайте и разглаживайте его. На бумаге образуются тонкие линии по всей поверхности. После этого разгладьте этот лист и положите его поверх нового и несмятого листа такого же размера. Вы увидите, что смятый и разглаженный лист уменьшился в размерах по сравнению с новым листом. Это происходит из-за того, что первый лист покрыт мелкими выступами и вмятинами. Точно так же усадочный молоток формует металл, стягивая его вместе.
Холодная усадка имеет и свои недостатки. При ее проведении требуется провести больший объем работы перед окраской. И в области, которая превышает по размеру кофейную чашку, усадка с помощью усадочного молотка или наковальни легко сводится на нет из-за работы шлифовальной машинкой или рихтовки в соседней области. К счастью, есть другой метод усадки.
Горячая усадка
Выполняется быстрее и легче по сравнению с холодной. Может быть обработана большая площадь и на ней достигается большая усадка. Усадка, сделанная один раз, сохраняется.
Участки, подвергнутые горячей усадке, вытягивают металл до плоского состояния. Горячая усадка с помощью сварочной горелки и молотка с наковальней лучше, чем холодная усадка с помощью молотка и наковальни.
Для проведения горячей усадки используйте обычный молоток и наковальню совместно с газовой горелкой. Мы установили, что горячую усадку лучше всего делать вдвоем - один человек работает горелкой, а второй работает молотком и наковальней.
При горячей усадке центр обрабатываемой области нагревается газовой горелкой с нейтральным пламенем. Производите нагрев до тех пор, пока область размером с кружок диаметром 1,5-2 см не станет вишнево-красной. Она не только становится вишнево-красной, но и заметно поднимается в форме конуса, так как тепло приводит к расширению металла.
Настоящая усадка начинается только сейчас. Быстро поместите наковальню за раскаленное докрасна пятно и стукните 3-4 раза рихтовочным молотком вокруг пятна. Финальный удар направьте в центр пятна.
Когда вы бьете молотком по металлу, то вы заметите, как он усаживается. Однако, вы не увидите, как металл в той же самой области утолщается.
При проведении горячей усадки необходимо соблюдать некоторые правила. Руководствуйтесь старым правилом: "если все части работы выполняются хорошо, то и общий результат будет хорошим". Не пытайтесь нагревать докрасна большие участки и произвести усадку всего участка за один раз. Это ухудшит все дело, так как панель будет деформироваться и скручиваться. Удерживайте раскаленной докрасна только область, размер которой не превышает размера небольшой монеты. При усадке большого участка обрабатывайте несколько отдельных небольших участков (3-4 шт.). В заключение повторим: не пытайтесь ускорять работу. Результатом такого подхода будет качественно проведенная усадка.
Одна дополнительная операция в процессе горячей усадки усадит металл еще сильнее. Эта операция называется закалкой.
Закалка
Закалка представляет собой процесс быстрого охлаждения нагретой области для "замораживания" ее в усаженном состоянии. С помощью закалки материала вы сможете достичь большей на 100% усадки, чем при обычном нагреве и рихтовки молотком и наковальней.
После усадки материала молотком и наковальней быстро положите мокрую тряпку на обработанную область. Чем больше будет размер тряпки по сравнению с обработанной областью, тем больше будет усадка. Кроме этого, чем дольше будет удерживаться тряпка, тем более твердым станет металл из-за физических превращений, происходящих в металле. Вместе с тем избегайте чрезмерной закалки металла: у слишком закаленного металла есть опасность растрескивания. Следовательно, если вы планируете большой объем работы молотком и наковальней, то используйте закалку очень умеренно.
Повторим еще раз, что вашим лучшим учителем будет практика. Мы описали только методику, но для ее освоения вам придется очень много практиковаться. Нам приходилось видеть отверстия, прожженные в металле неопытными мастерами. Это создало очень большие проблемы при попытках ремонта вмятины. В связи с этим вначале попробуйте проводить горячую усадку на небольшом участке. Тренируйтесь до тех пор, пока вы не будете чувствовать себя уверенно при работе. Только после этого можно использовать полученные навыки.
Читайте также: