Trattamento termico dell'acciaio e dei suoi tipi. Trattamento termico chimico dell'acciaio

L'acciaio è una lega di ferro con carbonio, la cui concentrazione non supera il 2,14%. In acciaio per uso generale, il suo contenuto varia dallo 0,05 all'1%. Nessun campo dell'attività umana è completo senza questa fusione. Viene utilizzato sia per creare strutture volumetriche, sia per la produzione di apparecchiature di alta precisione.

Carbonio e altre impurità nella composizione dell'acciaio

Il doping di ferro con carbonio consiste in due fasi. Sul primo, il 6,67% di carbonio viene aggiunto al ferro, con la conseguente formazione di carburo di ferro o cementite. In condizioni normali, l'acciaio ordinario è costituito da due fasi omogenee: cementite e ferrite. Quando viene riscaldata, la cementite si dissolve nella ghiandola per formare austenite. La concentrazione di carbonio influisce sulle proprietà meccaniche di base dell'acciaio. Il suo aumento contribuisce alla riduzione della duttilità e della viscosità, aumenta la durezza e la resistenza della sostanza. Inoltre, il carbonio migliora le proprietà di fusione, ma compromette la saldabilità e la lavorabilità del materiale in questione.

Diverse impurità sono presenti anche nell'acciaio, la cui presenza è dovuta alla tecnologia di produzione o all'ingresso di minerale di ferro. Manganese e silicio sono additivi speciali introdotti nell'acciaio per rimuovere composti di zolfo di ferro e ossido bivalente. La concentrazione di silicio è compresa tra 0,4% e manganese - 0,8%. Aumentano anche il manganese e il silicio limite di forza ed elasticità, rispettivamente (sotto è riportato un grafico di trattamento termico dell'acciaio).

Il fosforo aumenta la resistenza di una sostanza, riducendo la plasticità e la viscosità. L'impatto negativo dell'elemento è quello di dare all'acciaio una fragilità fredda, quindi la produzione non consente l'eccesso del suo contenuto nello 0,045%. Lo zolfo causa il rossore della lega, la sua concentrazione è limitata allo 0,05%.

tipologia

Esistono diverse classificazioni di acciaio.

1. A seconda della composizione chimica:

• carboniosi, contengono ferro, carbonio e impurità;
• in lega con vari additivi speciali.

2. A seconda della concentrazione di carbonio:

• alto contenuto di carbonio (oltre lo 0,7%);
• carbonio medio (0,25 - 0,7%);
• a basso tenore di carbonio (fino allo 0,25%).

3. Su appuntamento:

• la costruzione;
• utensili;
• scopo speciale.

4. A seconda della qualità:

• qualità ordinaria
• qualità,
• alta qualità;
• soprattutto di alta qualità.

Trattamento termico dell'acciaio. Informazioni generali

Lo scopo del trattamento termico dell'acciaio è quello di modificare la struttura della lega, e
pertanto, le sue proprietà, ad esempio, conferiscono al prodotto durezza e fragilità o, al contrario, morbidezza e plasticità.

L'essenza del processo sta nel riscaldamento della billetta d'acciaio, la sua esposizione e il suo raffreddamento. Tutto ciò avviene con la stretta osservanza di alcuni parametri, in particolare temperatura e velocità. Le modalità sono interessate e classificazione dell'acciaio. Il trattamento termico di alcuni tipi di acciaio richiede condizioni diverse per ottenere lo stesso risultato.

I cambiamenti strutturali semplificati in acciaio quando riscaldati possono essere visualizzati nella tabella.

La durezza dell'austenite è 2-2,5 volte superiore rispetto alla ferrite. Quest'ultimo è più di plastica. Una volta raffreddato, la struttura della lega cambia nell'ordine inverso.

I principali tipi di trattamento termico dell'acciaio: tempra, normalizzazione, rinvenimento, ricottura.

ricottura

La tecnologia di questo processo consiste nel riscaldare le billette d'acciaio, trattenendole e raffreddandole lentamente, dopodiché viene raggiunta una struttura di equilibrio nel metallo. Il suo compito è ridurre lo stress interno della lega e aumentare la plasticità. Tale trattamento termico dell'acciaio è diviso in due tipi. Hanno differenze significative. Nel primo caso, il trattamento termico dell'acciaio non implica cambiamenti strutturali basati su trasformazioni di fase.

Ricottura tipo I

Questo tipo di trattamento termico è diviso in 4 gruppi:

- Omogeneizzazione . Le leghe dopo la cristallizzazione sono caratterizzate da una composizione irregolare di componenti chimici sia per un grano sia per l'intero volume del lingotto, che è causato da diversi punti di fusione degli elementi. Tali strutture di non equilibrio sono più caratteristiche degli acciai legati. Poiché l'equilibrio della composizione chimica avviene a causa della diffusione, la sua implementazione richiede alte temperature. Fino a 1100-1200 ºС, i semilavorati di acciaio vengono riscaldati in forni speciali, che vengono conservati dalle 8 alle 15 ore, dopodiché il raffreddamento lento avviene nel forno (6-8 ore) a 800-850 ºС. Dopo aver raggiunto la temperatura richiesta, le billette vengono raffreddate all'aria. Tale trattamento termico degli acciai legati assicura la loro plasticità, che facilita notevolmente la loro lavorazione per deformazione.

- Ricottura ricristallizzazione. Viene utilizzato per rimuovere l'effetto di indurimento dell'acciaio associato alla deformazione plastica a freddo, a seguito del quale si formano difetti reticolari, denominati dislocazioni e posti liberi. Quando si forma una tale struttura, si verifica l'appiattimento e l'estrazione dei grani di metallo, per cui si verifica l'indurimento del lavoro e la duttilità della lega diminuisce.

Questa tecnologia di trattamento termico dell'acciaio implica il riscaldamento a temperature superiori a 100-200 ºС all'inizio della cristallizzazione (circa 500-550 ºС).

La durata dell'esposizione varia da 0,5 a 2 ore, quindi viene eseguito un raffreddamento lento. La struttura cambia a causa della formazione di nuovi grani e della graduale scomparsa dei deformati. Quindi, c'è una diminuzione dei difetti reticolari.

- Ricottura per la rimozione di tensioni residue. Le sollecitazioni interne nelle parti in acciaio derivano da processi quali saldatura, fusione, taglio, rettifica, deformazione a caldo. Raggiungono quantità piuttosto grandi. Di conseguenza, insieme agli operai provocano successivamente la distruzione del metallo.

Per eliminare questo fenomeno, la ricottura viene effettuata a una temperatura inferiore alla cristallizzazione (727 ° C). Durante il processo di 20 ore a 600 ºС, gli sforzi sono quasi completamente eliminati. Per ridurre la durata del processo, la temperatura viene aumentata a 680-700 ºС.

Ricottura di tipo II

Con questo processo, la struttura di equilibrio del materiale viene raggiunta durante le trasformazioni di fase. La struttura dell'acciaio dopo il trattamento termico è parzialmente o completamente cambiata. Un cambiamento fondamentale nella struttura della lega si verifica a causa della doppia ricristallizzazione, che si traduce in una riduzione della granulometria, l'eliminazione delle sollecitazioni interne e la rimozione dell'indurimento del lavoro. Tipi di trattamento termico dell'acciaio - completo (ammorbidente) e ricottura incompleta.

Ricottura completa

Come risultato di questo processo, una grande struttura ferritico-perlitica si trasforma in una piccola struttura austenitica, che, con raffreddamento lento (30-50 ° C), viene convertita in una piccola ferritico-perlaitica. In questo modo, l'acciaio strutturale viene lavorato per aumentare la duttilità e ridurre la durezza.

Ricottura incompleta

Come risultato della ricottura incompleta, la perlite della piastra viene trasformata in ferritotsementit granulare, passando attraverso lo stadio dell'austenite (circa 780 ºС). Questo processo è usato per acciai per utensili.

Poiché la ricottura è un'operazione piuttosto lunga (fino a 20 ore), la normalizzazione della sostanza viene utilizzata come alternativa. Questo è il trattamento termico dell'acciaio, per cui la sua lavorabilità è migliorata, la struttura delle saldature viene corretta e anche la lega viene preparata per l'indurimento. La temperatura del processo supera i punti A _sz o A _st , a seconda del tipo di acciaio, di 30-50 ºС.

La normalizzazione è, di regola, il trattamento termico degli acciai al carbonio. Di conseguenza, non è richiesto un ulteriore indurimento degli acciai a medio tenore di carbonio e di quelli speciali, poiché la resistenza richiesta per l'uso delle parti viene raggiunta attraverso la normalizzazione. La struttura dell'acciaio normalizzato è il sorbitolo.

tempra

È un trattamento termico dell'acciaio, grazie al quale aumenta la resistenza, la resistenza all'usura, la durezza, il limite elastico e una diminuzione delle proprietà duttili. La tecnologia di spegnimento consiste nel riscaldamento a una certa temperatura (circa 850-900 ºС), trattenimento e raffreddamento, grazie al quale queste proprietà vengono raggiunte. L'indurimento è il modo più comune per migliorare le proprietà fisiche e meccaniche della lega. Tipi di trattamento termico dell'acciaio: con e senza trasformazione polimorfica.

L'indurimento con trasformazione polimorfica viene utilizzato per gli acciai che contengono un elemento capace di trasformazioni polimorfiche.

La lega viene riscaldata alla temperatura del cambiamento nel reticolo cristallino dell'elemento polimorfico. Come risultato del riscaldamento, aumenta la solubilità del componente legante. Con una diminuzione della temperatura, il tipo di reticolo cambia nella direzione opposta, ma dal momento che si verifica ad alta velocità, una concentrazione in eccesso dell'elemento con un reticolo modificato rimane nella lega. Quindi, sorge una struttura non equilibrata, che è termodinamicamente instabile. La microstruttura acicolare dell'acciaio, dopo il trattamento termico formato nella lega, è chiamata martensite. Per alleviare le tensioni residue, il metallo viene ulteriormente sottoposto a rinvenimento.

L'estinzione senza trasformazioni polimorfiche viene utilizzata nei casi in cui uno dei componenti della lega è parzialmente disciolto nell'altro. Quando la lega viene riscaldata sopra la linea solidale, il componente si dissolverà. E con il raffreddamento rapido, la fase secondaria non ha il tempo di tornare al suo stato originale, da allora non c'è abbastanza tempo per l'aspetto del confine di fase, la formazione del reticolo iniziale e il processo di diffusione. Di conseguenza, si presenta una soluzione solida metastabile con un contenuto in eccesso del componente. Il processo porta ad un aumento della plasticità del metallo. La stabilità termodinamica si ottiene nel processo di invecchiamento spontaneo o termico.

Poiché il trattamento termico dell'acciaio temprato ha un parametro decisivo così importante come il tasso di raffreddamento, è necessario menzionare gli ambienti in cui avviene il processo (aria, acqua, gas inerti, olio, soluzioni acquose di sali).

Il tasso di raffreddamento è diventato acqua 6 volte più alta a una temperatura di 600 ºС e 28 volte a 200 ºС (rispetto all'olio tecnico). È usato per raffreddare le leghe di carbonio con un alto tasso di tempra critico. La mancanza di acqua è un tasso di raffreddamento sufficientemente elevato nelle aree di martensite (200-300 ºС), che può portare alla formazione di fessure. I sali vengono aggiunti all'acqua per aumentare la sua capacità di indurimento. Così, ad esempio, si verifica il trattamento termico dell'acciaio 45.

Le leghe con una bassa velocità di spegnimento critico, che sono drogate, vengono raffreddate con olio. Il suo uso è limitato alla facile infiammabilità e alla capacità di aderire alla superficie delle parti. Le parti responsabili in acciaio al carbonio sono raffreddate in due supporti: acqua e olio.

Acciai martensitici sui quali non dovrebbe esserci film di ossido, ad esempio utilizzati per attrezzature mediche, sono raffreddati in atmosfera scaricata o in aria.

Per convertire l'austenite residua, che rende l'acciaio fragile, a martensite, viene utilizzato un ulteriore raffreddamento.

A tal fine, le parti sono poste in un frigorifero con una temperatura di -40 - -100 ºС o coperte con una miscela di anidride carbonica e acetone. La speciale lavorazione aggiuntiva a basse temperature aiuta ad aumentare la durezza degli utensili da taglio, il cui materiale è l'acciaio legato, stabilizzare i parametri dimensionali delle parti ad alta precisione e aumentare le qualità magnetiche del metallo.

Per alcune parti, come alberi, camme, assi, ingranaggi, dita per giunti abrasivi, utilizzare l'indurimento superficiale. In questo caso, viene formato un rivestimento resistente all'usura della parte, il cui nucleo è viscoso, con maggiore resistenza alla fatica. Per produrre tale tempra vengono utilizzate correnti ad alta frequenza, che sono formate da un trasformatore di un generatore speciale. Riscaldano la superficie della parte coperta dall'induttore. Quindi la parte si raffredda in aria. Lo spessore dello strato superficiale temprato può variare da 1 a 10 mm.

vacanza

Questo è il trattamento termico dell'acciaio, volto a indebolire le tensioni interne che si verificano durante la tempra, nonché ad aumentare la viscosità. Tale lavorazione è applicata agli acciai che hanno subito trasformazioni polimorfiche. Le modalità di trattamento termico dell'acciaio comprendono il riscaldamento a una temperatura di 150-650 ºС, il mantenimento e il raffreddamento, la cui velocità non ha importanza. Durante il processo di tempra, le strutture più dure, ma instabili, vengono trasformate in altre più plastiche e stabili. La vacanza è alta, media e bassa.

A bassa temperatura, riscaldamento a 150-250 ºС, successiva esposizione a 1,5 ore e raffreddamento in aria o in olio si verifica. Sta cambiando reticolo cristallino martensite, che non ha alcun effetto sulla durezza, aumenta la viscosità e allevia gli stress interni. In questo modo, il taglio e strumento di misura.

Con una vacanza media, si verifica il riscaldamento a 300-500 ºС. La struttura in acciaio è rappresentata da un trambusto di vacanze. I dettagli in acciaio dopo la lavorazione sono caratterizzati da elevate proprietà elastiche e caratteristiche di resistenza. Questa è la lavorazione di molle, membrane, molle.

L'alta tempra è caratterizzata da una temperatura di riscaldamento di 450-650 ºС, che porta alla formazione di sorbitolo. I prodotti diventano meno duri, plastici, hanno un'elevata resistenza agli urti. Ingranaggi, assali, rulli e altre parti critiche dei meccanismi sono sottoposti ad esso.

Trattamento termico chimico dell'acciaio

Aiuta ad aumentare la resistenza e la durezza della lega, la sua resistenza alla corrosione, conferendo proprietà anti-attrito e resistente all'usura. Questo processo include sia effetti termici che chimici sulla composizione, struttura e proprietà dello strato superficiale della lega.

Il trattamento termico chimico dell'acciaio si basa su processi quali dissociazione, diffusione e adsorbimento. A seconda dell'elemento di saturazione, è suddiviso in nitrurazione, cementazione, cianazione, ecc.

cementazione

Il compito della cementazione è di ottenere una superficie dura su parti in acciaio a basso tenore di carbonio con un nucleo sufficientemente viscoso. Il processo viene effettuato nel carburatore a 930-950 ºС, poiché a questa temperatura l'austenite è più stabile. Sia le leghe a basso tenore di carbonio che le leghe legate vengono trattate in questo modo. Il trattamento è influenzato dalla classificazione dell'acciaio. Il trattamento termico di alcuni tipi di acciaio richiede parametri speciali per ottenere un risultato.

La cementazione è suddivisa in solido e gas. Nel secondo caso, diventa possibile ottenere un determinato contenuto di carbonio nello strato superficiale, ridurre la durata del processo, automatizzare. Questo è un modo migliore della cementazione dura.

Il trattamento termico viene effettuato per ridurre la granularità del nucleo e dello strato cementato e, quindi, per migliorare le proprietà meccaniche. Il trattamento termico consiste in doppio indurimento e bassa tempra a temperature di 160-180 ºС.

nitrazione

Assume la saturazione degli strati superficiali delle parti realizzate con acciai legati con atomi di azoto per diffusione. Di conseguenza, l'azoto reagisce con gli elementi leganti (molibdeno, cromo, alluminio) con la formazione di composti solidi e stabili - nitruri.

Il vantaggio è una temperatura di lavorazione inferiore rispetto al processo di cementazione - 500-600 ºС. Inoltre, lo strato nitrurato ha proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione più elevate (queste proprietà sono mantenute a temperature fino a 500 ºС). Le caratteristiche dello strato cementato sono stabili a temperature fino a 220 ºС.

cianurazione

Questo processo è un riempimento una tantum della superficie dell'acciaio con azoto e atomi di carbonio. La tecnologia prevede l'uso di entrambe le fasi liquida e gassosa. Il cianuro può anche essere a bassa e alta temperatura.

Quando il liquido usato bagni speciali pieni di cianuro e sali neutri. Dopo la saturazione della superficie con azoto, il processo si trasforma in cemento. A cianurazione a bassa temperatura, le parti sono ulteriormente sottoposte a trattamento termico aggiuntivo.

La cementazione del gas avviene in un mezzo contenente gas nitranti e cementanti. Con questo metodo di cianurazione, la profondità degli strati trattati raggiunge 1,8 mm.