Краткие теоретические сведения. Термической обработкойназывают технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств без

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств без изменения их химического состава.

Основной механизм термической обработки это перекристаллизация сплавов в твердом состоянии при их нагреве и охлаждении. Процессы термической обработки стали и чугуна основаны на явлении вторичной кристаллизации по линиям GS (A_C3), SE (_ACm), PK (_AC1). Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты.

Технология термической обработки заключается в нагреве сплава до определенной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с различными скоростями (рис. 6).

В зависимости от температурных режимов термическая обработка подразделяется на следующие виды: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Отжиг заключается в нагреве стали на 30…50° С выше критических температур (точек А_С1 или А_С3), выдержке заданной температуре и медлен

ном охлаждении (обычно вместе с печью). Цель отжига – устранить внутренние напряжения, измельчить зерно, придать стали пластичность, привести структуру в равновесное состояние.

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали выше точки А_С3, эвтектоидной стали – выше точки А_С1, заэвтектоидной стали – выше точки А_Сm, на 30…50° С, выдержке при данной температуре и последующем охлаждении на воздухе. Цель нормализации доэвтектоидных и эвтектоидных сталей та же, что и полного отжига. Однако после нормализации твердость и прочность стали будут выше, чем при отжиге. Нормализация применяется для устранения крупнозернистой структуры, выравнивания механических свойств. В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет цементитную сетку.

Закалка – процесс нагрева стали выше точки А_С3 (полная закалка) или А_С1 (неполная) на 30…50° С с последующим быстрым охлаждением.

Цель закалки – получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств.

Свойства сталей после термической обработки во многом зависит от вида охлаждающей среды. Для изменения скорости охлаждения в воду добавляют соли, щелочи или используют охлаждающие жидкости такие как масло, расплавленные соли металлы.

При закалке в момент погружения изделия в охлаждающую среду вокруг него сразу же образуется пленка перегретого пара (паровая рубашка), через которую и происходит охлаждение – это стадия пленочного кипения. Когда температура поверхности достигает некоторого значения, паровая рубашка разрывается, и жидкость начинает кипеть на поверхности детали - охлаждение проходит быстрее – это стадия пузырчатого кипения. И когда температура поверхности становится ниже температуры кипения жидкости, охлаждение опять замедляется – идет стадия конвективного теплообмена.

Подбирая охлаждающую среду, а, следовательно, и скорость охлаждения, можно получить различные структуры: крупно- и мелкозернистые, зернистые, пластинчатые и игольчатые отличающиеся дисперсностью и твердостью.

При медленном охлаждении по линии РК происходит полное распадение аустенита с образованием структуры перлита. Распадение происходит с образованием двух фаз: крупных пластин цементита на перлитной основе. Размеры этих пластинок измеряются тысячными долями миллиметра.

При увеличении скорости охлаждения до 50 град/с, распадение цементита не успевает полностью закончиться, но степень измельченности (дисперсности) пластинок цементита становятся более высокой. Размеры пластинок цементита измеряются десятитысячными долями миллиметра и различимы только очень больших увеличениях. Такая структура называется сорбитом.

При увеличении скорости охлаждения до 100 град/с успевает завершиться этап распадения аустенита. В результате размеры пластинок цементита измеряются стотысячными и миллионными долями миллиметра. Такая структура носит название троостита. Наличие тончайших пластинок цементита можно обнаружить с помощью электронного микроскопа.

При скорости охлаждения 150-200 град/с успевает завершиться перегруппировка атомов железа, поэтому углерод остается в виде твердого раствора в a – железе. Эта структура называется мартенситом.

Следовательно перлит, сорбит и тростит по структуре представляют смесь двух фаз – феррита и цементита и отличаются друг от друга только степенью дисперсности цементита, а мартенсит содержит только одну фазу – твердый раствор углерода в a – железе.

Для крупных, но простых по форме деталей из углеродистой стали, применяют воду или водные растворы щелочей.

Охлаждение в водных растворах кислот, солей и щелочей лучше чем охлаждение в чистой воде, так как нет периода пленочного кипения. Причем изменение температуры среды влияет на охлаждающую способность. В инструментальном производстве применяют 5…15% растворы NaCl в воде. Для изделий сложной формы, склонных к короблению и трещинообразованию – растворы щелочей.