Термічна обробка металів

Останнім часом все більше застосування находить спосіб терміч­ної обробки металів, видами якого являються: відпал, нормалізація, гартування, відпуск та термоциклічна обробка металів.

Як уже говорилося, при термічній обробці проходять структурні перетворення металів при зміні умов охолодження. При швидкому охолод­женні метал придбає більшу твердість та міцність, а при повільному в’язкість та пластичність. Чому так відбувається?

Розглянемо приклад, коли сталь знаходиться при температурі вище 723°С, тобто складається з аустеніту, що має гранецентровану кубічну решітку. При швидкому охолодженні з швидкістю не менше 150-200° у секунду кристалічна решітка γ - заліза перебудовується в об’ємноцентровану кубічну кристалічну решітку (£– залізо), але атом вугле­цю не встигає вийти з нової решітки заліза і залишається в ній (в центрі елементарної комірки).

Так утворюється пересичений твердий розчин вуглецю у £ - залізі, який називається мартенсітом. Він відрізняється великою твердістю, пружністю, але майже повною відсутністю пластичності. Таку структуру прагнуть одержати в виробах, від яких вимагається головним чином висока твердість (ріжучий та вимірювальний інструмент).

При меншій швидкості охолодження (до І00° у секунду) атом вуглецю встигає вийти з кристалічної решітки і хімічно з’єднатися з залізом, утворює цементит, який чергується з зернами ферріту.

Така суміш з частинок ферріту і цементиту невеликих розмірів одержала назву трооститу.

Сталь з трооститовою структурою має високу твердість, пружність та міцність при деякій пластичності і в’язкості.

Якщо ще більше уповільнити охолодження, то троостит перейде в сорбіт - суміш з феріту та цементиту, але з більш крупними зернами, ніж у трооститі.

Сорбітова структура достатньо міцна, тверда і пружна, а також має хорошу в’язкість та пластичність, що особливо цінно у виробах, що піддаються дії удару (колінчаті вали, рейки та ін.).

Таким чином, змінюючи умови охолодження і змінюючи міжатомну і кристалічну структуру матеріалу в потрібному нам напрямку, можна при­дати металам різноманітні властивості - любі комбінації твердості, в’язкості, пластичності і міцності.

На використанні явища вторинної кристалізації, що протікає у середині матеріалу при його нагріванні та охолодженні, основана термічна обробка.

Термічній обробці піддаються самі різноманітні метали і сплави, найчастіше сталь та чавун.

Розглянемо основні види термічної обробки металів.

Відпал є найпростішим видом термічної обробки. Він заключається в нагріванні сталі до певної температури, витримці при цій температурі на протязі часу, необхідного для рівномірного прогрівання відпалюваного матеріалу по всьому перерізу і послідуючого охолодження.

Він приводить метал або сплав у більш рівноваговий стан.

Відпал буває 1-го та 2-го роду.

Відпал 1-го роду заключається в приведенні структури металу з нерівновагового стану у більш рівноваговий.

Відпал 2-го роду приводить до зміни структури металу або сплаву за допомогою перекристалізації біля критичної точки (точки фазового перетворення).

Розрізняють слідуючи різновидності відпалу 1-го роду:

- дифузний або гомогенізаційний, який ліквідує хімічну мікронеоднорідність, що виникає при нерівномірній кристалізації. Нагрівають до температури 1100 - 1150°С, витримують 10-15 годин і охолоджують разом з піччю.

- рекристалізаційний - ліквідує зміну структури, що виникла в процесі обробки металів тиском, при якому утворюється накльоп, супроводжуваний замітним підвищенням твердості та зниженням пластичності. Нагрівають до 500 - 550°С і охолоджують разом з піччю.

- відпал, що знижує або зменшує залишкові внутрішні напруження, що виникають при різних технологічних операціях (холодній обробці тиском, зварюванні та ін.). Нагрівають до 600-700°С і охолоджують разом з піччю.

Відпал 2-го роду, або повний, змінює структуру сплаву і ліквідує внутрішню напругу. Для його виконання заготовку нагрівають до температури, що перевищує на 30 - 50° температуру фазового перетворення, і повільно охолоджують разом з піччю.

Такий процес термообробки проводять після штампування відливки заготовок, а також після чорнової механічної обробки з метою знижен­ня твердості

Різновидністю відпалу є нормалізація, при якій сталь, після нагрівання на 30-50° вище температури фазового перетворення, охолоджується не в печі, а на повітрі в цеху, це економніше.

Внаслідок нормалізації сталь набуває дрібнозернисту і однорідну структуру. Твердість і міцність сталі після нормалізації вище, ніж після відпалу.

Гартування. Це вид термічної обробки стальних виробів вище температури фазових перетворень з послідуючим швидким охолодженням у від­повідному середовищі.

Середовищем охолодження можуть бути вода, мінеральні масла, розчини солей або розплавлені солі (270 - 290°С).

Більшість конструктивних сталей при гартуванні нагрівають до температури 850-900°С, а охолоджують у воді, маслі, або соляних розчинах.

При гартуванні утворюється дуже тверда структура - мартенсітова.

Сталі, в яких менше 0,3% вуглецю гартування не приймають. З збіль­шенням кількості вуглецю здатність сталі до гартування підвищується.

При необхідності одержати високу твердість тільки поверхневого шару, застосовують поверхневе гартування заготовок, нагріваючи їх струмом високої частоти з послідуючим швидким охолодженням.

Відпуск. Гартування, яке приводить до утворення мартенсітової структури, знижує пластичність і в’язкість сталі, придаючи їй крихкість Тому гартування, звичайно, не є заключною операцією.

Для ліквідації крихкості загартовану сталь піддають послідуючій термічній обробці - відпуску.

При відпуску загартовану сталь нагрівають до температури нижче 723°С (точка аустеніту), а потім охолоджують в повітрі.

Відпуск, роблячи сталь менш крихкою, одночасно зменшує її твердість.

При нагріванні до 200°С твердість зменшується всього на 5%, а при нагріванні до 500°С - майже у двічі.

Розрізняють низький, середній та високий відпуск.

Низький (температура не вище 300°С) застосовується для обробки ста­лі, з якої виготовляють інструмент та вироби, які повинні мати високу твердість та зносостійкість.

Середній відпуск (300 - 500°С) використовується для термообробки ударного інструменту (штампів, пружин).

Високий відпуск (500 - 700°С) застосовується для обробки деталей з конструкційних сталей, придає їм підвищену міцність та найбільшу в’язкість.

Термоциклічна обробка. Останнім часом широке застосування знаходить термоциклічна обробка сталей та чавунів. Вона заключається в тому, що заготовку нагрівають до температури на 30 - 50° вище точки фазового перетворення, без витримування охолоджують до темпера­тури на 80 - 100° нижче точки фазового перетворення, потім 3-7 кратне повторення циклу - нагрівання - охолодження і послідуючим повним охолодженням з тією чи іншою швидкістю.

Така обробка приводить до утворення зверхдрібнозернистої структури, яка визначає одержання виробів з унікальними властивос­тями - одночасно підвищена міцність, в’язкість та пластичність.

Обробка холодом, цей спосіб застосовується для підвищення твердості сталі шляхом переводу остаткового аустеніту у мартенсіт. Холодом обробляють вуглецеву сталь з вмістом вуглецю більше 0,5%, а також леговані сталі.