Основы термической обработки

Термической обработкой металлов и спла­вов называется совокупность операций нагрева, выдержки и последующего охлаждения с целью изменения структуры и получе­ния металлов и сплавов с необходимыми свойствами

Термической обработке подвергают заготовки (кованые, штампован­ные, литые и др.) и готовые детали. Заготовки подвергают термичес­кой обработке в целях улучшения их структуры и снижения твердости, а обрабатываемые детали — для придания им необходимых свойств: твердости, прочности, износостойкости, упругости и др.

Д. К. Чернов, работая на Обуховском заводе над изучением орудийных сталей, обнаружил ряд изменений в стали при ее нагревании и охлаждении, которые не были замечены металлургами до него. Наблюдая за раскаленными заготовками стали, он неоднократно замечал, что при определенных температурах в металле происходят какие-то внутренние превращения (изменения). Об этом можно было су­ть по двум признакам: в определенный момент цвет охлаждаемой стали становился на несколько мгновений ярче, и в это же время от стали интенсивно отскакивала окалина. Он открыл две температуры, которые оказывали решающее значение на строение и свойства охлажденной стали.

Это открытие Д. К. Чернова имеет мировое значение. Практически 4но значит, что для получения высоких механических свойств сталь следует нагревать до критической точки или несколько выше, а затем охладить.

Последующие исследования ряда ученых подтвердили существование критических точек и превращений в стали, которые впервые объяснил Д.К.Чернов.

Изменяя температуру и продолжительность нагрева, температуру, продолжительность выдержки и скорость охлаждения, можно сообщить стали одного и того же химического состава самые разнообразные свойства, т. е. делать ее твердой или мягкой, в различной степени пластичной, хрупкой и т. п. Совокупность этих условий называется режимом термической обработки.

5.1. Отжиг и нормализация

В зависимости от температуры нагрева и условий охлаждений, различают следующие виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Они имеют различное назначение и отлича­ются друг от друга скоростью и температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и скоростью охлаждения. Температура нагрева при отжиге, нормализации и закалке стали зависит от содержания углерода.

О т ж и г о м называют такую операцию, при которой сталь на­гревают до определенной температуры, выдерживают при этой темпе­ратуре и затем медленно охлаждают вместе с печью. Отжиг повышает обрабатываемость стали резанием и давлением.

Целью отжига является:

- уменьшение внутренних напряжений в деталях после механичес­кой (горячей или холодной) обработки — низкотемпературный отжиг;

- устранение нежелательного изменения в структуре, вызванного обработкой,— полный отжиг;

- изменение структуры в целях облегчения условий обработки реза­нием, т. е. уменьшение сопротивления стали резанию,— неполный отжиг.

Низкотемпературный отжиг. Неравномерность ох­лаждения стального проката или поковок приводит к образованию внутренних напряжений в металле, которые в необработанной заго­товке не проявляются и обнаруживаются только при односторонней ее обработке. Волочение, прокатка, строгание, точение, фрезерование и др. вызывают возникновение в заготовке внутренних напряжений, которые должны быть уменьшены или полностью устранены перед закалкой изделия. В таких случаях достаточно нагреть заготовку до температуры 500—600° С.

Полный отжиг применяют главным образом после горячей обработки деталей (ковки и штамповки), а также для обработки литья из углеродистых и легированных сталей. Основной целью полного отжига кованых и литых деталей является измельчение зерна. Полный отжиг осуществляется путем нагрева стали на 30—50° С выше определенной точки, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения вместе с печью. Время выдерж­ки при нагреве должно быть достаточным для прогрева изделий по всему сечению.

Неполный отжиг. Если до отжига структура стали удов­летворительная, но сталь обладает повышенной твердостью и в де­талях имеются внутренние напряжения, применяют неполный отжиг. При неполном отжиге сталь нагревают до температуры, на 30—40^е С превышающей нижнюю критическую точку, т. е. до 750—760° С. Замедленное охлаждение или длительная выдержка стали при темпе­ратурах 680—750°,С способствует образованию крупнозернистости, облегчающей обрабатываемость резания стали.

Для мягких сталей с содержанием углерода до 0,4—0,5% непол­ный отжиг применяется редко. Для инструментальных сталей непол­ный отжиг является единственным видом отжига. Он способствует снятию внутренних напряжений и улучшению обрабатываемости.

Изотермический отжиг в отличие от полного отжига заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30—50° С выше определенной температуры и после выдержки охлаждают в расплавленной соли до температуры ниже определенной точки на 30—100° С (680—700° С). При этой температуре сталь подвергают выдержке, а за­тем охлаждают до комнатной температуры. Температура изотермичес­кой выдержки (650—700° С) оказывает значительное влияние на свой­ство стали.

Основное преимуществ изотермического отжига состоит в том, что он позволяет сократить длительные циклы, применяемые при указанных отжигах деталей из легированной стали, которые требуют очень медленного охлаждения для снижения твердости.

Диффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют, чтобы выровнять (путем диффузии) химический состав стали в слитках и крупных отливках. Диффузионный отжиг осуществляют при высоких температурах (1100—1200° С) с выдержкой от 10 до 15 ч при этой температуре, а затем медленно охлаждают до 600—550° С.

Сталь, прошедшая диффузионный отжиг, обладает более высокими механическими свойствами, особенно повышается ударная вязкость.

Рекристаллизационный, или низкий, отжиг применяют для исправления искажений кристаллической решетки, полученных при холодной прокатке, волочении или холодной штам­повке. Отжиг производят нагреванием стали до температуры 630—650° С с выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением, в результате чего вместо деформированной (вытянутой) структуры получают мелкозернистую, равноосную, мягкую и вязкую структуру.

Нормализацией называется операция нагрева стали на 30—50°С выше определенной линии с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе.

Нормализации подвергаются штампованные и кованые заготовки из углеродистой и легированной стали. Цель нормализации — улуч­шение микроструктуры стали, повышение механических свойств и подготовка к последующей термической обработке. Нормализацией можно исправить структуру после ковки и штамповки деталей, унич­тожить последствия перегрева после сварки деталей и снять напряже­ния в сварном шве. После нормализации отливки имеют высокий пре­дел текучести и прочности, а также повышенную ударную вязкость. Для некоторых марок углеродистых и специальных сталей нормализа­ция является окончательной операцией термической обработки, так как в результате нормализации сталь приобретает требуемые свой­ства.

5.2. Закалка

Закалкой называют такую операцию термической обработки, при которой сталь нагревают до температуры, несколько выше кри­тической, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаж­дают в воде, масле, водных растворах солей и др.

Цель закалки — получение стали с высокими твердостью, прочно­стью, износоустойчивостью и другими важными свойствами, повышающими эксплуатационную надежность и долговечность обрабатывае­мых деталей и инструмента. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.

При выборе режимов закалки пользуются соответствующими спра­вочниками.

Допускаемая скорость нагрева металла при термической обработке зависит от типа нагревательного устройства, веса одновре­менно нагреваемого металла, его химического состава, теплопровод­ности, степени однородности и чистоты, а также формы, размеров дета­лей и температуры нагрева.

В качестве закалочной среды применяют: воду, водные растворы солей, расплавленные соли и минеральные масла (ве­ретенное, машинное и трансформаторное). Закалочную среду выбирают с учетом химического состава стали. Нужно иметь в виду, что единой универсальной среды для закалки стали нет, поэтому пользуются различными средами. В качестве закалочных сред используют также 5—10%-ный раствор едкого натра или поваренной соли, при этом скорость охлаждения ста­ли в два раза больше.

5.3. Отпуск

Отпуском называется процесс термической обработки, при­меняемый после закалки стали с целью устранения внутренних напря­жений, уменьшения хрупкости, понижения твердости, увеличения вязкости и улучшения обрабатываемости.

Отпуск заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре с последующим ох­лаждением в воде, масле или другой среде. В зависимости от темпера­туры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск применяют для обработки режущего и измерительного инструмента, изготовленного из углеродистых и низ­колегированных сталей, шариков и роликов шарикоподшипников и др. Низкий отпуск осуществляют при температуре 150—250° С с вы­держкой при этой температуре и последующим охлаждением на воз­духе. В результате низкого отпуска сталь сохраняет высокую твердость НR_c 60 и устраняется хрупкость, снимаются внутренние напряжения.

Средний отпуск применяют для инструментов, которые должны обладать значительной прочностью и упругостью при средней твердости НR_c 35—47, а также для некоторых деталей (пружин, рес­сор). Этот отпуск производится при температуре 300—500° С.

Высокий отпуск (500—600°С) применяется с целью пол­ностью снять внутренние напряжения, придать деталям высокую вяз­кость при сохранении достаточной твердости (НR_c 207—281). Высо­кому отпуску подвергаются детали машин из конструкционной стали, которые работают при больших напряжениях и ударах: зубчатые ко­леса, валы, шатуны и т. д.

5.4. Старение закаленной стали

При низкотемпературном отпуске большая часть внутренних нап­ряжений в закаленной стали остается. С течением времени они посте­пенно исчезают, в результате чего в металле наступает полное структур­ное равновесие. Самопроизвольное исчезновение внутренних нап­ряжений при комнатной температуре весьма длительно и сопровожда­ется изменением формы и размеров закаленных деталей. Этот процесс называют естественным старением. Изменение разме­ров в процессе естественного старения невелико и измеряется в микро­нах. Для деталей машин и режущего инструмента изменения размеров не имеют практического значения, поэтому их обычно не учитывают. Однако при изготовлении сверхточных машин, например координатно-расточных станков, измерительных калибров, даже такие небольшие изменения недопустимы. Чтобы размеры деталей и инструмента не из­менялись с течением времени и оставались стабильными, их подверга­ют искусственному старению.

Сущность искусственного старения состоит в том, что закаленные и отпущенные при низкой температуре детали и инструмент после пред­варительного шлифования сначала подвергают нагреву до 100—150° С, затем выдерживают при этой температуре в течение 18—35 ч. При та­ком нагреве и выдержке все процессы, вызывающие изменение разме­ров стали, протекают значительно быстрее, чем при комнатной температуре. Поэтому после старения размеры деталей и инструмента ста­билизируются.

Искусственное старение чаще всего производится в масляных ван­нах. При отсутствии в цехе масляных ванн искусственное старение производят в кипящей воде с выдержкой в течение 36 ч.

Вопросы для самопроверки

1. Какие физико-механические свойства стали могут быть изменены путем термической обработки?

2. В чем разница между деталями, прошедшими отжиг и нормализацию? Приведите примеры из вашей практики.

3. В каких случаях применяют закалку с нагревом металла в печах и в ка­ких случаях нагрев осуществляют токами высокой частоты?

4. Назовите виды термической обработки стали и объясните их назначение.

5. Расскажите о процессе отжига стали. Какие виды отжига применяют?

6. Какие дефекты могут быть при закалке? Как их предупредить и устра­нить?