Глава 6. Виды термической обработки материалов

Цель термообработки состоит в изменении механических свойств и структуры металла путем воздействия на заготовку температурными полями. Существуют различные виды термообработки.

§ 6.1 Объёмная закалка

Цель объёмной закалки состоит в получении высокой твёрдости материала детали. Сущность объёмной закалки состоит в нагревании стальных заготовок до температуры фазовых превращений (свыше 700ºС), выдержке заготовки при этой температуре и последующем быстром охлаждении в воде или в масле. В результате быстрого охлаждения сталь приобретает новую структуру строения, которая называется мартенсит. Мартенсит имеет высокую твёрдость, поэтому и стальная деталь приобретает высокую твёрдость и износостойкость. Нагрев производится в газопламенных или электрических печах.

Объёмной закалке подвергаются стали с высоким содержанием углерода – больше 0,35%. При меньшем содержании углерода необходимых фазовых превращений при остывании стали не происходит. Достигаемая в результате объёмной закалки твёрдость различна для разных марок сталей, зависит от количества углерода и легирующих элементов. Диапазон твёрдости 35…62 единицы по шкале Роквелла (35…62 HRC). Например, Сталь 45 закаляется до 40…44 HRC, а быстрорежущая сталь Р6М5 до 56…60 HRC.

§ 6.2 Отпуск

Отпуску подвергают закалённые заготовки. Дело в том, что получившийся в результате закалки мартенсит имеет высокую твёрдость, но также имеет неравномерную структуру строения и склонен к хрупкому разрушению от ударных нагрузок, т.е. закалённая деталь может треснуть. Поэтому, проводят ещё одну термообработку, которая называется отпуск. Сущность отпуска состоит в нагревании стальной заготовки до температуры 200…350ºС, выдержке при этой температуре и последующем остывании на воздухе. В результате отпуска структура мартенсита становится более равномерной. Твёрдость заготовки несколько снижается, но также снимается склонность к хрупкому разрушению. Деталь остаётся достаточно твёрдой, прочной, износостойкой и несклонной к хрупкому разрушению. Различают низкий, средний и высокий отпуск. Они отличаются температурой нагрева заготовки.

§ 6.3 Цементация

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода – менее 0,35%. Сущность цементации состоит в следующем. Сначала заготовку из малоуглеродистой стали помещают в углерод содержащую среду (угольную пыль, газовую камеру, угольнокислую соль). Там происходит насыщение поверхностного слоя заготовки углеродом. Глубина насыщения составляет 0,5…4 мм в зависимости от времени выдержки. Сталь поверхностного слоя становится высокоуглеродистой. Затем производят закалку. В результате поверхностный слой заготовки приобретает структуру мартенсита, становится твёрдым, а сердцевина детали остаётся вязкой. Поэтому, такая деталь сочетает высокую твёрдость, износостойкость поверхностного слоя и вязкую сердцевину, что обеспечивает прочность и несклонность к хрупкому разрушению.

§ 6.4 Закалка токами высокой частоты

Закалке ТВЧ подвергаются стали с высоким содержанием углерода – свыше 0,35%. В основе этого процесса лежит физический эффект – ток высокой частоты протекает по поверхности проводника. Проводником является заготовка. Через заготовку пропускают высокочастотный ток. Поверхность заготовки разогревается до высоких температур (свыше 700ºС) за несколько секунд, а сердцевина остаётся холодной. Затем производят быстрое охлаждение в воде или в масле. В результате поверхность заготовки закаляется и приобретает высокую твёрдость, а сердцевина остаётся вязкой. Поэтому, такая деталь сочетает высокую твёрдость, износостойкость поверхностного слоя и вязкую сердцевину, что обеспечивает прочность и несклонность к хрупкому разрушению.

§ 6.5 Отжиг

Сущность отжига состоит в нагревании заготовки до температуры 450…650ºС, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью. Скорость остывания составляет 50…100ºС в час. Отжиг применяется для снятия внутренних напряжений материала заготовки, для получения более равномерной структуры строения металла, для исправления дефектов кристаллической решётки металла.

Внутренние напряжения образуются в отливка, сварных заготовках в пластически деформированных заготовках вследствие, например, неравномерного остывания разных участков отливки. Впоследствие, внутренние напряжения могут привести к короблению готовых деталей, т.е. к искривлению, скручиванию и другим погрешностям формы детали. Соответственно, отжиг позволяет избежать коробления. Отжиг применяется для ответственных, точных деталей: корпусов, станин, длинномерных валов и др.

§ 6.6 Старение

Естественное старение заключается в том, что заготовки с внутренними напряжениями хранятся под открытым небом (под дождём, снегом, ветром и т.д.) в течение длительного времени – от полугода до двух лет. Внутренние напряжения снимаются вследствие естественных процессов релаксации напряжений. Но такие процессы происходят в течение длительного времени, поэтому заготовки хранятся так долго. Естественное старение самый лучший процесс для снятия напряжений, поэтому он применяется для особо точных, ответственных деталей, например, станин высокоточных станков.

Существует также искусственное старение, когда заготовки несколько раз нагревают до температуры 50…150ºС и медленно остужают вместе с печью, а затем вновь складывают под открытым небом. В этом случае срок хранения сокращается до 3…6 месяцев. Но естественное старение более эффективно.

Вопросы для самоконтроля

1) Объясните сущность объёмной закалки?

2) Каково назначение объёмной закалки?

3) Объясните сущность отпуска?

4) Чем различаются детали, подвергнутые объёмной закалке и цементации?

5) Какой физический эффект лежит в основе закалки токами высокой частоты?

6) Какими преимуществами обладает деталь, подвергнутая закалке ТВЧ, по сравнению с деталью, подвергнутой объёмной закалке?

7) Каково назначение отжига?

8) Объясните сущность процесса старения?