Основы термообработки деталей

Термическая обработка – заключается в нагреве изделий и заготовок до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью с целью изменения структуры и свойств стали (рис.8). В основе процессов термической обработки лежит явление аллотропии (полиморфизма) – существование одного и того же металла в различных кристаллических формах.

Термическая обработка деталей преследует три основных цели – улучшение обрабатываемости металла, уменьшение внутренних напряжений и улучшение механических свойств металла.

Основными технологическими параметрами, определяющими свойства сплавов после термической обработки, являются температура и длительность нагрева, выдержка при выбранной температуре нагрева и скорость последующего охлаждения. Изменяя эти параметры, можно получить сплав с теми или иными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

При нагреве и охлаждении в железоуглеродистых сплавах происходят структурные превращения (рис.9). При медленном нагревании до температуры 723 С (линия РSК) никаких превращений в стали не происходит. При достижении критических температур в стали происходят структурные изменения: перлит переходит в аустенит. При температуре выше линии GSЕ сталь будет иметь однородную структуру – аустенит.

В зависимости от режимов обработки, определяющих фазовые и структурные изменения в металле, различают следующие виды термической обработки – отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.

Отжиг – производится для снятия твердости, увеличения пластичности и вязкости и улучшения обрабатываемости стали. Чаще всего отжигу подвергаются отливки, сварные конструкции и др. В результате отжига снимаются внутренние напряжения, выравнивается химический состав материала по объему заготовки, и устраняется его структурная неоднородность. В отдельных случаях отжиг применяется для изменения химических свойств стали. Например, с помощью отжига можно изменить магнитные свойства трансформаторной стали.

Сущность отжига заключается в нагреве стали выше линии GSК на 30…50 С (рис.9), выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью. При этом получают наиболее равновесные структуры: феррит с перлитом, перлит или перлит с цементитом.

Отжиг является длительной операцией, продолжающейся иногда до 12…20 ч.

Нормализация – отличается от отжига повышенной скоростью охлаждения и является промежуточным процессом между отжигом и закалкой. При нормализации сталь нагревают выше линии GSЕ на 30...50 С и после продолжительной выдержки медленно охлаждают на воздухе (рис. 9). Нормализованная сталь имеет структуру сорбита и несколько повышенную твердость и прочность, по сравнению с отожженной. Нормализованные детали имеют хорошее сочетание прочности и вязкоупругих свойств и применяются в узлах, подвергающихся сравнительно невысоким знакопеременным нагрузкам. Нормализации подвергают фасонные отливки, поковки, штамповки и прокатные материалы.

Закалка – это процесс, который заключается в нагреве стали выше линии GSК на 30…50 С, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении (рис.9). Основная цель закалки – получение высокой твердости и прочности.

Резкое увеличение твердости и прочности в процессе закалки происходит за счет изменения структуры в процессе нагрева и охлаждения, образования неравновесных твердых структур – мартенсита, троостита и сорбита.

Скорость охлаждения, которая обеспечивает превращение аустенита в мартенсит, называется критической скоростью закалки. Для образования мартенсита скорость охлаждения должна превышать 150 С/с, что не позволяет углероду выделятся из решетки аустенита.

Мартенсит имеет характерное игольчатое строение, отличается высокой твердостью (50…60 НRCэ), прочностью и хрупкостью. Поэтому чем больше аустенита превращается в мартенсит, тем сталь после термообработки будет более твердой.

Закалке можно подвергнуть стали с содержанием углерода более 0,3 %. Температура нагрева под закалку зависит от химического состава стали.

Нагрев деталей должен быть медленным, чтобы не возникли напряжения и трещины. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы обеспечить получение нужной структуры – мартенсита, троостита и сорбита, т.е. обеспечить необходимые механические свойства обрабатываемой детали.

Скорость охлаждения при закалке, определяющая строение и свойства термообработанной стали, зависит от закалочной среды и технологической схемы охлаждения. Наиболее распространенными закалочными средами является вода, водные растворы солей и щелочей, минеральные масла и др.

При охлаждении в процессе закалки в стали возникают термические и структурные внутренние напряжения, обусловливающие различные искажения формы детали. Поэтому для устранения этих дефектов необходимо иметь припуски, которые снимаются после закалки, а процесс закалки проводить перед окончательной чистовой обработкой. Эти припуски должны быть минимальными, поскольку твердые закаленные поверхности плохо обрабатываются резанием.

Завершающей обработкой термической обработки является отпуск.

Отпуск – предназначен для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости и получения требуемой структуры. Он заключается в нагреве стали до температуры ниже 723 С, выдержке при этой температуре и охлаждении. В зависимости от температуры нагрева закаленной детали различают три вида отпуска: низкий, средний, высокий.

Низкий отпуск производится при температурах 150…250 С с целью уменьшения закалочных напряжений при сохранении мартенситной структуры, при этом обеспечивается максимальная твердость (59…63 HRCэ) и несколько повышается ударная вязкость. Применяется этот метод отпуска в основном для режущего и измерительного инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, для которой необходимы высокая твердость и износостойкость. В результате низкого отпуска образуется мартенсит отпуска.

Средний отпуск производится при температурах нагрева 300…450 С и применяется обычно для пружинных и рессорных сталей, а также для сталей, идущих на изготовление штампов. После среднего отпуска твердость стали составляет 44…54 HRCэ. В результате среднего отпуска мартенсит распадается на высокодисперсные смеси феррита и цементита, называемые трооститом отпуска.

Высокий отпуск производится при температурах нагрева 500…650 С и применяется, главным образом, для деталей из конструкционных сталей, работающих при знакопеременных нагрузках (валы, оси и др.). Высокий отпуск создает наилучшее сочетание прочности и вязкости, образуемая при этом структура называется сорбитом отпуска.

Длительность выдержки стали при отпуске составляет обычно 0,5…!,5 ч, а скорость охлаждения в большинстве случаев значения не имеет.