Основные виды термической обработки стали

Тема 1.3 Основы термической и химико-термической

Обработки металлов

Основы термической обработки стали

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.

Основные виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск и старение. Принципиальная возможность применения того или другого вида термической обработки определяется диаграммами фазового равновесия сплавов. Основой для выбора видов и режимов термической обработки сталей является часть диаграммы железо – цементит с содержанием углерода до 2.14% и расположенная ниже линии солидус.

Основные виды термической обработки стали

Термическая обработка стали позволяет значительно изменить многие свойства металлов и особенно механические, не меняя химического состава. Изменяя температуру и скорость нагрева или охлаждения, можно целенаправленно изменять структуру и свойства стали в зависимости от требований, предъявляемых к изделиям. Выбор вида термической обработки определяется характером требуемых структурных изменений в металле.

Основные виды термической обработки: отжиг 1 и 2 рода, закалка, отпуск.

Отжиг является распространенной операцией термической обработки сталей и чугунов. При отжиге сталь нагревают ниже (отжиг 1 рода) или выше (отжиг 2 рода) температур критических точек, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают. В результате получается стабильная структура. Отжиг применяют для устранения неоднородности микроструктуры литых деталей для снятия наклепа в материале после прокатки, ковки и других видов обработки, а также для подготовки детали к последующей технологической операции - резанию, закалке и т.д.  К отжигу 1 рода относятся диффузионный, рекристаллизационный и отжиг для снятия остаточных напряжения.

Диффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют для устранения дендритной ликвации в стальных слитках и отливках. Схема технологического процесса включает нагрев до температуры 1100˚С, длительную выдержку в течение 8 – 20 ч.  и медленное охлаждение. Диффузионный отжиг назначают с целью повышения пластичности и вязкости легированных сталей.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа и повыщения пластичности холоднодеформированной стали. Схема технологического процесса включает нагрев до температур, превышающих порог рекристаллизации (650 – 760˚С), выдержку в течение 0.5 – 1.5 ч . последующее медленное охлаждение. Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для стальных изделий после литья, сварки или механической обработки.Схема технологического процесса включает нагрев до 160 – 700˚С, выдержку в течение 2 – 3ч. и последующее медленное охлаждение.

Отжиг 2 рода применяют для получения равновесной структуры с целью снижения твердости, повышения пластичностии вязкости стали, увеличения обрабатываемости, измельчения зерен. Его проводят при температурах выше точек Ас₃ или Ас₁ и подразделяют на полный, неполный и изотермический. Разновидностью полного отжига является нормализационный.

Нормализация (нормализационный отжиг)- более экономичная термическая операция, чем отжиг, применяется для получения мелкозернистой однородной структуры, высокой прочности сталей,  устранения цементитной сетки в структуре заэвтектоидной стали, частичного снятия внутренних напряжений и наклепа, улучшения штампуемости и обрабатываемости резанием. Осуществляется нагревом и ускоренным охлаждением на воздухе.

 Отжиг бывает: полный отжиг (              ), неполный отжиг (для улучшения обрабатываемости резанием сталей), изотермический отжиг (для измельчения зерна, снижения твердости и снятия внутренних напряжений).

Закалка является основным видом упрочняющей термической обработки сталей и чугунов. При закалке стали нагревают выше критических температур, а затем охлаждают со скоростью, превышающей критическую. Критическая скорость – это минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая превращения аустенита (тв. р-р С в Fe) в мартенсит (тв. р-р С в Fe). Это позволяет получить неравновесную структуру с высокой твердостью, износостойкостью и прочностью. Температуру закалки выбирают в зависимости от температуры критических точек с учетом химического состава сталей.

  В практике термической обработки сталей наряду с непрерывной закалкой широкое применение находят закалка в двух средах и ступенчатая. 

Закалка в двух средах заключается в прерывистом охлаждении изделия - сначала быстро в воде до температуры 300˚С, а затем в масле или на воздухе охлаждается до 20 ˚С. Такой режим закалки обеспечивает быстрое прохождение температурного интервала минимальной устойчивости аустенита при охлаждении в воде, а перенос изделия на воздух или масло уменьшает внутренние напряжения возникающие при быстром охлаждении.

Ступенчатая закалкавключает охлаждение нагретого изделия сначала в расплавленных солях при температуре (                            ), непродолжительную выдержку для выравнивания температуры по всему сечению изделия, а затем охлаждение на воздухе. При такой закалке уровень внутренних напряжений и склонность к образованию трещин меньше.

Закалка с обработкой холодом предусматривает продолжение охлаждения закаленной стали до температур ниже нуля.

 Поверхностная  закалкастали применяется для придания некоторым деталям (валам, шестерням ...) высокой износостойкости поверхности, твердости, прочности, а также  высокой вязкости и пластичности внутренних слоев. Этот процесс заключается в нагреве поверхностного слоя изделия  выше точек фазовых превращений с последующим охлаждением с целью получения структуры мартенсита в поверхностном слое. Закалочные температуры для поверхностной закалки выбираются более высокими (на 100–200˚С), чем обычной.

Наиболее распространены следующие методы поверхностной закалки: с индукционным нагревателем, газоплазменная поверхностная закалка и закалка в электролите.

Отпуск сталей проводят для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости закаленной стали и получения требуемой структуры и механических свойств. В зависимости от температуры отпуск делят на: низкий (                         ), средний (                              ) и высокий (нагрев и выдержка при температурах 500–680˚С в течение 1 – 6ч в зависимости от габаритов изделия и охлаждение на воздухе).

Старение стали –этоизменение свойств сплава с течением времени. В результате старения изменяются физико-механические свойства (прочность и твердость повышаются, а пластичность и вязкость понижаются). Старение может происходить при температуре 20°С (естественное) или при нагреве до невысоких температур (искусственное). Различают два вида старения:

 - термическое, протекающее в закаленном сплаве. Подвергаются сплавы, обладающие ограниченной растворимостью в твердом состоянии, когда растворимость одного компонента в другом уменьшается с понижением температуры.

 - деформационное (механическое), происходящее в сплаве, пластически деформированном при температуре ниже температуры рекристаллизации. (Не связано с диаграммой состояния сплава).

К старению склонны многие сплавы железа и сплавы цветных металлов. Результаты старения могут быть разными.

В одних случаях старение является положительным и его используют: 1) при термической обработке алюминиевых, магниевых, титановых и некоторых других цветных сплавов для повышения их прочности и твердости (термическое старение); 2) для упрочнения деталей из пружинных сталей, которые при эксплуатации должны обладать высокими упругими прочностными и усталостными свойствами (деформационное старение).

 В других случаях старение является отрицательным: резкое снижение ударной вязкости и повышение порога хладноломкости в результате старения (особенно деформационного) могут явиться причиной разрушения конструкции; ухудшение штампуемосги листовой стали, изменение размеров закаленных деталей и инструмента при естественном старении, что осбенно вредно для точного измерительного инструмента и прецизионных деталей (например, подшипников); размагничивание в процессе эксплуатации стальных закаленных постоянных магнитов; преждевременное разрушение рельсов в пути.