Основные сведения о термической обработке

    Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом, выдержкой и охлаждением сплава по определенным температурным режимам с целью изменить его структуру и свойства (рис. 1). Изменение структуры и свойств сплава (например, стали) при термической обработке основано на свойстве железа перестраивать свою кристаллическую решетку и растворять в ней неодинаковое количество углерода.

При нагреве стали до 911°С железо имеет объемно-центрированную кристаллическую решетку α-железа, а при температуре 911°С — гранецентрированную решетку γ-железа. Такое изменение кристаллического строения железа при нагреве стали повышает растворимость углерода в α -железе растворяются всего лишь сотые доли процента углерода, а после аллотропического превращения α-железа в y-железо растворимость углерода повышается в сотни раз, достигая максимального значения при температуре 1147°С.

При медленном охлаждении стали с 1147 до 727°С (см. рис.2) происходит распад аустенита с выделением из него равновесной структуры: феррита (твердый раствор углерода в α-железа) и цементита. При температуре 727°С в α-железе растворяется лишь. 0,02% С, в то время как в стали углерода может содержаться до 2,14%. Избыточный углерод выделяется из кристаллической решетки a-железа и образует химическое соединение с железом — цементит Fе₃С (рис. 3).

Рис.2. Диаграмма железо-цементит

      При непрерывном охлаждении стали (например, углеродистой) аустенит распадается с образованием неравновесных структур: сорбита (скорость охлаждения до 50°С/с), троостита (до 100°С/с) и мартенсита (150—200°С/с).

    Сорбит — структурная составляющая стали, представляющая собой смесь феррита и цементита. Сорбит обеспечивает более высокую прочность и износостойкость стали, отличается от перлита более тонкой (дисперсной) структурой.

    Троостит — это смесь феррита и цементита, отличается от перлита и сорбита более тонким (дисперсным) строением. Стали со структурой троостита обладают повышенными твердостью и прочностью, умеренными пластичностью и вязкостью.

   Мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. Мартенситной структуре соответствует наиболее высокая твердость стали.

Термической обработке подвергают отливки, заготовки, сварные соединения, детали, инструмент, изготовленные из различных материалов: стали, чугуна, алюминиевых, магниевых, титановых и других сплавов. Применяют следующие основные виды термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск и термомеханическую обработку.

Отжиг и нормализация

        Отжигом называют процесс термической обработки, заключающийся в нагреве сплава до определенной температуры с последующим медленным охлаждением. Отжиг проводят с целью подготовить структуру сплава к обработке резанием, закалке и отпуску.

Для конструкционных сталей, содержащих углерода до 0,7%, применяют полный отжиг, а для инструментальных (0,7—2% С) — сфероидизирующий отжиг.

Полный отжиг понижает твердость, повышает пластичность и снимает остаточные напряжения в стали. Сталь после отжига име- ет однородную мелкозернистую структуру. Конструкционные стали нагревают до температуры на 30—50°С выше линии GS (рис. 4),после нагрева сталь медленно охлаждают, чтобы при распаде аустенита получить мягкую и пластичную феррито-перлитовую структуру. Скорость охлаждения при отжиге выбирают в зависимости от легированности стали. Углеродистые стали охлаждают при скорос­ти 100—200°С/ч, а легированные — 20—70°С/ч. Для обеспечения не­обходимой скорости охлаждения сталь выдерживают на воздухе или охлаждают вместе с печью. Большое содержание углерода в инст­рументальных сталях обуславливает их высокую твердость. Для снижения твер­дости и облегчения обрабатываемости сталей проводят сфероидизирующий от­жиг. Сталь при отжиге нагревают на 20—30°С выше линии PSK- При этом стать получает структуру зернистого пер­лита, в котором цементит имеет округлую (сферическую) форму.

      Нормализацией называют процесс тер­мической обработки, вызывающий час­тичное разупрочнение сплавов и снятие остаточных внутренних напряжений. Нор­мализация аналогична отжигу и отлича­ется от него лишь скоростью охлаждения.

Сталь при нормализации нагревают на 50—70°С выше линии GSE, затем сталь охлаждают на воздухе.

Сплавы после нормализации приобре­тают мелкозернистую структуру и не­сколько большую прочность и твердость, чем при отжиге. Нормализацию применя­ют для улучшения обрабатываемости сплавов, структуры сварных швов и для подготовки структуры ме талла к закалке.

2,0 С,%

Закалка и отпуск

      Закалкой называют процесс термической обработки, вызываю­щий повышение прочности, твердости и снижения пластичности сплава.

При закалке сталь нагревают до температуры выше линии GSK (рис. 5) практически на 30—50°С.

После закалки структура стали состоит из аустенита или аустенита и цементита. В большинстве случаев стремятся получить мартенситную структуру, так как она придает стали наибольшую проч­ность и твердость. Структура мартенсита достигается при наиболь­шей скорости охлаждения стали.

Нагрев и охлаждение при закалке. Оборудованием для нагрева стали служат печи и печи-ванны, которые подразделяют на электрические и топливные, обогреваемые за счет сгорания (га­за, мазута, угля и др.).

Средой, в которой нагревают сталь, являются:

в печах — воздух, продукты сгорания топлива, нейтральный газ;

в печах-ваннах — минеральные масла, расплавленные соли и металлы.

При нагреве в печах в среде атмосферного воздуха сталь, взаи­модействуя со средой, окисляется и на ее поверхности образуется окалина (до 3% массы обрабатываемой детали). Кроме того, про­исходит частичное выгорание углерода в поверхностных слоях ста­ли, что снижает прочностные свойства материала после закалки.

    Наиболее благоприятен нагрев в печах с нейтральной (защитной) атмосферой.

Нагрев стали до требуемой температуры и выдерживание при этой температуре необходимо проводить как можно быстрее. Чем меньше сталь будет нахо­диться в условиях высоких тем­ператур, тем выше его свойства после закалки. Однако время на­грева должно быть достаточным, чтобы сталь равномерно прогре­валась по всему объему и получи­ла аустенитную структуру. Поэто­му наиболее эффективным по скорости нагрева и предупрежде­нию окисления стали является нагрев в печах-ваннах, наполнен­ных расплавленным металлом (свинец) или расплавленными соля­ми. Нагрев в печах-ваннах с использованием расплавленного металла или солей происходит в 4—5 раз быстрее, чем в печах с газовой средой.

В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду, водные растворы солей, щелочей, масло и расплавленные соли, име­ющие различную охлаждающую способность. В процессе резкого охлаждения, особенно в холодной воде, температура по сечению изменяется неравномерно, в результате чего в стали возникают закалочные напряжения, вызывающие коробление и даже образование трещин. Чтобы избежать образование дефектов при закалке, сталь закаливают в двух средах: сначала резко охлаж­дают в воде до температуры несколько выше начала мартенситных превращений, а затем более медленно в масле. После закалки сталь имеет структуру мартенсита.

Дефекты закалки. Недогрев образуется при нагреве стали до температуры ниже критической. Дефект исправляют отжигом и повторной закалкой. Перегрев возникает при нагреве стали до тем­пературы значительно выше критической или при большой выдерж­ке с оптимальной температурой закалки. Для устранения дефекта перегретую сталь отжигают и вновь закаливают. Пережог является неустранимым браком, получается при нагреве стали до температу­ры, близкой к температуре плавления.

Трещины образуются в результате резкого нагрева или охлажде­ния сталей, а также при наличии в изделиях концентратов внутрен­них напряжений: подрезов, вырезок углубления и др. Деформации и коробление устраняют повторным нагревом и охлаждением.

    Процесс термической обработки закаленного сплава, вызывающий повышение пластичности, снижение или устранение внутренних напряжений и стабилизирующий структуру сплава и размеры изделий после закалки, называют отпуском. Отпуск явля­ется заключительной операцией термической обработки, при кото­рой закаленный сплав нагревают до определенной температуры, выдерживают и охлаждают с заданной скоростью в воде или на воздухе. Отпуск закаленной стали производят при температуре 150—680°С. В зависимости от температуры нагрева отпуск бывает низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск производят при температуре 150—250°С с после­дующим охлаждением на воздухе, используют после химико-терми­ческой обработки углеродистой и легированной стали с целью снять внутренние напряжения и сохранить высокую твердость и износостойкость.

Средний отпуск производят при нагреве деталей до 250—500°С, применяют при изготовлении рессорных листов, пружин и ударного инструмента.

Высокий отпуск стали проводят при температурах 500—680°С. В результате отпуска повышаются вязкие и пластические свойства Стали (при некотором понижении ее твердости и прочности) и уменьшаются внутренние напряжения. Высокий отпуск применяют при изготовлении ответственных деталей (шатунов, шатунных бол­тов, осей и др.) из конструкционной стали.

Термомеханическая обработка. ТМО — новый метод упрочнения сплавов, заключающийся в совместном пластическом деформировании и термической обработке. Целью ТМО является получение особого структурного состояния, обеспечивающего повы­шенные прочностные свойства сплава. Пластическое деформирование осуществляют прокаткой, ковкой, взрывом и др.

Поверхностная закалка

      Поверхностная закалка получила широкое распространение в современном машиностроении и является технологичным и произво­дительным способом упрочнения поверхностных слоев металлических изделий. Этот вид термической обработки повышает твердость и износостойкость поверхностных слоев толщиной 1—5 мм и одновременно сохраняет вязкость и пластичность сердцевины изделия. Поверхностную закалку применяют при изготовлении деталей, работающих в условиях изнашивания или ударных (или перемен­ных) нагрузок. К таким деталям относят: поршневые пальцы, ку­лачки, шейки распределительных и коленчатых валов, зубья шесте­рен и другие изделия.

Нагрев деталей при поверхностной закалке производят токами высокой частоты (индукционная закалка), газовым пламенем и дру­гими способами.           Нагрев токами высокой частоты выполняют в ин­дукторах, время нагрева составляет 1,5—10 с. Глубина нагрева ста­ли до температуры закалки примерно равна толщине закаленного слоя. При индукционной закалке деталь быстро охлаждают без подсуживания нагретой поверхности и распространения тепла в глубь детали. Изделия охлаждают в потоке воды (или масла) или погру­жают их в воду (или масло).

Для крупногабаритных деталей в условиях единичного или мел­косерийного производства нагрев пламенем является наиболее при­емлемым способом. Используют ацетиленокислородное пламя с температурой 3150°С, пламя пропанобутановой смеси (2050°С) или природного газа (2000°С).

Контрольные вопросы:

1. Перечислите структурные составляющие стали, образующиеся в ней при нагреве и охлаждении.

2. Что такое отжиг и нормализация стали?

3. Перечислите основные дефекты, возникающие при термической обработке

4. Что такое отпуск закаленной стали?

5. Укажите область применения поверхностной закалки?