Тема 7. Термическая обработка.

 

Термической обработкой металлов и сплавов называется процесс изменения внутреннего строения (структуры) металлов и сплавов путем нагрева, выдержки и последующего охлаждения с целью 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.

Изменяя температуру и продолжительность нагрева, температуру и 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.

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

Отжигом 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, а также обрабатываемость без снятия стружки.

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 500-600⁰С.

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 30-50⁰С выше линии GSK (точка А_с3) (рис. 16.1), 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 30-40⁰С превышающей нижнюю критическую точку А_с1, т.е. до 750-760⁰С. Замедленное охлаждение или длительная выдержка стали при температурах 680-750⁰С способствуют образованию крупнозернистости, облегчающей обрабатываемость 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 30-50⁰С выше точки А_с3 (конструкционные стали) или выше точки А_с1 на 50-100⁰С (инструментальные стали) и после выдержки охлаждают в расплавленной соли до температуры ниже точки А_r1 на 30-100⁰С (680-700⁰С). При этой температуре сталь подвергают выдержке, а затем охлаждают до комнатной температуры. Температура изометрической выдержки (650-700⁰С) оказывает значительное влияние на свойство стали.

Основное преимущество изометрического 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 (1100-1200⁰С) с выдержкой от 10 до 15ч при этой температуре, а затем медленно охлаждают до 600-550⁰С.

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

Отжиг на зернистый перлит применяют для сталей, содержащих более 0,65% углерода, с целью понизить их твердость и улучшить обрабатываемость резанием. Для отжига сталь нагревают немного выше А_с1 и после выдержки при рабочей температуре в течение 3-5ч медленно охлаждают (со скоростью 30-50⁰С в час) сначала до 700⁰С, затем до 650-600⁰С и далее на воздухе.

Рекристаллизацинный, или низкий, отжиг применяют для исправления искажений кристаллической решетки, полученных при холодной прокатке, волочении или холодной штамповке. Отжиг производят нагреванием стали до температуры ниже точки А_с1 (630-650⁰С) 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 30-50⁰С выше линии GSE (точки А_с3 – для конструкционной стали или А_ст – для инструментальной стали) с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Нормализации подвергаются штампованные и кованные 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 углеродистой и специальных сталей нормализация является окончательной операцией термической обработки, так как в результате нормализации сталь приобретает требуемые свойства.

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 и скорости охлаждения.

Температуры нагрева. При закалке конструкционные стали нагревают на 20-40⁰С выше линии GS (точки А_с3), а инструментальные стали – на 30-50⁰С выше линии PSK (точки А_с1), выдерживают в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению детали, и быстро охлаждают.Быстрорежущие, нержавеющие и другие высоколегированные стали закаливают при более высоких температурах нагрева: быстрорежущую сталь Р18 закаливают при температуре 1260-1280⁰С, а нержавеющую сталь (например, 4Х13) – при температуре 1050-1100⁰С. При выборе режимов закалки пользуются соответствующими справочниками.

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

Увеличение скорости нагрева сокращает длительность термической обработки, повышается производительность оборудования, уменьшается угар металла и т.д.

Чем больше в стали углерода и легирующих элементов, чем сложнее форма и больше размеры детали, тем медленнее должен осуществляться нагрев во избежание возникновения больших внутренних напряжений, которые вызовут коробление и даже образование трещин в деталях.

Для медленного нагрева детали загружают в холодную печь (медленный нагрев вместе с печью). При загрузке деталей в печь, имеющую температуру заданного режима термообработки, достигается высокая скорость нагрева. Таким методом главным образом нагревают мелкие детали – пружины, шпильки, гайки и т.п.

Медленно нагревают детали до температуры 500-600⁰С, затем процесс нагрева ускоряют, так как внутренние напряжения в деталях из-за разности температур уже не будут возникать. Время нагрева инструментальных углеродистых и среднелегированных конструкционных сталей больше, чем конструкционных углеродистых сталей, на 25-50%, а высоколегированных на 50-100%. После нагрева до заданной температуры детали выдерживают в течение определенного промежутка времени для выравнивания температуры по всему сечению детали и завершения структурных превращений.

Закалочные среды применяют следующие: воду, водные растворы солей, расплавленные соли и минеральные масла (веретенное 2 и 3; машинное Л, С, СУ и трансформаторное).

Закалочную среду выбирают с учетом химического состава стали. Нужно иметь в виду, что единой универсальной среды для закалки стали нет, поэтому пользоваться следует 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.

Способы закалки. Основными способами закалки являются: закалка в одном охладителе, в двух средах, ступенчатая, с подстуживанием, самоотпуском и изометрическая.

Закалка в одном охладителе состоит в погружении нагретых изделий в жидкость (вода для углеродистых сталей, масло для легированных), где оставляют их до полного охлаждения. Такой способ закалки применяется для закалки изделий простой формы.

Недостаток его заключается в том, что в результате большой разницы в температурах нагретого металла и охлаждающей среды в деталях возникают большие внутренние напряжения, называемые термическими, которые вызывают трещины и коробления и другие дефекты.

Закалка в двух средах, или прерывистая закалка, состоит в следующем. Нагретые детали сначала быстро охлаждают в воде до температуры 300-400⁰С, а затем быстро переносят для полного охлаждения в масло. Такую закалку применяют обычно для высокоуглеродистых инструментальных сталей. Недостаток прерывистой закалки состоит в том, что трудно установить время пребывания детали в первой среде, так как оно очень мало (1 сек на каждые 5-6 мм сечения детали). Излишняя выдержка в воде вызывает коробление и появление трещин.

Ступенчатая закалка, предложенная русским ученым-металлургом Д.К.Черновым, заключается в том, что нагретые детали сначала охлаждают в расплавленной соли или в масле (температура которых должна быть 240-250⁰С), выдерживают в этой среде, а затем переносят для окончательного охлаждения на воздух.

Ступенчатую закалку широко применяют в массовом производстве, особенно при изготовлении инструмента с небольшим сечением, требующего высокой твердости. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями, а следовательно, уменьшает опасность коробления и образования трещин.

Наиболее хорошо поддаются ступенчатой закалке глубоко прокаливающиеся углеродистые и легированные стали 9ХС, ХГ, ХВГ и др.

Закалка с подстуживанием применяется для уменьшения разницы в температурах металла и закалочной среды, если нагрев детали проведен до температуры, значительно превышающей температуру закалки данной стали.

Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду выдерживают (подстуживают) некоторое время на воздухе. При подстуживании необходимо, чтобы температура детали не опускалась ниже точки Аr3 для конструкционных сталей и ниже точки Аr1 для инструментальных. Цель этого способа закалки – уменьшение внутренних напряжений и коробления деталей, особенно цементованных.

 

Закалка самоотпуском состоит в том, что нагретую деталь выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения; иногда в закалочную среду погружают только часть детали, для которой требуется высокая твердость. В некоторый момент охлаждение прерывают, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, за счет которого осуществляется отпуск. Этот момент устанавливается опытным путем, качество закалки в этом случае зависит от мастерства термиста. Контроль за температурой отпуска при этом способе закалки осуществляется по так называемым цветам побежалости, возникающим на поверхности детали при температуре 220-330⁰С. Закалку с самоотпуском применяют только для обработки ударного инструмента – зубил, бородков, кернеров и др., так как у такого инструмента твердость должна равномерно и постепенно понижаться от рабочей части к хвостовой.

Изотермическая закалка – наиболее прогрессивный способ закалки, его применяют в том случае, когда нужно изготовить деталь с максимальной прочностью, достаточной пластичностью и вязкостью. Сталь, нагретую на 20-30⁰С выше линии GSK (точка А_с3), быстро охлаждают в соляной ванне, имеющей температуру 250-300⁰С, выдерживают в этой горячей среде (изотермическая выдержка), а затем деталь охлаждают на воздухе.

Этот способ закалки позволяет снизить термические напряжения, так как после изотермической выдержки структурные изменения в стали уже не происходят. Изотермическую закалку применяют для пружин, рессор, болтов, труб и других изделий из легированных сталей 6ХС, 9ХС, ХВГ и др.

Патентирование стали состоит в нагреве деталей до температуры 800-900⁰С, выдержке и охлаждении в ваннах с расплавленным свинцом (500 - 600⁰С) и последующей обработке давлением. После патентирования сталь приобретает высокую прочность, обладает высокой упругостью и хорошей пластичностью.

При обычном охлаждении закаливаемых деталей необходимо соблюдать следующие правила:

- количество охлаждающей жидкости должно быть достаточным, чтобы температура ее мало изменялась во время охлаждения закаливаемых деталей;

- перед погружением нагретой детали охлаждающую среду (воду, масло) необходимо тщательно перемешать для выравнивания температуры;

- для удаления образующейся вокруг погружаемой в жидкость детали паровой рубашки, препятствующей свежему притоку воздуха, обрабатываемую деталь следует перемещать в вертикальном и горизонтальном направлениях;

- тонкие длинные детали во избежание коробления нельзя охлаждать, опуская в жидкость плашмя, так как нижние слои металла, охлаждаясь первыми, сжимаются. Детали с неодинаковым сечением следует погружать более толстой частью вниз.

Приемы погружения деталей при закалке показаны на рис.16.2. На образование трещин оказывает влияние форма углов у детали. Поэтому углы, особенно острые, необходимо закруглять и тщательно обрабатывать.

Угольник с прямым углом после закалки образует трещины, если не просверлить во внутреннем углу отверстия и не сделать подрезки. Зубья шлицевого валика охлаждаются быстрее сердцевины и уменьшаются в объеме быстрее, чем стержень. Поэтому в углах зубьев создаются сильные напряжения, вызывающие трещины.

Часто требуется, чтобы деталь машины имела очень твердую износостойкую поверхность, но чтобы ее сердцевина при этом оставалась вязкой, прочной, хорошо переносила удары и знакопеременные нагрузки. К таким деталям относятся зубчатые колеса, шейки коленчатых валов и другие стальные тяжелые детали.

Из существующих способов поверхностной закалки наибольшее промышленное применение имеют: пламенная закалка, закалка токами высокой частоты (ТВЧ), а также закалка в электролитах.

Пламенная закалка. Поверхность стального или чугунного изделия подвергается нагреву ацетиленокислородным пламенем до температуры, превышающей на 50-60⁰С верхнюю критическую точку А_с3 с последующим быстрым охлаждением водяным душем (струя воды).

Сущность процесса пламенной закалки состоит в том, что тепло, проводимое газовым пламенем от горелки к закаливаемой детали, концентрируется на ее поверхности и значительно превышает количество тепла, распространяемого в глубь металла. В результате этого поверхность детали сначала быстро нагревается до температуры закалки, затем охлаждается, а сердцевина остается незакаленной и после охлаждения не изменяет свою структуру и твердость.

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 температуры ниже линии PSK (точки А_с1), 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^оС с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе.

В результате низкого отпуска сталь сохраняет высокую твердость HRC 60, устраняется хрупкость, снимаются внутренние напряжения.

Средний отпуск применяют для инструментов, которые должны обладать значительной прочностью и упругостью при средней твердости HRC 35-47, а также для некоторых деталей (пружин, рессор). Этот отпуск производится при температуре 300-500⁰С.

Высокий отпуск (500-600⁰С) применяется с целью полностью снять внутренние напряжения, придать деталям высокую вязкость при условии сохранения достаточной твердости. Высокому отпуску подвергаются детали машин из конструкционной стали, которые работают при больших напряжениях и ударах: зубчатые колеса, валы, шатуны и т.д.