Виды термической обработки

Различают следующие основные виды термической обработки: отжиг I рода, отжиг II рода, закалку и отпуск.

Отжиг I рода не обусловлен фазовыми превращениями, поэтому может быть применен для любых металлов и сплавов. Скорость нагрева и охлаждения для этого вида отжига не имеет принципиального значения.

Различают следующие разновидности отжига I рода.

Диффузионный отжиг устраняет хи­мическую неоднородность в слитках и отливках. Для ускорения диффузионных процессов этот отжиг производится при температуре 0,8—0,9 Т„л сплава.

Рис. f. 12. Температуры нагрева стали Рекристаллизационный отжиг устра- при различных видах™^{eT наклеп} — упрочнение и увеличение термообработки: хрупкости металла, которые возникают

1 — отжиг для уменьшения напряжения; 2 ^ПР^И холодной обработке давлением. Эту рекристаллизационный отжиг; 3 —Операцию производят при температуре неполный отжиг; 4 — полный отжиг; 5 —^,2 0,6 Т_пл металла, диффузионный отжиг; 6 — нормализация.

Отлсиг для уменьшения остаточных напряжений, возникающих в изделиях при обработке давлением или резанием, в сварных конструкциях, отливках и т. д., осуществляется при температуре несколько ниже' температуры рекристаллизации данного металла и применяется с целью предотвращения коробления и стабилизации размеров изделия, снижения склонности его к хрупкому разрушению.

2. Отжиг 11 рода применяют для сплавов, претерпевающих при нагреве и охлаждении фазовые превращения. Этот вид етжига в основном приме няют для стальных изделий.

Отжиг стали подразделяют на полный и неполный; разновидностью отжига стали является нормализация (рис. 1.12).

Полному отжигу подвергают отливки, поковки, сварные узлы из доэвтектоидных сталей для устранения в них крупнозернистости и других пороков структуры, а также для уменьшения твердости и остаточных напряжений. Для этого отжига сталь нагревают на 30—50 °С выше критической точки А_Сз (линии GS), выдерживают при этой температуре в течение времени, необходимого для завершения фазовых превращений, и затем медленно (обычно вместе с печью) охлаждают.

Неполный отжиг способствует улучшению обрабатываемости стали резанием. Для этого сталь нагревают до температуры А_с, + (30...50) °С, т. е. несколько выше линии PSK

Нормализация заключается в нагреве стали на 30—50 °С выше точек А_с, или А_ст (линии GSE), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе. Ускоренное по сравнению с отжигом охлаждение обусловливает образование в стали перлита более тонкого строения и тем самым некоторое повышение ее прочности и твердости.

Закалка, как и отжиг II рода, применяется для сплавов, претер­певающих при нагреве и охлаждении фазовые превращения. Принципи альным отличием между ними является большая скорость охлаждения при закалке, достаточная для предотвращения обратных фазовых пре вращений в сплаве при охлаждении. Закалке в основном подвергают сплавы железа — стали, чугуны. Наряду с ними закаливают и сплавы на основе цветных металлов: алюминия, меди, титана, никеля и др.

Углеродистую сталь нагревают для закалки: доэвтектоидную до тем­пературы на 30—50 °С выше точки А_со_/о (линии GS), а заэвтектоидную — _на 30—50 "Свыше точки А_с, (линии SK)- Температура нагрева для закалки легированных сталей несколько отличается от указанных и определяется в зависимости от состава и структуры стали.

Для обеспечения необходимой скорости охлаждения стали (определяемой ее составом) применяют различные охлаждающие среды: воду, минеральное

масло и др.

В результате закалки в стали образуется так называемая мартенеитная структура, обладающая наибольшей прочностью и твердостью (НВ г» 600), но низкой ударной вязкостью.

Отпуску подвергают закаленную сталь с целью повышения ее ударной вязкости и пластичности, уменьшения твердости и внутренних напряжений. Для отпуска сталь нагревают до температуры ниже точки А_с/ (линии PSK) и затем охлаждают обычно на воздухе.

Различают три вида отпуска:

Низкий отпуск (150—250 °С) применяют для изделий, которые должны обладать высокой твердостью (НВ ж 600), например режущие инструменты, не подвергающиеся ударным нагрузкам (напильники, плашки, метчики и т. д). Этот отпуск предназначен главным образом для уменьшения внутренних напряжений в изделиях.

Среднему отпуску (350—400 °С) подвергают изделия, которые должны обладать высокой упругостью и прочностью при достаточной вязкости, на­пример пружины, рессоры. Твердость при этом снижается до НВ ж 450.

Высокий отпуск (450—650 °С) обеспечивает получение наиболее вязкой структуры, обладающей достаточно высокой прочностью и твердостью (НВ fa 350). Такому отпуску подвергают обычно детали машин: валы., шестерни и т. д. В связи с тем что структурные составляющие и фазы закаленной ле­гированной стали обладают большей устойчивостью, температуру отпуска для них~назначают более высокую, чем для углеродистых.

Закалка

Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для повышения прочности и твердости, получения высокой пластичности, вязкости и высокой износостойкости, а инструментальные – для повышения твердости и износостойкости.

Верхний предел температур нагрева для заэвтектоидных сталей ограничивается, так как приводит к росту зерна, что снижает прочность и сопротивление хрупкому разрушению.

Основными параметрами являются температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства, по опытным данным на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1,5…2 мин.; в пламенной печи – 1 мин.; в соляной ванне – 0,5 мин.; в свинцовой ванне – 0,1…0,15 мин.

По температуре нагрева различают виды закалки:

– полная, с температурой нагрева на 30…50^oС выше критической температуры А₃

Применяют ее для доэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, так как в структуре остается мягкий феррит. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

– неполная с температурой нагрева на 30…50 ^oС выше критической температуры А₁

Применяется для заэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента.

После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита.

Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму.

Охлаждение при закалке.

Для получения требуемой структуры изделия охлаждают с различной скоростью, которая в большой степени определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали.

Режим охлаждения должен исключить возникновение больших закалочных напряжений. При высоких скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению и растрескиванию.

Внутренние напряжения, уравновешиваемые в пределах макроскопических частей тела, называются напряжениями I рода. Они ответственны за искажение формы (коробление) и образование трещин при термообработке. Причинами возникновения напряжений являются:

• различие температуры по сечению изделия при охлаждении;
• разновременное протекание фазовых превращений в разных участках изделия.

Для предупреждения образования трещин необходимо избегать растягивающих напряжений в поверхностных слоях изделия. На характер распределения напряжений при закалке, помимо режима охлаждения, оказывает влияние и температура нагрева под закалку. Перегрев содействует образованию закалочных трещин, увеличивает деформации.

Режим охлаждения должен также обеспечить необходимую глубину закаленного слоя.

Оптимальный режим охлаждения: максимальная скорость охлаждения в интервале температур А₁ – M_Н, для предотвращения распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения, и минимальная скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения M_Н – M_К, с целью снижения остаточных напряжений и возможности образования трещин. Очень медленное охлаждение может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества аустенита остаточного, а следовательно к снижению твердости.

В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду при различных температурах, технические масла, растворы солей и щелочей, расплавленные металлы.

Вода имеет существенный недостаток: высокая скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения приводит к образованию закалочных дефектов. С повышением температуры воды ухудшается ее закалочная способность.

Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8…12 %-ные водные растворы NaCl и NaOH. Они мгновенно разрушают паровую рубашку и охлаждение происходит более равномерно и на стадии пузырькового кипения. Увеличения охлаждающей способности достигают при использовании струйного или душевого охлаждения, например, при поверхностной закалке.

Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита используют минеральное масло (нефтяное). Обеспечивающее небольшую скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения и постоянство закаливающей способности. Недостатками минеральных масел являются повышенная воспламеняемость, низкая охлаждающая способность в интервале температур перлитного превращения, высокая стоимость.

При выборе охлаждающей среды необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке.

Закаливаемость определяется содержанием углерода. Стали с содержанием углерода менее 0,20 % не закаливаются.

Прокаливаемость – способность получать закаленный слой с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину.

За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре одинаковые объемы мартенсита и троостита.

Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость. Укрупнение зерен повышает прокаливаемость.

Если скорость охлаждения в сердцевине изделия превышает критическую то сталь имеет сквозную прокаливаемость.

Нерастворимые частицы и неоднородность аустенита уменьшают прокаливаемость.

Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр.

Критический диаметр – максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия. С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость увеличиваются (особенно молибден и бор, кобальт – наоборот).

Способы закалки

В зависимости от формы изделия, марки стали и нужного комплекса свойств применяют различные способы охлаждения (рис. 14.1)

Рис.14.1. Режимы закалки