Предварительная термическая обработка сталей

Задание: Пояснить назначение предварительной термической обработки сталей. Указать основные операции, а также условия их проведения.

• Ответ: 
• Предварительную термическую обработку применяют для достижения определенных целей, например: снижение прочности, устранение дефектов.
• Отжиг:

Перекристаллизационный отжиг кон­струкционных сталей. Конструкцион­ные стали чаще всего содержат углерод в количестве до 0,7%, т.е. являются доэвтектоидными сталями. Перекристаллизационный отжиг проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры. Одно­ временно при отжиге полностью снимаются остаточные напряжения.

Сфероидизирующий отжиг инструментальных сталей (сфероидизация). Инструментальные стали для режущего, измерительного инструмента и для инструмента, деформирующего металл в холодном состоянии, содержат углерод в количестве от 0,7 до 2 %.

Высокое содержание углерода обусловливает высокую твердость инструментальных сталей, что затрудняет их обработку резанием. Для снижения твердости такие стали отжигают.

Для заэвтектоидных сталей сфероидизирующий отжиг, кроме того, подготовляет структуру к закалке.

1. Нормализация:
2. 
3. После нагрева до температуры на 50-70°С выше температуры Ас3 сталь охлаждают на спокойном воздухе.

Нормализация — более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как меньше времени затрачивается на охлаждение стали. Кроме того, нормализация, обеспечивая полную перекристаллизацию структуры, приводит к по­ лучению более высокой прочности стали, так как при ускорении охлаждения распад аустенита происходит при более низких температурах.

После нормализации углеродистых и низколегированных сталей, так же как и после отжига, образуется ферритно- перлитная структура.

Нормализация позволяет несколько уменьшить анизотропию свойств, вызванную наличием в горячедеформированной стали вытянутых неметаллических включений. При ускоренном охлаждении (по сравнению с отжигом) возникает больше самопроизвольно образующихся центров кристаллизации, по­ этому строчечность структуры менее резко выражена. Это дополнительное преимущество данного вида обработки.

Закалка:

В большинстве случаев при закалке желательно получить структуру наивысшей твердости, т. е. мартенсит, при последующем отпуске которого можно понизить твердость и повысить пластичность стали.

В зависимости от температуры нагрева закалку называют полной и неполной. При полной закалке сталь переводят в однофазное аустенитное состояние, т. е. нагревают выше критических температур Ас3 или Ассm; при неполной закалке сталь нагревают до межкрити­ческих температур — между Ас1 и Ас3

Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке, при этом оптимальной температурой нагрева является температура Ас3 + (30-50°С). Для заэвтектоидных Ас1 + (30-50°С).

После закалки заэвтектоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита. Кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, поэтому при неполной закалке заэвтек­тоидные стали имеют более высокую твердость, чем при полной закалке.

Из раздела: Термическая обработка сталей

Предварительная и окончательная термическая обработка

Предварительная термическая обработка выполняется для обеспечения необходимых технологических свойств, улучшения структуры металла (обе эти задачи могут решаться одновременно).

Кроме того, она выполняется для стабилизации структуры металла и размеров деталей – стабилизирующая. Окончательная термическая обработка формирует необходимые эксплуатационные свойства детали. Следует отметить, что такое разделение носит несколько условный характер.

Предварительная термическая обработка для одних деталей (например, нормализация) может быть окончательной для других.

Ниже рассмотрены особенности в основном термической обработки сталей и чугунов как наиболее распространенных конструкционных материалов.

Предварительная термическая обработка заготовок

Заготовки получают отрезкой или рубкой проката; литьем – отливки; пластическим деформированием – поковки; сваркой.

При изготовлении заготовок из проката структурных изменений металла может не происходить. Тогда термическая обработка полученной заготовки не требуется.

Вместе с тем в некоторых сталях (высокоуглеродистых, легированных, например ХВГ) при отрезке абразивными кругами появляются закаленные участки с высокой твердостью, что затрудняет последующую механическую обработку.

В этом случае требуется термическая обработка для снижения твердости и, как следствие, для улучшения обрабатываемости резанием. Заготовки таких сталей после отрезки подвергают отжигу.

Необходимость термической обработки поковок, полученных методами горячей пластической деформации, определяется наличием остаточных напряжений, а также возможными структурными изменениями, например крупным зерном при перегреве (см. 15.2.1). Стали, обладающие высокой закаливаемостью и прокаливаемостью, после охлаждения от ковочного нагрева могут приобрести повышенную твердость.

Литье используют для получения заготовок – отливок сложной формы (фасонных). Для отливок характерна более грубая макро- и микроструктура, ликвация (см. 3.4.2 и 3.4.4), а также наличие остаточных литейных напряжений (разная скорость охлаждения и неодновременное затвердевание по объему отливки).

Таким образом, и для поковок, и для отливок необходима термическая обработка. Она должна обеспечить измельчение зерна, получение структуры, оптимальной для обработки резанием; устранение или снижение остаточных напряжений.

Кроме того, в крупных отливках из легированных сталей возникает ликвация, так как диффузия атомов легирующих компонентов (в отличие от атомов углерода) затруднена, проходит медленно, выравнивания химического состава по объему не происходит. Ликвация устраняется или снижается проведением диффузионного отжига, который выполняется при высоких температурах 1050.

..1250 °С. За этим исключением (диффузионный отжиг) термическая обработка для отливок и поковок одинакова и зависит от марки стали.

Для достижения оптимальной обрабатываемости резанием рекомендуется следующая обработка стальных поковок и отливок (все виды термической обработки рассмотрены в гл. 5):

• – низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,3%, в том числе низколегированные (например, 15Х, 20Х), с твердостью до 207 НВ – нормализация;
• – низкоуглеродистые среднелегированные (18ХГТ) – нормализация + высокий отпуск;
• – низкоуглеродистые сложнолегированные (12ХНЗА), углеродистые и легированные с содержанием углерода 0,3…0,6% (45, 40ХФЛ, ЗОХГСА) – нормализация + высокий отпуск или отжиг;
• – стали с содержанием углерода 0,6% и более – сфероидизирующий отжиг.

Необходимость термической обработки сварных заготовок вызвана тем, что структуры сварного шва и прилегающей к нему зоны, испытывающей тепловое воздействие (зона теплового воздействия, ЗТВ), отличаются между собой, а также от структуры основного металла заготовок. Кроме того, для сварных заготовок характерно наличие остаточных напряжений как результат теплового воздействия и структурных превращений (см. 11.4.2).

Снижение сварочных напряжений обеспечивается отпуском при 620…700 °С. Это наиболее распространенная термическая обработка сварных конструкций.

Улучшение структуры и повышение механических свойств металла в ЗТВ достигается за счет перекристаллизации. Для более нагруженных деталей выполняют нормализацию (для доэвтектоидных статей нагрев выше Ас3 с последующим охлаждением на воздухе). Такая обработка́ позволяет измельчить зерно в зоне перегрева (участок 3 на рис. 11.11) и улучшить структуру участка 5 (см. рис. 11.11).

Для деталей малых габаритов, не испытывающих нагрузок при эксплуатации, термическая обработка необязательна.

Заготовки, получаемые холодной пластической деформацией, вследствие наклепа обладают высокими твердостью и прочностью, но пониженной пластичностью.

Это снижает обрабатываемость резанием и затрудняет или делает невозможной дальнейшую холодную пластическую деформацию.

Для снижения прочности, твердости и повышения пластичности проводят рекристаллизационный отжиг (нагрев и выдержка при температуре выше температуры рекристаллизации, Tрекр = α•Tпл, см. 3.5.3).

Предварительная термообработка стали отжиг нормализация

П

редварительную термическую обработку выполняют для обеспечения требуемых технологических свойств материала заготовок (отливок, поковок, проката и т.п.

) и подготовки структуры к окончательной термической обработке: 1) уменьшения твёрдости для снижения усилий резания; 2) измельчения зерна с целью повышения пластичности, так как современные методы обработки конструкционных сталей связаны в основном с формообразованием за счет пластической деформации; 3) устранения различных дефектов структуры (строчечное, ферритной сетки, видманштеповой структуры); 4) получения равномерного распределения структурных составляющих; 5) снятия внутренних напряжений.

• В качестве предварительной термической обработки сталей проводят отжиг или нормализацию.
• Отжиг — нагрев доэвтектоидной стали до температуры на 30-50 °С выше линии Ac3, выдержка и медленное охлаждение с печью (скорость охлаждения 20-30 град/ч).
• При нормализации в отличие от отжига охлаждение производят на спо­койном воздухе (скорость охлаждения 3 град/с).
• Нагрев доэвтектоидных сталей при предварительной термической обра­ботке выше линии Ac3

необходим для измельчения зерна в сплавах в результате полной перекристаллизации. При этом следует учитывать, что измельчение стали. Такой дефект структуры носит название перегрева. Нагрев же стали в межкритический интервал температур (ниже линииАс3, но выше

Ac1)

не приводит к полной перекристаллизации (измельчается только зерно перлита). Нормализация приводит к несколько более высокой твёрдости, чем от­жиг.

Для сталей, содержащих 0,25-0,5 % углерода, повышение твёрдости ко­торых при нормализации невелико, выгоднее проводить нормализацию; для более высокоуглеродистых сталей, содержащих 0,55-0,75 % С — отжиг, но, воз­можно, и нормализацию — в зависимости от используемой в дальнейшем технологии.

Малоуглеродистые стали (до 0.25 % С) необходимо подвергать только нормализации, чтобы сталь, имея структуру феррит + перлит (небольшое коли­чество), была пластичной. После отжига эти стали будут иметь структуру фер­рита и цементита, расположенного по границам ферритных зерен, что сильно охрупчивает стали.

Измельчение зерна при отжиге или нормализации доэвтектоидных сталей в результате перекристаллизации происходит как при нагреве, так и при охлаж­дении

Цементация стали

Цементация стали — химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С табл.1

Тонкая пленка окислов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°С; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300° ) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку.

Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами.

Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.

Предварительная термическая обработка углеродистых инструментальных сталей

Заэвтектоидные инструментальные стали имеют исходную структуру перлит + вторичный цементит, при этом в ряде случаев при некачественно про­веденной горячей обработке давлением (ковке, прокатке и др.) вторичный це­ментит расположен в виде сетки по границам перлитных зерен.

Т

акая структура приводит к по­вышенной хрупкости стали и затрудня­ет ее механическую обработку, а после дальнейшей закалки инструмент будет хрупок и неработоспособен. Поэтому в первую очередь необходимо избавить­ся от сетки вторичного цементита.

Для этого заэвтектоидную сталь нагревают до температуры, при которой вторич­ный цементит полностью растворится, т. е. на 30-50 °С выше линииАс3 (но обычно не выше 920-950 °С), выдер­живают при этой температуре и уско­ренно охлаждают на воздухе или в мас­ле (в зависимости от сечения заготов­ки).

Если же охлаждать медленно, например, с печью, то вторичный цементит успевает вновь выделиться избирательно по границам перлитных зерен.

Главным условием образования перлита с зернистой формой цементита является фиксация при охлаждении неоднородного по углероду твердого раствора (аустенита). Из однородного (гомогенного) аустенита при медленном охлаждении всегда образуется цементит пластинчатой формы. На практике от­жиг проводят путем нагрева стали выше точки Ac1

(до 740-770 °С) с после­дующей длительной изотермической выдержкой при температуре 660-700 °С (наиболее технологичный режим) или с последующим непрерывным охлаж­дением с печью со скоростью не более 50 град/ч до 500-600 °С и далее на воз­духе (рис. 6.5). Для отдельных заготовок инструментов и небольших их партий возможен маятниковый отжиг, сокращающий время обработки.

Дефекты закалки

К дефектам закалки относятся:

• трещины,
• поводки или коробление,
• обезуглероживание.

Главная причина трещин и поводки — неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая причина — увеличение объема при закалке на мартенсит.

Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местах детали превышают прочность металла в этих местах.

Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения. При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.

Коробление (или поводка)возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.

Обезуглероживание стали с поверхности — результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).

Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т. е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла — 100 г, огнеупорной глины — 75 г, графита — 25 г, буры — 14 г, карборунда — 30 г, воды — 100 г.

Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой.

Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали.

Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала.

Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Изменение структуры металла при термообработке

Назначение термической обработки

Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам . Здесь происходит:

• вторичная кристаллизация сплава;
• переход гамма железа в состояние альфа железа;
• переход крупных частиц в пластинки.

1. Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.
2. Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения
3. Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

• В готовых изделиях:
• износостойкости;
• коррозионностойкость;
• термостойкости.

• В заготовках:
  снятие внутренних напряжений после литья;
• штамповки (горячей, холодной);
• глубокой вытяжки;

увеличение пластичности;

облегчение обработки резанием.

Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

1. Углеродистым и легированным.
2. С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
3. Конструкционным, специальным, инструментальным.
4. Любого качества.

Классификация и виды термообработки

Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:

• время нагревания (скорость);
• температура нагревания;
• длительность выдерживания при заданной температуре;
• время охлаждения (интенсивность).

Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.

Виды термической обработки стали:

• Отжиг
• рекристаллизация;
• изотермический;
• снятие внутренних и остаточных напряжений;

II – рода:

неполный;

• Закалка;
• Отпуск:
• средний;
• высокий.

Температура нагрева стали при термообработке

Отпуск

Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

Отпуск низкий

Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

• Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
• выдерживание — полтора часа;
• остывание – воздух, масло.

Пережог

Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева.

При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины.

Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

Преимущества термообработки

Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.

В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.

Источник

( 2 оценки, среднее 5 из 5 )

13. Предварительная термическая обработка стальных заготовок (нормализация, отжиг)

П

png» width=»126″>редварительную
термическую обработку выполняют для
обеспечения требуемых технологических
свойств материала заготовок (отливок,
поковок, проката и т.п.

) и подготовки
структуры к окончательной термической
обработке: 1) уменьшения твёрдости для
снижения усилий резания; 2) измельчения
зерна с целью повышения пластичности,
так как современные методы обработки
конструкционных сталей связаны в
основном с формообразованием за счет
пластической деформации; 3) устранения
различных дефектов структуры (строчечное,
ферритной сетки, видманштеповой
структуры); 4) получения равномерного
распределения структурных составляющих;
5) снятия внутренних напряжений.

• В
  качестве предварительной термической
  обработки сталей проводят отжиг или
  нормализацию.
• Отжиг
  — нагрев доэвтектоидной стали до
  температуры на 30-50 °С выше линии Ac3,
  выдержка и медленное охлаждение с печью
  (скорость охлаждения 20-30 град/ч).
• При
  нормализации в отличие от отжига
  охлаждение производят на спо­койном
  воздухе (скорость охлаждения 3 град/с).

Нагрев
доэвтектоидных сталей при предварительной
термической обра­ботке выше линии
Ac3
необходим для измельчения зерна в
сплавах в результате полной
перекристаллизации. При этом следует
учитывать, что измельчение стали.

Такой
дефект структуры носит название
перегрева. Нагрев же стали в межкритический
интервал температур (ниже линии Ас3,
но
выше Ac1)
не
приводит к полной перекристаллизации
(измельчается только зерно перлита).

Нормализация приводит к несколько более
высокой твёрдости, чем от­жиг.

Для
сталей, содержащих 0,25-0,5 % углерода,
повышение твёрдости ко­торых при
нормализации невелико, выгоднее проводить
нормализацию; для более высокоуглеродистых
сталей, содержащих 0,55-0,75 % С — отжиг, но,
воз­можно, и нормализацию — в зависимости
от используемой в дальнейшем технологии.

Малоуглеродистые
стали (до 0.25 % С) необходимо подвергать
только нормализации, чтобы сталь, имея
структуру феррит + перлит (небольшое
коли­чество), была пластичной. После
отжига эти стали будут иметь структуру
фер­рита и цементита, расположенного
по границам ферритных зерен, что сильно
охрупчивает стали.

Измельчение
зерна при отжиге или нормализации
доэвтектоидных сталей в результате
перекристаллизации происходит как при
нагреве, так и при охлаж­дении

14. Предварительная термическая обработка углеродистых инструментальных сталей

Заэвтектоидные
инструментальные стали имеют исходную
структуру перлит + вторичный цементит,
при этом в ряде случаев при некачественно
про­веденной горячей обработке
давлением (ковке, прокатке и др.) вторичный
це­ментит расположен в виде сетки по
границам перлитных зерен.

Такая
структура приводит к по­вышенной
хрупкости стали и затрудня­ет ее
механическую обработку, а после дальнейшей
закалки инструмент будет хрупок и
неработоспособен. Поэтому в первую
очередь необходимо избавить­ся от
сетки вторичного цементита.

Для этого
заэвтектоидную сталь нагревают до
температуры, при которой вторич­ный
цементит полностью растворится, т. е.
на 30-50 °С выше линииАс3
(но
обычно не выше 920-950 °С), выдер­живают
при этой температуре и уско­ренно
охлаждают на воздухе или в мас­ле (в
зависимости от сечения заготов­ки).

Если же охлаждать медленно, например,
с печью, то вторичный цементит успевает
вновь выделиться избирательно по
границам перлитных зерен.

Главным
условием образования перлита с зернистой
формой цементита является фиксация при
охлаждении неоднородного по углероду
твердого раствора (аустенита). Из
однородного (гомогенного) аустенита
при медленном охлаждении всегда
образуется цементит пластинчатой формы.

На практике от­жиг проводят путем
нагрева стали выше точки Ac1
(до
740-770 °С) с после­дующей длительной
изотермической выдержкой при температуре
660-700 °С (наиболее технологичный режим)
или с последующим непрерывным охлаж­дением
с печью со скоростью не более 50 град/ч
до 500-600 °С и далее на воз­духе (рис.
6.5).

Для отдельных заготовок инструментов
и небольших их партий возможен маятниковый
отжиг, сокращающий время обработки.

Термическая обработка стали: виды и цели термообработки металла

Термическая обработка стали – процесс температурного воздействия на материал. Решение о выборе способа термической обработки применяется на основании анализа стоящей задачи, а также особенностей марки стали.

Термическая обработка стали – это процесс температурного воздействия на материал. Он позволяет поменять размеры зерен внутри металла, то есть изменить его характеристики, улучшить.

При обработке применяется сразу несколько методов. Металл нагревают, выдерживают при определенной температуре и равномерно охлаждают. Делать это можно на разных этапах, как с заготовками, так и с уже готовыми изделиями.

Метод используется для достижения следующих целей:

• значительное увеличение прочности и износостойкости;
• защита материала от последующего воздействия высоких температур;
• снижение риска появления коррозии;
• устранение внутреннего напряжения в заготовках;
• подготовка материала к последующей обработке, увеличение его пластичности.

Решение о выборе способа термической обработки применяется на основании анализа стоящей задачи, а также особенностей марки стали. Можно использовать материалы любого качества.

Сталь должна соответствовать трем основным требованиям:

• относиться к категории инструментальных, конструкционных или специальных;
• быть по составу легированной или углеродистой;
• содержать не более 0,25% углерода для низкоуглеродистых сплавов и менее 0,7 % для высокоуглеродистых.

Рассмотрим, какие способы применяются в работе, их особенности и другие параметры, влияющие на результат и уровень качества.

Отпуск

Часто применяется в машиностроении, а также при изготовлении деталей разного назначения из стальных заготовок. Обычно используется с закалкой, потому что помогает снизить внутреннее напряжение материала. Это делает сырье значительно прочнее, снимает хрупкость, которая может появиться при воздействии повышенных температур.

Еще одна цель применения – увеличение показателей ударной вязкости. Материал становится менее жестким, а значит, при сильном внешнем механическом воздействии его будет сложно повредить.

Технология отпуска разделена на три типа:

• Низкий. Технология используется для создания мартенситной структуры металла. Главная цель – значительно увеличить вязкость сырья и при этом сохранить его твердость.

Максимальная температура нагрева – до 250 °С. Обычно она составляет не более 150 °С. При таком нагреве сталь нужно будет держать около полутора часов. Охлаждение проводится внутри масла или воздуха, что помогает также упрочнить заготовку или готовое изделие.

Чаще всего низкий отпуск применяется при создании измерительного инструмента или разных типов режущих изделий.

• Средний. Отличие заключается в повышении максимальной температуры до 500 °С. Обычно детали обрабатываются при нагреве до 340 °С. Применяется воздушное охлаждение.

Главная задача среднего отпуска – перевести мартенсит в троостит. Это обеспечивает рост вязкости на фоне понижения твердости. Технология пригодится, если планируется производить детали, работающие под сильными нагрузками.

• Высокий. Одно из наиболее успешных средств, позволяющих снизить высокий уровень внутренней напряженности. Изделие прогревается до высоких температур, что помогает создать и нарастить вязкость и пластичность без потери прочности. Хотя методика сложна в использовании для ответственных деталей, она оптимальна. Диапазон нагрева – 450-650°С.

Отжиг

Метод применяется для стабилизации внутренней структуры материала и увеличения ее однородности. Это также помогает сильно уменьшить уровень напряжения. Технологический процесс предполагает нагрев до высоких температур, выдержку и длительное, медленное охлаждение.

В промышленности используется несколько основных подходов:

• Гомогенизация. Ее также называют диффузионным отжигом. Это процесс термообработки стали в диапазоне температур от 1000 до 1150 °С. В таком состоянии сырье держится на протяжении 8 часов. Для некоторых марок стали время увеличивается до 15. Температура остывания контролируется. Из печи заготовку можно вытаскивать только при достижении 800°С. Далее температура естественно снижается на воздухе.
• Рекристаллизация. Это низкий отжиг, необходимый после проведения деформации. Главная задача – сделать материал значительно прочнее путем изменения формы зерна во внутренней структуре. Температурный диапазон составляет 100-200 °С. По сравнению с гомогенизацией, длительность выдерживания сильно уменьшилась – до двух часов. Медленное остывание проходит внутри печи.
• Изометрическое воздействие. Подходит только для легированных сталей. При создаваемом состоянии аустенит постепенно распадается. Температура зависит от природного максимума для конкретной марки металла. Предел должен быть превышен на 20-30°С. Остывание проходит в два этапа – быстрый и медленный.
• Избавление от внутреннего и остаточного напряжения. Методика подойдет после того, как деталь проходит механическую обработку, сваривается или обрабатывается с использованием литья. Максимальная температура нагрева составляет 727°С. У этого процесса самый длительный период выдерживания среди всех разновидностей отжига –20 часов. Заготовка будет остывать очень медленно.
• Полный. Если вам нужно достичь мелкозернистой структуры материала с преобладанием перлита и феррита. Методика подойдет для разных типов заготовок – от штампованных и литых до кованных. Метод нагревания здесь такой же, как у изометрического отжига – прогрев выполняется до предельной точки и еще на 30-50°С выше него. Охлаждение проводится до 500°С. Секрет качественного выполнения операции в том, чтобы контролировать скорость остывания. Она указывается из расчета на 60 минут. Для углеродистой стали остывание должно быть менее 150°С, а для легированной – 50°С.
• Неполный. Основной задачей проведения неполного отжига является перевод перлита в ферритно-цементитную структуру. Технология подойдет для деталей, которые были созданы методом электродуговой сварки. При этом температура составляет 700°С, а длительность выдержки – 20 часов. После медленного охлаждения можно использовать заготовку – ее прочность и защита от повреждения значительно увеличатся.

Закалка

Закалка и отпуск стали являются одними из наиболее распространенных режимов термической обработки.

Такой вариант воздействия нужен, чтобы нарастить важные показатели материала – от твердости и максимальной упругости до защиты от износа и твердости. При помощи закалки удается уменьшить предел на сжатие и пластичность.

Такой формат обработки является одним из наиболее старых. Он основывается на быстром охлаждении прогретого до высоких температур металла. Предел нагрева отличается в зависимости от типа сплава. Нужно учитывать, при какой температуре начинает изменяться внутренняя кристаллическая решетка.

В зависимости от марки стали меняется несколько основных параметров:

• Среда охлаждения. Самый простой способ – окунание в воду. Дополнительные полезные свойства позволяют получить применение технического масла, газов инертного типа и растворов с высоким уровнем содержания соли.
• Скорость охлаждения. Меняется в зависимости от изначальной степени прогрева. Температура воды, соляного раствора или газа также может отличаться.
• Нагрев. Выбирается в зависимости от пределов, нужных для изменения внутренней структуры. Для многих видов сырья этот показатель составляет около 900°С.

Нормализация

Процесс нормализации необходим для того, чтобы изменить структуру и создать внутри металла мелкое зерно. Этот вариант подходит как для легированных, так и для низкоуглеродистых сталей.

Главное преимущество технологии позволяет довести твердость до 300 НВ. Вы сможете использовать полученные горячекатаным методом заготовки, а также нарастить прочность, защиту от излома и вязкость. Это позволяет упростить процесс последующей обработки.

В качестве среды охлаждения используется воздух. Максимальные температуры нагрева – не более 50°С сверх установленного для материала предела.

Криогенная термообработка

Основы термической обработки стали криогенного типа заключаются в значительном охлаждении ранее закаленных заготовок. Главная цель использования – прекращение мартенситного преобразования.

Как и в случае с другими перечисленными средствами, заготовку потребуется постепенно прогреть до стандартной температуры.

Химико-термическая обработка

В ходе обработки происходит преобразование внешнего слоя материала. Это позволяет повысить твердость, защитить сырье от коррозии и дополнительно нарастить износостойкость.

В процессе могут использоваться следующие методы:

• Цементация. Также называется науглероживанием. Поверхность насыщается углеродом. Сначала проводится термическая обработка, участки, которые не планируется обрабатывать, обмазываются защитными составами. Процедура проводится в диапазоне 900-950°С.
• Азотирование. В отличие от цементации вместо углерода применяется азот. Для этого создается нагретая аммиачная среда. Температурный диапазон составляет 500-520°С.
• Цианирование. Применяется как углерод, так и азот в разных соотношениях в зависимости от температуры. Процесс возможен как в газовой, так и в жидкой среде.
• Хромирование. Один из видов металлизации. Назван так по основному веществу, которым насыщается материал (хром). Улучшает прочность, коррозийную стойкость, внешний вид детали.

Технология выбирается с ориентиром на особенности и характеристики конкретного типа сплава.

Виды термообработки

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.

Отпуск

Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда.

Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз.

Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются.

Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке.

Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм. Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определены температуры для начала и конца ковки.

Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термической обработки, но на это требуется дополнительное время и энергия.

Нагрев металла до еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушение связей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке.

Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева.

При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины.

Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали — химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С