Раз в месяц мы отправляем дайджест с новинками, акциями, мастер-классами и самыми интересными статьями. Без спама.

9/9

Технологии термообработки

Высокие скорости и нагрузки, сложные условия эксплуатации современных машин и инструментов, привели к тому, что до 40% изготавливаемых деталей должны подвергаться термической обработке. Важно при этом соблюдать технику безопасности пользоваться специальными клещами для термистов, термостойкими крагами с кевларовой нитью.

Основные виды термической обработки

Отжиг стали

Отжиг первого рода служит для устранения или значительного уменьшения физической неоднородности, возникающей в металле при кристаллизации из расплава, при холодной пластической деформации и ряде других обработок металла. Дендритная ликвация повышает склонность к хрупкому разрушению в литой стали. Для уменьшения или устранения дендритной ликвации применяют гомогенезирующий отжиг. Температура его должна быть высокой, а выдержка длительной. Для более полного протекания диффузионных процессов выравнивания состава охлаждение при отжиге медленное, вместе с остывающей печью.

В зависимости от состава стали и массы садки, общая продолжительность процесса отжига достигает нескольких десятков часов. Холодная пластическая деформация стали сопровождается увеличением твердости и уменьшением пластичности. Это явление называют деформационным упрочнением или наклепом. При холодной пластической деформации зерна вытянуты в одном направлении, что приводит к анизотропии свойств стали. Для устранения наклепа применяют рекристализационный отжиг, состоящий из нагрева выше температуры рекристаллизации, выдержки и охлаждения. Для углеродистой стали, содержащей от 0,08% до 0,2% углерода, подвергаемых холодной прокатке, штамповке, волочению, температура отжига составляет 680-700 градусов Цельсия.

Для легированных сталей 730-750 градусов Цельсия. Продолжительность выдержки от получаса до полутора часов. В результате, снижается прочность стали и возрастает ее пластичность. Неравномерное охлаждение при затвердевании отливки из сварного шва, неравномерная деформация при механическом воздействии, а также неравномерность фазовых превращений в различных точках изделия, приводит к возникновению внутренних напряжений.

Отжиг для снятия внутренних напряжений производят в интервале от 160 до 700 градусов Цельсия. Для снятия шлифовочных напряжений детали отжигаются при температуре 160 – 180 градусов Цельсия в течение 2 - 3,5 часов. Детали прецизионных станков после механической обработки отжигаются при температуре 570-600 градусов Цельсия в течение 2 – 3 часов. Для снятия сварочных напряжений отжиг производят при температуре 650 – 700 градусов Цельсия.

Отжиг второго рода предназначен для снижения прочности и твердости стали и служит предварительной термообработкой перед обработкой резанием. Этому отжигу подвергают фасонные отливки, штамповки, паковки и сортовой прокат. Для доэвтектоидной стали такой отжиг заключается в нагреве на 30 – 50 градусов выше температуры, соответствующей точке АС3, выдержке и медленном охлаждении. При нагреве выше точки АС3 образуется мелкозернистый аустенит, который при охлаждении превращается в мелкозернистый перлит и феррит.

Время нагрева и продолжительность выдержки зависит от типа печи, размеров изделий и способов укладки их в печь. А так же от массы садки в тоннах при отжиге изделий на металлургических заводах. В случае неполного отжига сталь нагревают до более низкой температуры. При которой происходит только частичная перекристаллизация стали вследствие превращения перлита в аустенит.

Нормализация (разновидность отжига второго рода)

При нормализации доэвтектоидная сталь нагревается так же, как и при отжиге, до температуры АС3 + 50 градусов. А заэвтектоидная до температуры АСN + 50 градусов. Структура стали после нормализации служит классификационным признаком. В результате нормализации, углеродистые и низколегированные стали приобретают близкую к равновесной структуру, в состав которой входит перлит. В отличие от отжига, охлаждение при нормализации производят на воздухе.

Закалка стали

Легирующие элементы – хром, вольфрам, молибден, повышают устойчивость аустенита. И сталь при охлаждении на воздухе претерпевает мартенситное превращение. Легирование никелем и марганцем не только повышает устойчивость аустенита, но и смещает температуру мартенситного превращения ниже комнатной. Такая сталь после охлаждения на воздухе сохраняет структуру аустенита и относится к аустенитному классу. Закалка стали является основной упрочняющей операцией термической обработки. Сталь после закалки имеет высокую твердость, но пониженную вязкость и пластичность. Доэвтектоидные стали нагревают при закалке выше АС3 для получения структуры аустенита. Заэвтектоидные стаи нагревают до температуры на 30 – 50 градусов выше АС1. Образуется аустенит и вторичный цементит.

Скорость охлаждения при закалке должна быть выше критической. То есть, достаточно высокой, чтобы не произошел распад аустенита. Критическая скорость охлаждения стали зависит от ее химического состава. Самую высокую критическую скорость охлаждения имеют углеродистые стали. Поэтому, закалку этих сталей производят в воде. Теплоотвод при закалке осуществляется через поверхность изделия. Поэтому, скорости охлаждения на поверхности и в сердцевине изделия различны. Если скорость охлаждения в сердцевине выше критической, то сталь приобретает мартенситную структуру по всему сечению. То есть, сталь имеет сквозную прокаливаемость.

Если же скорость охлаждения сердцевины ниже критической, то сталь приобретает мартенситную структуру не по всему сечению. То есть, сталь имеет определенную глубину прокаливаемости. Чем выше скорость охлаждения и чем больше легирована сталь, тем выше у нее прокаливаемость. За толщину закаленного слоя, условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны. Диаметр заготовки, в центре которой после закалки образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром. Для определения прокаливаемости стали используют также торцевую пробу. При которой образец определенной формы и размеров закаливается струей воды с торца. За глубину прокаливаемости принимают расстояние от торца до зоны с твердостью, соответствующей для данной стали 50% мартенсита в структуре.

Неравномерное охлаждение при закалке, особенно длинномерных и плоских деталей, приводит к их короблению и деформации. Деформация плоских деталей устраняется при их отпуске в прессах. После закалки детали подвергают отпуску для уменьшения хрупкости и напряжений, вызванных закалкой. Низкотемпературный отпуск применяют для изделий из инструментальных и закаленных цементитовых сталей. Его продолжительность от 1 до 2,5 часов. Для пружин и рессор применяют средний температурный отпуск.

Структуру после среднетемпературного отпуска называют трооститом отпуска. При выборе температуры отпуска необходимо учитывать возможность появления необратимой отпускной хрупкости. Изделие приобретает твердость 40 – 50 HRC и высокие значения пределов упругости, выносливости, а также релаксационной стойкости. Высокотемпературный отпуск применяют для деталей машин, изготовленных из среднеуглеродистых конструкционных сталей. Структура - сорбит отпуска. Сталь имеет невысокую твердость и прочность, но высокую ударную вязкость и пластичность.

Поверхностная закалка при индукционном нагреве

Одним из основных методов поверхностного упрочнения является поверхностная закалка индукционным нагревом. Переменный ток, протекая по индуктору, создает переменное магнитное поле. И в результате явления индукции в изделии возникают индукционные токи. Выделяется джоулево тепло и поверхностный слой разогревается. Если прервать нагрев и быстро охладить изделие, то слой металла, имеющий аустенитную структуру, подвергнется закалке, а сердцевина останется незакаленной. Для закалки с индукционным нагревом применяют различные виды генераторов. При наличии у изделий нескольких упрочняемых участков, их нагревают и охлаждают последовательно.

Для длинномерных изделий применяют непрерывно-последвательный нагрев и охлаждение.

При индукционном нагреве скорость нагрева может достигать нескольких сотен градусов в минуту. Высокая скорость нагрева и кратковременность пребывания при высоких температурах обеспечивает образование более мелкого зерна аустенита, что в свою очередь, обеспечивает получение мелкокристаллического мартенсита при закалке. Для выбора режимов индукционной закалки проводят исследования, так называемого, закалочного ряда. Твердость мало изменяется при перегреве и не определяет однозначно прочности стали, поэтому, в качестве характеристики закалочного ряда целесообразно использовать размер зерна аустенита.

Прокаливаемость обычных сталей, даже простых углеродистых, выше, чем требуемая длина закаленного слоя при поверхностной закалке. Поэтому, применяют специально разработанные стали пониженной прокаливаемости. Стали, подвергаемые индукционной закалке, являются либо углеродистыми, либо низколегированными. В настоящее время созданы и работают автоматические линии, включающие в себя все необходимые процессы термообработки.