Основы термической обработки

Термическая обработка состоит в изменении структуры металлов и сплавов путем нагревания их и последующего охлаждения с той или иной скоростью; при этом достигается существенные изменения свойств при том же химическом составе.

Термическая обработка стали и чугуна основана на явлениях вторичной кристаллизации применительно к линиям GOS(A₃), SE(A_ст) и PK(A₁).

Отжиг и нормализация. После отливки, прокатки и ковки заготовки охлаждаются неравномерно результатом чего является неоднородность структуры и свойств, а также появление внутренних напряжений.

Отжиг. Отжигом называют нагревание и медленное охлаждение стали. Существуют два вида отжига. Отжиг первого рода - приведение структуры из неравновесного состояния в более равновесное (возврат (отдых), рекристаллизационный отжиг, диффузионный отжиг; отжиг второго рода - изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур; к отжигу второго рода относится полный, неполный и изотермический отжиг.

Возврат (отдых) стали - нагрев до 200 - 400 ⁰С, для уменьшения и снятия наклепа. При возврате наблюдается уменьшение искажений в кристаллических решетках.

Рекристаллизационный отжиг стали происходит при температурах 500 - 550 ⁰С; отжиг для снятия внутренних напряжений - при 600 - 700 ⁰С. При рекристаллизационном отжиге из деформированных зерен вырастают новые кристаллиты, ближе к равновесным, в результате твердость стали снижается, а пластичность и ударная вязкость увеличиваются.

Диффузионный отжиг применяется в тех случаях, когда в стали наблюдается внутренняя ликвация. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. В результате сталь становится однородной по составу (гомогенной). При диффузионном отжиге зерна слишком укрупняются, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).

Полный отжиг связан с фазовой перекристаллизацией и измельчением зерна при температурах Ас₁ и Ас₃. Назначение его улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры в готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30 - 50 ⁰С выше температуры линии GSK и медленно охлаждают.

Неполный отжиг связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре Ас₁; он применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовок мелкозернистая структура.

При изотермическом отжиге после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки А₁ (рис.33) и выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе.

Применение изотермического отжига значительно сокращает время и повышает производительность. Например, обыкновенный отжиг легированной стали длится 13 - 15 часов, а изотермический - 4 - 7 часов.

Нормализация. При нормализации сталь охлаждается не в печи, как при отжиге, а на воздухе. Нагревание ведется до полной рекристаллизации (на 30 - 50 ⁰С выше точек Ас₃ и А_ст), в результате сталь приобретает мелкозернистую и однородную структуру. Твердость и прочность стали после нормализации выше, чем после отжига. Часто нормализацией подготавливают сталь для закалки. Термическую обработку некоторых марок углеродистой и легированных сталей заканчивают нормализацией.

Закалка и отпуск. Цель закалки и отпуска улучшение её свойств. Закалка основана на перекристаллизации стали при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при этой температуре для завершения закалки следует быстрое охлаждение. Таким путем предотвращают превращение аустенита в перлит. Закаленная сталь имеет неравновесную структуру мартенсита, троостита или сорбита.

Чаще всего при закалке сталь быстро охлаждают на мартенсит. Для смягчения действия закалки сталь отпускают, нагревая до температуры ниже точки А₁.

Температура нагрева стали под закалку та же, что и при полном отжиге: для доэвтектоидной стали на 30 - 50 ⁰С выше точки Ас₃, для заэвтектоидной - на 30 - 50 ⁰С выше точки Ас₁.

Скорость охлаждения детали должна быть такой, чтобы деталь получилась заданной структуры.

Изотермическая закалка(закалка в горячих средах) основана на изотермическом распадении аустенита; охлаждение ведется не до комнатной температуры, а до температуры несколько выше начала мартенситного превращения (200 - 300 ⁰С, в зависимости от марки стали). В качестве охладителя используют соляные расплавы или масло.

Поверхностная закалка обеспечивает нагрев тонкого поверхностного слоя, а внутри металл почти не нагревается. После закалки детали имеют твердый поверхностный слой и вязкую середину.

Дефекты закалки. К этим дефектам относятся: трещины, поводка или коробление и обезуглероживание.

Рис.33. Схема изотермического отжига и изотермической закалки

Главная причина трещин и коробления - неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Трещины возникают потому, что напряжения, возникающие при изменении объема в отдельных местах детали превышают предел прочности. Обезуглероживание стали с поверхности - результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения процесса обезуглероживания необходимо нагрев производить в восстановительной или нейтральной среде.

Печи для термической обработки стали. Термические печи нагревают электричеством, а также жидким или газообразным топливом. По конструкции различают печи периодического действия (камерные или шахтные) и печи непрерывного действия (толкательные, конвейерные, с шагающим подом).

Кроме того, различают печи с воздушной средой и продуктами горения (без защиты от окисления), с защитной газовой средой и печи - ванны (масляные, соляные и др.), где заготовки изолированы от атмосферы.

В муфельных печах детали нагреваются косвенным путем через стенку закрытого огнеупорного муфеля. Муфельные печи нагреваются пламенем или электричеством.

В электрических, пламенных, нефтяных и газовых печах детали нагревают при отжиге, нормализации и закалке.