Термическая обработка стали

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА.

 Термической обработкой  стали называется совокупность  технологических операций ее  нагрева, выдержки и охлаждения  в твердом состоянии с целью  изменения ее структуры и создания  у нее необходимых свойств:  прочности, твердости, износостойкости,  обрабатываемости или особых  химических и физических свойств. 

 Термообработка  бывает предварительная и окончательная. 

 Предварительная  термообработка (отжиг поковок) проводится  непосредственно после ковки  с целью предотвращения появления  флокенов, снижения твердости, для облегчения последующей механической обработки, уменьшения остаточных напряжений и подготовки структуры под окончательную термообработку.

 Окончательная  термообработка (нормализация, закалка  с высоким отпуском и т.д.) придает  металлу требуемый уровень механических  свойств, обеспечивает необходимую  структуру. 

 Отжигом называется  процесс термообработки, состоящий  из нагрева стали до заданной  температуры, выдержки при этой  температуре и последующего медленного  охлаждения 

 Закалка стали  - процесс, состоящий из нагрева  стали до определенной температуры,  выдержки при этой температуре  и быстрого охлаждения.

 Цель закалки  - придание высокой твердости  и прочности за счет получения  неравновесных структур. Эти неравновесные  структуры можно получить лишь  при очень высоких скоростях  охлаждения.

 Длительность  выдержки при нагреве под закалку  зависит от размеров гуделий и массы садки.

 В качестве  закалочных сред (для быстрого  охлаждения) используются вода, масло  индустриальное и раствор щелочи.

 Охлаждающая способность  жидкостей различна.

 Отпуск стали  заключается в нагреве до определенных  температур (более низких им при  закалке), выдержке и охлаждении.

 Цель отпуска  - перевести структуру стали в  более равновесное состояние, придать стали требуемые свойства. Кроме того при отпуске снимаются внутренние напряжения, полученные при закалке.

 В зависимости  от температуры, отпуск бывает  низкий, средний, высокий. 

 При низком  отпуске сталь нагревается до  температуры 150-3000С. Это приводит  к снижению внутренних напряжений  в стали. При низком отпуске  твердость стали снижается незначительно. 

 При среднем  отпуске сталь нагревается до  температуры 300-5000С. средний отпуск  значительно понижает твердость  и обеспечивает высокую вязкость  стали. Среднему отпуску подвергают  пружины, рессоры, штампы для  холодной обработки. 

 Высокий отпуск  проводят при температуре 500-6800С.  высокий отпуск значительно понижает  твердость и сопротивление разрыву  и повышает пластичность и  ударную вязкость. Высокому отпуску  подвергают валы, оси и т.д. 

Химико-термическая  обработка 

 Химико-термической  обработкой называют поверхностное  насыщение стали соответствующим  элементом (например - углеродом,  азотом и т.д.) путем его диффузии  в атомарном состоянии из внешней  среды при высокой температуре. 

 Цементацией называется  процесс насыщения поверхностного  слоя стали углеродом. 

 Цель цементации - получение твердой и износостойкой  поверхности. Цементация бывает  двух видов: газовая цементация  и цементация в твердом карбюризаторе.

В качестве твердого карбюризатора применяется активированный уголь (древесный уголь или каменноугольный  полукокс) с активаторами.

 Газовую цементацию  осуществляют нагревом изделия  в среде газов, содержащих углерод:  синтин, керосин и т.д.

 Окончательные  свойства цементированных изделий  достигаются в результате термической  обработки, выполняемой после  цементации - закалки и низкого  отпуска. Это высокая твердость  в цементированном слое и хорошие  механические свойства сердцевины.

 Цементации подвергают  низкоуглеродистые стали. 

Контроль термической  обработки 

 Контроль термической  обработки осуществляется определением  механических свойств на образцах, а также замером твердости  на приборах: Бриннель и Роквелл. Определение твердости на приборе Бриннель осуществляется путем вдавливания в поверхность детали стального шарика под нагрузкой

 По диаметру  лунки после снятия нагрузки  определяют твердость детали. Определение  твердости методом Роквелла осуществляется путем вдавливания в поверхность детали алмазного конуса (под нагрузкой).

 По высоте отпечатка  определяется твердость. 

Оборудование для  термообработки

 Печи - имеют газонепроницаемый  корпус из листовой стали, обложенный  огнеупорным кирпичом и теплоизоляционными  материалами. На внутренних боковых  стенках печей размещены нагреватели. 

 Примеры обозначения  модели печи и расшифровка: 

 СШЗ - 10.10/10

 СНО - 8.16.5/10

 СВС - 100/13

 США - 8.24/7

1-я буква С - вид нагрева - печь электрическая, сопротивления и т.д.

2-я буква - основной  конструктивный признак печи 

 Ш - шахтная

 Н - камерная 

 В - ванна

 и т.д. 

3-я буква - характер  среды при нагреве 

 З - защитная

 О - окислительная 

 С - соль, селитра 

 А - азот 

 и т.д.  

 цифры - рабочее  пространство печи (размеры в  дециметрах), за дробью температура  в сотнях градусов С. 

Основные виды термической  обработки стали.

После проката, литья, ковки, обработки резаньем и прочих видов обработки происходит неравномерное  охлаждение заготовок. В результате чего появляется неоднородность, как  структуры, так и свойств, а также  появление внутренних напряжений. А  также отливки при затвердевании  получаются неоднородными по химическому  составу. Для устранения таких дефектов и применяют отжиг.

Отжигом – называется вид термической обработки, состоящий  в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки и приводящей металл в  более устойчивое состояние. При  этом процессе заготовки и изделия  получают устойчивую структуру без  остаточных напряжений.

Цели отжига –  снятие внутренних напряжений, устранение структурной и химической неоднородности, снижение твердости и улучшение  обрабатываемости, подготовка к последующим  операциям.

Отжиг делится на полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, изотермический и нормализационный. Полный отжиг применяется для снижения твердости, прочности стали, а пластичность при этом повышается. При полном отжиге в металле происходит, перекристаллизация стали и уменьшения размера зерна, за счёт чего и достигаются указанные выше свойства.

Неполный отжиг  применяется, для улучшения обрабатываемости резанием и для подготовки стали  к закаливанию.

Изотермический отжиг  заключается, в нагреве стали  до определённой температуры и относительно быстром охлаждении, также до определенных температур и последующем охлаждении на воздухе. При этом получается, более  однородная структура стали. Изотермическая выдержка производится в расплаве соли.

Диффузионный отжиг  заключается, в нагреве стали  до 1000-1100 градусов по Цельсию, выдержке (10-15 часов) при этой температуре  и последующем медленном охлаждении. В результате такого отжига происходит, выравнивание неоднородности стали  по химическому составу. Такая высокая  температура необходима для ускорения  диффузионных процессов. При высокой  температуре нагрева и продолжительной  выдержке получается крупнозернистая  структура, которая устраняется  последующим полным отжигом.

Рекристаллизационный отжиг необходим для снятия наклёпа и внутренних напряжений после холодных деформаций и подготовки к дальнейшему деформированию. В результате такого отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.

Низкий отжиг применяют  для того, что бы только снять  внутреннее напряжение, которое возникает  после механической обработки.

Нормализация состоит, из нагрева стали, её выдержке при  определенной температуре и после  чего оставляют охлаждаться на воздухе. Нормализация – это более дешёвая  термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для  нагрева и выдержки.

К термической обработке  стали также, относят закалку. Суть этого процесса заключается, в нагреве  стали до больших температур и  после чего сталь быстро охлаждают. Цель закалки – это придание стали  повышенной прочности, твердости, но при  этом снижается вязкость и пластичность. Закалка характеризуется двумя  способностями: закаливаемостью и  прокаливаемостью. Закаливаемость характеризуется определённой твёрдостью, которая сталь приобретает после закалки, а также зависит от содержания углерода в данной стали. Стали с очень низким содержанием углерода (до 0,3) закалке не поддаются и она для них не применяется.

Прокаливаемость – это глубина проникновения закалённой зоны (области).

Прокаливаемость зависит от химического состава стали. С повышением содержания углерода прокаливаемость увеличивается. На прокаливаемость влияет также скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше прокаливаемость. Поэтому при закалке в воде прокаливаемость более высокая, чем при закалке в масле. Большие размеры закаливаемой детали, также приводят к значительному уменьшению прокаливаемости.

Способы охлаждения также относят к одной из операций термообработки.

По способу охлаждения различают виды закалки: в одной  среде, в двух средах, ступенчатая  и изотермическая. Закалке в одной  среде проще и наиболее чаще применяется, но недостаток её состоит в том, что  возникают внутренние напряжения. При  закалке в двух средах, изделие  сначала охлаждают сначала в  одной среде, а затем в другой (вода, масло, воздух).

Ступенчатую закалку  производят путем быстрого охлаждения в соляной ванне, затем делают выдержку и охлаждают на воздухе. Ступенчатую закалку применяют  для деталей из углеродистой стали  небольшого сечения (8-10 мм). Для сталей, имеющих небольшую критическую  скорость закалки, ступенчатую закалку  применяют в основном для изделий  большого сечения.

При изотермической закалке, как и при ступенчатой, детали переохлаждают в среде, далее  на воздухе. Преимущества этого способа  закалки заключается в большей  вязкости, отсутствии трещин, минимальном  короблении. Изотермическую закалку  применяют для изделий сложной  формы. Существенную роль играют также  способы погружения деталей в  охлаждающую жидкость. Например длинные  изделия вытянутой формы ( свёрла, метчики) погружают в строго вертикальном положении, чтобы избежать коробления.

Отпуск стали –  это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся  в нагреве стали до определённой температуры, выдержки и охлаждении. Цель отпуска стали - снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и  пластичности.

Различают низкий, средний  и высокий отпуск. Низкий отпуск проводится при температуре 150-200 градусов Цельсия. В результате снимаются  внутренние напряжения, происходит увеличение пластичности и вязкости без заметного  снижения твердости и износостойкости. Низкому отпуску подвергают режущий  и мерительный инструмент, а также  детали, которые должны обладать высокой  износостойкостью и твёрдостью.

При среднем отпуске  нагрев производится до 350-450 градусов Цельсия. При этом происходит некоторое  снижение твёрдости при значительном увеличении упругости и сопротивляемости действию ударных нагрузок. Применяется  для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск производится при 550-650 градусов Цельсия. При этом твёрдость и прочность снижаются  значительно, но очень сильно возрастают вязкость и пластичность, однако создаётся  оптимальный вариант для конструкционных  сталей сочетание механических свойств. Применяется для деталей, которые  подвергаются действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая  из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкционных  сталей. Продолжительность выдержки зависит от размеров деталей: чем  они больше, тем длиннее выдержка. Низкий отпуск инструментов обычно происходит в течении 0,5-2,5 часа. Для измерительных инструментов проводят более длительный отпуск до 10-15 часов.