Термическая обработка

Термическая обработка – это процесс нагрева, выдержки при повышенной температуре и охлаждения изделий из металлов и сплавов с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении.

Любую термическую обработку можно выразить в виде графика в координатах температура нагрева t⁰С – время t - время охлаждения, t_max – температура нагрева при термической обработке.

V_нет – истинная скорость охлаждения, определяемая как tg a - угла наклона линии охлаждения.

Основой процесса термической обработки является полиморфизм железа и его твердых растворов на базе Feα и Feγ. Полиморфные превращения стали происходят в определенном интервале температур, ограниченном нижней Ас₁ (Аr₁ - при охлаждении) и верхними Ас₃ и Ас_m (Аr₃ и Аr_m - при охлаждении) критическими точками.

Современная ТО применяет специальное оборудование, осуществляющие указанные процессы: печи различной конструкции (электропечи, газопламенные, элеваторные, конвейерные, шахтные и т.п.), закалочные баки, соляные ванны и многое другое. ТО - применяется для обработки как полуфабрикатов, так и готовых изделий.

Виды термической обработки:

• отжиг

• закалка

• отпуск

Отжиг

Отжиг — процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдерж­ке при ней и последующем медленном охлаждении с це­лью получения более равновесной структуры. Особенно­стью отжига является медленное охлаждение. В зависи­мости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига:

1. Отжиг 1-рода

• диффузионный;

• рекристаллизационный.

2. Отжиг 2-рода:

• полный;

• изотермический;

• неполный;

• сфероидизирующий;

Отжиг первого рода не зависит от фазовых превращений, протекающих при нагреве или охлаждении. Ц ель отжига 1 рода – устранить химическую и физическую неоднородность, созданную предшествующими технологическими обработками.

Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) применя­ют для уменьшения химической неоднородности сталь­ных слитков и фасонных отливок. Слитки (отливки), осо­бенно из легированной стали, имеют неоднородное стро­ение. Неоднородность строения обусловлена карбидной и дендритной ликвациями, так как в местах образования карбидов или в средней части дендритов возникают скоп­ления легирующих элементов. Для выравнивания хими­ческого состава слиток или отливку нагревают до высо­кой температуры, при которой атомы элементов приоб­ретают большую подвижность. При этом происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией химических элементов в места с меньшей концентраци­ей. В результате такой диффузии обеспечивается вырав­нивание химического состава слитка или отливки по объему

Сталь нагревают до температуры на 100-150 °С ниже линии солидуса или нагревают до 1000 – 1250 0С. Длительность отжига 15-40 часов. Диффузионный отжиг улучшает вязкость и пластичность

Р екристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа, вызванного пластической деформацией метал­ла при холодной прокатке, волочении или штамповке.

Рекристаллизационный отжиг выполняют путем нагрева до температуры ниже нижней критической точки при на­гревании (650 - 700°С), выдержки и последующего замед­ленного охлаждения. При нагреве металла до 650 - 700°С (рекристаллизационном отжиге) возрастает диффузион­ная подвижность атомов и в твердом состоянии проис­ходят вторичные кристаллизационные процессы (рекри­сталлизация). На границах деформированных зерен воз­никают новые центры кристаллизации, вокруг которых заново строится решетка. Вместо старых деформирован­ных зерен вырастают новые равноосные зерна, и дефор­мированная структура полностью исчезает. При этом вос­станавливаются первоначальная структура и свойства металла.

Наклепом называют упрочнение металла, появляюще­еся в результате холодной пластической деформации ме­талла.

При холодной прокатке, штамповке, волочении зер­на металла деформируются, дробятся. Это повышает твер­дость металла, снижает его пластичность и вызывает хрупкость.

Результат отжига 2 рода зависит от фазовых превращений, протекающих при нагреве и охлаждении в твердом состоянии.

Полный отжиг доэвтектоидных сталей – нагрев выше точки Ас₃ на 30-50⁰С, выдержка для полного завершения фазового превращения и медленное охлаждение с печью до ~600⁰С, далее на воздухе.

Цель: снижение твердости, повышение пластичности, вязкости, улучшение обрабатываемости резанием, измельчения зерна и снятия внутрен­них напряжений. Применяется в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок. Подвергают поковки, прокат, трубы, листы, отливки и т.д. Структура после отжига феррит и перлит

Неполный отжиг – нагрев стали выше точки Ас₁ на 30-50⁰С, выдержка, медленное охлаждение.

Цель: улучшение обрабатываемости резанием, получение структуры зернистого перлита.

Н еполному отжигу подвергают высокоуглеродистые заэвтектоидные стали и стали инструментальные, шарикоподшипниковые и др.

Изотермический отжиг – нагрев выше кристаллической точки А_Cm , выдержка, быстрое охлаждение до 620-680⁰С, выдержка 3-6 час для полного распада аустенита, охлаждение на воздухе.

Цель: снижение твердости, улучшение обрабатываемости резанием. Подвергают штамповки, поковки, заготовки инструмента, детали после цементации. Структура зернистый перлит.

И зотермический отжиг сокращает продолжительность термической обработки небольших по размерам изделий из легированных сталей в 2—3 раза по сравнению с пол­ным отжигом. Для крупных изделий такого выигрыша по времени не получается, так как требуется большое время для выравнивания температуры по объему изделия. Изо­термический отжиг является лучшим способом снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием сложнолегированных сталей, например 18Х2НЧВА.

Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, поковке или штамповке

При нормализации – доэвтектоидные стали нагревают выше Ас₃ , а заэвтектоидные стали – выше Ас_m на 30-50⁰С, дается выдержка для прогрева и завершения фазовых превращений и охлаждение на воздухе.

Цель обработки: для низкоуглеродистых сталей нормализация применяется вместо отжига, для отливок из среднеуглеродистой стали вместо закалки и высокого отпуска с целью снижения деформации изделия при термообработке, устранения цементитной сетки в заэвтектоидных сталях, исправления структуры после предварительных технологических операций.

Схема нормализации доэвтектоидной стали и диаграмма изотермического распада аустенита углеродистой стали

1 – охлаждение при отжиге;

2 – охлаждение при нормализации.

Низкоуглеродистые стали после нормализации имеют структуру мелкозернистого феррита и перлита.

Структура среднеуглеродистой стали сорбит, что повышает ее твердость и прочность.

Во многих случаях нормализация – окончательная термическая обработка детали