7.1 Термічна обробка (то)

Основним способом що дозволяє змінювати структуру сплава, а отже і властивості, є термічна обробка. Вона являє собою сукупність операцій нагрівання, витримки та охолодження проведених у певній послідовності, з певною швидкістю для зміни внутрішньої будови сплава та отримання потрібних властивостей. Для зміни властивостей необхідно щоб в результаті термічної обробки в сплаві відбулись зміни викликані, в першу чергу, фазовими перетворенями.

Всі види термічної обробки поділяються на такі групи:

Відпалювання I роду. Воно не пов’язане з фазовими перетвореннями у твердому стані. Полягає у нагріванні до певної температури, витримці та наступному повільному охолодженні (в печі) з метою отримання більш рівновісної структури, ліквідації або зменшення хімічної неоднорідності та зменшення внутрішнього напруження. За рахунок прискорення теплового руху атомів (дифузії) відбуваються процеси переходу з нестійкого стану в стійкий з утворенням рівновісної (ненапруженої ) структури без перекристалізації.

Розрізняють такі види:

- дифузійне (гомогенізаційне) відпалювання проводять для вирівнювання хімічного складу фасонних відливок, переважно з легованої сталі, за рахунок інтенсифікації дифузійних процесів;

- рекристалізаційне відпалювання проводять після холодної пластичної деформації для зняття наклепування та отримання рівновісного стану сплаву;

- для зняття напруження проводять після кування, зварювання, штампування тощо.

Відпалювання II роду. Воно пов’язане з фазовим перетворенням у твердому стані при нагріванні та охолодженні. Швидкість нагрівання та охолодження і тривалість витримки при певній температурі мають першочергове значення. Фазові перетворення (перекристалізація) визначають цільове призначення .

Розрізняють такі види:

- неповне відпалювання проводять для повної перекристалізації евтектоїдної та заевтектоїдної сталі та створення зернистої структури. Доевтектоїдні сталі такому відпалюванню піддають рідко, бо відбувається неповна перекристалізація.

- повне відпалювання проводять для створення дрібнозернистої структури у виробах з доевтектоїдної сталі. Заевтектоїдну сталь повному відпалюванню не піддають.

- ізотермічне відпалювання проводять для створення однорідної структури у виробах з легованої сталі. Після витримки при потрібній температурі вироби охолоджують на повітрі.

- нормалізаційне відпалювання (нормалізація) проводять для виправлення структури перегрітої та литої сталі, подрібнення зерна, зниження твердості та загального поліпшення структури перед загартовуванням.

Загартовування полягає у нагріванні до оптимальної температури, витримці та наступному швидкому охолодженні з метою отримання нерівновісної (напруженої) структури. В результаті підвищується твердість і міцність, а пластичність зменшується. Час нагрівання залежить від розмірів деталі та теплопровідності сплава (1,5...2,0 хвилини 1 мм товщини). Визначальний фактор – швидкість охолодження. Її регулюють, підбираючи загартовуюче середовище: водні розчини солей та лугів, вода, мінеральне масло, повітря та розплавлені солі. Режим охолодження повинен виключити виникнення великих залишкових напружень і можливість появи тріщин та забезпечити необхідну глибину загартування. Наприклад, охолодження у воді (швидке) застосовують для вуглецевої сталі, а охолодження у маслі (повільне) для легованої сталі. В залежності від швидкості охолодження можливе утворення структури мартенсіта (найтвердіша), троостіта, сорбіта і перліта. Швидкість охолодження яка забезпечує одержання структури мартенсіта називається критичною. Загартовуються сталі з вмістом вуглецю більше 0,3%. Глибина загартування визначається теплофізичними властивостями сталі.

При нормальній температурі залізо з вуглецем утворює твердий розчин – феріт, який відзначається низькими твердістю та міцністю. При високій температурі (більше 1000˚С) залізо з вуглецем утворює твердий розчин – аустеніт, який відзначається пластичністю та низькою твердістю. Хімічна сполука заліза з вуглецем (Fe₃C) – цементіт, відзначається високою твердістю і практично нульовою пластичністю. Структури утворенні при загартовуванні – суміш вказаних компонентів у різних співвідношеннях.

Розрізняють такі способи:

- в одному охолоджувачі використовують для деталей простої форми. Недолік способу – нерівномірне охолодження по перетину через що виникають значні термічні напруження, які можуть викликати тріщини.

- ступінчате загартовування використовують для дрібних деталей з вуглецевої сталі діаметром до 10 мм. Полягає у попередньому охолодженні у розплавлених солях для вирівнюванні температури по всьому перетину, а потім на повітрі.

- ізотермічне загартовування проводять шляхом попереднього охолодження в соляній ванній до повного розпаду аустеніта, а потім на повітрі.

- загартовування з обробкою холодом використовують для легованої сталі, найчастіше інструментальної. Це забезпечує повне перетворення аустеніта в мартенсіт, що підвищує твердість і стабілізує розміри деталей.

- поверхневе загартовування полягає у нагріванні тільки поверхневого шару до потрібної температури струмами високої частоти або полум’ям газового пальника і наступному різкому охолодженні з метою отримання у ньому структури мартенсіта. Це підвищує зносостійкість та здатність працювати при динамічних навантаженнях.

Відпускання полягає у нагріванні до певної температури з наступним повільним охолодженням. Проводять з метою зниження внутрішніх напружень і крихкості загартованої сталі, підвищення в’язкості та пластичності, зменшення твердості. В залежності від бажаної глибини змін властивостей проводять:

- низькотемпературне відпускання – нагрівання до температури 250˚С і охолодження для одержання структури мартенсіта відпускання і часткового зняття внутрішніх напружень;

- середньотемпературне відпускання – нагрівання до температури 450˚С і охолодження для одержання структури троостіта відпускання;

- високотемпературне відпускання – нагрівання до температури 650˚С і охолодження для одержання структури сорбіта відпускання. Загартування з високотемпературним відпусканням називають поліпшенням.