1. Общие сведения

Т ермической обработкой называется совокупность операций на­грева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутрен­него строения и структуры.

Термическая обработка является одним из наиболее распро­страненных в современной технике способов получения заданных свойств металла. Термическая обработка используется либо в ка­честве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень физико-механических свойств детали.

Так как основными факторами любого вида термической обра­ботки являются температура и время, то режим термообработки обычно представляется графиком в координатах t - τ или t - lgτ, где t - температура, τ - время (рис.. 91). Угол наклона характе­ризует скорость нагрева или охлаждения. Постоянная скорость нагрева или охлаждения изображается на графике прямой ли­нией с определенным углом наклона.

В результате термической обработки в сплавах происходят структурные изменения. После термообработки металлические сплавы могут находиться в равновесном (стабильном) и неравно­весном (метастабильном) состоянии.

Равновесное состояние достигается тогда, когда полностью за­вершатся все протекающие в сплавах процессы. При этом строе­ние сплава будет соответствовать диаграмме состояния. Неравно­весное состояние получается при условиях, препятствующих пол­ному завершению протекающих процессов.

Примером сохраняющихся длительное время неравновесных состояний являются наклеп, неоднородность химического состава вследствие ликвации, структура булатной стали.

Увеличение теплового движения атомов при нагреве способ­ствует переходу в равновесное состояние.

Принято обозначать критические точки стали буквой А по на­чальной букве французского слова аггеt - остановка. Критиче­ские точки A₁ лежат на линии РSK (727 °С) диаграммы железо-углерод и соответствуют превращению перлита в аустенит (рис. 92). Критические точки A₂ находятся на линии МО (768 °С), характеризующей магнитное превращение феррита. А₃ соответ­ствует линиям GS и SE. На линии GS начинается выделение фер­рита из аустенита при охлаждении или завершается превращение феррита в аустенит при нагреве. На линии SE начинается выделе­ние вторичного цементита из аустенита при охлаждении или закан­чивается его растворение в аустените при нагреве.

Вследствие теплового гистерезиса превращения при нагреве и охлаждении проходят при разных температурах. Поэтому для обозначения критических точек при нагреве и охлаждении вводят дополнительные индексы: букву «с» в случае нагрева и «г» в случае охлаждения, например А_с1,, А_с3,, A_г1, А_r3 (начальные буквы от французских слов chauffe - нагрев и геfroidissement - охла­ждение). Таким образом, А_с1 - критическая точка, соответствую­щая превращению П → А, а A_r1—А→П; Aс₃ критическая точка конца растворения Ф в А, а Ar₃ - начало выделения Ф из А. Начало выделения вторичного цементита из аустенита также обо­значают Аr_а, а конец растворения вторичного цементита в аусте­ните часто обозначают Аст.

Общая длительность нагрева металла при термической обра­ботке τ_общ складывается из времени собственно нагрева до задан­ной температуры τ_н и времени выдержки при этой температуре τ_B: τ_общ = τ_н + τ_B. Время нагрева зависит от типа печи, размеров деталей, их укладки в печи; время выдержки зависит от скорости протекания фазовых превращений.

Нагрев печей для термической обработки производится элек­троэнергией, газом, жидким или твердым топливом. Печи для термической обработки должны обеспечивать возможность кон­троля и регулирования температуры, а также равномерную тем­пературу в рабочем пространстве.

Нагрев может сопровождаться взаимодействием поверхности металла с газовой фазой. Химическое взаимодействие металла с кислородом может приводить к обезуглероживанию поверхност­ного слоя (С + О₂ → СО₂) и образованию окалины в количестве до 1-3 % от массы металла (2Fе + О₂ → 2FеО).

Обезуглероживание приводит к тому, что поверхность дета­лей, подвергающаяся наибольшим нагрузкам и износу при эксплу­атации, становится менее прочной и теряет твердость. Окалино-образование приводит к угару металла, меняет форму деталей и

портит их поверхность. Окалина удаляется с поверхности травле­нием и дробеструйной очисткой.

Для уменьшения окислительных процессов снижают коэффи­циент избытка воздуха, применяют рециркуляционные печи, печи с контролируемой атмосферой. Для предохранения от окисления и обезуглероживания применяют также нагрев изделий в соляных ваннах. Для нагрева используют хлористые соли NaС1, КС1, ВаС1₂ в различных сочетаниях. Температура нагрева в солях обычно составляет 750-1000 °С и более. Однако, нагрев в солях сравнительно сложен в осуществлении и ограничен размерами деталей. Для поверхностной термической обработки, например, поверхностной закалки, широко применяется индукционный на­грев.

Охлаждение при термообработке производится с различной скоростью. При отжиге металл охлаждают медленно вместе с печью, при нормализации — на воздухе, при закалке применяют быстрое охлаждение в специальных средах.