Виды термической обработки металлов, их назначение и применение

Отжиг — вид термической обработки металлов и сплавов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для повышения обрабатываемости, улучшение структуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений. Различают также:

• Полный отжиг заключается в нагреве стали на 30–50 °C выше верхней критической точки для полного превращения структуры стали в аустенит и последующем медленном охлаждении до 500–600 °C для образования феррита и перлита. Скорость охлаждения для углеродистых сталей около 50–100 °C/ч. Если охлаждение ведётся на воздухе, происходит нормализация.

• Неполный отжиг заключается в нагреве до температур между нижней и верхней критическими точками и последующем медленном охлаждении.

Закалка — распространенный процесс термической обработки стальных деталей. Она осуществляется путем нагрева деталей выше критической точки Ас3 (доэвтектоидной стали) или Ас1 (заэвтектоидной стали) на 30—50 °С, выдержки при этой температуре и быстрого охлаждения. Основная цель закалки стали — получение высокой твердости, износостойкости и физико-механических свойств.

Резкое увеличение твердости и прочности в процессе закалки происходит из-за фазовых превращений структуры в процессе нагрева и охлаждения и образования неравновесных твердых структур мартенсита, троостита и сорбита.

Качество закалки зависит от правильного выбора режима закалки (температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения). Температура нагрева под закалку зависит от химического состава стали. Для углеродистых сталей ее выбирают, пользуясь диаграммой состояния сплавов.

Нагрев деталей должен быть достаточно медленным, чтобы не возникли напряжения и трещины. Время нагрева зависит от химического состава стали, от формы и размеров деталей. Если нагрев производится в соляных ваннах, то скорость нагрева рекомендуется 0,5 мин на 1 мм сечения, если деталь нагревают в электрических печах, то время нагрева рекомендуется 15—20 мин на 1 мм сечения образца. Время выдержки должно быть достаточным, чтобы весь процесс превращения перлита в аустенит завершился полностью. Продолжительность выдержки обычно рекомендуют 25% общего времени нагрева.

Охлаждение детали является наиболее ответственным этапом операции. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы обеспечить получение нужной структуры — мартенсита, троостита или сорбита, т. е. обеспечить необходимые механические свойства обрабатываемой детали.

Отпуск стали является завершающей операцией термической обработки, формирующей структуру, а следовательно, и свойства стали. Отпуск заключается в нагреве стали до различных температур (в зависимости от вида отпуска, но всегда ниже критической точки), выдержке при этой температуре и охлаждении с разными скоростями. Назначение отпуска - снять внутренние напряжения, возникающие в процессе закалки, и получить необходимую структуру.

В зависимости от температуры нагрева закаленной детали различают три вида отпуска: высокий, средний и низкий.

Высокий отпуск производится при температурах нагрева выше 350—600 °С, но ниже критической точки; такой отпуск применяется для конструкционных сталей.

Средний отпуск производится при температурах нагрева 350—500 °С; такой отпуск широко применяется для пружинной и рессорной сталей.

Низкий отпуск производится при температурах 150—250 °С, а твердость детали после закалки почти не изменяется; низкий отпуск применяется для углеродистых и легированных инструментальных сталей, для которых необходимы высокая твердость и износостойкость.

Контроль отпуска осуществляется по цветам побежалости, появляющимся на поверхности детали.

Старение — это процесс изменения свойств сплавов без заметного изменения микроструктуры. Известны два вида старения: термическое — протекает в результате изменения растворимости углерода в железе в зависимости от температуры (если изменение твердости, пластичности и прочности протекает при комнатной температуре, то такое старение называется естественным; если же процесс протекает при повышенной температуре, то старение называется искусственным) и деформационное (механическое) — протекает после холодной пластической деформации.