3.2 Упрочнение деталей машин методами термической обработкой

Основными видами термической обработки, изменяющими структуру и свойства стали, являются: отжиг, нормализация, закалка, отпуск и обработка холодом.

Любой процесс термической обработки металла состоит из нагрева до заданной температуры, выдержки и охлаждения. Длительность нагрева и выдержки изделия (детали) при заданной температуре зависит от вида нагревающей Среды; формы изделия, его теплопроводности, а также от времени, необходимого для завершения структурных превращений.

Отжиг - вид термической обработки, состоящий из нагрева стали до определенной температуры в зависимости от вида отжига, выдержки и последующего медленного охлаждения (в печи или в золе) для получения более равновесной структуры.

Отжиг проводят для улучшения обрабатываемости резанием и давлением, снижения твердости, увеличения пластичности и вязкости, снятия внутренних напряжений. На практике применяют следующие виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный и отжиг для снятия остаточных напряжений.

Полный (смягчающий) отжиг заключается в нагреве стали до температур на 30-50С выше температур, соответствующих на диаграмме Fe-Fe₃C критическим точкам Ас₃ (линия GS), и выдержке с последующим медленным охлаждением (в печи) со скоростью 20-50С/ч. Этому виду отжига подвергают доэвтектоидную (конструкционную) сталь для создания мелкозернистой структуры, что способствует повышению вязкости, снижению твердости и повышению пластичности, а также снятию внутренних напряжений (например, в зоне сварного шва).

Неполному отжигу подвергают заэвтектоидную и эвтектоидную (инструментальные) стали для превращения пластического перлита в зернистый, что способствует повышению вязкости, пластичности снижению твердости стали.

Диффузионный (гомогенизационный) отжиг проводят для выравнивания химического состава фасонных отливок и слитков в основном легированных сталей, у которых такая неоднородность сильно выражена. Выравнивание химического состава происходит за счет диффузионных процессов, поэтому температура отжига должна быть высокой (1100-1200С). Отжиг (выдержка) длится 8-15ч, после чего заготовки охлаждают вместе с печью до 800-850С в течение 6-8 ч и помещают для окончательного охлаждения на воздух.

Отжиг для снятия остаточных напряжений подвергают в основном сварные соединения и отливки, нагревая до температуры, при которых фазовые превращения отсутствуют, т.е. до температур ниже 727С. В результате отжига при 600С в течение 20 ч напряжение почти полностью снимаются независимо от их начальной величины. Для сокращения продолжительности отжига температуру нагрева увеличивают до 680-700С.

Отжиг является длительной операцией и может продолжаться до 10-20 ч, поэтому часто вместо отжига для углеродистой стали применяют нормализацию.

Нормализацией называют процесс термической обработки, проводимый для улучшения обрабатываемости стали резанием, исправления структуры сварных швов и структуры перегретой (после горячей обработки давлением) и литой сталей, а также для подготовки стали к последующей термической обработке - закалке. Сталь нагревают до температуры на 30-50С выше температур, соответствующих критическим точкам Ас₃ (для доэвтектоидной стали) или Ас_т (для заэвтектоидной стали) с последующим охлаждением на воздухе.

Закалка - самый распространенный вид термической обработки, состоящий в нагреве стали до оптимальной температуры, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении в целях получения неравновесной структуры (рис.2). закаливают практически все детали машин и механизмов, инструмент и штампы. В результате закалки повышаются прочность, твердость, сопротивление износу ( износостойкость) и предел упругости, однако при этом понижается пластичность стали.

При закалке доэтектоидные стали (в основном это конструкционные стали) нагревают до температуры на 30-50С выше температур, соответствующих критическим точкам Ас₃ (линия GS, рис.2). При этих температурах исходная ферритоперлитная структура сталей превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью, большей критической (150-200С), образуется мартенсит.

Мартенсит - основная структурная составляющая закаленной стали; представляет собой перенасыщенный твердый раствор внедрения углерода в -железо, обладает высокой твердостью (51,5-66 НRC_эили 600-700 НВ), повышенной прочностью и сопротивляемостью изнашиванию, но низкой вязкостью.

Для этектоидной и заэтектоидной сталей всегда применяют неполную закалку, поскольку остающийся при таком нагреве цементит имеет высокую твердость и обеспечивает закаленной стали твердость и износостойкость. При закалке эти стали нагревают на 30-50С выше критических точек Ас₁ (см. Рис.2, линия SK), затем выдерживают в печи для полного прогрева и завершения структурных превращений.

Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывают решающее влияние на результат термической обработки.

В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду, водные растворы солей, щелочей и масло, которое имеют различную охлаждающую способность. Поэтому воду применяют для охлаждения углеродистых сталей, которым свойственна большая критическая скорость закалки, а масло - для охлаждения легированных сталей, имеющих малую критическую скорость закалки.

Для ответственных деталей из углеродистой стали, особенно из сталей для инструмента, применяют закалку в двух средах: воде и масле.

Способ закалки выбирают в зависимости от марки стали, формы и размеров изделий, а также от технических требований, предъявляемых к этим изделиям.

Закалка обработкой холодом Для обработки холодом закаленные на мартенсит изделия помещают в холодильник, где при температуре от -40 до -100С остаточный аустенит распадается с образованием мартенсита. Распространенным охладителем является смесь из твердой углекислоты с ацетоном (-78С).Обработке холодом подвергают в целях повышения режущих свойств быстрорежущих сталей; увеличения твердости инструмента, изготовленного из легированной стали; повышения магнитных свойств магнитных сталей; стабилизации размеров измерительного инструмента и шарикоподшипников.

Поверхностной закалке подвергают такие детали, как шестерни, валы, оси, кулачки, пальцы для муфт, работающие на истирание и подвергаемые динамическим (ударным) нагрузкам. Для таких деталей необходимы высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, а их сердцевина должна быть вязкой и иметь повышенную усталостную прочность. Перечисленное сочетание свойств можно придать изделиям, применив индукционную закалку токами высокой частоты (ТВЧ).

Отпуск - вид термической обработки, состоящий в нагреве закаленного стального изделия ниже критических точек Ас₁ (на рис. 49 линия PSK) в интервале 150-650С, выдержке и последующем охлаждении с любой скоростью (т.е. температура отпуска не должна превышать 727С). Цель отпуска - ослабить или полностью предотвратить появление внутренних напряжений, возникающих при закалке, уменьшить хрупкость и твердость, а также повысить вязкость закаленной стали.

В зависимости от температуры нагрева различают виды отпуска: низкий, средний и высокий. Низкий отпуск заключается в нагреве закаленной стали до 150-250С, непродолжительной выдержке (от30 мин до 1,5 ч) при этой температуре и последующем охлаждении деталей в машинном масле или на воздухе. После низкого отпуска твердость поверхности практически не изменяется, но уменьшаются остаточные закалочные напряжения и несколько повышается вязкость. Такой вид отпуска применяют для режущего и измерительного инструмента (например, сверл, метчиков, плашек, калибров, скоб, шаблонов).

Средний отпуск состоит в нагреве изделий до 300-500С. Детали приобретают упругие свойства при сохранении высокой прочности. Такому виду отпуска подвергают пружины, рессоры, мембраны.

При высоком отпуске стальные детали нагревают до 450-650С, выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают для получения структуры сорбида отпуска. Закалку вместе с последующим высоким отпуском называют улучшением стали.