5. Термическая обработка сталей

5.1. Общие положения

Термическая обработка – совокупность операций теплового воздействия на материалы (главным образом металлы и сплавы) с целью изменения их структуры и свойств в нужном направлении. Заключается в нагреве до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью (рис. 63).

Термическая обработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства и ремонта деталей машин. Она применяется как промежуточная операция для улучшения технологических свойств металлов (обрабатываемости давлением, резанием и др.) и как окончательная – для придания им комплекса механических, физических и химических свойств, обеспечивающих необходимые характеристики изделий.

Т

Рис. 63. Операции термической обработки

епловое воздействие при термической обработке может соче­таться с деформационным (термоме­ханичес­кая обработка), химическим (химико-термическая обработка), магнитным (термомагнитная обработка). Разновидностями термообработки являются обработка холодом и электротермическая обработка.

К основным видам термической обработки относятся: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение, патентирование.

Отжиг – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем медленном охлаждении. Отжиг способствует снятию напряжений, повышению пластичности, улучшению обрабатываемости и т. д. Отжиг в контролируемой атмосфере проводится для изменения состава материала.

Нормализация (франц. normalization упорядочение, от normal правильный) стали – термическая обработка, заключающаяся в ее нагреве до температур аустенитного состояния, выдержке и последую­щем охлаждении на воздухе. Целью нормализации является придание стали однородной мелкозернистой структуры для повышения ее механических свойств (пластичности и ударной вязкости).

Закалка – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали и последующем ускоренном охлаждении с целью подавления неже­ла­тель­ных процессов, происходящих в ней при медленном охлаждении.

После закалки структура стали находится в неравновесном сос­тоянии, не свойственном ей при нормальной температуре.

Отпуск закаленной стали – термическая обработка, осуществляемая после ее закалки. При отпуске сталь нагревается до тем­пе­ра­туры ниже нижней критической точки, выдерживается и охлаждается, как правило, на воздухе, в воде или в масле. Цель отпуска – достижение наиболее рационального сочетания в обрабатываемых сплавах прочности, пластичности и ударной вязкости.

Старение – изменение механических, физических и химических свойств металлов и сплавов, протекающее либо самопроизвольно, в процессе длительной выдержки при комнатной температуре (естественное старение), либо при нагреве (искусственное старение). Старение приводит к увеличению прочности и твердости при одновременном уменьшении пластичности и ударной вязкости.

Патентирование (от англ. patenting) – термическая обработка стальной проволоки с целью увеличения ее обжатия при волочении и повышения прочности. Патентирование заключается в нагреве до 870…950 С, быстром охлаждении (обычно в солевом или свинцовом расплаве) до температуры 450…550 С, выдержке и последующем охлаждении на воздухе или в воде.

Для установления режимов термической обработки необходимо знать температуры, при которых в стали происходят превращения. Такие температуры называются критическими и обозначаются буквой А с индексами (например, А₁, А₂ А₃ и др.). Если рассматривается процесс нагревания, то к индексу добавляется буква «с», если охлаждение – буква «r». Семейство критических точек, соответствующих линии SE диаграммы Fe–Fe₃C и при нагреве и при охлаждении обозначается индексом «ст» (рис. 64).

О

Рис. 64. Обозначение критических точек диаграммы Fe-Fe₃C

сновными температурными воздействиями, оказывающими влияние на структуру и свойства сталей, являются:

– нагрев до аустенитного сос­тояния, вызывающий фазо­вую перекристаллизацию;

– охлаждение с различными степенями переохлаждения, при котором происходит превращение аустенита;

– нагрев закаленных сталей до определенных температур, изменяющих их структуру и свойства.