3.1 Выбор оборудования
Применяемое оборудование, прежде всего, нагревательное устройство, зависит от вида термической обработки – предварительной (отжиг, нормализация) или окончательной (закалка и отпуск).
Отжигу и нормализации подвергаются заготовки с целью снижения твердости и улучшения обрабатываемости, а также для подготовки структуры стали для окончательной термообработки. В этом случае, при нагреве не требуется защита поверхности заготовок от окисления и обезуглероживания, так как после термообработки проводится механическая обработка заготовок, при которой с поверхности снимается слой металла на глубину значительно превышающую глубину возможных дефектов, вызванных длительным нагревом.
Закалке с отпуском подвергаются готовые изделия – детали и инструменты, а, следовательно, необходимо защитить рабочие поверхности от окисления и обезуглероживания, чтобы избежать снижения эксплуатационных свойств изделий (твердости, износостойкости и выносливости). Нагревательные устройства в этом случае должны обеспечить защиту поверхности изделий от возможных дефектов вызванных нагревом.
3.2 Режим термической обработки
3.2.1 Температура нагрева при отжиге, нормализации и закалке изделий из углеродистой стали приближенно выбирается по диаграмме состояния «железо-углерод» в зависимости от процентного содержания углерода в стали, а более точно – по справочным данным.
Для доэвтектоидных сталей температура нагрева tн (0С) определяется по формуле:
tн=Ас3+(30 … 500С),
где Ас3 – критическая точка стали при нагреве, соответствующая линии GS диаграммы «железо-углерод».
Для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей температура нагрева tн (0С) определяется по формуле:
tн=Ас1+(30 … 500С),
где Ас1 – критическая точка стали, соответствующая линии PSK диаграммы «железо-углерод».
3.2.2 Температура нагрева при отпуске после закалки устанавливается по справочным данным в зависимости от требуемых по условиям работы изделия свойств и, в первую очередь, твердости. При этом можно использовать также графики изменения твердости в зависимости от температуры отпуска для соответствующих марок сталей. Для деталей и инструментов из углеродистой стали разных марок, температура нагрева в зависимости от выбранного вида отпуска устанавливается в следующих пределах:
для низкотемпературного отпуска 170 … 200 0С;
для среднетемпературного отпуска 400 … 450 0С;
для высокотемпературного отпуска 550 … 650 0С.
3.2.3 Время нагрева и выдержки при отжиге, нормализации и закалке зависит от способа нагрева, среды нагрева, формы изделий и других факторов и приближенно определяется по формуле:
= (0,7 … 1,0) D,
где – время нагрева и выдержки, мин.;
D – диаметр или толщина изделия, мм.
Продолжительность отпуска устанавливается в зависимости от размеров изделия в пределах 1 … 3 часа.
3.2.4 Скорость охлаждения обусловливается видом операции термической обработки.
При отжиге она минимальная и составляет 0,05 … 0,1 0С/с (охлаждение вместе с печью).
При нормализации – 1 … 10 0С/с (охлаждение на спокойном воздухе).
При закалке в масле – 50 … 100 0С/с, а при закалке в воде – 350 … 500 0С/с, что превышает критическую скорость закалки.
Критическая скорость закалки Vкр(0С/с) – минимальная скорость охлаждения, при которой образуется только мартенситная структура, определяется по формуле:
-
Vкр =
Аr1 – tmin
1,5 min
где Аr1 – температура критической точки, 0С;
tmin – температура минимальной устойчивости аустенита, 0С;
min – время минимальной устойчивости аустенита, с.
Все эти величины для каждой заданной марки стали можно установить по соответствующей диаграмме изотермического или термокинетического превращения аустенита [3].
На рисунке 2 приведена схема диаграммы изотермического превращения аустенита углеродистой стали с содержанием углерода 0,8%.
1
– отжиг; 2 – нормализация; 3 – закалка
в масле; 4 – закалка в воде.
Рисунок 2. Схема диаграммы изотермического превращения аустенита.
Скорость охлаждения при отпуске изделий из углеродистой стали не лимитируется.