9, 26. Основні види термічної обробки.

За остаточно отриманим структурним станом термічну обробку ділять на наступні основні види: відпал, нормалізацію, гартування, відпуск. Поряд із зазначеними для ряду марок сталей застосовують і такі види термообробки, як обробка холодом, старіння.

При виробництві деталей машин часто для підвищення якості експлуа­таційних параметрів сполучають процеси термічні з фізико-хіміко-механічними. В результаті застосовуються, крім термічної обробки, як термі­чного впливу на метал, і такі види, як термомеханічна обробка (ТМО), тобто сполучення термічного впливу із пластичним деформуванням, магнітотермі-чна обробка (МТО) — сполучення магнітного й теплового впливу на метал; хіміко-термічна обробка (ХТО) — сполучення термічних і хімічних процесів та магніто-термохімічна обробка (МТХО) — сполучення процесів впливу на метал магнітного, термічного і хімічного.

За місцем в загальному технологічному процесі виробництва деталей і призначенню термічна обробка може бути: попередня, призначена для усу­нення дефектів попередньої обробки або підготовки металу до наступної об­робки (нормалізація, відпал) і остаточна для надання сталі певних фізико-механічних властивостей (гартування, відпуск, старіння, обробка холодом, термомеханічна обробка, магнітотермічна обробка). Очевидно, що розподіл термообробки на попередню й остаточну носить відносний характер, тому що той самий вид в одному випадку може бути попереднім, в іншому — ос­таточним.

Кожний із зазначених видів термообробки забезпечує одержання певної структури і вибирається, у виробництві, залежно від марки сталі та її необ­хідних властивостей.

Термічну обробку проводять за певним режимом, до якого входить:

• температура нагрівання, яка залежить від вмісту вуглецю в сталі і ви­значається з діаграми залізо-вуглець;

• швидкість нагрівання, яка розраховується за величиною виникаючих внутрішніх напружень структурного й термічного характеру, які виникають в результаті перепаду температур на поверхні та серцевині виробу;

• час витримки деталі при заданій температурі, обумовлений теплопро­відністю сталі, і необхідний для об'ємного прогріву деталі та повного завер­шення структурних перетворень, обумовлений швидкістю дифузійних проце­сів;

• швидкість охолодження, від якої в підсумку залежать отримана стру­ктура та механічні властивості, вибирається вона з діаграми ізотермічних пе­ретворень аустеніту.

Режим термічної обробки залежить від її призначення (виду), хімічного складу сталі, а також від розмірів і конфігурації оброблюваної деталі. Роз­глянемо більш досконально технологію основних видів термічної обробки.

Відпал проводять для зниження твердості, підвищення пластичності та одержання однорідної дрібнозернистої структури. Він включає в себе опера­ції нагрівання до певної температури (доевтектоїдної сталі вище точки Ас₃ евтектоїдної сталі вище точки Ас і на 30-50°С), витримку при цій температурі й охолодження з необхідною, як правило, низькою швидкістю з метою одер­жання найбільш рівноважної мікроструктури сталі.

Залежно від призначення й режиму проведення розрізняють наступні основні різновиди відпалу: повний, неповний, ізотермічний, гомогенизацій-ний, рекристалізаційний, нормалізаційний та відпал на зернистий перліт.

Повний відпал полягає в нагріванні доевтектоїдної сталі до температури на 30-50°С вище критичної точки Ас₃, витримці при цій температурі для за­вершення повного фазового перетворення в повному об'ємі металу й наступ­ного охолодження з малою швидкістю (100-200°С/год), частіше разом з піч­чю. Щоб забезпечити одержання ферито-перлітної структури, процес пере­творення аустеніту необхідно вести при незначних ступенях переохолоджен­ня. Швидкість охолодження при відпалі визначають із діаграми ізотермічно­го перетворення аустеніту. З підвищенням стійкості аустеніту швидкість охолодження зменшується. Після повного перетворення аустеніту подальше охолодження сталі можна вести з більшою швидкістю.

При нагріванні сталі до аустенітного стану вихідна структура подрібню­ється. В зв'язку з тим, що після охолодження величина отриманого зерна зберігається, то утвориться дрібнозерниста ферито-перлітна структура. Пов­ному відпалу піддають доевтектоїдну сталь (аркушевий прокат, відливки, ку­вання) з метою зниження твердості, підвищення пластичності, зняття внут­рішніх напружень.

Заевтектоїдну сталь повному відпалу не піддають, тому що після нагрі­вання до аустенітного стану наступне повільне охолодження призводить до виділення цементиту по границях зерен перліту, що істотно погіршує власти­вості металу.

Неповний відпал (відпал з неповною фазовою перекристалізацією при нагріванні) проводять, головним чином, для заевтектоїдної сталі, яку при цьому нагрівають на 30-50°С вище критичної точки Асі і охолоджують ра­зом з піччю. Доевтектоїдна сталь неповному відпалу піддається лише для по­ліпшення оброблюваності різанням. При цьому виходить неоднорідна струк­тура, яка призводить до погіршення ряду властивостей такої сталі.

Відпал на зернистий перліт застосовується для істотного поліпшення оброблюваності евтектоїдної і заевтектоїдної сталей. Він полягає в циклічно­му нагріванні й охолодженні в межах температур, близьких до точки Асі.

Нагрівання цих сталей до температури трохи вище точки Ас і призводить до часткового розчинення цементиту в аустеніті, після охолодження — до утворення пластинчастого перліту. Циклічне ж нагрівання й охолодження в межах температур, близьких до точки Ас_ь призводять до утворення зернис-того перліту. Причиною цього є наявність центрів кристалізації цементиту при кожному наступному охолодженні у вигляді зерен, які утворилися при попередньому охолодженні. Сфероідизація цементитних часток (утворення зернистого перліту) призводить до підвищення ударної в'язкості, зниженню твердості й поліпшенню оброблюваності. Відпалу на зернистий перліт під­дають тонкі листи, заготовки деталей перед холодним штампуванням або во­лочінням.

Ізотермічний відпал проводять для отримання рівноважної структури деталей малих розмірів або сталевого листа невеликої товщини. Особливістю цього відпалу є те, що після нагрівання до температур повного відпала вище точки Асз і відповідної витримки сталь швидко охолоджують до температури трохи нижче критичної точки Асі (70О-680°С) і витримують при цій темпе­ратурі до повного завершення перетворення аустеніту у ферито-перлітну структуру, потім остаточно охолоджують на повітрі.

У порівнянні з повним відпалом, ізотермічний забезпечує скорочення тривалості процесу термообробки, а ферито-перлітна структура, отримана пі­сля ізотермічного відпалу, більш однорідна, ніж після повного. Це забезпечує сталі кращу оброблюваність, меншу шорсткість поверхні й зменшує дефор­мації деталей після наступного гартування.

Дифузійний відпал (гомогенізація) застосовують для зменшення денд­ритної, внутрішньо-кристалічної ліквації зливків або великих виливків з ле­гованої сталі. Дифузійний відпал полягає в нагріванні сталі до температури 1100-1200^СС, необхідної для інтенсивного протікання дифузійних процесів, в результаті яких вирівнюється хімічний склад, витримці при цій температурі протягом 8-20 годин і наступному охолодженні з малою швидкістю до тем­ператури 200-250°С. Загальна тривалість дифузійного відпалу (нагрівання, витримка, охолодження) може становити 80-100 годин. Зменшення дендрит­ної ліквації в результаті гомогенізації призводить до підвищення в'язкості й пластичності сталі, зменшенню шиферності, шаруватості та флокенів (тонких внутрішніх тріщин, які спостерігаються в зламі у вигляді білих овальних плям) у легованих сталях.

Рекристалізаційний відпал, як уже відомо, застосовують з метою усу­нення наклепу холоднодеформованої сталі. Він полягає в нагріванні вище температури рекристалізації, витримці при цій температурі й наступному охолодженні на повітрі. Температура рекристалізаційного відпалу залежить від хімічного складу сталі й перебуває в межах 650-700°С.

Низьковуглецеві сталі, які піддають холодній деформації (прокатці, штампуванню, волочінню), відпалюють при температурі 680-700° С.

Для високовуглецевих і легованих деформованих сталей температуру рекристалізаційного відпалу підвищують до 730°С, це прискорює процес ре­кристалізації. Нагрівання проводять протягом 0,5-1,5 годин.

Причиною підвищення пластичності після цього відпалу є процес коагу­ляції й сфероідизації цементиту.

Нормалізація (нормалізаційний відпал) застосовується для подрібнення зерна сталевих виливків, поковок або штамповок, прокату, а також замість

повного відпалу низько- і середньовуглецевих сталей, а також для усунення цементитной сітки в заевтектоїдних сталях і в деяких випадках замість гарту­вання та відпуску. Нормалізацією називають технологічний процес термооб­робки, що полягає в нагріванні сталі до температури на 30-50°С вище точки Ас₃ (доевтектоїдної) або А_ст (заевтектоїдної сталі), витримці при цій темпе­ратурі й наступному охолодженні на спокійному повітрі при нормальній те­мпературі.

В результаті певної фазової перекристалізації сталі при нагріванні й по­рівняно прискореному охолодженні розпад аустеніту здійснюється при більш низьких температурах, що призводить до підвищення дисперсності ферито-цементитної структури. Для заевтектоїдних сталей при прискореному охоло­дженні виділення цементиту на границях зерен (утворення цементитної сіт­ки) не відбувається.

У порівнянні з відпалом нормалізація забезпечує підвищення міцності й твердості на 10-15% середньо- і високовуглецевих сталей. Низьковуглецеві сталі піддають нормалізації замість відпалу, що більш економічно, а механі­чні властивості при цьому змінюються в незначній мірі.

Сталі з низькою критичною швидкістю гартування після нормалізації отримують мартенситну структуру. У цих випадках для зняття внутрішніх напружень або для отримання низької твердості після нормалізації проводять відпуск. Такі сталі, як правило, гартуванню у воді не піддають, а нормаліза­ція й відпуск є кінцевими термічними операціями. Наприклад, вали коробок передач і бортових редукторів автотракторів піддають нормалізації з низьким відпуском й одержують структуру низьковуглецевого мартенситу. При цьому твердість і міцність деталей незначно знижуються, в'язкість зростає, істотно зменшується деформація, а ймовірність утворення тріщин досягає мінімуму.

Нормалізація сталі забезпечує підвищення продуктивності при обробці різанням й одержання меншої шорсткості поверхні деталей.

Гартування. Гартування застосовують для одержання високої механіч­ної міцності, твердості, зносостійкості деталей. Це технологічний процес те­рмічної обробки сталі, який полягає в нагріванні доевтектоїдної сталі до тем­ператури на 30-50°С вище критичної точки Ас₃, евтектоїдної і заевтектоїдної — на 30-50°С вище Ас_ь витримці при цій температурі, необхідної для заве­ршення фазових перетворень, і наступному охолодженні зі швидкістю не нижче критичної до температури, що лежить в інтервалі початку М_п і кінця М_к утворення мартенситу. При цьому доевтектоїдна та евтектоїдна сталі бу­дуть мати мікроструктуру мартенситу та залишкового аустеніту, заевтектоїд-на — мартенситу, карбіду та залишкового аустеніту.

В залежності від температури нагрівання, яка визначає ступінь фазової кристалізації або повноту розчинення фаз в аустеніті, гартування називають повним або неповним.

Неповне загартування доевтектоїдної сталі практично не використову­ється, тому що наявність в структурі мартенситу залишкового фериту при­зводить до значного погіршення твердості і міцності.

Для заевтектоїдної сталі наявність деякої кількості другорядного цемен­титу поряд з мартенситом після повного загартування призводить до підви­щеної твердості та збільшення зносостійкості. Підвищення температури на­грівання при гартуванні до точки А_ст, чи підвищенні тривалості нагрівання заевтектоїдної сталі, викликає посилений ріст зерна та відповідно погіршення таких механічних властивостей сталі, як твердість, міцність, опір крихкому руйнуванню. Ріст величини зерна та підвищення ступеня гомогенізації спри­яє підвищенню стійкості переохолодженого аустеніту, відповідно зменшен­ню критичної швидкості загартовування і підвищенню прогартування сталі. Збільшення залишкового аустеніту у високовуглецевій та високолегованій сталі після гартування знижує її твердість та суттєво збільшує деформацію виробів.

Важливим критерієм режиму гартування є тривалість витримки при аус-тенізації сталі. Витримка повинна забезпечити повне завершення фазових пе­ретворень у сталі та гомогенізацію аустеніту по всьому перерізу деталі. Час витримки повинен бути достатнім та нетривалим, щоб не стався помітний ріст зерна аустеніту та обезвуглецювання поверхні сталевого виробу.

Час витримки при температурі нагріву під гартування приймають рів­ним 0,15-0,25 від часу, необхідного наскрізний прогрів. Так, витримку при загартуванні деталі з високовуглецевої сталі беруть рівною 1,0-1,3 хв/мм найбільшої товщини, легованої— 1,1-1,5 хв/мм.

Для нагрівання деталей при термообробці використовуються печі та ванни різних конструкцій та потужностей. Для захисту поверхні, виробів, що нагріваються, від окислення та зневуглецювання в нагрівальних печах у ро­бочій простір печі вводять захисне газове середовище, тобто створюють так звані контрольовані атмосфери. В якості таких атмосфер застосовують вису­шені газоподібні продукти неповного згорання палива (СО), очищений азот, водень, аргон, гелій. В останній час широко застосовують нагрівання деталей в вакуумі 10 ²-10"³ мм. рт. ст. (1,33-0,13 Па).

Для нагрівальних ванн використовують розплави хлористих солей (70% ВаСІ та 30% NaС1) та інші.