Основные виды термической обработки стали

Основы термической обработки стали

Термическая обработка заключается в нагреве изделий и заготовок до определенной температуры, выдержке при этой температуре и после­дующем охлаждении с заданной скоростью с целью изменения струк­туры и свойств стали.

Термическая обработка влияет на прочностные и эксплуатацион­ные характеристики многих машиностроительных материалов.

На этом рисунке показаны температурные области нагрева загото­вок при различных видах термической обработки сталей.

Температуры фазовых превращений при термической обработке сталей (критические точки) определяются линиями PSK, GS и SE диа­граммы состояния Fe – Fe₃C. Нижняя критическая точка, соответст­вующая превращению аустенита в перлит при температуре PSK, обо­значается A_1. Верхняя критическая точка, соответствующая началу выделения феррита из аустенита или концу превращения феррита в аустенит (линия GS), обозначается А₃. Температура линии выделе­ния вторичного цементита (SE)обозначается А_ст.

Чтобы отличить критические точки при нагреве от критических точек при охлаждении, рядом с буквой А в первом случае ставят букву «с», во втором — «r».

Основные виды термической обработки стали

Термическая обработка позволяет значительно изменить многие свой­ства металлов, особенно механические.

В машиностроении термической обработке подвергается более половины объема выпускаемой номенклатуры деталей — от деталей приборов, разнообразных деталей машин до крупных элементов ме­таллургического и энергетического оборудования.

Основными факторами воздействия при термической обработке являются температура и время. Изменяя температуру и скорость на­грева или охлаждения, можно целенаправленно изменять структуру и свойства стали в зависимости от требований, предъявляемых к изде­лиям. Выбор вида термической обработки определяется характером требуемых структурных изменений в металле. Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Отжиг сталей

Отжиг является весьма распространенной операцией термической обработки сталей. При отжиге сталь нагревают, выдерживают при этой тем­пературе и затем медленно охлаждают (обычно вместе с печью). В ре­зультате получается стабильная структура. Отжиг применяют для уст­ранения неоднородности микроструктуры, а также для подготовки детали к последующей технологической операции (резанию, закалке и т. д.). Температурные области нагрева для отжига в соответствии с диаграммой состоя­ния Fe—Fe₃C указаны на рисунке 1.15.

Диффузионный отжиг. Его назна­чают для повышения пластичности и вязкости легированных сталей. Схема технологического процесса включает нагрев до температуры примерно 1100 °С, длительную выдержку (в течение 8...20 ч) и медлен­ное охлаждение.

Рекристаллизационный отжиг применяют для повышения пластичности холоднодеформированной стали. Схема технологического процесса включает нагрев до 650...760 °С, выдержку в течение 0, 5..1, 5 ч и последующее медленное охлаждение.

Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для сталь­ных изделий после литья, сварки или механической обработки. Схема технологического процесса включает нагрев до 160...700 °С, выдержку в течение 2...3 ч и последующее медленное ох­лаждение. Выбор температуры зависит от вида предшествующей обра­ботки: после резания – при 570...600 °С, сварки – 650...700, шлифова­ния – 160... 180 °С.

Полный отжиг применяют для перекристаллизации всей структу­ры доэвтектоидной стали и снятия остаточных напряжений. Схема технологического процесса включает нагрев стальных деталей на 30...50 °С выше точки Ас₃ (линии GS), выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение вместе с печью.

Неполный отжиг применяется для улучшения обрабатываемости резанием сталей. Схема технологического процесса включает нагрев на 30...50 °С выше точки Ас₁ (линии PSK)выдержку и последующее медленное охла­ждение.

Температуру нагре­ва выбирают в диапазоне 750...760 °С для эвтектоидных сталей и 770...790 °С для заэвтектоидных. Выдерживают при этой температуре 1...3 ч, а затем быстро охлаждают на воздухе.

Изотермический отжиг применяется для сниже­ния твердости и снятия внутренних напряжений. Схема технологического процесса включает нагрев деталей до температур вы­ше точки Ас₃ (линии GS)на 20...30 °С, выдержку и последующее сравнительно бы­строе охлаждение до температур 680...620 °С и выдержку при этой температуре, после чего детали охлаждают на воздухе.

Нормализация сталей

Нормализацию применяют для получения мелко­зернистой однородной структуры, частичного снятия внутренних напряжений, улучшения штампуемости и обрабатываемо­сти резанием. Схема технологического процесса включает нагрев на 30...50 °С выше Ас₃ (линии GS)для доэвтектоидных или выше Ас_ст (линии SE)для заэвтектоидных сталей, выдержку в течение 0, 5...3 ч с последующим охлажде­нием на воздухе.

Нормализацию с после­дующим высоким отпуском (600...650 °С) часто используют для ис­правления структуры легированных сталей вместо полного отжига, что обеспечивает повышение производительности.

Закалка сталей

Закалка является основным видом упрочняющей термической обработки сталей. При закалке детали нагревают выше критиче­ских температур, а затем охлаждают со скоростью, превышающей критическую. Это позволяет получить неравно­весную структуру с высокой твердостью, износостойкостью и прочно­стью. После закалки стали обычно следует отпуск, позволяющий снять термические напряжения и оптимизировать ее свойства.

Температуру закалки выбирают с учетом химического состава сталей.

В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При полной закалке изделия нагре­вают на 30...50 °С выше Ас₃ (линии GS) для доэвтектоидных сталей, а при неполной — на 30...50 °С выше Ас₁ (линии SK) для заэвтектоидных сталей. Перегрев выше указанных температур приводит к ухудше­нию структуры углеродистых сталей. Для легированных сталей нагрев ведут на 150...250 °С выше критических точек для полного растворения карбидов.

Отпуск сталей

Отпуском называют финишную термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас₁ (линии PSK), выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении на воздухе.

Отпуск проводят для снижения или пол­ного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости за­каленной стали и получения требуемой структуры и механических свойств. В зависимости от температуры отпуск делят на низкий, сред­ний и высокий.

Низкий отпуск проводят при нагреве на 150…250 °С, после чего следует выдержка в течение 1... 1, 5 ч в зависимости от размеров детали и охлаж­дение на воздухе. Применяют его для режущего и измерительного инструмента. Повышается прочность и несколько вязкость, образуется структура – мартенсит отпуска. Твердость остается высокой (HRC 58...63) и почти не снижается по сравнению с закаленной сталью.

Средний отпуск проводят при нагреве на 350...500 °С, затем следует выдержка от 1 до 8 ч в зависимости от массы детали и охлаждение на воздухе. Этот вид отпуска применяют для пружин, рессор и некоторых видов штампового инструмента. В ре­зультате такой обработки достигаются высокие значения пределов упругости и выносливости, образуется структура — троостит отпуска, твердость стали HRC 40...50.

Высокий отпуск проводят при температурах 500...680 °С в течение 1...6 ч в зависимости от габаритов изделия и затем изделия охлаждают на воздухе. Этот вид отпуска используют для нагруженных конструкционных деталей из среднеуглеродистых конструкционных сталей с целью обеспечения наилучшего соотношения прочности и вязкости. После высокого от­пуска структура стали состоит из сорбита отпуска. Твер­дость HRC 25...30.

Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.