Термическая и химико-термическая обработка деталей

ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ

Для улучшения эксплуатационных характеристик деталей из стали широко используют методы их термической и химико-термической обработки.

Термическая обработка деталей

Под процессом термической обработки понимают изменение внутреннего строения (микроструктуры) металла деталей под воздействием изменяющихся температурных условий и, как следствие этого, получение определенных физико-механических свойств металла. В основу выбора рациональных тепловых режимов термической обработки может быть положен участок диаграммы состояния   FeC с нанесенными температурами для различных видов термической обработки углеродистых сталей (рис.1). Каждый из процессов термической обработки деталей состоит из трех периодов: нагревание детали с определенной скоростью до требуемой по процессу температуры; выдержка детали при этой температуре; охлаждение ее заданной по процессу скоростью.

Рис.1. Участок диаграммы состояния FeC с нанесенными температурами для различных видов термической обработки

Под процессом химико-термической обработки понимают процесс изменения химического состава в поверхностных слоях металла (с последующим изменением микроструктуры) под воздействием внешних сред и температуры и, как следствие этого, получение определенных физико-механических свойств поверхности и сердцевины детали.

Химико-термическая обработка применяется для повышения предела выносливости конструкционной стали при циклических нагрузках, повышения износостойкости трущихся поверхностей деталей и с целью противодействия влиянию внешних сред при нормальной и высокой температуре (устойчивость против коррозии и жаростойкость).

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

Любой процесс термической обработки металла состоит из процессов нагревания до заданной температуры, выдержки и охлаждения. Длительность нагревания и выдержки детали при заданной температуре зависит от вида нагревающей среды, формы изделия, его теплопроводности и от времени, необходимого для завершения структурных превращений. Скорость охлаждения выбирают в зависимости от вида термической обработки, назначения изделий, подвергающихся термообработке, и химического состава стали. Скорость охлаждения изменяют подбором сред с разной охлаждающей способностью.

Отжиг - вид термической обработки, состоящий из процессов нагревания стали до определенной температуры, выдержки и последующего, как правило, медленного охлаждения в печи для получения более равновесной структуры. Отжиг проводят для улучшения обрабатываемости стали резанием и давлением, снижения твердости, увеличения пластичности и вязкости, снятия внутренних напряжений. Применяют следующие виды отжига; полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный и отжиг для снятия остаточных напряжений.

Полный (смягчающий) отжиг заключается в нагревании стали до температур на 30...50 °С выше температур, соответствующих на диаграмме (см. рис.1) критическим точкам Ас (линия GS) и выдержке с последующим медленным охлаждением в печи со скоростью 2О...5О °С/ч. Этому виду отжига подвергают конструкционную сталь для создания мелкозернистой структуры, что способствует повышению ее вязкости, снижению твердости и повышению пластичности, а также снятию внутренних напряжений, например в зоне сварного шва.

Неполному отжигу подвергают инструментальные стали. Инструментальную сталь нагревают до температуры примерно 780 °С. При последующем медленном охлаждении образуется структура способствующая повышению вязкости, пластичности, снижении: твердости стали.

Диффузионный (гемогенизационный) отжиг проводят для выравнивания химического состава фасонных отливок в основном легированных сталей, у которых такая неоднородность сильно выражена. Выравнивание химического состава происходит благодаря диффузионным процессам, поэтому температура отжиг; должна быть высокой (1100... 1200 °С). Отжиг (выдержка) длится 8... 15 ч, после чего заготовки охлаждают вместе с печью до температуры 800...850 °С в течение 6...8 ч; заготовки окончательно охлаждают на воздухе.

Отжигу для снятии остаточных напряжений подвергают в основном сварные соединения и отливки, нагревая их до температур, при которых фазовые превращения отсутствуют, т.е. до температур ниже 727 °С. В результате отжига при температуре 600 °С в течение 20 ч напряжения почти полностью снимаются независимо от их начального значения. Для сокращения продолжительности отжига температуру нагревания увеличивают до 680...700°С.

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

Нормализацией называют процесс термической обработки, проводимый для улучшения обрабатываемости стальных деталей 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 Ас (для конструкционной стали) или Ас (для инструментальной стали) (см. рис.1), последующим охлаждением па воздухе.

Температуры нагревания углеродистой стали различных видов отжигa и нормализации приведены на рис.1.

Закалка - самый распространенный вид термической обработки, состоящий в нагревании стали оптимальной температуры, выдержке при этой температуре с последующим быстрым охлаждением. В результате закалки повышается прочность, твердость, износостойкость и предел упругости стали, а пластичность понижается. При закалке конструкционных сталей (деталей машин) (см. рис.1 и 2), деталь нагревают выше точки Ас на 30...50 °С и охлаждают со скоростью выше критической (150...200 °С/с). В результате этого поверхность детали приобретает твердость (51,5...66 HRC).

     
Рис.2. Оптимальный интервал закалочных температур углеродистых сталей

Для инструментальных сталей применяют неполную закалку, заключающуюся в нагревании детали выше точек Ас (см. рис.2, линия SK), выдержке в печи для полного прогрева и завершения структурных превращений, и последующем охлаждении.

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

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

Основной недостаток воды как охлаждающей среды - высокая скорость охлаждения, которая приводит к возникновению больших структурных напряжений и создает опасность образования трещин. Для ответственных деталей из углеродистой стали, особенно из сталей для инструментов, применяют закалку в воде и масле. Преимущество масла как охладителя заключается в том, что оно обеспечивает небольшую скорость охлаждения, поэтому опасность образования трещин резко снижается. Недостаток машинного масла как охладителя - легкая воспламеняемость, пригорание к поверхности деталей.