Как называется термическая обработка металлов

ВИДЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

Процесс тепловой обработки металлов и сплавов в целях придания им заданной структуры и свойств называется термической обработкой. Различают собственно термическую обработку, химико-термическую и термомеханическую.

Собственно термической обработкой металлов и сплавов называется процесс изменения их внутреннего строения (структуры) путем нагрева, выдержки и последующего охлаждения в целях получения необходимых физико-механических свойств этих материалов. Ее основными видами являются отжиг, закалка и отпуск.

Химико-термическая обработка представляет собой насыщение поверхности металла элементами, повышающими твердость, износостойкость, коррозионную стойкость. Этот процесс требует повышенных температур и длительных выдержек. К наиболее распространенным методам химико-термической обработки стали относятся: цементация (насыщение углеродом),, азотирование (насыщение азотом), цианирование (одновременное насыщение углеродом и азотом), диффузионная металлизация, или поверхностное легирование. Последний метод в зависимости от насыщающего элемента подразделяют на хромирование, алитирование, силицирование (насыщение соответственно хромом, алюминием, кремнием) и др.

Термомеханическая обработка — новый метод обработки металлов, позволяющий повысить механические свойства по сравнению с получаемыми обычной закалкой и отпуском. Она заключается в сочетании пластической деформации С термообработкой.

Рассмотрим основные виды собственно термической обработки сталей, отличающиеся друг от друга режимами термообработки, т. е. температурой нагрева, выдержкой при этой Температуре и скоростью охлаждения.

Изменение внутренней структуры1 стали в процессе нагревания при различных видах термообработки зависит от содержания в ней углерода. Поэтому выбор температуры нагрева производят по специальной диаграмме ( 49), которая является частью более полной диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов. По горизонтальной оси на ней указано содержание углерода в процентах, а по вертикальной — температура нагрева стали в градусах Цельсия. Заштрихованные участки диаграммы показывают оптимальные температурные интервалы нагрева стали при различных видах термообработки.

Отжиг — это нагрев стали до температуры, определяемой целью отжига, выдержка при этой температуре и последующее медленное охлаждение. Цель отжига — устранение химической неоднородности сталей, понижение твердости для облегчения механической обработки и др. Полный отжиг осуществляется путем нагрева стали на 30—50°С выше температур, определяемых линией GSK; выдержки при этой температуре и последующего охлаждения вместе с печью. Время выдержки должно быть достаточным для нагрева изделия по всему сечению.

Разновидностью полного отжига является нормализация, заключающаяся в нагреве стали на 30—50°С выше линии GSE, выдержке при этих температурах с последующим охлаждением на воздухе. Цель нормализации — снятие остаточных напряжений в металле и выравнивание его структуры.

Закалка состоит из нагрева стали до температур выше на 30—50°С линии GSK с последующим быстрым охлаждением. Основная цель закалки — повышение твердости и прочности стали.

Кроме обычной полной закалки стали, может производиться поверхностная. Наиболее распространена поверхностная закалка токами высокой частоты с помощью специальных генераторов, дающих переменный ток с частотой до 10 млн. герц. Нагрев изделия осуществляется индуктором, по которому проходят токи высокой частоты. Индуктор наводит (индуцирует) токи в изделии, помещенном внутри его. Изготовляют индуктор обычно из полых медных трубок, по которым циркулирует вода. Благодаря этому сам индуктор не нагревается. Форма индуктора должна повторять форму изделия, чтобы нагрев производился равномерно по всей поверхности изделия.

В процессе отпуска уже закаленная сталь нагревается до температуры ниже линии PSK, выдерживается при этой температуре и охлаждается на воздухе или в масле. Главная цель отпуска — снизить хрупкость закаленной стали.

Температура нагрева при отпуске колеблется от 75 до 650°С.

Выбор той или иной температуры зависит от назначения изготовляемой детали. При повышении температуры нагрева твердость и прочность закаленной стали снижаются, а вязкость увеличивается.

В практике термообработки различают три вила отпуска: низкий, который выполняется при температурах до 250°С, средний — при температурах до 450°С и высокий — при температурах до 650°С. Высокий отпуск обеспечивает более полное снятие остаточных напряжений, высокую вязкость и достаточную прочность стали.

Для термической обработки сталей применяется специальное оборудование, состоящее из нагревательных устройств, приспособлений (бачки с водой и маслом, закалочные клещи и т. д.) и приборов для контроля теплового режима и результатов термической обработки. Из нагревательных устройств используются главным образом электрические муфельные печи и печи, работающие на жидком или газообразном топливе. В качестве охлаждающих сред служат воздух, масло, вода, растворы солей в воде.

Для контроля теплового режима применяют обычно термоэлектрические пирометры, состоящие из термопары и гальванометра со шкалой в градусах Цельсия.

Результаты термообработки можно проверить пробой напильником или определением твердости сталей твердомерами и испытанием на ударную вязкость.

Виды термообработки

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.

Отпуск

Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

Нагрев заготовки

Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз.

Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются.

Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке.

Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм. Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определены температуры для начала и конца ковки. Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термической обработки, но на это требуется дополнительное время и энергия. Нагрев металла до еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушение связей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке.

Пережог

Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали

Цементация стали — химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С табл.1

Температура, °С Цвета каления Температура, °С Цвета каления 1600 Ослепительно бело-голубой 850 Светло-красный 1400 Ярко-белый 800 Светло-вишневый 1200 Желто-белый 750 Вишнево-красный 1100 Светло-белый 600 Средне-вишневый 1000 Лимонно-желтый 550 Темно-вишневый 950 Ярко-красный 500 Темно-красный 900 Красный 400 Очень темно-красный (видимый в темноте)

Тонкая пленка окислов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°С; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300° ) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.

Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали.

табл.1

Цвет побежалости Температура, °С Инструмент, который следует отпускать
Бледно-желтый 210
Светло-желтый 220 Токарные и строгальные резцы для обработки чугуна и стали
Желтый 230 Тоже
Темно-желтый 240 Чеканы для чеканки по литью
Коричневый 255
Коричнево-красный 265 Плашки, сверла, резцы для обработки меди, латуни, бронзы
Фиолетовый 285 Зубила для обработки стали
Темно-синий 300 Чеканы для чеканки из листовой меди, латуни и серебра
Светло-синий 325
Серый 330

Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330 ° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500°) и высоком (500-700°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние тростита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость.

При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение прочности, пластичности и вязкости, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит назначают для кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий — для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

Дефекты закалки

К дефектам закалки относятся:

  • трещины,
  • поводки или коробление,
  • обезуглероживание.
  • Главная причина трещин и поводки — неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая причина — увеличение объема при закалке на мартенсит.

    Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местах детали превышают прочность металла в этих местах.

    Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения. При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.

    Коробление (или поводка)возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.

    Обезуглероживание стали с поверхности — результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).

    Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

    Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т. е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

    Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла — 100 г, огнеупорной глины — 75 г, графита — 25 г, буры — 14 г, карборунда — 30 г, воды — 100 г. Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры

    Антикоррозионная обработка изделий после термической обработки

    После термической обработки, связанной с применением солей, щелочей, воды и прочих веществ, могущих вызывать при длительном хранении изделий коррозию, следует провести антикоррозионную обработку стальных изделий, заключающуюся в том, что очищенные, промытые и высушенные изделия погружают на 5 минут в 20 — 30% водный раствор нитрита натрия, после чего заворачивают в пропитанную этим же раствором бумагу.
    В таком виде изделия могут храниться длительное время

    Основы термической обработки металлов

    Термическая обработка металлов – это основа всей металлообрабатывающей промышленности. Именно эта отрасль позволяет создавать различные сплавы с уникальной структурой и физическими свойствами.

    Под термином термической обработки металлов понимают процесс изменения структуры стали и металлических сплавов за счет воздействия на них температуры.

    Термообработке могут подвергаться цветные металлы, сплавы или сталь различной категории. В зависимости от выбранного режима нагрева, вида термической обработки и температуры охлаждения можно получить абсолютно уникальную структуру и свойства материала.

    Нагрев и последующее охлаждение с определенной скоростью и при определенных условиях устанавливается отдельно, исходя из свойств и структуры исходного металла.

    Разновидности термической обработки металлов

    Для достижения различных структур металла используются различные методики проведения термообработки.

    Основными видами термической обработки являются:

    Для того чтобы получить равновесную структуру стали, используют такой вид термообработки металлов, как отжиг 1-го рода. Сюда можно отнести такие подвиды термообработки металлов, как гомогенизация, рекристаллизация и снятие напряжений. Этот отжиг не влияет на внешние превращения, а лишь делает структуру металла равномерной и правильной.

    Отжиг 2-го рода способен влиять на внешние превращения, к нему можно отнести нормализацию, полный и неполный отжиг. С помощью данного способа можно упрочнить металл в несколько раз.

    Закалка металла

    Закалка металла – это термическая обработка металлов, при которой заготовку охлаждают с высокой скоростью. Благодаря этому получается неравновесная структура.

    Суть метода заключается в том, что после нагрева выше отметки критической температуры стали, она выдерживается в этом же диапазоне, после чего следует быстрое охлаждение сплава. В результате – неравновесная структура и упрочненный материал.

    Отличие отжига и закалки состоит в скорости охлаждения металла после нагрева до критических температур.

    Однако во избежание получения неравновесных структур после закалки используется отпуск. Отпуск – это еще один вид термообработки, при котором уменьшаются или снимаются внутренние остаточные напряжения в стали. Такой метод позволяет получить материал с прекрасными показателями вязкости, с его помощью уменьшают твердость и хрупкость металла.

    Нормализация представляет собой тот же отжиг, но с небольшим нюансом. Если после отжига изделие остывает медленно в печи, то при нормализации изделие извлекают из печи, и оно охлаждается уже на воздухе.

    Криогенная обработка проводится при охлаждении материала до отметок самых низких температур, так называемых сверхнизких показателей. Точкой отсчета сверхнизких температур считается отметка в -153 градуса.

    Преимущества проведения термической обработки

    К термообработке можно привести массу положительных показателей, самыми основными преимуществами проведения подобных процессов являются:

  • Повышение износостойкости материалов и сплавов;
  • Уменьшение бракованных деталей машин и инструментов;
  • Экономия на новых деталях на производстве за счет повышения прочностных характеристик сплавов, используемых для этих деталей.
  • Среди основного оборудования для проведения термической обработки металлов выделяют печи, позволяющие нагревать изделия до высоких температур. Эти печи имеют разную мощность и на производстве используются для разных металлов, так как для каждого металла необходима своя температура термообработки.

    Подробно по теме «термическая обработка металлов» на выставке

    Для того чтобы детальнее изучить термическую обработку, необходимо погрузиться в этот процесс и увидеть термические печи своими глазами.

    Сейчас технологии пошли вперед, это значит, что появляются новые модернизированные модели и технологии термообработки. В скором времени ЦВК «Экспоцентр» проведет массовую выставку «Металлообработка»: приборов, оборудования и инструментов для термической и других видов обработки металлов в промышленности.

    Приняв участие в данной специализированной международной выставке, можно увидеть массу новых печей для термической обработки металлов, которые разработали передовые компании мира. Это ежегодная выставка, на которой демонстрируются передовые технологии металлообработки во всех сферах промышленности. Данная выставка является одним из самых крупнейших в стране.

    Как называется термическая обработка металлов

    1. Общие сведения и виды термической обработки стали

    Под термической обработкой металлов следует понимать изменение внутреннего строения (структуры) металла под воздействием изменяющихся температурных условий и, как следствие этого, получение необходимых механических и физических свойств металла.

    Большая часть операций термической обработки проводится при критических температурах, при которых происходят структурные превращения в сплавах. Большинство превращений требует для своего полного завершения определенный промежуток времени.

    Рекламные предложения на основе ваших интересов:

    Поэтому процесс термической обработки металлов сводится, по существу, к трем последовательным операциям:
    а) нагреву металла с определенной скоростью до необходимой температуры,
    б) выдержке при этой температуре в течение некоторого времени,
    в) охлаждению с заданной по процессу скоростью.

    В зависимости от того, в каком направлении надо изменить свойства данного стального изделия, применяются различные виды термической обработки, отличающиеся максимальной температурой нагрева, продолжительностью выдержки и скоростью охлаждения. Термическая обработка широко применяется в современном машиностроении.

    Основными видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Применение того или иного процесса термической обработки зависит от того, в каком направлении нужно изменить структуру и свойства данной стали. В практике часто применяются в определенной последовательности несколько процессов термической обработки к одному и тому же изделию или полуфабрикату для получения необходимых свойств.

    Отжиг стальных изделий, поковок, слитков применяется в тех случаях, когда нужно изменить структуру крупнозернистой стали, т. е. измельчить зерно и сделать структуру мелкозернистой; улучшить обрабатываемость стали режущим инструментом; подготовить структуру стали к ‘последующей термической обработке; выровнять химическую неоднородность в крупных стальных отливках, слитках; устранить внутренние напряжения в стальных изделиях; освободить сталь от наклепа. Отжиг заключается в том, что стальное изделие нагревается до определенной температуры, выдерживается при этой температуре некоторое время и затем медленно охлаждается вместе с печью.

    Отжиг подразделяется на несколько видов. В практике применяются следующие виды отжига: полный, неполный, изотермический; отжиг на зернистый перлит; диффузионный, низкотемпературный, рекристаллизационный.

    Полным отжигом называется такой, при котором сталь нагревается до температуры, лежащей на 30—50° выше линии GSK по диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов, выдерживается при этой температуре и затем медленно охлаждается-вместе с печью. После отжига сталь приобретает мелкозернистую структуру, становится мягкой, вязкой и освобождается от внутренних напряжений.

    Скорость нагрева, максимальная температура нагрева, выдержка и скорость охлаждения оказывают большое влияние на конечный результат отжига. В зависимости от химического состава стали и размеров изделия изменяется и скорость нагрева. Например, при отжиге легированных сталей, изделий сложной формы и изделий крупного размера нагрев производится мед-тленно. Выдержка при максимальной температуре нагрева должна обеспечить равномерный прогрев изделия до заданной температуры и произвести превращение в структуре стали. Однако продолжительная выдержка при высоких температурах может привести к образованию крупных зерен. Продолжительность выдержки зависит от максимальной температуры нагрева, химического состава стали, исходной структуры, а также от веса изделия.

    Температура максимального нагрева углеродистых сталей зависит в основном от содержания углерода в стали. Ниже приводится табл. 3 температур отжига углеродистых сталей с различным содержанием углерода.

    При проведении полного отжига нужно следить за максимально допустимой температурой нагрева, так как превышение температуры приводит к сильному росту зерна, в связи с чем сталь становится хрупкой. Такая сталь называется перегретой. Структуру перегретой стали можно исправить повторным отжигом. Структуры нормально отожженной стали и перегретой показаны на рис. 22. При нагреве стали до очень высоких температур ее можно испортить, так как при этом кислород, проникая в сталь, окисляет железо, в результате чего окислы железа располагаются по границам зерен.

    Такая сталь называется пережженной и обладает очень низкими механическими свойствами. Исправить структуру пережженной стали повторными процессами термической обработки невозможно. Скорость охлаждения после тепловой выдержки оказывает большое влияние на механические свойства стали. При быстром охлаждении структурные составляющие стали получаются мельче, что ведет к повышению прочности и упругости стали. При медленном охлаждении металл становится мягче. Скорость охлаждения зависит от требований, предъявляемых к стали.

    Отжиг на зернистый перлит применяется для уменьшения твердости, повышения вязкости и улучшения обработки заэв-тектоидных и эвтектоидных сталей. Практически он осуществляется нагревом стали до температуры 740—760°, т. е. немного выше критической точки. После выдержки сталь медленно охлаждается.

    Диффузионный отжиг преследует устранение неоднородности химического состава крупных слитков высоколегированной стали. Характеризуется он медленным нагревом стали до высоких температур, порядка 1100—1150°, выдержкой при этих температурах от 10 до 15 часов и последующим охлаждением. Нагрев стали до таких температур ускоряет диффузионные процессы в аустените, в результате чего происходит выравнивание химического состава стали. После диффузионного отжига сталь обычно подвергается обыкновенному отжигу, или нормализации.

    Рекристаллизационный отжиг применяется для уничтожения наклепа. При холодной обработке стали, прокатке, волочении проволоки, штамповке сталь получает холодное деформирование (наклёпывается). Наклеп выражается в том, что сталь после холодной обработки приобретает жесткость и становится малопластичной. Такую сталь трудно обрабатывать. Рекристаллизационный отжиг снимает эти деформации, и сталь приобретает свои первоначальные свойства. Структура наклепанной и отожженной стали показана на рис. 23. При рекристаллизационном отжиге сталь нагревается до температуры 680—700°, дается небольшая выдержка при этой температуре, после чего она охлаждается на воздухе.

    Нормализация преследует те же цели, что и отжиг. При нормализации стальные изделия нагреваются на 30—50° выше линии GSE , выдерживаются при этих температурах и затем охлаждаются на воздухе. Существенным отличием нормализации от отжига является большая скорость охлаждения стальных изделий после нагрева; поэтому нормализованные изделия имеют большую твердость, а пластичность их меньше.

    Рис 22. Структура стали:
    а — нормально отожженной; б — перегретой при отжиге

    Нормализация способствует образованию в стали более мелкого зерна (рис. 24, а), чем оно получается при отжиге (рис. 24, б) и самый процесс нормализации протекает быстрее отжига. В настоящее время нормализация получила широкое применение и во многих случаях вытеснила отжиг.

    Рис. 23. Структура стали:
    а — наклепанной; б — отожженной

    Закалкой стали называется такой процесс термической обработки, при котором сталь нагревается выше линии GSK на 30—50°, выдерживается при закалочной температуре и затем быстро охлаждается в воде, масле или на воздухе. Закалка применяется в тех случаях, когда нужно повысить прочность, упругость и твердость стали. Сущность закалки заключается в том, что в стали при нагреве выше линии GSK происходят структурные превращения, в результате которых образуются зерна аустенита. При быстром охлаждении аустенит при переходе через линию PSK распадается и в зависимости от скорости охлаждения в стали образуются новые структуры, т. е. сорбит, троостит или мартенсит, которые обладают большей прочностью по сравнению с перлитом.

    Рис. 24. Структура стали:
    а — нормализованной; б — отожженной

    В зависимости от характера охлаждения закалка имеет несколько разновидностей. В производственной практике существуют следующие способы закалки.

    Обыкновенная закалка (закалка в одной среде). Этот вид закалки применяется главным образом для простых деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей. Детали после нагрева до закалочных температур и небольшой выдержки погружаются в охлаждающую среду и держатся в ней до тех пор, пока совершенно не охладятся. В качестве охлаждающей среды применяется вода или масло. Среда выбирается в зависимости от размеров изделий и химического состава стали.

    Прерывистая закалка (закалка в двух средах) применяется преимущественно для закалки инструмента, изготовленного из высокоуглеродистых сталей. Этот способ заключается в том, что нагретое изделие после некоторой выдержки охлаждают в воде до температуры порядка 400—300°, после чего извлекают его из воды и дальнейшее охлаждение проводят в масле. Так как масляная среда дает меньшую скорость охлаждения, то образование в стали мартенсит-ной структуры происходит спокойнее, благодаря чему уменьшаются внутренние напряжения.

    Рис. 25. Закалка зубила с самоотпуском

    Закалка с самоотпуском. Отпуск изделий после закалки обычно производится повторным нагревом холодных закаленных изделий до необходимой температуры. В этом случае вся деталь подвергается одному и тому же режиму закалки и отпуска,

    в результате чего твердость и вязкость во всех ее точках будут одинаковы. При закалке с самоотпуском к повторному нагреву не прибегают, и отпуск производят за счет тепла той части изделия, которая не погружена в закалочную жидкость, или за счет тепла, сохранившегося во внутренних слоях изделия. Закалка с самоотпуском широко применяется в случаях термической обработки ударных инструментов, так как для них создание одинаковой твердости во всех точках является нецелесообразным. Наоборот, постепенное и равномерное уменьшение твердости от рабочей части к центру и хвостовой части обеспечивает высокую стойкость инструмента в работе.

    Закалка с самоотпуском практически производится следующим образом. После нагрева изделия до закалочной температуры и соответствующей выдержки при этой температуре рабочая часть инструмента погружается в воду (рис. 25, а). После неполного охлаждения в воде отпускаемую поверхность быстро-зачищают напильником (рис. 25, б) и наблюдают за цветами побежалости, которые появляются на зачищенной поверхности стали. Появляющиеся цвета побежалости являются результатом возникновения тонких слоев окислов на поверхности стали. Цвет слоя окисла зависит от его толщины. Цвета побежалости появляются при нагревании стали в интервале температур 200—325°. При появлении цвета побежалости, который соответствует требуемой температуре отпуска, рабочую часть инструмента быстро-окончательно охлаждают в воде (рис. 25, в).

    2. Виды поверхностной закалки стали

    Ряд деталей автомобиля и других машин, испытывая в процессе работы большие динамические нагрузки, одновременно подвергается поверхностному истиранию. В таких случаях возникает необходимость придавать высокую твердость поверхностному слою деталей, сохраняя их сердцевину вязкой. В последнее время в промышленности получили широкое распространение различные виды поверхностной закалки изделий.

    В практике поверхностная закалка изделий производится следующими способами:
    а) индукционным нагревом изделий токами высокой частоты,
    б) контактным электронагревом изделий,
    в) нагревом кислородно-ацетиленовым пламенем,
    г) нагревом металлов и сплавов в электролите.

    Поверхностная закалка токами высокой частоты производится с помощью индукционного нагрева металла токами высокой частоты. Этот метод разработан и применен в 1936 г. в Советском Союзе профессором В. П. Вологдиным.

    Индукционный нагрев металлических изделий основан на использовании явлений электромагнитной индукции, теплового действия электрического тока и поверхностного эффекта. Нагрев изделий, подлежащих закалке, осуществляется при помощи специальной установки (рис. 26), которая состоит из следующих основных элементов: генератора высокой частоты, электродвигателя, трансформатора, индуктора, батареи конденсаторов. Сущность закалки токами высокой частоты заключается в том, что изделие, подвергающееся закалке, помещается в индуктор с таким расчетом, чтобы между ним и индуктором был воздушный зазор в 2—4 мм. Ток высокой частоты от машинного генератора поступает в индуктор. Вокруг индуктора создается переменное магнитное поле, под воздействием которого в закаливаемом изделии индуктируются вихревые токи. Благодаря явлению поверхностного эффекта максимальная плотность тока будет сосредоточена на поверхностном слое изделия. Толщина слоя, по которому идет ток максимальной плотности, называется глубиной проникновения тока. Под действием индукционного тока поверхностный слой изделия быстро нагревается до закалочных температур, а сердцевина изделия нагревается до температур, лежащих ниже линии PSK , благодаря чему в ней не происходит никаких структурных превращений и изменений механических свойств. Нагрев изделий происходит в течение нескольких секунд, так как скорость нагрева равна 320—400° в секунду. По окончании нагрева изделия охлаждаются водяным душем. Вода поступает (из индуктора, изготовляемого в виде медной трубки и имеющей с внутренней стороны специальные отверстия для выхода воды. В индуктор вода подается под давлением от специальной

    Рис. 26. Схема установки для закалки изделий токами высокой частоты

    установки. Глубина закалки зависит в основном от частоты применяемого тока и может получаться от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Закалка’ токами высокой частоты отличается от обычной закалки высокой производительностью; кроме того, она обеспечивает получение более высокой поверхностной твердости закаленных изделий.

    туры отпуска твердость стали уменьшается, а ударная вязкость увеличивается. Продолжительность выдержки при отпуске закаленной стали должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить сквозной прогрев изделия и завершение структурных изменений. В зависимости от размеров отпускаемых изделий, их веса, конструкции печи, температуры отпуска время выдержки может быть различным — от нескольких минут до 4—5 часов. Охлаждение нагретых изделий может производиться в воздушной или в жидкой среде, преимущественно в воде, или на воздухе. Скорость охлаждения после нагрева и выдержки углеродистых сталей может быть различной, так как она не оказывает влияния на механические свойства отпускаемых изделий. При отпуске легированных сталей, главным образом хромистых, охлаждение должно производиться быстро. При медленном охлаждении ударная вязкость понижается и сталь может получиться хрупкой. Отпуск, в зависимости от температуры нагрева, бывает трех видов: низкий, средний и высокий.

    Низкий отпуск производится при температуре 150—200°. Такой отпуск главным образом снимает внутренние напряжения, а высокая твердость и износоустойчивость изделия сохраняются. Низкий отпуск применяется для инструментальных стадей, а также после закалки деталей, подвергнутых цементации, цианированию и поверхностной закалке.

    Средний отпуск осуществляется путем нагрева стали в интервале температур от 200 до 500°. Целью среднего отпуска является создание высоких пределов прочности и упругости при хорошей вязкости. Он применяется обычно при обработке пружин, рессор, штампов, а также ударного инструмента.

    Высокий отпуск производится нагревом стали от 500 до 7002и применяется для деталей, изготовленных из улучшенной конструкционной стали. Высокий отпуск имеет своей целью получить наибольшую вязкость стали при достаточном пределе прочности и упругости. Этот вид отпуска применяется для обработки деталей,- подвергающихся действию ударных нагрузок, для создания у них однородной структуры сорбита отпуска. Такому отпуску подвергаются шатуны, шатунные болты, передние оси автомобиля и т. п.

    Обработка стальных изделий холодом была впервые применена русским ученым П. П. Аносовым в 1827 г. Широкое применение этот метод получил в наше время благодаря Исследованиям профессора А. П. Гуляева. Сущность обработки стальных изделий холодом заключается в том, что закаленная сталь непосредственно после закалки охлаждается до температур, лежащих значительно ниже 0 (минус 80—190°). При низких температурах остаточный аустенит закаленной стали, распадаясь, превращается в мартенсит. Благодаря этому твердость стали повышается, структура стали становится однородной, повышается ее прочность. Охлаждение закаленных изделий до низких температур производится различными способами: твердой углекислотой, которая дает возможность понизить температуру стали до — 75°, жидким воздухом, кислородом или азотом до — 180—190° в холодильных машинах. Обработке холодом подвергаются режущий инструмент, измерительный инструмент и различные цементованные ответственные детали.

    4. Термическая обработка чугуна

    Отливки и изделия из серого и белого чугунов подвергаются различным видам термической обработки с целью уничтожения внутренних напряжений, снижения твердости, повышения прочности, улучшения антифрикционных и других свойств.

    Отжиг чугунных отливок производится для уничтожения внутренних напряжений и для снижения твердости. Нагрев их делается медленный, так как при быстром нагреве в силу плохой теплопроводности чугуна в нем могут появляться трещины. Скорость нагрева производится в пределах 80—160° в час. Максимальная температура нагрева 500—550°. При такой температуре отливки выдерживаются в течение 2—8 часов. После выдержки производится медленное охлаждение со скоростью от 20 до 50° в час. В результате отжига отливки из серого чугуна освобождаются от внутренних напряжений. Такому отжигу подвергаются отливки блока цилиндров двигателя и поршневых колец. В тех случаях, когда на поверхности отливок образуется слой отбеленного чугуна, отливки также подвергаются отжигу, но с целью снижения твердости.

    При отжиге для снижения твердости отливки нагреваются до более высоких температур, порядка 800—950°.

    Закалка чугунных изделий производится с целью повышения их твердости, прочности и износоустойчивости. Чугунные изделия, подлежащие закалке, нагревают до 900—950°, выдерживают при этой температуре и затем подвергают охлаждению в масле. Вода для охлаждения не применяется во избежание коробления изделий и образования трещин. После закалки производится отпуск при температурах порядка 200— 300°.

    Наиболее распространенным видом закалки чугунных изделий является изотермическая закалка, при которой изделие, нагретое до 850—950°, после выдержки переносится в соляную ванну, температура которой обычно бывает от 250 до 400°. После выдержки в соляной ванне изделия охлаждают на воздухе.

    Охлаждающая среда и ее правильный выбор оказывают большое влияние на качество закалки. В. интервале температур 650—400° аустенит очень неустойчив и при медленном охлаждении распадается на феррит и цементит. Следовательно, для того, чтобы предотвратить распад аустенита и переохладить его, необходима большая скорость охлаждения, особенно в интервале температур 650—400°. Аустенит в углеродистых сталях при температурах ниже 400° делается относительно устойчивым, и при процессе превращения его в мартенсит охлаждение желательно проводить медленно, что связано с уменьшением внутренних термических напряжений. Что касается легированных сталей, то охлаждение их ниже 400° должно проводиться быстро. В качестве охлаждающей среды при закалке могут применяться: вода различной температуры, как чистая так и с примесями некоторых солей, минеральные и растительные масла, расплавленные соли, расплавленные металлы.

    Скорость охлаждения нагретого металла в этих средах различна.

    Различные скорости охлаждения в закалочных средах объясняются тем, что при погружении нагретого металла в жидкость на его поверхности образуется пленка перегретого пара, которая прочно держится вокруг изделия и способствует образованию паровой рубашки. Паровая рубашка плохо проводит тепло, вследствие чего происходит снижение скорости охлаждения. При закалке в масле паровая рубашка разрывается медленно, а в воде она разрывается быстрее, этим объясняются различные скорости охлаждения. Вода повторно, применяемая для закалки, закаливает сильнее, чем свежая. В воде с примесью едкого натра охлаждение происходит очень быстро в связи с тем, что частички едкого натра при попадании на поверхность раскаленного металла взрываются и способствуют разрушению паровой рубашки.

    5. Определение температуры нагрева изделий

    Температура нагрева изделий при термической обработке металлов имеет исключительно важное значение. Качество изделий после термической обработки в основном зависит от точного соблюдения и выполнения температурного режима того или иного вида термообработки. Поэтому для измерения и регулирования температурного режима термической обработки пользуются специальными приборами, которые называются пирометрами. Пирометры бывают термоэлектрические и оптические.

    Термоэлектрический пирометр состоит из термопары и милливольтметра (.рис. 27, а). Термопара состоит из двух тонких проволочек, изготовленных из разных металлов. Концы проволочек спаяны, два других остаются свободными, которыми термопара присоединяется к милливольтметру. При нагревании спаяных концов между свободными концами термопары появляется разность потенциалов, электрический ток при этом регистрируется отклонением стрелки милливольтметра. Величина отклонения стрелки милливольтметра зависит от температуры нагрева спаянных концов термопары. Милливольтметр имеет две шкалы. На одной нанесены милливольты, а на другой — градусы. Для измерения температур, не превышающих 1000°, одна проволочка термопары делается из хромеля (сплав никеля с хромом), а другая из алюминия (сплав никеля с алюминием, марганцем и кремнием). Для предохранения проволочек термопары от повреждений они вставлены в защитные трубки (рис. 27, б). Внутренняя трубка делается из фарфора, а внешняя из стали.

    Рис. 27. Термоэлектрический пирометр:
    а — схема пирометра; б— термопара в защитной трубке

    Оптический пирометр с исчезающей нитью работает по принципу изменения степени яркости излучения раскаленных тел. С помощью такого пирометра измерение температуры нагретого металла производится на некотором расстоянии от него путем сравнения яркости световых лучей, излучаемых нагретым металлом, с яркостью нити лампы, помещенной в пирометре. Определение температуры нагретого металла производится через окуляр. Путем перемещения объектива прибора получают четкое изображение рассматриваемого предмета. После установки пирометра путем пропускания тока накаливают нить лампы. Накал нити регулируется реостатом и производится до тех пор, пока ее изображение не исчезнет на фоне раскаленного металла. Изображение нигги исчезает при ее нагреве, соответствующем нагреву раскаленного металла, т. е. когда температуры у них будут одинаковы. Температура нити измеряется гальванометром, на шкале которого нанесены градусы. Оптическим пирометром можно измерять температуры до 2000°.

    Цвета каления и побежалости при отсутствии описанных приборов дают возможность определить температуру нагретых металлов довольно точно на глаз.

    При определении температур нагретой стали на глаз в интервале 220—325° пользуются цветами побежалости.

    6. Термическая обработка основных деталей автомобиля

    Значительная часть автомобильных деталей подвергается различным видам термической обработки с целью сообщения им физических и механических свойств, обеспечивающих необходимую прочность. Для подготовки структуры металла к последующим видам термической обработки применяются главным образом нормализация и отжиг. Улучшение углеродистых сталей производится закалкой и отпуском. Основные детали автомобиля, как, например, коленчатые валы, после штамповки подвергаются нормализации, затем механической обработке, после чего шейки их закаливаются токами высокой частоты.

    Распределительные валы, изготовленные из стали марки 40, подвергаются закалке токами высокой частоты и отпуску. Шестерни коробок передач цементируются и закаливаются в масле с последующим отпуском. Шестерни главной передачи подвергаются закалке и обработке холодом, впускные клапаны — закалке с последующим охлаждением в масле и отпуску. Выпускные клапаны закаливаются при нагреве до 1050—1100°, охлаждаются в масле или воде после чего их отжигают и охлаждают вместе с печью. Полуоси ведущих колес автомобиля после штамповки подвергают нормализации, а после механической их обработки улучшают закалкой и отпуском.

    ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА — совокупность операций теплового воздействия на материалы (главным образом металлы и сплавы) с целью изменения их структуры и свойств в нужном направлении. Основные виды термической обработки: закалка, отпуск, отжиг, нормализация, старение… … Большой Энциклопедический словарь

    Термическая обработка — – тепловая обработка полуфабриката при температуре ниже 800оС. [ИСО 836 2001] Рубрика термина: Огнеупоры Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы, Автодороги, Автотехника … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

    ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА — ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, тепловая обработка в основном металлов и сплавов для изменения их структуры и свойств. Основные виды: закалка (быстрое охлаждение с повышением температуры для увеличения прочности), отжиг (нагрев до высокой температуры,… … Современная энциклопедия

    термическая обработка — термообработка Обработка, заключающаяся в изменении структуры и свойств материала заготовки вследствие тепловых воздействий. [ГОСТ 3.1109 82] Тематики технологические процессы в целом Синонимы термообработка EN heat treatment DE thermische… … Справочник технического переводчика

    ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА — изменение механических свойств металлов путем соответственного температурного режима, иногда в соединении с действием химических реагентов. К термической обработке относится закалка, отжиг, цементация, отпуск, нитрирование и т. д. Самойлов К. И.… … Морской словарь

    ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА — совокупность технологических операций, связанных с нагреванием, охлаждением и направленных на изменение свойств материалов в результате изменения их внутреннего или поверхностного строения. Особенно широкое промышленное распространение получила Т … Большая политехническая энциклопедия

    термическая обработка — 3.14 термическая обработка субстрата: Процесс обработки субстрата при повышенной температуре (+60 °С . 62 °С) с помощью насыщенного пара низкого давления (пастеризация) и последующего охлаждения («кондиционирования») субстрата для завершения… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

    термическая обработка — [heat (thermal treatment (processing)] совокупность операций теплового воздействия на материал с целью изменения его структуры и свойств в нужном направлении (Смотри Термообработка). Смотри также: Обработка электроэрозионная обработка … Энциклопедический словарь по металлургии

    Термическая обработка — металлов, процесс обработки изделий из металлов и сплавов путём теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Это воздействие может сочетаться также с химическим, деформационным, магнитным и др.… … Большая советская энциклопедия

    Термическая обработка — Термическая обработка выдерживание материала при повышенной (нагрев) или при пониженной (охлаждение) температуре, либо соблюдение определённого температурного режима в течение определённого времени для придания ему необходимых свойств.… … Википедия

    Pereosnastka.ru

    Обработка дерева и металла

    В процессах обработки металлов и сплавов их свойства не остаются постоянными, а изменяются и иногда весьма значительно. Эти изменения приводят к повышению или уменьшению твердости металла или к изменению других свойств. Намеренное изменение свойств металлов производится термической обработкой.

    Термической обработкой металлов и сплавов называют изменение их свойств путем нагревания, выдержки и охлаждения. Изменение внутреннего строения металлов приводит к изменению их механических свойств: твердости, прочности, пластичности, вязкости.

    Не все металлы в одинаковой степени поддаются термической обработке. Некоторые из них почти не изменяют свои свойства при термической обработке, другие изменяют их очень мало, третьи — весьма значительно. Наиболее чувствительна к термической обработке сталь. Низкоуглеродистые стали, содержащие менее 0,3% углерода, слабо изменяют свои свойства, среднеуглеродистые — уже заметно, а инструментальные — очень сильно.

    Широко применяют следующие виды термической обработки стали: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.

    Отжигом называется процесс нагревания стального изделия до температуры 750—860° (критическая точка), а затем очень медленного. его охлаждения в течение нескольких часов, часто вместе с нагревательной печью. При отжиге устраняются внутренние напряжения в металле, возникшие ранее от неравномерного остывания, и уменьшается твердость. Отжиг бывает необходимым и потому, что в процессах литья, прокатки и ковки охлаждение стальных изделий происходит неравномерно по толщине металла, они получаются у поверхности более твердыми и с трудом поддаются обработке резанием.

    Нормализация отличается от отжига только тем, что стальное изделие остывает на воздухе, причем значительно быстрее, чем при отжиге. Нагрев изделий производится до тех же температур, что и при отжиге. При нормализации сталь приобретает мелкозернистую и однородную структуру, но ее прочность и твердость получаются несколько выше, чем при отжиге. Нормализации подвергаются, например, малоуглеродистые мягкие стали (конструкционные). По сравнению с отжигом нормализация более экономичная операция, так как не требует охлаждения печи.

    Закалкой называется процесс нагревания стальных изделий до температуры 750—790° (или несколько выше), выдержки при этой температуре, в течение которой происходит перестройка структуры металла, и быстрого охлаждения. Призакалке резко возрастает твердость стали, ее прочность, но снижается вязкость. Многие ответственные детали машин, изготовляемые из стали, подвергают закалке, например коленчатые валы, шарикоподшипники и почти все инструменты.

    Температура нагрева стали для закалки зависит от ее химического состава.

    Нагревание изделий для закалки производят в камерных газовых или электрических печах или в соляных печах-ваннах. Электрические печи (муфельные) удобны тем, что нагрев в них производится равномерно и металл не соприкасается с потоком газов, образующихся при сгорании топлива. Кроме того, в них легко регулировать температуру нагрева. Наиболее совершенными являются электрические печи-ванны, где в качестве материала, нагревающего детали, служат расплавленные соли (поваренная соль, хлористый калий, сода и другие), находящиеся в огнеупорном тигле. Детали в такой ванне очень быстро нагреваются, совершенно не соприкасаются с атмосферой и легко могут быть нагреты лишь частично.

    Выдержка деталей при температуре нагрева продолжается от нескольких минут до получаса, в зависимости от толщины детали. Чем массивнее деталь, тем большее время необходимо.для выравнивания температуры по всей толщине металла.

    По истечении времени выдержки деталь опускают в охлаждающую среду: воду, масло или растворы солей в воде. Решающее значение в процессе закалки имеет быстрота охлаждения. Чем больше необходимость повысить твердость детали, тем быстрее нужно производить ее охлаждение. Наибольшую быстроту дает 10-процентный раствор поваренной соли в воде, несколько меньшую — вода и малую — машинное масло. Во избежание коробления и неравномерной закалки рекомендуется погружать детали в охлаждающую жидкость быстро и после погружения перемещать их в ней.

    Рис. 1. Интервал температур нагрева сталей для закалки.

    Если по назначению детали необходимо сделать твердой только ее поверхность, то прибегают к способу поверхностной закалки. В этом случае быстро нагревают до необходимой температуры только тонкий, поверхностный слой и закаливают его, а сердцевина детали остается вязкой и мягкой. Такой нагрев можно сделать с помощью газовой горелки, развивающей высокую температуру, или токами высокой частоты. Последний способ позволяет легко регулировать глубину и равномерность прогрева и отличается высокой производительностью.

    Отпуск. Для уменьшения хрупкости закаленную сталь подвергают отпуску. Отпуск заключается в повторном нагреве, но уже до более низких температур, чем при закалке, с последующим охлаждением. Различают низкий отпуск — нагрев до температуры 200— 330°, средний — до 500° и высокий — до 700°. Наиболее часто применяют низкий отпуск. Низкий отпуск производят’в масляных и соляных ваннах, а часто и на воздухе. В последнем случае температуру отпуска легко контролировать по появлению цветов побежалости. Так называется похожая на радугу гамма цветов, появляющаяся на зачищенной до блеска поверхности куска стали при нагревании. Каждому цвету соответствует своя температура. Более высокая температура соответствует и более глубокому отпуску.

    По прилагаемой таблице цветов побежалости можно довольно точно определить температуру нагрева.

    Нагретую до необходимой температуры отпуска деталь охлаждают в воде и тем самым прекращают отпуск на требуемой ступени.

    ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРЕПЕЖА, МЕТИЗОВ И ДЕТАЛЕЙ

    КОМПЛЕКСНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

    • Термическая обработка металлов
    • Конвейерные печи
    • Конвейерная лента для проходных печей
    • Шахтные и колпаковые печи
    • Вакуумные печи
    • Реализованные проекты
    • Комплексная термическая обработка металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью. Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

      Термическая обработка (термообработка) стали, сплавов бывает следующих видов: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

    • Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термобработка (т.е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).
    • Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.
    • Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.
    • Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термобработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).
    • ОТЖИГ СТАЛИ

      Отжиг — процесс термообработки металла, при котором производится нагревание, затем медленное охлаждение металла. Переход структуры из неравновесного состояния до более равновесного. Отжиг первого рода, его виды: возврат (он же отдых металла), рекристаллизационный отжиг (он же называется рекристаллизация), отжиг для снятия внутренних напряжений, диффузионный отжиг (еще называется гомогенизация). Отжиг второго рода – изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур. Отжиг второго рода, его виды: полный, неполный, изотермический отжиги. Ниже рассмотрен отжиг, его виды, применительно к стали.

      • Возврат(отдых) стали – нагрев до 200 – 400°C, отжиг для уменьшения или снятия наклепа. По результатам отжига наблюдается уменьшение искажений кристаллических решеток у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств стали.
      • Рекристаллизационный отжиг стали (рекристаллизация) — нагрев до температур 500 – 550°C; отжиг для снятия внутренних напряжений – нагрев до температур 600 – 700°C. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения металла отливок от неравномерного охлаждения их частей, также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) с использованием температур ниже критических. Вследствиии рекристаллизационного отжига из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, поэтому твердость стали снижается, а пластичность, ударная вязкость увеличиваются. Чтобы полностью снять внутренние напряжения стали нужна температура не менее 600°C. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: вследствии ускоренного охлаждения металла вновь возникают внутренние напряжения.
      • Диффузионный отжиг стали (гомогенизация) применяется тогда, когда сталь имеет внутрикристаллическую ликвацию. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. По результатам отжига, сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией. Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, однако нельзя допускать пережога, оплавления зерен. Если допустить пережог, то кислород воздуха окисляет железо, проникая в толщу его, образуются кристаллиты, разобщенные окисными оболочками. Пережог устранить нельзя, поэтому пережженные заготовки являются окончательным браком. Диффузионный отжиг стали обычно приводит к слишком сильному укрупнению зерна, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).
      • Полный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией, измельчением зерна при температурах точек АС1 и АС2. Назначение его – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30-50°Cвыше температуры линии GSK и медленно охлаждают. После отжига избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоидный цементит имеют форму пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатым
      • При отжиге стали на пластинчатый перлитзаготовки оставляют в печи до охлаждения, чаще всего при частичном подогреве печи топливом, чтобы скорость охлаждения была не больше 10-20°C в час. Отжигом также достигается измельчение зерна. Крупнозернистая структура, например, доэвтектоидной стали, получается при затвердевании вследствие свободного роста зерен (если охлаждение отливок медленное), а также в результате перегрева стали. Эта структура называется видманштетовой (по имени австрийского астронома А. Видманштеттена, открывшего в 1808 г. такую структуру на метеорном железе). Такая структура придает низкую прочность заготовке. Структура характерна тем, что включения феррита (светлые участки) и перлита (темные участки) располагаются в виде вытянутых пластин под различными углами друг к другу. В заэвтектоидный сталях видманштетова структура характеризуется штрихообразным расположением избыточного цементита. Размельчение зерна связано с перекристаллизацией альфа-железа в гамма-железо; вследствии охлаждения и обратного переходе гамма-железа в aльфа-железо мелкозернистая структура сохраняется. Таким образом, одним из результатов отжига на пластинчатый перлит является мелкозернистая структура.
      • Неполный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки А С1; неполный отжиг применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура.
      • Отжиг стали на зернистый перлит применяют обычно для эвтектоидных, заэвтектоидных сталей, для повышения пластичности, вязкости стали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита сталь нагревают выше точки АС1, затем выдерживают недолго, чтобы цементит растворился в аустените не полностью. Затем сталь охлаждают до температуры несколько ниже Ar1, выдерживают при такой температуре несколько часов. При этом частицы оставшегося цементита служат зародышами кристаллизации для всего выделяющегося цементита, который нарастает округлыми (глобулярными) кристаллитами, рассеянными в феррите. Свойство зернистого перлита существенно отличаются от свойств пластинчатого в сторону меньшей твердости, но большей пластинчатости и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоидной стали, где весь цементит (как эвтектоидный, так избыточный) получается в виде глобулей.
      • Изотермический отжиг — после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки А 1, затем выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время, а также повышает производительность. Например, обыкновенный отжиг легированной стали длится 13-15 ч, а изотермический – всего 4-7 ч.
      • ЗАКАЛКА СТАЛИ

        Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов. Материал, подвергшийся закалке приобретает большую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение.

        Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала.

        В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают на 30 — 50°C выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK, в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки.

        Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей. Закалка снимается отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.

        Закалочные среды

        При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650-400 °C, то есть в том интервале температур в котором аустенит менее всего устойчив, быстрее всего превращается в феритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

        Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда (Термат), а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

        Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения — стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

        Способы закалки

      • Закалка в одном охладителе — нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.
      • Прерывистая закалка в двух средах — этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).
      • Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.
      • Ступенчатая закалка — закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.
      • Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

      ОТПУСК СТАЛИ

      Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите.

      Преимуществом точечной структуры является более благоприятное сочетание прочности и пластичности. При одинаковом химическом составе и одинаковой твердости сталь с точечной структурой имеет значительно более высокое относительное сужение y и ударную вязкость а н, повышенное удлинение d и предел текучести s т по сравнению со сталью с пластинчатой структурой.

      Мартенсит закалки имеет неустойчивую тетрагональную решетку, а мартенсит отпуска – устойчивую центрированную кубическую решетку альфа-железа.

      Отпуск разделяют на низкий, средний и высокий в зависимости от температуры нагрева.

      Для определения температуры при отпуске изделия пользуются таблицей цветов побежалости. Тонкая пленка окисдов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°C; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

      При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300°C) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях. Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали. Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330°C в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

      При среднем (нагрев в пределах 300-500°C) и высоком (500-700°C) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние троостита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение таких показателей как прочность, пластичность и вязкость, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит применяют для термической обработки кузнечным штампов, пружин, рессор, а высокий – для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

      Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом. Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970°C), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

      НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

      Нормализацией называют такой вид термической обработки, когда сталь нагревают на 30 — 50°C выше верхних критических температур Асз или Аст и после выдержки при этих температурах охлаждают на спокойном воздухе. Таким образом, от отжига нормализация отличается более быстрым охлаждением изделия (примерно в 2 раза).

      Нормализация является более дешевой операцией, чем отжиг, так как печи используются только для нагрева и выдержки изделия при температуре нагрева, а охлаждение производится вне печи. Кроме того, нормализация ускоряет процесс термической обработки. Таким образом, отжиг выгодно заменять нормализацией. Однако это не всегда возможно, так как у некоторых сталей твердость после нормализации возрастает более значительно, чем при отжиге. Малоуглеродистые стали рекомендуется подвергать нормализации, так как у них практически отсутствует разница в свойствах после отжига и нормализации.

      Стали, содержащие свыше 0,4% углерода, после нормализации получают повышенную твердость. Такие стали лучше отжигать. На практике и такие стали часто подвергают нормализации вместо отжига, а затем высокому отпуску при температурах 650 — 700°C для уменьшения твердости. Нормализацию применяют для получения мелкозернистой структуры в отливках и поковках, для устранения внутренних напряжений и наклепа, для подготовки структуры стали к закалке.

      Для некоторых изделий нормализация является не предварительной, а окончательной операцией термической обработки. В этом случае после нормализации изделия подвергают высокому отпуску для снятия внутренних напряжений, образовавшихся при охлаждении изделия на воздухе.

      Читайте так же:  Вера в христа как называется