9. Технология термической обработки стали

Разработка технологии термообработки включает в себя выбор:

1. режима нагрева деталей (температуры нагрева, допустимой скорос­ти и времени нагрева);

2. среды, где осуществляется нагрев с учетом ее химического действия на нагреваемый металл;

3. условий охлаждения (закалка, отпуск);

4. агрегата для термической обработки (необходимого оборудования установленного в одну линию в порядке последовательности технологичес­ких операций).

9.1. Нагрев при термообработке

Нагрев изделий необходимо осуществлять с оптимальной скоростью. Форсированный нагрев увеличивает производительность, уменьшает окалинообразование, обезуглероживание стали, рост аустенитного зерна. Однако при этом возникает перепад температуры по сечению изделия, вследствие чего в металле возникают термические напряжения, которые могут усили­ваться фазовыми напряжениями, если фазовые превращения в разных соче­таниях протекают в разное время. Если при этом внутренние напряжения превысят предел прочности или предел текучести стали, то возможно короб­ление или образование трещин.

Чем меньше легирована сталь, однороднее ее макро - и микроструктура, проще конфигурация изделия и равномернее подвод теплоты, тем выше до­пускаемая скорость нагрева. Ориентировочно для изделий из углеродистых машиностроительных сталей выбирают скорость нагрева в печах 0,8-1 мин на 1 мм сечения. В соляных ваннах эта скорость меньше в 2 раза, а в расплав­ленных металлах в 3 - 4 раза. Скорость нагрева легированных сталей меньше на 25 - 40 %. Время выдержки при заданной температуре нагрева принимают равным 1/5 времени нагрева. Для определения времени нагрева пользуются эмпирическими формулами, в частности, формулой Е.А. Смольникова:

τ_общ = K₁-V/F * К_ф* К_д*τ_ив

где: τ_о6щ - общая продолжительность нагрева ,мин;

K₁ - коэффициент зависящий от состава стали;

V/F - характеристический размер;

К_ф - критерий формы;

К_д - коэффициент конфигурации детали; τ_ив - продолжительность изотермической выдержки.

Оптимальные температуры нагрева углеродистых сталей под отжиг, закалку и отпуск показаны на рис.9.1.

Диффузионный (гомогенизированный) - используется для устранения дендритной ликвации. Температура нагрева составляет 0,8-0,9 Т_пл (на 150 - 200°С ниже линии солидус).

Рекристаллизационный отжиг - применяют для снятия наклепа и полу­чения равновесного состояния сплава. В результате рекристаллизации в де­формированном металле образуются новые зерна, снижаются напряжения и восстанавливается пластичность металла Т_рек =(0,6 - 0,8) Т_пл

Отжиг для снятия внутренних напряжений - применяется для снятия напряжений, возникающих при ковке, сварке, литье и т.д., которые могут вызвать коробление, изменение формы. Нагрев при этом виде обработки проводят до сравнительно низких температур (200-300°С), продолжитель­ность отдыха подбирают опытным путем для каждого вида изделий. Скоро­сти нагрева и охлаждения при отжиге должны бать небольшими, чтобы пре­дотвратить возникновение новых внутренних термических напряжений.

Полный отжиг заключается в перекристаллизации стали при темпера­турах выше А_с3 на 30-50°С. Полный отжиг применяется для исправления струк­туры литой или кованой стали

При неполном отжиге сталь нагревают лишь до температуры, превы­шающей А_с1, но не достигающей А_с3. После выдержки стали при этой темпе­ратуре ее медленно охлаждают (например, вместе с печью). Неполный отжиг применяют чаще всего для заэвтектоидных сталей, прошедших горячую об­работку давлением. При неполном отжиге достигается снятие внутренних напряжений, измельчается зерно и устраняется отпускная хрупкость.

Неполный отжиг применяют также для получения зернистого перлита в структуре заэвтектоидных инструментальных сталей. Разновидностью его яв­ляется сфероидизирующий отжиг, при котором сталь нагревают до темпера­тур, немного превышающих Ас₁ выдерживают при этой температуре, медлен­но охлаждают до температуры 620...680°С, а затем на воздухе. В результате сфероидизирующего отжига пластинчатый перлит становится зернистым.

Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяют ограниченно.

Изотермический отжиг - вид отжига, при котором изделия прогрева­ют до температуры, превышающей А₃ (доэвтектоидная сталь), а затем поме­щают в соляную ванну, нагретую до температуры, обеспечивающей получе­ние нужной структуры.

Изотермический отжиг применяют для улучшения свойств легирован­ных сталей. Сталь нагревают до температур выше А₃ и сравнительно быстро охлаждают до температур, лежащих на 100-150°С ниже А₁ путем переноса в другую печь, нагретую до соответствующей температуры. В этой печи сталь выдерживают до завершения изотермического распада аустенита. Изотерми­ческий отжиг улучшает обрабатываемость резанием, чистоту поверхности.

При нормализации сталь нагревают выше температуры точек А_с3 или А_ст на 30.. .50°С. После выравнивания температуры по всему сечению детали охлаждаются на спокойном воздухе. По режиму нормализация является про­межуточной операцией между отжигом и закалкой. Цель нормализации - получение мелкозернистой однородной структуры; частичное снижение внут­ренних напряжений; улучшение штампуемости и обрабатываемости резани­ем; устранение цементитной сетки в структуре заэвтектоидных сталей.

Закалка - операция, заключающаяся в нагреве стали до температур, обеспечивающих получение аустенитной структуры сплавов, которая при быстром охлаждении превращается в мартенсит. Доэвтектоидные стали на­греваются под закалку до температур на 30-50°С выше точки А₃, а эвтекто- идные и заэвтектоидные - на 30...50°С выше точки А₁

При выборе условий закалки стараются обеспечить возможно более полное получение мартенситной структуры. Излишний нагрев заэвтектоид­ных сталей выше A1 нецелесообразен, поскольку твердость получающейся структуры снижается, а деформация возрастает. При нагреве под закалку заэвтектоидных сталей необходимо обеспечить получение зернистой струк­туры цементита. Поэтому перед закалкой сталь подвергают нормализации и сфероидизирующему отжигу.

Отпуск - этот вид термообработки, применяемый лишь к закаленным сплавам. При отпуске нагрев закаленной стали производят ниже Ас1. В ре­зультате отпуска уменьшается внутреннее напряжение, сплавы переходят в более равновесное состояние, снижается твердость и хрупкость, повышается пластичность и ударная вязкость.

Для нагрева изделий используют нагревательные печи, соляные ванны или ванны с расплавленным металлом, установки для нагрева токами про­мышленной и высокой частоты.

На большинстве предприятий нагрев изделий осуществляют в печах с газовой средой. Газовая среда оказывает на сталь различное воздействие:

• окисляющее (0₂, СО₂ пар);

• восстанавливающее (СО, Н₂„ СН₄);

• обезуглероживающее (0₂, СО_{2 ,} Н₂, Н₂0);

• науглероживающие (СО, СН₄);

• нейтральное (N₂, инертные газы, вакуум).

В результате окисляющего воздействия газовой среды на поверхности детали образуется окалина, которая противодействует получению высокой и равномерной твердости изделий при закалке, приводит к изменению разме­ров изделий, увеличению припусков на механическую обработку. Для пре­дотвращения окисления используют специально подобранные газовые сме­си, в которых соотношение окисляющих компонентов оптимально.

Обезуглероживание - или выгорание углерода в поверхностных слоях ме­талла снижает усталостную прочность деталей. Для борьбы с обезуглерожива­нием используют специальные контролируемые атмосферы, получаемые путем сжигания углеродных газов с различным коэффициентом избытка воздуха.

В условиях серийного производства для предотвращения от окисления и обезуглероживания термообработка инструмента проводится в специаль­но раскисленных солянных ваннах.