4.5. Технологія термічної обробки сталі

Як зазначалося вище, термічна обробка сталі проводить- ся за такою схемою: нагрівання — витримка — охолоджен- ня. Тому для проведення будь-якого виду термічної обробки треба знати, до якої температури нагрівати сталь, скільки часу витримувати та з якою швидкістю охолоджувати (тобто в яко- му середовищі охолоджувати).

Виходячи з цього, розглянемо технологію проведення кожного з видів власнотермічної обробки за такою схемою: спочатку з’ясуємо призначення та види даної термічної об- робки, потім установимо температуру нагріву сталі (зону на- грівання сталі покажемо на скелетній схемі діаграми залізо- цементит), час витримки при цій температурі та швидкість охолодження.

53

Відпал І роду призначений для зняття внутрішніх напруг, відновлення структури та усунення ліквацій (вирівнювання хімічного складу). Відповідно до призначення виділяють три види відпалу першого роду: відпал для зняття внутрішніх напруг, рекристалізаційний та дифузійний (гомогенізаційний).

При проведенні відпалу для зняття внутрішніх напруг сталь нагрівають до температури 400-600 ^oC (рис. 20).

Рис. 20.

_{При рекристалізаційному відпалі нагрівають до 700-}

^{750 o}_C ^{, а при дифузійному до 1000 — 1100 oC . При всіх ви-}

дах відпалу першого роду сталь витримують тривалий час.

Його визначають за довідниковою літературою відповідно до площі поперечного перерізу виробу. Так, для тонких листів сталі та дроту витримка триває 25 — 30 хв., а дифузійний відпал легованих сталей триває 8 — 10 годин. Відпал для знят- тя внутрішніх напруг проводиться з витримкою 2,5 хв. на 1 мм площі поперечного перерізу виробу. Охолоджують сталь після витримки в усіх випадках тривалий час (разом з піччю).

Відпал II роду призначений для попередньої теплової обробки перед механічною обробкою. На відміну від відпалу першого роду при відпалі другого роду фазові перетворення відіграють суттєву роль. Виділяють повний, неповний відпал та нормалізацію. Повний відпал проводиться для доевтектої- дних сталей, неповний — для заевтектоїдних, а нормалізація

— для всіх сталей.

54

_{При повному відпалу сталі нагріваються до температури}

вище лінії рис. 21.

^A₃ ^{на 30 — 50 oC . Зона нагрівання показана на}

Рис. 21.

_{При неповному відпалу сталі нагріваються до темпера-}

тури вище лінії

_A1 на 30 — 50 ^oC .

_{Нормалізація доевтектоїдних сталей проводиться при}

_{температурі вище лінії}

_{A3 на 30 — 50} ^o_{C , а заевтектоїдних}

— вище лінії

^A_ст

_{на 30 — 50} ^o_{C .}

Витримка при всіх видах відпалу другого роду пропорц-

ійна площі поперечного перерізу заготовки. Час витримки виз-

начається з довідника.

Охолодження при повному і неповному відпалах друго- го роду повільне (разом з піччю), а при нормалізації охолод- ження заготовки відбувається на спокійному повітрі.

Повний відпал застосовують в основному після гарячої обробки поковок тиском та відливок з метою подрібнення зерен і зняття внутрішніх напруг.

Неповний відпал призначений для зняття внутрішніх на- пруг, зменшення твердості, підвищення пластичності, покра- щання оброблюваності різанням.

При нормалізації зменшуються внутрішні напруги, відбу- вається перекристалізація сталі, завдяки якій подрібнюється крупнозерниста структура зварних швів, виливків та поко- вок. Оскільки при нормалізації охолодження відбувається на

55

повітрі, то вона, є дешевшою за повний та неповний відпал.

Гартування призначене для підвищення твердості та зно- состійкості сталі. Виділяють два види гартування — повне та неповне. Повне проводиться для доевтектоїдних сталей, а неповне — для заевтектоїдних.

Неповне гартування для заевтектоїдних сталей проводять

тому, що при повному гартуванні нагрівання вище лінії

^A_ст

викликало б швидкий ріст зерна і утворення після гартуван-

ня крихкого крупнозернистого мартенситу. Крім того, при цьому збільшується кількість залишкового аустеніту та вели- чина внутрішніх напруг. Підвищений нагрів також спричи- няє розпад твердої складової заевтектоїдної сталі цементиту, який твердіший за мартенсит. Це спричиняє зниження загаль- ної твердості.

_{Температура нагрівання при повному гартуванні вище}

_лінії

_{A3 , на 30 — 50} ^o_{C , а при неповному вище лінії A1 на 30}

_{— 50} ^o_{C (рис. 22).}

_{Рис. 22.}

Час витримки пропорційний перерізу деталі, вибираєть- ся по довіднику. При гартуванні сталі дуже важливо правильно вибрати охолоджуюче середовище. Основна вимога до нього

_{— висока швидкість охолодження в області температур 650}

_{— 550} ^oC _{і більш низька — нижче 300} ^o_{C . Це обумовлене}

тим, що при температурах 550 — 650 ^o_C дифузійна рух-

56

ливість атомів вуглецю і заліза ще не достатньо велика, а стабільність переохолодженого аустеніту мінімальна. Тому бажано уповільнити дифузійні процеси, швидко «проскочив- ши» ці температури. В області високої стабільності аустеніту

(нижче 300 ^oC ) мартенситне перетворення іде із значним

збільшенням об’єму сталі, тому бажано охолоджувати по- вільніше. При цьому внутрішні напруги не приведуть до ко- роблення та появи тріщин у деталях.

Як охолоджуюче середовище використовують воду, міне- ральне мастило, водний розчин 10 %-ного розчину NaCl, роз- чинені солі, луги тощо. Ведуться пошуки заміни мінераль- них масел більш дешевими і безпечними синтетичними охо- лоджувачами.

_{Якщо прийняти охолоджувальну здатність води при}

20 ^oC за одиницю, то охолоджувальна здатність мастила буде рівна 0,17 — 0,44, розплавленого свинцю (при 335 ^oC ) —

0,05, повітря — 0,03. При нагріванні води з 20 до 99 ^oC охо-

_{лоджувальна здатність її змінюється від 1 до 0,07. У зоні пер-}

літних перетворень (650 ^o_C ) вода охолоджує в 5 — 6 разів

швидше ніж мастило.

Охолоджуючі середовища діють так: на першому етапі в момент, коли опускають виріб в охолоджуюче середовище, навколо нього утворюється плівка перегрітої пари (парова сорочка). Це уповільнює охолодження виробу. Цей етап на- зивають плівкове кипіння. Далі парова сорочка розривається і охолоджуюча рідина починає кипіти на поверхні виробу. Цей етап називають бульбашкове кипіння. Швидкість охолоджен- ня зростає. Коли температура поверхні виробу стає меншою температури кипіння рідини, охолодження виробу сповіль- нюється. Цей етап називається етапом конвективного тепло- обміну. Таким чином, чим довше проходить бульбашкове ки- піння, тим інтенсивніше охолоджується виріб. Це при гарту- ванні треба враховувати. Виріб у охолоджуючій рідині треба переміщати для того, щоб руйнувалась парова сорочка.

На практиці застосовуються різні способи охолодження і гартування в одному середовищі, в двох середовищах, ступ- інчасте, ізотермічне, з підстужуванням, з самовідпуском, з обробкою холодом тощо. Найбільш поширеним є гартуван- ня в одному середовищі. При цьому деталь опускають у охо-

57

лоджуюче середовище і повністю охолоджують. Недоліком цього способу є те, що виріб охолоджується нерівномірно по перерізу і тому виникають великі внутрішні напруги.

При гартуванні в двох середовищах нагрітий виріб спо- чатку занурюють в середовище, яке здатне охолоджувати швидко (воду), а потім переносять його в інше середовище, яке охолоджує повільніше (мастило). Таке гартування, наприк- лад, застосовують для обробки інструментів, які виготовлені з високовуглецевих сталей. Однак при цьому способі дуже важко встановити точний час зміни середовища.

Ступінчасте гартування полягає в тому, що нагрітий виріб спочатку охолоджують в гарячому мастилі до темпера- тури дещо вищої початку мартенситного перетворення, а потім після кожної ізотермічної витримки (щоб вирівнялась температура по перерізу виробу) охолоджують на повітрі. При такому гартуванні зменшуються внутрішні напруги.

Ізотермічне гартування виконується так же, як і ступі- нчасте але витримка в охолоджуючому середовищі більш три- вала. При цьому відбувається ізотермічний розпад-аустеніту в бейніт. Так гартують інструменти з сталей 9ХС, ХВГ та ін.

Гартування з підстужуванням застосовують для змен- шення різниці температур металу і охолоджуючого середо- вища, якщо виріб нагрітий до температури, яка значно пере- вищує необхідну для гартування. Наприклад, підстужування потрібне після цементації.

Гартування з самовідпуском полягає в тому, що робочу частину нагрітого виробу занурюють в охолоджене середо- вище і витримують не до повного охолодження. За рахунок тепла неробочої частини виробу, яка не занурювалась, на- грівається робоча. Температуру відпуску при цьому способі гартування визначають за кольором металу. Таке охолоджен- ня застосовують при гартуванні зубил, кернерів, бородків та інших ударних інструментів, у яких твердість повинна змен- шуватись від робочої частини до ударної.

Гартування з обробкою холодом полягає в тому, що охо- лодження сталі продовжується нижче кімнатної температури до кінця мартенситного перетворення. Це робиться з метою зменшення кількості залишкового аустеніту. Якщо цього не робити при гартуванні вуглецевих і легованих сталей, то в

58

них буде біля 12 % залишкового аустеніту, а в швидкоріжу- чих — більше 35 %. Найбільш поширеним охолоджуючим ^{середовищем з температурою –78 o}C ^{є суміш ацетону та твер-}

дої вуглекислоти.

Для отримання в’язкої серцевини та високої твердості поверхні деталі застосовують поверхневе гартування. Його суть нічим не відрізняється від загальноприйнятого гартуван- ня. Різниця полягає в тому, що нагрівається тільки поверхня деталі.

В даний час існує декілька способів швидкого нагріван- ня поверхні деталі, залишаючи не нагрітою її серцевину. Це досягається струмом високої частоти, лазерами, полум’ям тощо. Найбільше застосування в машинобудуванні знайшло індуктивне нагрівання струмом високої частоти. Швидке нагрівання створює градієнт температур — поверхня (на гли-

бину 1,5 — 5 мм) має температуру вище

A₃ ^{, а серцевина —}

значно нижчу. Після швидкого охолодження поверхня гар-

тується, а серцевина або неповністю, або зовсім не гартується.

Поверхневому гартуванню підлягають частіше вуглецеві сталі (0,4 — 0,5 % С), рідше леговані (хромисті, хромоніке- леві та ін). Так, поверхневе гартування проводять колінчатих і розподільчих валів, шестерен, валків прокатних станів хо- лодної прокатки тощо.

Відпуск — це процес термічної обробки, який проводить-

ся після гартування з метою зняття, внутрішніх напруг.

Виділяють три види відпуску: низький, середній та ви-

сокий.

_{При низькому відпуску загартований виріб нагрівають до}

_{150 — 250} ^o_{C , у середньому — 300 — 500} ^o_{C , а високому —}

500 — 650 ^oC . Витримка при цих температурах залежить від

площі поперечного перерізу виробу. Охолодження відбуваєть-

ся на спокійному повітрі. Вид відпуску вибирають в залеж-

ності від умов роботи виробу (рис. 23).

Низький відпуск застосовують в метою підвищення в’яз- кості без помітного зменшення твердості виробу. Наприклад, для інструментальних сталей, після цементації тощо.

Середній відпуск, при якому помітно зменшується твер- дість і зростає в’язкість, застосовують, наприклад, для пру- жин, ресор і деяких інструментів.

59

Рис. 23.

При високому відпуску мартенсит розпадається у сорбіт відпуску, що приводить до найкращого поєднання міцності та пластичності сталі. Застосовується цей вид відпуску для деталей, які виготовлені з конструкційної сталі і працюють при ударних навантаженнях.

Гартування з наступним високим відпуском називають

покращанням.

Відпуск, з невисоким нагрівом, називають штучним старінням. Процес штучного старіння полягає в тому, що загартовані деталі нагрівають 18 — 35 годин у масляних ван- нах. При цьому стабілізується розміри деталі, а твердість і структура не змінюються.

Якщо відпуск відбувається при кімнатній температурі, то цей процес називають природним старінням. При при- родному старінні деталі та інструменти витримують при кім- натній температурі три і більше місяців.