Виды термической обработки металлов
Отжиг является предварительной и самой распространенной операцией термической обработки сталей и чугунов. Заключается в нагреве металла до определенной температуры (ниже или выше температур критических точек), выдержке при данной температуре до полного прогрева металла и медленном охлаждении (обычно вместе с печью со скоростью
30... 100 °С/ч).
Производят отжиг для снятия внутренних напряжений, устранения структурной неоднородности, снижения твердости стальных заготовок перед механической обработкой, а также при подготовке к последующей термической обработке. В зависимости от того, какие свойства металлов требуется получить, применяют различные виды отжига.
Отжиг первого рода происходит без фазовых (полиморфных) превращений, а если они и имеют место, то не оказывают решающего влияния на конечную структуру металла. Он заключается в нагреве, выдержке и охлаждении стального изделия с целью снятия остаточных напряжений и искажений кристаллической решетки после предшествующей обработки. При этом полностью или частично устраняется химическая неоднородность, уменьшаются внутренние напряжения. Отжиг первого рода возможен для любых металлов и сплавов. Существуют следующие разновидности отжига первого рода.
Возврат (отдых) металла проводится с целью уменьшения или снятия наклепа и заключается в нагреве изделий до температуры 200...400 °С. При этом наблюдается уменьшение искажений в кристаллических решетках у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств. Как правило, возврат предшествует процессу рекристаллизации наклепанного металла.
Рекристаллизационный отжиг (рекристаллизацию) применяют для снятия наклепа и повышения пластичности, вызванного пластической деформацией металла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Для этого металл нагревают до более высоких температур, превышающих порог рекристаллизации (650...700 °С), выдерживают в течение 0,5... 1,5 ч и медленно охлаждают. Рекристаллизационный отжиг применяют перед и между холодной обработкой давлением.
Отжиг для снятия внутренних напряжений применяют для стальных изделий после сварки, литья или механической обработки (прокатки, волочения, штамповки). Производят по схеме - нагрев до 200.. .700 °С, чаще 350.. .600 °С, выдержка в течение 2...3 ч и последующее медленное охлаждение. Выбор температуры зависит от вида предшествующей обработки. Такой отжиг часто является промежуточным между различными операциями механической обработки.
Диффузионный отжиг {гомогенизация) производится при температуре примерно 1000... 1100 °С в течение 8.. .20 ч и медленном охлаждении в течение 6... 8 ч до температуры 800... 890 °С в печи, а затем - на воздухе. Применяется в основном для выравнивания химического состава сплава, повышения пластичности и вязкости легированных сталей. После отжига сталь становится однородной по составу (гомогенной) поэтому и называется еще гомогенизацией, или выравнивающим отжигом.
Отжиг второго рода (фазовая перекристаллизация) протекает с фазовыми (полиморфными) превращениями. Он заключается в нагреве выше температуры фазового превращения и медленном охлаждении для получения равновесного фазового состава металла и подготовки его к дальнейшей обработке. В результате измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием. Отжиг второго рода может быть полным и неполным.
Полный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Осуществляется при температуре нагрева выше на 30...50 °С температуры линии GSK (см. рис. 2.8), выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью. При этом отжиге происходит полная перекристаллизация: при нагреве ферритоперлитная структура переходит в аустенитную, а при охлаждении аустенит превращается обратно в феррит и перлит. В результате повышаются пластичность и вязкость.
Разновидностью полного отжига является нормализация (нормализационный отжиг), которая заключается в нагреве металла до температуры выше на 30...50 °С температуры линии GSK, выдержке и охлаждении не в печи, а на спокойном воздухе в цехе. При нормализации происходит перекристаллизация металла, устраняющая крупнозернистую структуру, полученную при литье или ковке. Применяется, когда необходимо получить однородную мелкозернистую структуру с более высокой твердостью и прочностью, но с несколько меньшей пластичностью.
Неполный отжиг применяется для улучшения обрабатываемости резанием и получения зернистого перлита в структуре заэвтектоидных сталей (отжиг сфероидизации). Проводится при температуре нагрева 770...790 °С. Охлаждение выполняют с малой скоростью до температуры образования карбидов, выдерживают при этой температуре 1.. .3 ч, а затем быстро охлаждают на воздухе. Неполный отжиг является обязательным для инструментальных сталей.
Изотермический отжиг применяется для измельчения зерна, снижения твердости и снятия внутренних напряжений. Схема технологического процесса включает нагрев до требуемой температуры, быстрое охлаждение до температуры на
50... 100 °С ниже критической температуры и выдержка до полного превращения аустенита в перлит. Затем металл медленно охлаждают в расплавленной соли либо на спокойном воздухе. В результате получают более однородную структуру. Такой отжиг улучшает обрабатываемость резанием и применяется при изготовлении деталей и заготовок небольших размеров и для легированных сталей. При этом значительно сокращается время и повышается производительность. Например, обыкновенный отжиг легированной стали длится 13... 15 ч, а изотермический-4...7 ч.
Низкий отжиг производят, если требуется только снятие внутренних напряжений. Тогда металл нагревают ниже критических температур со скоростью 100... 150 °С в минуту с последующей выдержкой и охлаждением на воздухе. Низкому отжигу подвергают углеродистые и легированные стали перед обработкой резанием, волочением и т.д. Скорости нагрева и особенно охлаждения при этом должны быть небольшими, чтобы не возникли новые внутренние термические напряжения.
Закалка заключается в нагреве металла выше температур фазового превращения, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении со скоростью, превышающей критическую минимальную скорость охлаждения. Главное отличие закалки от других видов термической обработки - высокая скорость охлаждения, достигаемая применением различных закалочных сред.
Закалка производится с целью повышения твердости, износостойкости и упругости сталей. Однако после закалки одновременно с высокой твердостью стали приобретают и наибольшую хрупкость.
Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании углерода менее 0,2 % сталь практически не закаливается. Важными характеристиками стали, необходимыми для назначения технологических режимов закалки, являются закаливаемость и про- каливаемость.
Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать максимальную твердость в результате закалки. Оценивается по твердости поверхностного слоя стального образца после закалки, поскольку на поверхности скорость охлаждения максимальна.
Под прокаливаемостыо понимают способность стали закаливаться на определенную глубину, т.е. образовывать закаленный слой со структурой мартенсита и высокой твердостью. Оценивается расстоянием от поверхности изделия до слоя, в котором содержится не менее 50 % мартенсита. Полная про- каливаемость, т.е. наличие мартенситной структуры по всему сечению образца (изделия), называется сквозной.
Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров детали и условий охлаждения. Чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, тем больше прокаливаемость.
Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр, т.е. максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается полностью в охлажденной среде (ГОСТ 5657). Для углеродистых сталей при закалке в воде критический диаметр составляет 10...20 мм. Легированные стали при закалке в масле в зависимости от степени легирования могут прокаливаться в сечении до 250.. .300 мм.
При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками поваренной соли (до 10 %) или серной кислоты (до 10... 12 %). Для увеличения охлаждающей способности применяют также минеральные масла, щелочные растворы, расплавленные соли и металлы (свинец).
Для закалки применяют различные приемы охлаждения в зависимости от марки стали, формы и размеров детали, технических требований к ним и т. п.
Простая закалка в одном охладителе (вода, водные растворы, масло) выполняется путем погружения нагретой детали в охлаждающую жидкость до полного охлаждения. Применяется для несложных деталей из углеродистых и легированных сталей. Однако при таком способе металл охлаждается по сечению неравномерно и в нем возникают термические напряжения.
Прерывистая закалка заключается в последовательном охлаждении в двух средах: первая - быстроохлаждающая жидкость (обычно вода) до температуры 300...400 °С и вторая - более мягкая (масло, селитра или воздух), где происходит охлаждение до комнатной температуры. Такую закалку применяют для обработки инструмента из высокоуглеродистой стали.
Ступенчатая закалка включает охлаждение нагретого изделия сначала в расплавленных солях, а затем после небольшой выдержки для выравнивания температуры по всему сечению изделия - на воздухе. Медленное охлаждение на воздухе снижает внутренние напряжения и возможность коробления. К недостаткам можно отнести ограничение размера деталей. Используется, как правило, для мелких и средних изделий.
Изотермическая закалка (бейнитная) производится так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная с целью распада аустенита с образованием бейнита. Бейнитная структура (по имени английского металлурга Е. Bain) образуется в результате промежуточного превращения аустенита и состоит из смеси частиц перенасыщенного углеродом феррита и карбида железа. При такой закалке обеспечивается достаточно высокая твердость при сохранении повышенной пластичности и вязкости. Применяется для конструкционных легированных сталей.
Закалка с обработкой холодом предусматривает охлаждение закаленной стали до температуры ниже О °С. Обычно это температура составляет около -75 °С. Наиболее распространенной охлаждающей средой является смесь ацетона с углекислотой.
Обработка холодом выполняется немедленно после закалки с целью перевода остаточного аустенита в мартенсит, а затем производится низкий отпуск. В результате повышается твердость, и стабилизируются размеры деталей. Применяется для высокоуглеродистых (с содержанием углерода более 0,6 %) и специальных сталей (инструментальных, шарикоподшипниковых, быстрорежущих и др.).
Закалка с самоотпуском состоит в том, что нагретые изделия выдерживают в закалочной среде до неполного охлаждения. Затем изделия извлекают и поверхностные слои повторно нагреваются за счет внутренней теплоты, т.е. осуществляется самоотпуск. Применяется для изделий, которые должны сочетать высокую твердость на поверхности и высокую вязкость в сердцевине - чаще всего для термообработки ударного инструмента типа зубил, молотков и др.
Поверхностная закалка представляет собой вид термической обработки, при которой закаливается только поверхностный слой изделия на заданную глубину, а сердцевина остается незакаленной. В результате поверхностный слой приобретает высокую прочность, а сердцевина изделия остается пластичной и вязкой, что обеспечивает высокую износостойкость и одновременно стойкость к динамическим нагрузкам.
Различают следующие методы поверхностной закалки:
- • индукционным нагревом токами высокой частоты при массовой обработке стальных изделий;
- • пламенем газовых или кислород-ацетиленовых горелок (температура пламени составляет 2400.. .3000 °С) для единичных крупных изделий;
- • в электролите для небольших деталей в массовом производстве;
- • лазерную закалку, позволяющую существенно увеличить износостойкость, предел выносливости при изгибе и предел контактной выносливости.
Закалка металлов сопровождается, как правило, увеличением их объемов, что приводит к значительным внутренним напряжениям и как следствие к образованию трещин и короблению. Трещины являются неисправимым дефектом, а коробление можно устранить последующей рихтовкой или правкой. Поэтому закаленные изделия и инструменты всегда подвергают отпуску.
Отпуск является заключительной операцией термической обработки и выполняется после закалки. Он производится путем нагрева закаленной стали ниже температур фазовых превращений (727 °С) с выдержкой при данной температуре и последующим охлаждением с заданной скоростью. Цель отпуска заключается в снижении или полном устранении остаточных напряжений после закалки, снижение твердости, хрупкости и повышении вязкости стали.
В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.
Низкотемпературный (низкий) отпуск характеризуется нагревом в интервале температур 150.. .200 °С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. При этом уменьшаются остаточные закалочные напряжения, а твердость практически не снижается. С понижением температуры отпуска твердость и прочность повышается, а пластичность падает.
Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и измерительный инструменты из углеродистых и низколегированных сталей, а также изделия после поверхностной закалки или химико-термической обработки: цементации, цианирования или нитроцементации.
Среднетемпературный (средний) отпуск производится при температурах 350.. .450 °С для некоторого снижения твердости при значительном увеличении упругости. Применяется при производстве изделий типа пружин, рессор и инструментов, которые должны иметь значительную прочность и упругость при достаточной вязкости.
Высокотемпературный (высокий) отпуск выполняют при температуре 440...650 °С для достижения оптимального сочетания прочностных, пластических и вязких свойств. Применяют для конструкционных сталей, детали из которых подвергаются действию высоких напряжений и ударным нагрузкам.
Термическая обработка, сочетающая закалку на мартенсит с последующим высоким отпуском, издавна называется улучшением стали. Оно обеспечивает хороший комплекс свойств (прочность, ударную вязкость и твердость) и применяется для ответственных изделий из среднеуглеродистых сталей.
Если отпуск проводится после закалки без полиморфного превращения при комнатной температуре или несколько ее превышающей, то такой отпуск называется старением. Различают естественное и искусственное старение. Естественное старение осуществляется на открытом воздухе в течение
6... 15 мес. Проведение старения при повышенных температурах (550...570 °С) называют искусственным. Оно значительно сокращает длительность процесса.
Старение приводит к увеличению твердости и прочности металлов при одновременном уменьшении пластичности и ударной вязкости. Наиболее подвержены старению стали, загрязненные и насыщенные газами (например, кипящая сталь).
