11.1.2. Характеристика процессов термической обработки стальных деталей и инструментов

Характеристика процессов термической обработки стальных деталей и инструментов и установление научно обоснованной терминологии произведены на основе проекта ГОСТ. В определении терминов введено принципиальное изменение, заключающееся в том, что процессы характеризуются по изменению материальной (физической) сущности под воздействием температуры, то есть по содержанию (а не по форме, выражением которой является то, что процессы термической обработки осуществляются путем нагрева, выдержки и охлаждения).

В определении раскрывается сущность процесса термической обработки (отжига, закалки, и т.п.), и указывается – как процесс осуществляется процесс.

Процессы термической обработки разделены на две основные группы:

1. процессы, обуславливающие превращения, происходящие во всем или только в части объема стали при нагреве до определенных температур, выдержке при этих температурах и охлаждении с заданной скоростью; сюда относятся процессы: отжиг, нормализация, закалка (в том числе и поверхностная), отпуск, низкотемпературная обработка и старение;

2. процессы химико-термической обработки, обуславливающие изменения химического состава стали в поверхностных слоях. Сюда относятся цементация (науглероживание), азотирование, цианирование и др.

Применяемые на машиностроительных заводах процессов термической обработки с целью их систематизации подразделены по следующим признакам:

• по условиям нагрева и выдержки;

• по условиям охлаждения;

• по условиям воздействия внешних факторов (химическая среда, давление и т.п.);

• по условиям изменения структуры или твердости на поверхности и по сечению детали;

• по условиям применяемости.

Таблица 11.1

Физические закономерности при нагреве, выдержке и охлаждении металла

Таблица 11.2

Зависимость продолжительности нагрева от эффективности внешней среды

(750 °С, стальной образец Ø 50 мм)

Таблица 11.3

Продолжительность нагрева и выдержки в зависимости от сечения детали, мин (для углеродистой стали^*, Гипроавтопром)

Процессы, обуславливающие превращения во всем объеме нагреваемой

детали (изделия)

Отжиг рекристаллизационный

Отжиг рекрисаллизационный (Отж_р) – процесс термической обработки, обуславливающий исправление искажений кристаллической решетки, полученных при холодном деформировании металла.

Рекристаллизационный отжиг осуществляется путем нагрева стали до температуры на 150…200 °С выше температуры начала рост зерен (Т_р≈0,4Т_пл), выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения. Рекристаллизация вызывает рост деформированных зерен, снятие наклепа и внутренних напряжений при коагуляции цемента и образовании зернистого перлита.

Таблица 11.4

Продолжительность нагрева стальных деталей в зависимости

от эффективности внешней среды и отношения F/V, мин

Рекристаллизационный отжиг применятся при холодной их деформировании – при производстве холоднокатаной стальной ленты и деталей глубокой вытяжки – как промежуточный процесс с целью увеличения пластичности стали.

По классификации А.А. Бочвара рекристаллизационный отжиг относиться к первой группе и называется отжигом 1-ого рода.

Отжиг

Отжиг (Отж) – процесс термической обработки, обуславливающий получение равновесных (устойчивых) структур распада аустенита во время охлаждения с определенных температур нагрева в интервале превращений или выше. Отжиг осуществляется путем нагрева стальных деталей (изделий) до или выше температуры в интервале превращений, продолжительной выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения с заданной скоростью (рис. 11.3). В процессе отжига происходит изменение дисперсности фаз и изменение формы и размера зерен аустенита; в результате получается равновесная структура феррито-цементитной смеси, снижается твердость и повышается пластичность и вязкость.

Отжиг применяется для слитков, проката, отливок, поковок из легированной стали, заготовок из инструментальной и быстрорежущей стали, штамповых кубиков с целью снятия внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости резаньем, устранение структурной неоднородности и подготовке к последующей термической обработке.

По классификации А.А. Бочвара отжиг относится ко второй группе и называется отжигом 2-ого рода или фазовой перекристаллизацией.

Отжиг подразделяется:

по условиям нагрева и выдержки:

• отжиг полный - Отж_п;

• отжиг не полный – Отж_н-п;

• отжиг диффузионный - Отж_д;

по условиям охлаждения:

• отжиг изотермический - Отж_изо;

• нормализация – Н;

по условиям воздействия внешних факторов

• отжиг светлый – Отж_св (Н_св);

по условиям изменения структуры

• отжиг сфероидизирующий - Отж_сф.

Рис. 11.3. Схематическое изображение тепловых режимов отжига

Отжиг полный (Отж_п) осуществляется путем нагрева до температуры на 30…50 °С выше точки Ас₃ выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения.

Отжиг неполный (Отж_н-п) осуществляется путем нагрева до температуры в интервале превращений, кратковременной выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения. При неполном отжиге происходит только частичное изменение указанных свойств. Неполный отжиг применяется для заэвтектоидной стали или сортового проката и поковок из доэвтектоидной стали с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резаньем.

Отжиг диффузионный (Отж_д) осуществляется путем нагрева до температуры на 150…250 °С выше точки Ас₃, длительность выдержки при этой температуре и последующего охлаждения с заданной скоростью. В процессе диффузионного отжига происходят изменения дисперсности фаз и интесивный рост зерен аустенита. Диффузионный отжиг применяется для слитков и крупных стальных отливок с целью выравнивая химической неоднородности и уменьшения ликвации.

Отжиг изотермический (Отж_изо) осуществляется путем нагрева до температуры выше интервала превращений, выдержки при этой температуре и последующего ускоренного охлаждения до температуры интервала наименьшей устойчивости аустенита с выдержкой при этой температуре (одно- или двухступенчатой) и последующего охлаждения на воздухе. По результатам изменения физико-механических свойств изотермический отжиг аналогичен полному отжигу, но продолжительность его резко сокращена.

Нормализация (Н) является разновидностью полного отжига и отличается от него тем, что охлаждение деталей после выдержки производится на воздухе.

Нормализация применяется для поковок и штамповок из углеродистой и легированной конструкционной стали с малым и средним содержанием углерода, а также для цементуемых деталей.

Отжиг светлый (Отж_св) (нормализация светлая) осуществляется по любому из указанных выше тепловых режимов, но с применением защитных атмосфер или в печах с частичным вакуумом.

Светлый отжиг применяется для холоднокатаной ленты, прутков, проволоки, для деталей холодной штамповки, а также для деталей перед операциями гальванических покрытий с целью защиты поверхности металла от окисления и обеуглероживания.

Отжиг сфероидизирующий (Отж_сф) (сфероидизация) осуществляется путем нагрева с периодическим изменением температуры около (выше или ниже) точки Ас₁ (перлитного превращения). При этом получается коагуляция цементита с образованием с образованием зернистого перлита при снижении твердости и повышении пластичности и вязкости, а также уничтожается карбидная сетка у заэвтектоидной стали. Сфероидизация применяется главным образом с целью улучшения обрабатываемости стали (С > 0,65 %) резанием.

В практике машиностроительных заводов применяется процесс термической обработки, имеющей целью только снятие внутренних напряжений. Этот процесс условно называется отжиг низкий (Отж_н). Осуществляется низкий отжиг путем нагрева ниже температуры Ас₁, выдержки при ней и медленного охлаждения обычно вместе с печью.

Закалка

Закалка (З) – процесс термической обработки, обуславливающий получение неравновесных структур превращения и распада аустенита, при резком его переохлаждении со скоростью выше критической. Закалка осуществляется путем нагрева деталей (изделий) до температур в интервале превращений или выше, выдержки при этих температурах и последующего охлаждения со скоростью выше критической (в интервале наименьшей устойчивости аустенита, рис. 11.4).

Рис. 11.4. Схематическое изображение тепловых режимов процесса закалки

Для большинства деталей (изделий) после закалки обязательно применяется процесс отпуска. Закалка с последующим высоким отпуском называется улучшением. Результатом закалки является получение структур мартенсита и троостита.

Являясь основным процессом термической обработки стальных деталей, инструментов и приспособлений, закалка применяется с целью получения высокой твердости и требуемых физико-механических свойств.

Закалка подразделяется:

по условиям нагрева и выдержки:

• закалка полная - З_п;

• закалка неполная – З_н-п;

по условиям охлаждения и изменения структуры:

• закалка изотермическая на мартенсит – З_изо-м;

• закалка изотермическая на сорбит – З_изо-с;

• закалка прерывистая - З_пр;

• закалка с подстуживанием - З_пст;

• закалка с самоотпуском - З_со;

по условиям воздействия внешних факторов

• закалка светлая – З_св;

• закалка чистая – З_ч;

• закалка под давлением – З_двл;

по условиям изменения структуры или твердости на поверхности и по сечению:

• закалка местная – дифференциальная – З_м-д;

• закалка поверхностная – З_пов.

Закалка полная (З_п) – осуществляется путем нагрева до температуры на 20…50 °С выше интервала превращений – точки Ас₃ (остальное аналогично основному определению процесса).

Закалка неполная (З_н-п) – осуществляется при нагреве до температуры в интервале превращений (выше точки Ас₁); при этом наряду с неустойчивыми структурами остаются без изменения избыточные фазы (феррит для доэвтектоидной и карбиды для заэвтектоидной стали).

Неполная закалка применяется для заэвтектоидных сталей.

Закалка изотермическая на мартенсит (З_изо-м) – осуществляется путем нагрева до температуры в интервале превращений или выше (в зависимости от содержания углерода в стали), выдержи при этой температуре и последующего быстрого охлаждения. Охлаждение производится в среде, обеспечивающей скорость выше критической в интервале наименьшей устойчивости аустенита, с выдержкой в этой среде при температуре на 20…30 °С выше температуры начала мартенситного превращения (М_н), при продолжительности меньше, чем соответствующая началу распада аустенита, и последующим быстрым охлаждением до нормальной температуры. После закалки обязательным является процесс отпуска.

Изотермическая закалка применяется для инструментов их быстрорежущих и высоколегированной стали, для деталей шарико- и роликоподшипников, шестерен и т.п. с целью получения требуемых механических свойств при минимальной деформации.

Изотермическая закалка – новый прогрессивный процесс термической обработки.

Закалка изотермическая на троостит (З_изо-т) – осуществляется путем нагрева до температуры выше интервала превращений, выдержки при этой температуре, последующего быстрого охлаждения в среде, обеспечивающей скорость выше критической (в интервале наименьшей устойчивости аустенита) и выдержки в этой среде при температуре на 20…100 °С выше температуры начал мартенситного превращения (М_н) при продолжительности, обеспечивающей полный распад аустенита.

Результатом процесса является получение структуры «игольчатого троостита» при повышенных значениях пластичности и вязкости и одновременно прочности. Отпуск после закалки на троостит является необязательным.

Закалка изотермическая на сорбит (З_изо-с) – осуществляется так же, как процесс изотермической закалки на троостит с выдержкой при температуре на 50…100 °С ниже температуры наименьшей устойчивости аустенита при получении требуемой твердости без последующего отпуска.

Результатом процесса является получение структуры сорбита, при повышении пластичности и вязкости и одновременно высокой прочности при минимальной деформации деталей. Продолжительность общего цикла обработки резко сокращается. В применение к термической обработки проволоки этот процесс называют патентированием, осуществляемым путем нагрева температуры на 20…30 °С выше Ас₃, выдержки при этой температуре и охлаждения в расплавленном свинце при 240…560 °С без последующего отпуска.

Закалка прерывистая (З_пр) – аналогичная по условиям нагрева полной или неполной закалке при охлаждении в воде с выдержкой в промежутках на воздухе или в масле (в → воздух, в → м). Прерывистая закалка применяется для крупных и сложных по конфигурации деталей или инструментов с целью уменьшения внутренних напряжений и деформации при закалке.

Закалка с подстуживанием (З_пст) – осуществляется путем нагрева до температуры на 50…100 °С выше точки Ас₃, выдержки при этой температуре с последующим замедленным охлаждением (подстуживанием) до температуре близкой к Ас₃, и дальнейшим охлаждением со скоростью выше критической.

Закалка с подстуживанием применяется для деталей из мелкозернистой стали, а также для цементованных деталей при непосредственной закалке из цементационной печи с целью уменьшения в структуре закаленного слоя остаточного аустенита и снижения внутренних напряжений и деформаций при закалке. Технологический процесс осуществляется, например, по схеме: цементация при 920…940 °С, подстуживанием до 780…800 °С, непосредственная закалка с последующим низким отпуском.

Закалка с самоотпуском (З_со) – процесс сходный с полной или неполной закалкой, но при продолжительности охлаждения в закалочной среде, обеспечивающее только частичное охлаждение с поверхности. Дальнейшее охлаждение на воздухе создает условия самоотпуска закаленного слоя детали за счет остаточной внутренней теплоты.

Закалка с самоотпуском применяется преимущественно в местной и диференциальной закалке деталей несложной конфигурации с целью уменьшения внутренних напряжений и деформаций при закалке, а также с целью снижения трудоёмкости термической обработки.

Закалка светлая (З_св) – при любой разновидности процесса закалки – осуществляется с применением защитных атмосфер при нагреве и охлаждении в светлокалящем масле.

Светлая закалка применяется для пружин, шестерен, валов и других деталей, работающих при знакопеременных нагрузках, с целью защиты от окисления и обезуглероживания и получении возможно более высоких значений предела устойчивости.

Светлая закалка применяется также во всех других случаях с целью защиты стальных деталей от окисления и обезуглероживания.

Закалка чистая (З_ч) – процесс, аналогичный светлой закалке, но при применении любых закалочных сред, оставляющих обычно на поверхности деталей цвета побежалости или пригар масла.

Закалка под давлением (З_двл) – вид закалки, характеризующийся применением более или менее значительного (100…200 кг/мм² ) всестороннего давления в процессе охлаждения изделий в штампах.

В результате получается изменение скорости фазовых превращений, что улучшает механические свойства стали и повышает режущие свойства инструментов.

Закалка местная (З_м-д) – любой из указанных выше видов процесса, применяемый только для части детали, - местное повышение твердости, износоустойчивости или прочности.

Закалка поверхностная (З_пов) – осуществляется путем нагрева деталей со скоростью выше 1000 град/мин.

Поверхностная закалка применяется как вид дифференциальной (местной) закалки деталей машин и инструментов и обеспечивает высокую твердость, износоустойчивость, повышенный предел выносливости (достигающий 130 % к пределу выносливости при сквозной закалке). В качестве нагрева применяется электроток и газовое пламя (табл.11.5…11.7).

Наиболее распространенной в промышленности является поверхностная закалка при электронагреве токами высокой частоты (т.в.ч.).

Следствием высокой скорости нагрева т.в.ч. является повышение температуры закалки и резкое расширение ее интервала (рис. 11.5 и 11.6; табл. 11.8). Это в свою очередь приводит к получению после закалки мелкоигольчатой структуры мартенсита, а также повышенной твердости (превышение твердости по сравнению с закалкой при нагреве в печах на 2…6 единиц - рис. 11.7).

Кривые на рис. 11.6 построены по уравнению подобия:

;

где T – температура закалки при известном режиме, К;

Т₁ – температура закалки при искомом режиме;

n_υ – фактор подобия скорости нагрева.

.

Пример: при υ = 2000/сек, Т=1073 (800 °С), требуется определить Т₁, при υ₁ = 700 °С/сек.

Таблица 11.5

Классификация способов нагрева при поверхностной закалке

По графику Т₁=1150 (875 °C). Найденная температура закалки совпадает с температурой по кривой 3 рис. 11.5 для стали с содержанием углерода 0,52 %. Данный метод подобия действителен только для расчета нагрева токами высокой частоты.

Рис. 11.7. Изменение поверхностной твердости стали марок 9ХС и ХВГ в

зависимости от температуры закалки при различных скоростях нагрева

Таблица 11.6

Расход газа и продолжительность нагрева при пламенной закалке (соотношение

расходов кислорода и ацетилена с = 1,5, глубина закалки δ = 1,3…3,0 мм)

Таблица 11.7

Таблица 11.8

Рекомендуемые температуры нагрева в т.в.ч. под закалку