Термообробка сталі. Види термічної обробки металів

Термообробка сталі (ТО) є дуже важливою заключною операцією при виготовленні деталей і інструментів. Вона наділяє їх потрібними механічними властивостями і забезпечує нормальну роботу.

Історія

Майстри ще задовго до нашого часу застосовували найрізноманітніші методи загартовування: занурювали нагріту металеву смужку в вино, масло, в просту або підсолену воду. Згадується і такий спосіб: коваль нагрівав булатний кинджал, а потім сідав на коня і швидко мчав, охолоджуючи виріб в повітрі.




У першій половині XIX ст. види термічної обробки були недосконалими: твердий і крихкий чавун клали в посудину з льодом, пересипали його шарами цукру. Після цього нагрівали ємність протягом 20 годин, і чавун перетворювався в м'яке і ковке залізо. Старі методи доповнюються новими, вдосконаленими на основі наукових досліджень термічної обробки. Наприклад, бельгійські фахівці розробили технологію гартування заготовок інструментів у вакуумі.

Визначення

Термічна обробка металів – сукупність строго послідовних операцій нагріву, витримки і подальшого охолодження заготовок або готових виробів по визначеним режимам для зміни їх структури та надання їм необхідних механічних, фізичних, хімічних та інших властивостей. Основою термообробки є перетворення у внутрішній структурі матеріалів при нагріванні і наступному охолодженні.

Види термічної обробки

Визначальними чинниками, які впливають на результати є швидкість і температура нагріву, так само як час витримки в нагрітому стані і швидкість охолодження. В залежності від температурних показників та швидкості охолодження виробів розрізняють такі етапи термообробки:

відпал;

подальша нормалізація;

загартування відпуск сталі.

Відпал

Для зниження твердості та підвищення в'язкості сталі, досягнення хімічної і структурної однорідності, зняття внутрішніх напружень власне і проводять відпал. Процес складається з нагрівання сталевих виробів вище критичних точок (за винятком рекристалізаційного відпалу) і відповідно витримки при температурі нагрівання з наступним повільним (переважно разом з піччю) охолодженням. Залежно від призначення розрізняють такі режими термообробки сталі:

дифузійний відпал;

повний і неповний;

ізотермічний;

на зернистий перліт;

рекристализационний.

Дифузійний відпал

Також його називають гомогенізацією. Застосовують для великих сталевих виливків з метою зменшення хімічної неоднорідності (ліквації). На першому етапі нагрівають оброблюваний матеріал до температур 1050-1150°С. Після нагріву витримують близько 10-15 год і в подальшому повільно охолоджують. Характеристики сталей при цьому поліпшуються.

Повний відпал

Технологію застосовують для утворення дрібнозернистої структури сталевих виробів, виготовлених гарячої штампуванням, куванням, литтям. Стали після процедури повного відпалу стають пластичними, м'якими, без внутрішніх напружень. Внутрішня (кристалічна структура стає однорідною, дрібнозернистою, складається з фериту і перліту. Повним відпалом сталь підготовляють до обробки різанням і до подальшого загартовуванню. Так обробляють переважно доевтектоідні сталі. Термообробка стали проводиться за наступною техпроцесу: виробу (заготовки) нагрівають до температур, що перевищують на 30-50°С так звану верхню критичну точку (в матеріалознавстві обозначаемую як Ac3), потім повільно охолоджують. Охолодження до температури 500-550°С відбувається з такою швидкістю:

для вуглецевих сталей - 150-200°С в годину;

для легованих – 50-75°С годину.

Неповний відпал

Ця технологія термообробки сталі застосовується для доевтектоїдних і заэвтектоидних металів з метою зниження жорсткості, зняття внутрішніх напружень і отримання однорідної структури. Процедурою піддають поковки та штамповки, оброблені при температурах, що не викликають значного зростання зерен. Техпроцес: сталь нагрівають при температурі вище нижньої критичної точки (на графіках позначається як Ac1) в температурному інтервалі 740-750°С, витримують певний час при цій температурі, в подальшому повільно її охолоджують.

Ізотермічний відпал

Застосовують для виробів з легованих сталей при нагріванні їх на 20-30°С вище Ac3 витримки і швидкого охолодження до температури 630-700°С. Заготовки (виробу) витримуються до розпаду аустеніту, потім охолоджуються при плюсовій температурі. Після ізотермічного відпалу сталі мають схожі властивості з металами, відданим повного відпалу. Термічна обробка металів за даним техпроцесу має важливу перевагу – скорочення часу обробки.

Відпал на зернистий перліт

Широко застосовується перед механічною обробкою інструментальних евтектоїдних і заэвтектоидних легованих і вуглецевих сталей. Матеріал нагрівають на 25-30°С вище КТ і витримують певний час. До температури 600°С заготовки охолоджують дуже повільно (30°С в годину) разом з піччю, а після охолоджують природним чином. В результаті карбіди набувають зернисту (заокруглену форму, а твердість знижується, що сприяє процесу різання металу.

Рекристализационний відпал

Друга назва – низький відпал. Процес сприяє зняття внутрішніх напружень і наклепов у виробах, виготовлених методом холодної прокатки, холодного штампування, волочіння та калібрування (листів, прутків, труб, дроту). При цьому матеріал нагрівають до температури рекристалізації на 50-100°С нижче точки Ac1 (630-680°С), витримують, потім охолоджують природним шляхом (на повітрі). Після рекристалізаційного відпалу формується однорідна структура з невеликою твердістю.

Нормалізація

Техпроцес передбачає нагрівання металів вище значень Ac3 на 30-50°С, витримування в температурному коридорі і подальше охолодження на повітрі. Термообробка сталі методом нормалізації ідеальна для формування дрібнозернистої структури, підвищення міцності і в'язкості, а також для зменшення жорсткості перед різанням та вирівнювання структури перед наступною термообробкою. Структура нормалізованої сталі стає ферритно-перлітною (низьковуглецеві сталі) і сорбитоподобной при наявності структурно-вільного фериту (і низьколеговані середньовуглецеві сталі). Твердість перліту залежить від того, чи тонка або грубе будова. При нормалізації, коли охолодження відбувається швидше, перліт має більш тонка будова, ніж при відпалі, і вищу твердість. Тому нормалізована сталь твердіше, ніж відпалений (150-300 НВ). Нормалізація гарячекатаних сталей на противагу відпалу підвищує опір виробів крихкому руйнуванню і забезпечує високу продуктивність при обробці різанням.

Відпустка стали

Застосовують, щоб згладити внутрішні напруги кристалічної решітки і зменшити жорсткість металів, а також для підвищення ударної в'язкості загартованих виробів. Виділяють:

високий;

середній;

низький відпустку.

Високий відпустку здійснюють при температурі 500-650°С з плавним охолодженням. При цьому сталь набуває структуру сорбіту, що забезпечує усунення внутрішніх напруг. Цьому типу відпустки піддаються конструкційні, вуглецеві та леговані сталі, з яких виготовляють вали, шестерні та інші. Характеристики сталей мають більшу міцність, пластичність і в'язкість при їх достатньої твердості. Середній відпустку проводять при температурі 350-450°С, певний час витримують і охолоджують. При такій відпустці мартенсит перетворюється в троостит, твердість сталі зменшується приблизно до 400 НВ, а в'язкість значно підвищується. Застосовують (після загартування) відпустка для обробки пружин, ресор, штампів та інших виробів, що працюють при помірних ударних навантаженнях. Низький відпустку здійснюють в інтервалі температур 150-250°С, витримують і охолоджують. При цьому утворюється структура відпущеного мартенсіту. Тому внутрішні напруги у виробі зменшуються, дещо підвищується в'язкість, і зникає калильная крихкість, а твердість практично не змінюється. Застосовують для ріжучих, а також вимірювальних інструментів, які повинні бути твердими і не крихкими, мати високу зносостійкість, в тому числі для цементованих виробів.

Висновок

Термообробка стали – невід'ємний етап виробництва більшості металевих виробів. Завдяки широкому спектру техпроцесів, можна отримувати матеріали з необхідними характеристиками.