Термическая обработка сталей

материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович

Термическая обработка (ТО) – совокупность операций по нагреву, изотермической выдержке и охлаждению материала для изменения структуры и свойств.

В технологическом процессе предварительная (первичная) ТО проводится для исправления дефектов структуры в заготовках, снятия напряжений, улучшения обрабатываемости резанием. Затем осуществляется механическая обработка и окончательная ТО для приобретения деталью требуемых свойств. Завершает процесс изготовления окончательная механическая обработка (шлифовка, полировка).

Разновидности ТО сталей

1. Отжиг – ТО, при которой металл нагревают, выдерживают и медленно охлаждают (вместе с печью, в горячем песке и пр.) для приобретения структуры, близкой к равновесной (распад аустенита с образованием перлита). Приводит к понижению прочности и твёрдости, повышению пластичности и вязкости, улучшает обрабатываемость резанием (ОР). Преимущественно используется в качестве предварительной ТО:
   • полный отжиг – для измельчения зерна, снятия напряжений после литья и ковки, улучшения ОР;
   • неполный отжиг – для снижения твёрдости, улучшения ОР;
   • сфероидизирующий отжиг – устраняет сетку цементита, способствуя образованию зернистого перлита, понижению твёрдости и повышению пластичности, улучшению ОР;
   • низкий отжиг (высокий отпуск) – для сталей, у которых аустенит при любой скорости охлаждения превращается в твёрдые структуры (мартенсит, троостит), с целью образования из этих структур более мягких (сорбит, перлит), что улучшает ОР;
   • диффузионный отжиг (гомогенизация) – для устранения ликваций, выравнивания химического состава сталей;
   • нормализационный отжиг (нормализация) – охлаждение после выдержки на спокойном воздухе для измельчения зерна, снятия напряжений, используется и как окончательная ТО;
   • изотермический отжиг – нагрев, охлаждение и изотермическая выдержка до полного превращения аустенита в феррито-цементитную смесь.
2. Закалка – ТО для упрочнения путём получения неравновесной структуры, при которой сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твёрдом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Для охлаждения используют различные жидкости (вода, масло, растворы солей, кислот, щелочей).
   Поверхностная закалка – нагрев и быстрое охлаждение той части поверхности детали, которая должна иметь высокую твёрдость (глубина слоя – 1-15 мм).
   Закалка ТВЧ – нагрев осуществляется токами высокой частоты.
   Закаливаемость – способность стали повышать твёрдость на поверхности после закалки. Зависит от содержания С в стали (< 0,3% – практически не закаливаются, 0,3-0,5% – до 50-55 HRC, > 0,5% – до 60-63 HRC).
   Прокаливаемость – способность стали закаливаться на определённую глубину. Растёт с увеличением количества легирующих элементов.
   Способы закалки:
   • в одном охладителе (нагретая деталь погружается в жидкость, где остаётся до полного охлаждения);
   • прерывистая (в двух средах – сначала быстро, затем медленно);
   • с подстуживанием (обрызгивание интенсивной струёй жидкости для более глубокой прокаливаемости);
   • ступенчатая (в подогретой среде);
   • изотермическая (для полного превращения аустенита).
3. Отпуск – окончательная ТО, проводимая после закалки с нагревом, выдержкой и охлаждением (чаще на воздухе). По температуре нагрева различают:
   • низкий (при 180-250 °С) – для снятия закалочных напряжений; прочность, твёрдость и износостойкость остаются высокими (структура – мартенсит); применяется для режущего и мерительного инструмента, деталей после поверхностной закалки, цементации, нитроцементации с последующей закалкой; твёрдость – 55-63 HRC;
   • средний (при 350-450 °С) – повышает предел упругости (структура – троостит); применяется для рессор, пружин, штампов; твёрдость – 40-53 HRC;
   • высокий (при 500-650 °С) – повышает конструкционную прочность, вязкость, пластичность при снижении твёрдости и предела прочности (структура – сорбит); твёрдость – 20-40 HRC.
4. Улучшение – ТО, состоящая из закалки и высокого отпуска, для среднеуглеродистых сталей (С = 0,3-0,5%) с получением лучшего комплекса свойств по сравнению с отжигом.
5. Химико-термическая обработка – процесс поверхностного насыщения материала различными химическими элементами путём их диффузии из внешней среды при высокой температуре с целью поверхностного упрочнения и повышения стойкости к воздействию внешних агрессивных сред.
   • цементация – насыщение поверхностного слоя низкоулеродистых сталей (С < 0,3%) углеродом для придания поверхности высокой твёрдости и износостойкости с сохранением вязкости и пластичности сердцевины;
   • азотирование – процесс насыщения поверхностного слоя легированных и среднеуглеродистых сталей (С = 0,3-0,5%) после улучшения азотом для повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости;
   • нитроцементация, цианирование, карбонитрирование – насыщение низкоулеродистых сталей (С < 0,3%) одновременно углеродом и азотом с последующей закалкой и низким отпуском;
   • борирование – насыщение поверхности бором для повышения износо-, окалино-, теплостойкости и коррозионной стойкости.

Список литературы

1. Загуляева С.В., Макашова Л.С. Материаловедение. – Ярославль: ЯГТУ, 1996. – 60 с.
2. Мальцев И.М. Лекции по курсу “Материаловедение”. – Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет , 1995. – 103 с.