Виды и режимы термической обработки сталей

В зависимости от химического состава сталей, размеров поковок и требований, предъявляемых к готовым деталям машин, в кузницах немашиностроительных предприятий возможно применение следующих видов термической¹ обработки сталей.

Отжиг состоит в нагреве сталей до определенной тем­пературы, выдержке и затем очень медленном охлаждении, чаще всего вместе с горном или печью. |

Нагрев стали для отжига проводится в кузнеч-1 ном горне или печи. Для того чтобы при нагреве в горне | не допустить выгорания углерода с поверхности стали,;

поковки укладывают в металлические ящики Срис. 8.1), • пересыпают их сухим песком, древесным углем или метал­лической стружкой и нагревают до температуры, необходи­мой для отжига данной марки стали. Продолжительность нагрева принимают в зависимости от размеров поковок, примерно по 45 минут на каждые 25 мм наибольшей толщи­ны поперечного сечения. Нагрев выше температуры для от­жига и длительная выдержка при этой температуре недо­пустимы, так как возможно образование крупнозернистой структуры, что резко уменьшит ударную вязкость металла.

Охлаждение поковок можно осуществлять не­сколько быстрее, чем вместе с горном и печью, если вос­пользоваться следующими рекомендациями. Углеродистые качественные конструкционные стали следует охлаждать приблизительно до 600 °С на воздухе с целью получения мелкозернистой структуры, а затем, чтобы избежать возникновения внутренних напряжений, охлаждение осуществлять медленно в пе­чи или в ящике с песком или золой, установленном в гор­не. Инструментальные угле­родистые стали следует охла­ждать в печи или горне до

Рис. 8.1. Ящик с песочным затво­ром для термической обработки поковок и деталей:

/ — крышка; 2 — песок; 3 — ящик;

4 — поддон; 5 — поковка; 6 — песок или древесный уголь

Рис. 8.2. Диаграмма состояния железо—углерод (Fe—С) для опре­деления температуры нагрева сталей при термической обработке

670 °С, а затем скорость охлаждения можно ускорить, открыв заслонки печи и удалив топливо из горна.

В зависимости от цели изменения структурных превра­щений (диаграмма состояния показана на рис. 8.2) приме­няют следующие разновидности отжига.

Полный отжиг состоит в нагреве сталей, содер­жащих углерода до 0, 8%, до температуры выше линии SG на 30...50°С, что отражено на диаграмме состояния железо—углерод (рис. 8.2), т. е. Асу + (30...50°С), а ста­лей с содержанием углерода больше 0, 8% до температуры

выше линии SK на 30...50⁰C, т.е. Ad + (30...50°С)\ выдержка при этой температуре до полного прогрева поковки и последующем медленном охлаждении вместе с горном или печью. Поковки из углеродистых сталей охлаждают со скоростью 50... 150 градус/ч, а из легированных сталей—20...60 градус/ч. В резуль­тате в металле снимаются внутренние напряжения, он становится более мягким и пластичным, но менее твердым.

Низкий отжиг состоит в нагреве поковок до темпе­ратуры, немного превышающей критическую 723 °С (при­мерно до 740...780 °С), с периодическим изменением темпе­ратуры ниже и выше точки S и медленном охлаждении до 670 °С, после чего охлаждение можно ускорить. Такой отжиг применяют для уменьшения твердости, увеличения пластичности и улучшения обрабатываемости поковок из инструментальных сталей.

Рекристаллизационный отжиг состо­ит в нагреве сталей до температуры 650...700 °С и охлажде­нии на воздухе. С помощью этого отжига снимают наклеп и исправляют структуру сталей, нарушенную во время ковки при низких температурах.

Нормализационный отжиг (нормализа­ция) состоит в нагреве поковок до температуры 780......950°С, непродолжительной выдержке при ней и после­дующем охлаждении на воздухе. Нормализацию, как правило, применяют для устранения крупнозернистой структуры, образовавшейся в результате вынужденного или случайного увеличения времени нахождения заготовок в печи для исправления структуры перегретой стали (перегрева), измельчения зерна, смягчения стали перед обработкой резанием и получения при резании более чистой поверхности, а также общего улучшения структуры перед закалкой. В результате нормализации сталь полу­чается несколько тверже и менее пластичной, чем после низкого отжига. Нормализация по сравнению с отжигом более экономичная операция, так как не требуется охлаж­дения вместе с горном или печью.

Закалка состоит в нагреве углеродистых сталей, со­держащих углерода до 0, 8%, до температуры выше линии SG на 20...40 °С (рис. 8.2), т. е. Асз + (20...40 °С), а сталей с содержанием углерода более 0, 8% —до температуры выше линии SK на 20...40°С. т.е. Aci + (20...40 °С), выдержке при этих температурах и охлаждении в охлаж-

дающей среде с соответствующей скоростью охлаждения

(см. табл. 8.1).

Стали с содержанием углерода меньше 0, 25% в резуль­тате закалки свои свойства изменяют незначительно, поэтому обычно их не закаливают.

Закалку применяют для увеличения твердости, проч­ности и износостойкости деталей, получаемых из поковок. В практике обычно закаливают рабочие части различного технологического инструмента (резцов, сверл, напильни­ков, зубил, молотков, кувалд, плоскогубцев, отверток и др.), мерительного инструмента (скоб, калибров, цирку­лей и др.), тяжелонагруженные и работающие на истира­ние детали машин (клапаны, шатуны, коленчатые валы,

лемехи плугов и др.).

Нагрев стали под закалку осуществляют в горнах или нагревательных печах. Детали в горны укладывают так, чтобы холодное дутье воздуха не попадало непосред­ственно на сталь. Нужно следить, чтобы нагрев происходил равномерно. Чем больше углерода и легирующих элемен­тов содержит сталь, чем массивнее деталь и сложнее ее форма, тем медленнее должна быть скорость нагрева под закалку. Продолжительность выдержки при закалочной температуре ориентировочно принимается равной 0, 2 от времени нагрева. Слишком длительная выдержка при вакалочной температуре не рекомендуется, так как при этом интенсивно растут зерна и сталь теряет прочность.

Охлаждение является исключительно важной операцией закалки, так как от него практически зависит получение требуемой структуры в металле. Для этого должно быть достаточное количество охлаждающей жид­кости, чтобы температура во время нахождения в ней де­тали повышалась незначительно. Для достижения равно­мерной закалки нагретую деталь надо быстро погрузить в охлаждающую жидкость и перемешать ее в жидкости до полного охлаждения. Если закаливают только конец или часть изделия (например лезвие топора), те его опус­кают в закалочную жидкость на требуемую глубину и перемещают вверх-вниз, так чтобы не было резкой границы скорости остывания между закаливаемой и незакаливаемой частями изделия и не появились трещины в переходной части. Способы погружения некоторых деталей в жидкость и движения в ней показаны на рис. 8.3.

Выбор охлаждающей среды зависит от марки стали, величины сечения детали и требуемых свойств, которые

б» 163

Рис. 8.3. Способы погружения деталей в охлаждающую жидкость;

1 — зубило; 2 — зуб барабана молотилки; 3 — топор; 4 — лемех; 5 —• сверло; 6, 9, 10 — фрезы; 7 — напильник; 8 — ручка плоскогубцев; /; — дисковой пилы

должна получить сталь после закалки. Стали с содержа­нием углерода от 0, 3 до 0, 6% обычно охлаждают в воде, а с большим содержанием углерода — в масле. При этом следует учитывать конфигурацию деталей и их сечение. Детали со сложной конфигурацией, с резкими переходами от малого сечения к большому и массивные детали охлаж­дать в воде опасно, так как на них могут появиться тре­щины.

При закалке стали сложным является получение желае­мого двухскоростного охлаждения ее. В интервале темпе­ратур 650...450°С требуется быстрое охлаждение со ско­ростью 20...30°С/с. Это позволяет избежать коробления и трещин.

Из табл. 8.1 видно, что лучшей закалочной средой была бы двухслойная жидкость, в которой верхний слой — вода с температурой 18...28°С, а нижний—машинное масло. Но, к сожалению, такую двухслойную жидкость получить нельзя, потому что масло всплывает на поверх­ность.

При определенном навыке можно применять следующий режим охлаждения. На несколько секунд погрузить деталь в воду, а затем быстро перенести ее в масло. Ориентировоч­ное время охлаждения в воде до переноса в масло состав­ляет 1...1, 5с на каждые 5...6 мм сечения детали. Такой способ охлаждения получил название «через воду в масло» или прерывистой закалки» Ее применяют для закалки инструмента из углеродистой стали.

При большом сечении детали наружные слои охлаж­даются быстрее, чем внутренние, и поэтому твердость на поверхности получается больше, чем в середине. Углеро­дистые стали, например стали 40 и 45, закаливаются на глубину 4...5 мм, а глубже будут частично закаленная зона и незакаленная сердцевина. Легирующие элементы — марганец, хром, никель и др. способствуют более глубокой закалке. Например, сталь ЗОХ закаливается на глубину б...9 мм, сталь 40СХ — на глубину 12 мм и сталь ЗОХНЗ —

на глубину 10 мм.

Некоторые детали (режущая часть сегмента сеноко­силки, рабочая часть зуба барабана молотилки, лезвие лемеха плуга, палец звена гусеницы трактора и др.) нуждаются в большой прочности на поверхности при сохранении мягкой и вязкой сердцевины. Такие детали рекомендуется подвергать поверхностной закалке. Один из самых простых способов такой закалки состоит в загрузке детали в печь с высокой температурой (950...1000 °С), быстром нагреве поверхности до закалочной температуры и охлаждении с большой скоростью в проточной охлаждаю­щей среде (см. табл. 8.1).

Часто закалку выполняют сразу после ковки без дополнительного нагрева, если температура поковки после ковки будет не ниже закалочной температуры.

Закалка может быть сильной, умеренной и слабой. Для получения сильной закалки в качестве охлаждающей среды применяют воду при 15...20 °С до погружения в нее детали и водные растворы поваренной соли и соды (карбо­ната натрия). Умеренная закалка получается при исполь­зовании воды со слоем масла толщиной 20...40 мм, нефти, мазута, мыльной воды, жидкого минерального масла, а также горячей воды. Слабая закалка получается, если применять в качестве охлаждающей среды струю воздуха или расплавленный свинец и его сплавы.

Закалка требует внимания и умения. Плохая закалка может испортить почти готовые детали, т. е. привести к

образованию трещин, перегреву и обезуглероживании?! поверхности, а также к желобленню (короблению), которое в значительной степени зависит от способа и скорости^ погружения детали в охлаждающую жидкость.

Закалка—не окончательная операция термической обра­ботки, так как после нее сталь становится не только проч­ной и твердой, но и очень хрупкой, а в поковке возникают большие закалочные напряжения. Эти напряжения дости­гают таких значений, при которых в поковках появляются трещины или детали из этих поковок разрушаются в самом начале их эксплуатации. Например, только что закален­ный кузнечный молоток нельзя использовать, так как при ударах им о металл от него будут откалываться кусочки металла. Поэтому для уменьшения хрупкости, внутренних закалочных напряжений и получения требуемых проч­ностных свойств стали после закалки поковки подвергают отпуску.

Отпуск состоит в нагревании закаленной стали до тем­пературы ниже Aci (см. рис. 8.2), выдержке при этой тем­пературе некоторое время и быстрого или медленного охлаждения, как правило, на воздухе. В процессе отпуска в металле структурных изменений не происходит, однако уменьшаются закалочные напряжения, твердость и проч­ность, а пластичность и вязкость увеличиваются. В зави­симости от марки стали и от предъявляемых к детали требований по твердости, прочности и пластичности при­меняют следующие виды отпусков.

Высокий отпуск состоит в нагреве закаленной детали до температуры 450...650°С, выдержке при этой температуре и охлаждении. Углеродистые стали охлаж­даются на воздухе, а хромистые, марганцовистые, хромо-кремниевые — в воде, так как медленное охлаждение их приводит к отпускной хрупкости. При таком отпуске почти полностью ликвидируются закалочные напряжения, увеличивается пластичность и вязкость, хотя заметно уменьшается твердость и прочность стали. Закалка с высоким отпуском по сравнению с отжигом, создает наилучшее соотношение между прочностью стали и ее вязкостью. Такое сочетание термообработки называют улучшением Улучшению подвергают сильнонагруженные детали машин, такие, как коленчатые валы, шатуны, диски плугов и борон, оси и др., изготовленные из углеродистых сталей с содержанием углерода 0, 3...0, 5%

Средний отпуск состоит в нагреве закаленной

детали до температуры 300...450°С, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. При таком отпуске увеличивается вязкость стали и снимаются внутренние напряжения в ней при сохранении достаточно большой твердости. Он применяется для деталей машин, работаю­щих в условиях трения и динамических нагружений, таких, как лемехи плугов, лапа культиваторов, зубья барабана молотилки, оси тракторных плугов, пружины, рессоры

и др.

Низкий отпуск состоит в нагреве закаленной

детали до температуры 140...250 °С и охлаждении с любой скоростью. При таком отпуске почти не уменьшается твер­дость и вязкость стали, но зато снимаются внутренние закалочные напряжения. После такого отпуска детали нельзя нагружать динамическими нагрузками. Чаще всего его используют для обработки режущего и измери­тельного инструмента из углеродистых и легированных

сталей.

При изготовлении слесарного, кузнечного или измери­тельного инструмента ручной ковкой кузнецы часто при­меняют закалку и отпуск с одного нагрева. Такую опера­цию называют самоотпуском и выполняют следующим образом. Нагретую под закалку поковку охлаждают в воде или масле не полностью, а до температуры несколько выше температуры отпуска, которую можно определить при извлечении поковки из закалочной среды, по цвету побежалости на предварительно обработанной на наждач­ном круге поверхности поковки. После этого поковку окончательно охлаждают путем погружения ее в воду или

масло.

При отсутствии измерительных приборов температуру

нагрева поковки определяют по цвету побежалости. Для этого перед нагревом поковки для отпуска на ней, в нужном месте, зачищают небольшой участок наждачной бумагой или другим абразивом. Нагревают поковку и наблюдают за изменением цвета металла по зачищенной поверхности. При этом цвета побежалости будут соответствовать сле­дующим приблизительным температурам нагрева поковки!

Цвет побежалости Температура, °С Светло-желтый............ 220

Соломенно-желтый (золотистый).... 240

Коричнево-желтый.......... 255

Красно-коричневый.......... 265

Пурпурно-красный.......... 275

Фиолетовый............. 285

Темно-синий............. 295...310

Светло-синий............. 315... 325

Светло-голубой............ 320

Светло-серый............. 330... 350

i

При более высокой температуре поверхность стали темнеет» и остается такой до температуры 600 °С, когда появляются цвета каления (см. гл. 5).

Режимы термообработки сталей необходимо соблюдать очень строго, так как только правильная термообработка позволяет получать детали машин с заданной прочностью, износостойкостью, обрабатываемостью, пластичностью и т. п.

Приближенные режимы нагрева поковок при термо­обработке можно устанавливагь по диаграмме на рис. 8.2. Например, кузнец отковал поковку из углеродистой стали, содержащей 0, 5% углерода. Требуется определить по диаграмме температуру нормализации. Для этого на гори­зонтальной оси находят точку а, соответствующую 0, 5% углерода. Из точки а проводят вертикальную линию до пересечения ее в точке б с кривой для нормализации. Из точки б проводят горизонтальную линию влево до пересечения с вертикальной осью диаграммы в точке в. Точка в указывает, что температура нагрева поковки для нормализации приближенно будет равна 880 °С.

Верхние критические точки нагрева сталей находятся на линии Асу (SG) и Aci (SK.)- Поэтому можно сначала определять критические температуры нагрева на линиях Асу или Aci (рис. 8.2), а затем прибавлять к ним указанные выше величины температур и получать требуемые значения температур нагрева сталей для того или другого вида термической обработки.

Следует иметь в виду, что после нагрева стали под закалку их можно охлаждать на воздухе до критических точек охлаждения Ас^ и Aci, a затем погружать в охлаж­дающую среду. Точки Агу и Аг^ обозначают температуру ниже температуры на линиях Асу и A', i, примерно в пре­делах Ю...50°С.

Режимы термообработки некоторых конкретных угле­родистых и легированных сталей приведены в табл. 8.2.

Следует отметить, что в кузницах чаще используются различные виды отжига и отпуска поковок, как подготав­ливающие их для последующей обработки резанием.

Для пружин и рессор, как очень ответственных деталей, воспринимающих циклические и динамические нагрузки,

Таблица 8.2