Термическая обработка стали

Термической обработкой металлических изделий называют операции, в ходе которых изделия подвергаются нагреванию, выдержке и охлаждению по заранее составленным температурно-временным графикам.

Проще говоря, металлическая заготовка или уже готовая деталь нагревается до определенной температуры, затем выдерживается заданное время при этой температуре, после чего охлаждается. При этом в ходе одной ТО может быть несколько циклов нагрев-охлаждение.

Термическая (тепловая) обработка стали (ТО стали) изменяет физическую структуру кристаллической решетки металла, придавая изделию новые механические качества и характеристики. Температурная обработка не меняет химического состава изделия.

Сталь после термической обработки имеет более высокие эксплуатационные качества, которые трудно, а иногда и невозможно получить без проведения ТО.

Термическую обработку могут проводить, как промежуточную операцию для улучшения обрабатываемости изделия, так и на финальном этапе технологического процесса.

ТО, проводимое после литья, горячей или холодной штамповки, глубокой вытяжки, снимает внутренние напряжения в деталях, которые неизбежно появляются в ходе данных технологических операций.

Детали и изделия, прошедшие ТО в качестве промежуточного технологического цикла, обладают более высокой пластичностью, легче поддаются обработке резанием.

Готовые изделия, прошедшие ТО, имеют повышенную прочность, износостойкость, менее подвержены коррозии, и более термостойки.

Таким образом, можно говорить о том, что свойства стали после термической обработки улучшаются. 

Виды термической обработки стали 

 Всего различают 4 вида ТО:

1. Отжиг – изделие нагревается до нужной температуры, а затем подвергается медленному охлаждению в печи.
2. Закалка – изделие нагревается до температуры выше критической, в результате чего кристаллическая решетка подвергается перекристаллизации, после заданной выдержки изделие подвергается быстрому охлаждению.
3. Отпуск – проводится после закалки с целью снятия остаточных напряжений; у изделия, прошедшего отпуск, повышается вязкость, снижается хрупкость и твердость.
4. Нормализация – изделие, как и при отжиге, подвергается нагреву до заданной температуры с последующим охлаждением на воздухе, которое идет более быстро, чем при отжиге.

Типы сталей, подвергающихся ТО:

Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

• Углеродистым (низкоуглеродистым и высокоуглеродистым);
• Легированным;
• Конструкционным;
• Специальным;
• Инструментальным.

Этапы термической обработки стали

Как уже было сказано выше, главное назначение термической обработки стали заключается в улучшении ее эксплуатационных качеств.

Любая технология термической обработки стали включает три этапа: нагрев, выдержку и охлаждение.

Кристаллическая решетка стальных изделий, подвергаемых нагреву и охлаждению, претерпевает различные фазовые превращения.

Нагрев изделия является очень ответственной операцией. В процессе нагрева изделия его поверхность покрывается слоем окалины, что говорит об обезуглероживании поверхностного слоя изделия, в результате чего поверхность теряет твердость и прочность. Толщина слоя окалины зависит от химического состава изделия, продолжительности нагрева и температуры. Интенсивное образование окалины на поверхности стальных изделий начинается с температуры выше 900°С.

Углеродистые стали в процессе нагрева обезуглероживаются на глубину 2-4 мм, что особенно пагубно сказывается на изделиях небольших размеров, которые затем подвергаются последующей закалке.

Окалина практически не образуется на изделиях из хромоникелевой стали. Тонкий и плотный слой окалины образуется на поверхности изделий из легированных сталей. Такие изделия не подвергаются дальнейшему окислению и не растрескиваются при ковке.

Заготовки из высокоуглеродистой и высоколегированной стали требуют «нежного» нагрева, т.к. быстрый нагрев приводит к образованию трещин на поверхности таких деталей. А вот изделия из углеродистой стали, толщина которых превышает 100 мм, не боятся быстрого нагрева, поэтому их можно помещать холодными в уже разогретую печь.

Процессы термической обработки стали

Отжиг

В процессе отжига изделие приобретает однородную внутреннюю структуру, лишенную напряжений.

Режима отжига:

• При гомогенизации:
  • Температура нагрева 1000°С – 1150°С;
  • Время выдержки 8-15 часов;
  • Охлаждение в печи в течение 8 часов до 800°С.
  • При рекристаллизации (низком отжиге):
    • Температура нагрева выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
    • Время выдержки 0,5-2 часа;
    • Охлаждение медленное.
    • При изотермическом отжиге происходит распад аустенита:
      • Температура нагрева выше точки кристаллизации на 20°С-30°С;
      • Выдержка;
      • Охлаждение быстрое до температуры 630°С или выше.
      • Для устранения внутренних напряжений:
        • Температура нагрева до 727°С;
        • Время выдержки до 20 часов при 600°С — 700°С;
        • Охлаждение медленное.
        • Полный отжиг, позволяющий получить мелкозернистую структуру феррита с перлитом:
          • Температура нагрева выше точки кристаллизации на 30°С-50°С;
          • Выдержка;
          • Охлаждение до 500°С.
          • Неполный отжиг:
            • Температура нагрева выше точки кристаллизации на 40°С-50°С;
            • Время выдержки 20 часов;
            • Охлаждение медленное.

Закалка

Изделие, прошедшее закалку, обладает повышенной твердостью, прочностью, износоустойчивостью и пределом упругости. Закалка снижает пластичность изделия.

Характерной особенностью термообработки стального изделия при закалке является быстрое охлаждение хорошо прогретой заготовки. Разогретую деталь опускают в воду, соляной раствор, техническое масло или охлаждают в инертных газах.

Воды в качестве охлаждающей жидкости в процессе закалки применяют редко по причине высокой вероятности растрескивания изделия. Чаще используют техническое масло. Если сравнивать скорость охлаждения разогретого изделия на воздухе и в других средах, то в воде, начиная с 600°С охлаждение протекает в 6 раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз.

В процессе закалки стальное изделие разогревается до температуры порядка 900°С.

Отпуск

Процесс отпуска применяется в термической обработке для снятия внутренних напряжений, которые появляются в изделиях, прошедших закалку. Закаленные изделия становятся твердыми, но хрупкими. Отпуск снижает жесткость и хрупкость и повышает ударную вязкость стального изделия.

Режимы отпуска:

• Низкий отпуск (предназначен для измерительного и режущего инструмента):
  • Температура нагрева 150°С-250°С;
  • Время выдержки 90 минут;
  • Охлаждение на воздухе или в масле.
  • Средний отпуск (предназначен для деталей, работающих под высокими упругими нагрузками):
    • Температура нагрева до 340°С-500°С;
    • Охлаждение на воздухе.
    • Высокий отпуск (предназначен для ответственных деталей):
      • Температура нагрева до 450°С-650°С.

 Нормализация

Процесс нормализации позволяет получить изделие с мелкозернистой структурой и твердостью до 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали.

Изделия, прошедшие нормализацию, имеют повышенное сопротивление излому, прочность и вязкость.

Режимы нормализации:

• Температура нагрева выше точки кристаллизации на 30°С-50°С;
• Выдержка;
• Охлаждение на открытом воздухе.