8.3. Термическая обработка

Неответственные детали и детали из мягких сталей (СтО...Ст5) можно изготовлять из поковок, не подвергав­шихся термической обработке. Для них бывает достаточно охлаждения на воздухе. После охлаждения и очистки от окалины они могут использоваться как готовые детали или подвергаться механической обработке с целью получе­ния готовой детали требуемой формы. Однако многие поковки необходимо подвергать термической обработке, так как она является важной операцией, предшествующей механической обработке и улучшающей эксплуатационные качества деталей машин.

Термической обработкой называется процесс нагрева и охлаждения металла с определенной скоростью с целью изменения механических свойств его. Нагрев может сочетаться с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями, при которых воз-

158

можно получение металлов с отличающимися от преж­них свойствами. При тепловом воздействии химический состав металлов и сплавов не изменяется, а химическое и другие виды воздействия, в сочетании с тепловым, позволяют изменять и химические составы металлов и сплавов.

Металлы и сплавы имеют зернистое строение. В зависи­мости от температуры нагрева, выдержки при этой темпе­ратуре и скорости последующего охлаждения изменение зерен протекает неодинаково, за счет чего зерна измель­чаются по-разному и могут иметь различную ориентацию и связь между собой. На этом процессе и основана терми­ческая обработка металлов и сплавов, а при химико-термической обработке дополнительно изменяется хими­ческий состав поверхностных слоев металлов и спла­вов.

Различные скорости охлаждения металлов и сплавов получают за счет применения разнообразных охлаждаю­щих-сред, в которые помещают изготовленные из металлов и сплавов нагретые поковки или детали машин и охлаж­дают их с определенной скоростью (см. табл. 8.1).

Из табл. 8.1 видно, что теплая вода и масло охлаждают сталь медленнее. Наиболее быстро сталь охлаждается в ледяной воде, но при этом почти неизбежно образование в стали трещин. Следует иметь в виду, что минеральное масло сохраняет свою способность быть охлаждающей средой при температурах 20...250 °С, однако для охлажде­ния стали лучших результатов достигают при температуре 60 °С. С течением времени масло теряет способность быть охлаждающей средой и его следует заменять. Другие охлаждающие среды будут охарактеризованы ниже, при описании видов термообработки, для которых они приме­няются.

Термическую обработку применяют с целью устранения отрицательных последствий от нагрева в виде внутренних напряжений, перегрева и др.; повышения пластичности, улучшающей обработку металлов в холодном состоянии путем деформирования и резания на металлорежущих станках; увеличения прочности, твердости и износостойко­сти готовых деталей машин; подготовки структуры металла к окончательной термообработке, при которой получают готовые детали с требуемой структурой и механическими свойствами; защиты металла от коррозии и других целей.

ia

8.4. 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

160

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-

162

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.

164

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

105

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

166

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

167

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,

168

Таблица 8.2