Основным назначением термической обработки является повышение механических свойств деталей машин и инструментов в отношении прочности, твердости, износостойкости и обрабатываемости. Технологический процесс термической обработки характеризуется температурой нагрева стали, выдержкой при этой температуре и скоростью охлаждения до комнатной температуры. Температуру нагрева стали определяют по диаграмме состояния железо — углерод. Известно, что при нагреве доэвтектоидной стали до точки Aci происходит фазовая перекристаллизация и переход перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ас\ до Ас3 происходит растворение избыточного феррита в аустените. При нагреве заэвтектоидной стали выше критической точки Ас\ перлит переходит в аустенит, а дальнейший нагрев способствует растворению избыточного цементита в аустените. Нагрев стали до температуры выше точки Ас3 превращает сплав в аустенит. Выдержка при достижении температуры превращения или некоторое ее повышение способствует выравниванию аустенита вследствие диффузии и получению однородного состава аустенита. Таким образом, температура для термической обработки стали должна быть на 30—50° С выше критических точек Ас, или Ас, с определенной выдержкой при этой температуре. При таком нагреве и выдержке сталь подготовлена к охлаждению, так как в сплаве произошли структурные преобразования, и теперь в зависимости от скорости охлаждения можно осуществлять тот или иной вид термической обработки. При медленном охлаждении детали вместе с печью или в горячей золе происходит отжиг, т. е. деталь становится мягкой, пластичной, но невысокой прочности (ее легко можно обрабатывать резанием), и приобретаются другие качества, присущие обработке отжигом. Отжиг производят для устранения внутренних напряжений, возникающих при обработке прокатыванием, ковкой и литьем, внутренней структурной неоднородности, ликвации литых деталей; для уменьшения твердости и повышения вязкости стали; улучшения обрабатываемости стали; изменения каких-либо других свойств, например магнитных у трансформаторной стали. Полный отжиг — это продолжительный процесс (3—6 суток) и поэтому дорогостоящий. С экономической точки зрения следует применять неполный отжиг. Более выгодным видом обработки является нормализация, которую применяют с той же целью, что и отжиг. Технологический процесс нормализации отличается от отжига тем, что охлаждение после нагрева производят на воздухе в закрытом помещении, вследствие чего увеличивается коэффициент использования печей и повышается экономичность. Увеличивая скорость охлаждения нагретой стальной заготовки, добиваются закалки. В практике термической обработки стали применяют закалку в одном охладителе, прерывистую, ступенчатую, с самоотпуском и др. Для закалки простых по форме деталей чаще всего применяют закалку в одном охладителе. Процесс осуществляется погружением нг-гретой детали из среднеуглеродистой стали в воду, а из высокоуглеродистых и специальных сталей в масло, до полного ее охлаждения. При прерывистой закалке деталь охлаждают в двух охладителях последовательно: сначала в воде, что обеспечивает более высокую скорость охлаждения, а затем в менее интенсивном охладителе — масле или на воздухе. Закалку этим способом применяют при изготовлении инструментов из высокоуглеродистых и специальных сталей. Для закалки тонких деталей из углеродистых сталей применяют ступенчатую закалку, так как при этом способе обеспечиваются наименьшие внутренние напряжения. Для этого сначала деталь быстро охлаждают в соляной ванне, имеющей температуру выше точки мар-тенситного превращения (240—250° С), затем выдерживают до момента выравнивания температуры по всему сечению детали с дальнейшим охлаждением до комнатной температуры в масле или на воздухе в закрытом помещении. Закалку с самоотпуском применяют при термической обработке инструментов. Сущность процесса состоит в том, что деталь охлаждают до температуры, достаточной для осуществления отпуска. Посредством отпуска устраняется чрезмерная хрупкость закаленной стали; структура получается наиболее устойчивая при обычной температуре с более высокими механическими свойствами. Сущность отпуска заключается в том, что закаленные стальные детали нагревают до температуры ниже границы структурных превращений (727° С), выдерживают некоторое время и затем охлаждают с произвольной скоростью. В зависимости от температуры и образовавшейся структуры металла различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск осуществляют нагревом детали до 120—250° С и охлаждением с любой скоростью. Этот вид отпуска применяют при изготовлении режущего и измерительного инструмента. Средний отпуск осуществляют нагревом до 350—450° С, когда мартенсит превращается в троостит. Средний отпуск применяют, например, при изготовлении пружин, рессор, пил, кос и т. д. Высокий отпуск осуществляют нагревом детали до 500—650° С, когда мартенсит превращается в сорбит отпуска, при этом получаем однородную структуру. Для некоторых сталей охлаждение следует производить быстро в воде или в масле. Высокий отпуск применяют при изготовлении деталей из конструкционных сталей, чтобы они обладали хорошими механическими свойствами: прочностью, пластичностью, ударной вязкостью и т. д. При закалке могут быть дефекты: недостаточная твердость, перегрев, пережог, обезуглероживание стали, коробление, трещины, боч-кообразность, изменение объема и др. Иногда для достижения требуемой скорости охлаждения деталей закалочную жидкость охлаждают. Для закалки таких деталей, как зубчатые колеса, диски и плиты, применяют закалочные прессы, что предупреждает появление.дефектов. Процесс охлаждения стальных деталей является наиболее ответственной операцией закалки. Скорость охлаждения должна обеспечить образование нужной структуры в соответствии с техническими требованиями. При закалке наружная поверхность детали охлаждается быстрее сердцевины, поэтому в деталях большой толщины сердцевина может оказаться незакаленной. В связи с этим для характеристики глубины закаленного слоя вводится понятие прокаливаемости стали. Прокали-ваемостью стали называют глубину закаленной зоны. Глубину закалки измеряют от поверхности детали до слоя с полумартенситной структурой (50% мартенсита и 50% троосгита). Характеристика прокаливаемое!и стали является важным показателем при выборе стали. Качественным показателем прокаливаемости стали является критический диаметр — диаметр образца, когда он закаливается полностью. Обычно для стали 40 критический диаметр при охлаждении в воде равен 10 мм, а при охлаждении в масле 8 мм. На величину прокаливаемости оказывает влияние скорость охлаждения и химический состав стали. Легированные стали характеризуются более повышенной прокаливаемостью, чем углеродистые. Особый интерес представляют быстрорежущие стали, которые закаливаются при охлаждении на воздухе. Инструменты из быстрорежущей стали подвергают термической обработке для придания им износостойкости. Для получения качественного инструмента из быстрорежущих сталей их закаливают с применением многократного отпуска.

Особенности термической обработки быстрорежущих сталей

Быстрорежущие стали обладают специфическими особенностями вследствие наличия в их структуре большого количества карбидов, вызывающих хрупкость, твердость и пониженную теплопроводность. Обычно это высоколегированные стали, подвергающиеся при закалке нагреву до высоких температур, близких к эвтектическим, для растворения в аустените всех вторичных карбидов. Нагрев производят ступенчато до температуры 800—850° С медленно, а до температуры 1240— —1300° С — быстро. Охлаждение производят в масляной подогретой ванне или на воздухе. Закаленную сталь подвергают многократному отпуску (2—3 раза) при температуре 560° С с выдержкой по 1 ч. Если быстрорежущую сталь обрабатывают холодом, то делают один отпуск. Иногда инструменты из быстрорежущей стали обрабатывают холодом и подвергают низкотемпературному цианированию или обработке в атмосфере водяного пара. Химико-термическая обработка стали Химико-термическую обработку стали применяют в тех случаях, когда необходимо получить более твердую, износостойкую или красно-стойкую деталь с улучшенными механическими свойствами поверхностного слоя. Упрочнение поверхностного слоя детали достигается в процессе химико-термической обработки в результате изменения химического состава — насыщения поверхности нагретой стальной детали углеродом, азотом, алюминием, хромом и другими элементами. В зависимости от диффундирующих в поверхностный слой стали элементов различают такие виды химико-термической обработки, как цементация, азотирование (нитрирование), цианирование и диффузионная металлизация (алитирование, Сульфидирование и др.). Цементация — процесс насыщения поверхностного слоя малоуглеродистой стали, нагретой до температуры выше критической точки Ас3 углеродом, в результате чего происходит упрочнение. Цементации подвергают детали, содержащие 0,1—0,3% углерода, количество которого доводится обычно до 0,8%, а в некоторых случаях и до 1,2%. Обычно цементируют детали, работающие на истирание в условиях ударных нагрузок, например валы, зубчатые колеса, шейки коленчатых валов, поршневые пальцы и т. д. Применяемый при цементации карбюризатор (вещество, богатое углеродом) определяет вид цементации. Если карбюризатором служит древесный уголь (75%) и углекислые соли ВаСОз,СаСОз и др. (25%), то такой вид называется цементацией твердым карбюризатором. Если карбюризатором являются естественные и искусственные газы и их смеси (метан, пропан, окись углерода, этилен, светильный газ), полученные при пиролизе — крекинге керосина, солярового масла, бензина, пиробензола и т. п., то цементация называется газовой. Если карбюризатором служат расплавленные соли №2СОз (80%), NaCI (10%), SiC (10%), то цементация называется жидкостной. Цементация твердым карбюризатором заключается в нагреве деталей до температуры 900—950° С, упакованных вместе с карбюризатором в ящики из огнеупорного материала, с выдержкой 2—10 ч. Газовую цементацию осуществляют нагревом деталей в среде газов-карбюризаторов в специальных герметических печах при температуре 900—950° С. При газовой цементации производственный процесс короче в 2—2,5 раза, чем при цементации твердым карбюризатором, т. е. более производительный. Жидкую цементацию производят погружением деталей в жидкий карбюризатор с температурой 840—860° С на 0,3—2,5 ч. Детали быстро науглероживаются на глубину 0,3—0,7 мм при равномерном нагреве в ванне, поэтому отсутствует окалина и деформация. Азотирование — процесс насыщения поверхности детали азотом. В качестве нитрирующей среды используют аммиак NH3, в атмосфере которого сталь выдерживают при температуре 480—760° С в течение 20—90 ч. Азотирование сильно повышает твердость, не уменьшающуюся даже при нагрева до 600—650° С, износостойкость, предел усталости и коррозионную стойкость к действию воздуха, воды, пара и т. д. Азотируют, как правило, углеродистые стали, легированные алюминием, хромом, молибденом, ванадием и другими элементами, а также чугун Цианирование — процесс одновременного насыщения поверхностей детали углеродом и азотом. Так же как и при цементации, различают цианирование в твердых, жидких и газовых средах. Цианирование производят при температурах 500—600° С или 800— 950° С. Процесс цианирования при температуре 500—600° С носит название низкотемпературного; его применяют для упрочнения инструментов из быстрорежущих сталей на глубину 0,02—0,4 мм. Цианирование при температуре 800—950° С носит название высокотемпературного; его применяют для упрочнения деталей из углеродистых и специальных сталей с содержанием углерода до 0,4% на глубину до 1,5 мм. Глубина цианирования зависит от выдержки. Детали после цианирования необходимо закалить и обработать холодом. Диффузионная металлизация. Кроме описанных способов упрочнения деталей, в промышленности применяют также (правда, в меньших масштабах) процессы диффузионной металлизации, заключающиеся в насыщении поверхности стальных деталей алюминием (алитиро-вание), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борирование) и другими элементами.

Термическая обработка холодом

Холодом (— 60° С и ниже) обрабатывают стали, содержащие свыше 0,5% углерода, и специальные стали. После воздействия на стальные детали холодом повышается твердость, износостойкость, особенно цементированных деталей, а также усиливаются магнитные свойства и при этом не изменяются размеры закаленных деталей. Учитывая особенности обработки холодом, ее применяют для повышения твердости и износостойкости шарикоподшипников, для восстановления размеров калибров и других инструментов, для стабилизации магнитных свойств магнитов, для повышения твердости и стойкости инструментов и различных деталей, особенно после цементации. Технологический процесс обработки деталей холодом заключается в том, что деталь сразу после закалки помещают в специальные охлаждающие устройства с охлаждающей средой не ниже — 60° С. Детали охлаждают в жидкой среде с отрицательными температурами; например, смесь сухого льда со спиртом или ацетоном дает — 75° С, жидкий кислород — 183° С, жидкий азот — 195° С. Сталь, обработанную холодом, отпускают, при этом нет необходимости производить многократный отпуск.