Термическая обработка деталей

Преимущества термообработки

• металл широко применяется в различных сферах;
• любую заготовку можно подвергнуть обработке;
• высокое качество обработанного металла;
• резко снижается процент брака;
• благодаря некоторым видам обработки, можно уменьшить вес детали, не затрагивая такие качества данной заготовки, как твердость и прочность;
• более дешевые сорта металла можно преобразовать в наиболее качественные, а соответственно дорогие.

Принципы обработки

Основной принцип обработки: время, требуемое на обработку материала, равняется времени необходимому на ее нагрев до требуемой температуры, времени выдержки и способа охлаждения.

 

Параметры температуры и времени, а также способ охлаждения меняются в зависимости от характера металла. В зависимости от марки материала прописывается режим, на каждый миллиметр сечения устанавливается время. Температура тоже зависит от марки, материал может закаляться при температуре от 800 до 1200 градусов С. Выдерживается заготовка от одного часа до трех часов.

 

Время также зависит от таких факторов:

• габариты заготовки;
• тип детали;
• оборудование, на котором данная деталь проходит процесс обработки;
• скорость изменения механических свойств материала;
• количество углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала.

Классификация и виды термообработки

Встречаются такие виды обработки стали:

• термическая, заключается в температурном воздействии на характер металла;
• термомеханическая обработка. Заключает в себя два воздействия – температурное и деформационное. Подразделяют два вида такой обработки:
  • высотемпературная, которая заключается в нагреве металла до аустенического состояния, при котором осуществляют деформацию детали, что ведет к наклепу аустенита. Благодаря этой обработке устраняется развитие отпускной хрупкости при условиях критических температур;
  • низкотемпературная, при ней производят нагрев стали до аустенического состояния, выдерживают при высокой температуре и производят охлаждение до температуры выше уровня 600 градусов. Этот способ дает высокую прочность, но не снижает хрупкость. Для этого процесса требуется очень мощное оборудование, потому что необходима большая степень деформации;
• химико-термическая обработка. Происходит благодаря воздействию температуры и химических веществ. Основными ее параметрами являются температура нагрева и режим выдержки. Она используется для поверхностного упрочнения деталей. При этом изменяется химический состав и структура поверхностного строя.

Также подразделяются и виды обработки

Выделяют несколько типов обработки:

• отжиг;
• нормализация;
• закалка;
• обработка холодом;
• отпуск;
• азотирование.

Термообработка широко применяется для металлов, которые используются практически во всех отраслях – от больших станков до режущих инструментов, также такие металлы используются и в космических целях.

Отжиг

При этом процессе металл нагревается до очень высокой температуры, затем выдерживается определенное время, а затем проходит процедуру медленного охлаждения. Необходим для снижения хрупкости и повышения прочности и пластичности, для повышения уровня ударной вязкости.

 

Отжиг делится на два типа – 1-го рода и 2-го.

 

Отжиг первого рода применяется для всех металлов. Устраняет химические и физические неоднородности при температуре ниже или выше фазовых превращений, которые не определяют цели термообработки. Для этого отжига важны время, в течение которого происходит выдержка металла, и температура нагрева. Именно от них зависит результат процесса.

 

Виды отжига первого рода:

• диффузионный отжиг или гомогенизация. Применяется для крупных отливок металла, с целью уменьшения склонности стали к хрупкости и слоистости, пластичности и вязкости. Режим, при котором производятся обработки: - температура нагрева составляет 1100-1200 градусов, выдержка 8 – 20 часов, - охлаждение производится медленно до 200-250 градусов. Общее время, занимаемое на этот вид обработки, составляет 50-100 часов.
• отжиг методом рекристаллизации. Нагрев деформированной детали в холодном состоянии, то есть наклепанной стали, выше температуры рекристаллизации, выдержка и последующее охлаждение. Температура нагрева зависит от характера стали: - малоуглеродистая и низколегированная сталь подвергается температуре 600-700 градусов С; - среднелегированная сталь 750-770 градусов; - для высокоуглеродистых, легированных сталей температура составляет 1100-1150 градусов. Режим нагрева составляет от 30 минут до полутора часов. При отжиге, кроме рекристаллизации ферритом, могут протекать процессы коагуляции, то есть укрупнения, или сфероидизации – цементита, при которых сталь становится еще более пластичной.
• низкий отжиг (отжиг, уменьшающий напряжение). Термическая обработка, которая заключается в нагреве деталей после механической обработки, в интервале 200-700 градусов С, с выдержкой около 2-3 часов и последующим охлаждением с целью снижения внутренних напряжений после технологических операций (шлифования, литья, сварки), например, детали станков, ходовые винты, червяки, зубчатые колеса. Для снятия сварочных напряжений: температура нагрева 650-700 градусов С.

Отжиг второго рода. К нему относится нормализиционный отжиг или нормализация, т.е. это вид отжига второго рода. Изделие нагревают до температуры 30-50 градусов С, с последующим охлаждением на воздухе. Применяют для неответственных деталей из среднеуглеродистой стали. При этом виде отжига для среднеуглеродистых сталей повышается твердость и прочность. Рекомендован для улучшения структуры перегретого металла и обрабатываемости конструкционных сталей.

Закалка

Закалка – способ термообработки, благодаря которому улучшаются механические свойства детали, такие как твердость, прочность. Также этот процесс приводит к снижению веса при сохранении твердости и прочности.

 

При выборе металла под закалку стоит руководствоваться тем, что температура нагрева зависит от содержания углерода. Предпочтением будут металлы с более высоким углеродистым содержанием. Нужно помнить, что для закалки не используют прокат и изделия из него с низким содержанием углерода.

Деталь при закалке нагревают до уровня температуры выше критической и затем отпускают в водную среду или масляную, в зависимости от того, какого характера деталь вы хотите получить. Также используют водные растворы солей, щелочей и кислот.

Наиболее значимыми режимами нагрева можно назвать температуру, время выдержки металла при данной температуре, скорость охлаждения.

 

Выделяют несколько способов закалки:

• в одном охладителе. Используют для деталей несложной конфигурации;
• в двух охладителях. Используют для высокоуглеродистых материалов, которые вначале подвергают быстрому охлаждению, а затем – медленному;
• струйчатый способ. Осуществляется обрызгиванием мощной струей воды. Применяется для углеродистых деталей, диаметром до 10-12 мм, а для деталей из легированных сталей до 20-30 мм;
• изотермический способ, при этом способе необходимо выдерживать деталь в закалочной среде до завершения изотермического превращения аустенита. Используют для деталей, склонных к короблению и образованию трещин;
• ступенчатый. При этом процессе деталь остывает в закалочной среде, приобретая температуру ванны, в которой охлаждается. Окончательное охлаждение осуществляют медленно.

Для каждой стали подходит определенная среда. Воду используют для углеродистых сталей. В масле охлаждают легированную сталь и высокоуглеродистую при тонких сечениях.

 

Преимущество воды в том, что она быстро охлаждает и придает твердость металлу. Недостаток воды в том, что она создает опасность возникновения трещин. Добавление к воде солей, щелочей и кислот увеличивают закаливаемую способность.

 

Преимущество масла в том, что оно охлаждает медленно и придает пластичность. Недостаток масла: легкая воспламеняемость, может подгорать к поверхностям детали. Повышает вязкость, густеет при высоких температурах. Понижается закаливающая способность.

 

Способы охлаждения могут по-разному влиять на закалку стали:

• в одном охладителе деталь приобретает напряжения, которые могут привести к короблению, а если они превысят предел прочности, то могут образоваться трещины. Поэтому при этом способе применяют подстуживание;
• в двух охладителях напряжение уменьшается, что не приводит к короблению и трещинам;
• при ступенчатом охлаждении достигается наибольшая степень твердости без структурных и термических напряжений;
• при изотермическом способе деталь получает структуру бейнита с твердость 45-55 HRC, имеющую достаточную вязкость.

Важно: к мало и среднеуглеродистой стали ступенчатый и изотермический способы не подходят.

Отпуск

Это термическая обработка деталей, прошедших закалку. Отпуск заключается в ослаблении напряжений. С понижением напряжения снижается твердость материала, зато растет пластичность и вязкость.

Процесс отпуска выглядит так: деталь после закалки снова нагревают в печи, но при низких температурах от 150 до 650 градусов С. Затем происходит охлаждение на воздухе.

 

Существует три вида отпуска:

• низкий отпуск. Нагрев производится до температуры не выше 250 градусов С, затем следуют выдержка и последующее охлаждение. При этом процессе частично снимается напряжение, твердость практически не снижается, повышаются ударная вязкость и пластичность. Используется для режущего и измерительного инструмента;
• средний. Нагрев допускается до температуры 350-450 градусов С. Используют для пружин, рессор, зубил. Твердость при этом процессе значительно снижается, но повышается упругость;
• высокий. Нагрев производят до 450-650 градусов С. Твердость снижается, но повышается прочность, пластичность и вязкость. Этой операции подвергают шатуны, коленчатые валы.

Азотирование

При температуре 530 градусов С детали томятся в течение 30 часов. Туда подается аммиак, и происходит химическая реакция, благодаря которой деталь на своей поверхности приобретает твердую оболочку.

Криогенная обработка или обработка металлов с помощью очень низкой температуры.

Детали промораживают, обработка происходит в криогенной установке с температурой до минус 196 градусов С. Затем детали должны постоять, вернуться к температуре цеха и отправиться на отпуск. Все это нужно для изменения фасц: в структуре металла создается напряжение, которое приводит металл к увеличению механических свойств или их ослаблению.

 

Цены на термообработку

Зависит от многих параметров:

• при отжиге цена зависит от температуры, получаемой в печи, времени, затраченного на весь процесс, а также использованной технологии;
• при закалке большое влияние на стоимость имеет способ закалки, а также то, какие составы применяются для процедуры;
• при отпуске деталей нужно ускорить процесс охлаждения в два раза, что также оказывает влияние на стоимость.

Здесь приведены только некоторые примеры. В целом стоимость зависит от скорости охлаждения, режима, температуры, состава охлаждения, технологии термообработки.