Термическая обработка стальных поковок

 

В кузнечном производстве при изготовлении стальных поковок используют в основном один или два из четырех видов термической обработки, к которым относятся отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Следует отметить, что различные стали имеют свои определенные режимы термической обработки.

Отжиг поковок

Отжиг выполняют путем нагрева металла до температуры фазовых превращений и последующего медленного охлаждения. После отжига структуры стали соответствуют диаграмме железо - углерод: доэвтектоидные стали (С < 0,8 %) будут иметь структуру феррит + перлит, эвтектоидные (С = 0,8 %) - перлит, заэвтектоидные (С > 0,8 %) - перлит + цементит. Фазовая перекристаллизация при отжиге измельчает зерно, снимает внутренние напряжения, возникшие при ковке, и уменьшает структурную неоднородность. В результате отжига снижаются прочность и твердость металла, увеличивается его пластичность, повышается обрабатываемость резанием. Отжиг обычно применяют при обработке поковок из сталей с высоким содержанием углерода и легирующих элементов. При многопереходной холодной пластической деформации с помощью отжига снимают упрочнение, полученное металлом в процессе промежуточных операций, и восстанавливают пластичность металла перед последующей холодной обработкой давлением.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидных сталей до температуры, на 30 ... 50 ° С превышающей температуру перехода стали в аустенитное состояние, выдержке при этой температуре до полного прогрева заготовки и в последующем медленном охлаждении в печи. Время нагрева и выдержки зависит от марки стали, формы и размеров сечения поковок или заготовок, типа печи и способа укладки заготовок в ней. Поковки из углеродистых сталей охлаждают со скоростью 50 . . . 150 град/ч, а поковки из легированных сталей - значительно медленнее (20 ... 60 град/ч). Полному отжигу подвергают поковки для максимального уменьшения твердости и прочности металла и повышения его пластичности. Если полный отжиг выполняют для снятия напряжений в поковках сложной формы, то медленное охлаждение ведут почти до температуры цеха. В других случаях поковки медленно охлаждают в печах до 500 . . . 600 ° С с последующим охлаждением на воздухе.

Неполный отжиг (в отличие от полного) осуществляют путем нагрева поковок до температуры несколько выше 723 ° С. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг выполняют для снятия напряжений и улучшения обрабатываемости резанием поковок, ковка которых была выполнена в установленном температурном интервале без образования крупнозернистой структуры. Заэвтектоидные стали, как правило, подвергают неполному отжигу, при котором происходит полная перекристаллизация, пластинчатый перлит принимает зернистую структуру, а сталь становится пластичной и имеет низкую твердость.

Нормализация поковок

Нормализацию применяют, как правило, для устранения в поковках крупнозернистой структуры, образовавшейся в результате вынужденного или случайного увеличения времени нахождения заготовок в печи или в случае окончания ковки при слишком высокой температуре.

Нормализация заключается в нагреве сталей до температуры, на 50 ... 60 ° С превышающей температуру перехода стали в аустенитное состояние, непродолжительной выдержке и охлаждении на воздухе.

Нормализация низкоуглеродистых сталей обеспечивает получение более чистой поверхности при резании. Для среднеуглеродистых сталей она заменяет закалку с высоким отпуском и снижением коробления формы поковки. Для исправления структуры легированных сталей часто вместо отжига применяют нормализацию с последующим высоким отпуском при 600 ... 650 ° С.

Закалка поковок

Закалкой называют операцию нагрева до температуры, на 30 ... 70 ° С превышающей температуру перехода стали в аустенитное состояние, и охлаждения в воде, масле или другой среде с соответствующей для данной стали скоростью. Время выдержки при температуре закалки должно быть достаточным для завершения полного фазового превращения в металле.

Кузнецы часто выполняют закалку сразу по окончании ковки без дополнительного нагрева. Очевидно, что это возможно лишь в том случае, если температура поковки по окончании ковки не ниже температуры закалки.

Закалка не является окончательной термической обработкой, так как сталь становится не только прочной, но и очень хрупкой, а в поковке возникают большие закалочные напряжения. Они достигают такого значения, что из-за низкой пластичности металла приводят либо к образованию в поковках трещин, либо к разрушению детали в самом начале ее эксплуатации. Кузнечный инструмент, например молоток, подвергнутый только закалке, не может быть использован по своему назначению, так к^к при выполнении удара от него будут откалываться кусочки твердого металла.

Вследствие этого для снижения закалочной хрупкости и внутренних напряжений, а также для приобретения требуемых высоких прочностных свойств поковки после закалки подвергают отпуску. Конструкционные стали закаливают и подвергают отпуску для повышения предела прочности, твердости при достаточных показателях пластичности и ударной вязкости, а инструментальные стали - для придания инструменту высоких твердости и изностостойкости.

Отпуск поковок

Отпуск является окончательным видом термической обработки. Он заключается в нагреве закаленной стали до некоторой температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении, как правило, на воздухе. В процессе отпуска структурных превращений в металле не происходит, но снижаются закалочные напряжения, несколько уменьшаются твердость и прочность, повышаются пластичность и ударная вязкость. Чем выше температура отпуска, тем больше снижается твердость закаленной стали и повышается ее вязкость.

В зависимости от марки стали и требований, предъявляемых к твердости и прочности детали, применяют три вида отпуска: высоко-, средне- и низкотемпературный (сокращенно их называют соответственно высоким, средним и низким).

Низкий отпуск проводят с нагревом до 150 . . . 250 ° С с целью снижения внутренних напряжений без уменьшения твердости закаленной стали (до HRCэ 59 . . . 65). Однако после такого отпуска детали не воспринимают динамических нагрузок, поэтому низкий отпуск используют для обработки режущего и измерительного инструмента из углеродистых и низкоуглеродистых сталей.

Средний отпуск выполняют при 350 .. . 500 ° С и применяют для пружин и рессор, так как он обеспечивает получение стали с небольшим пределом упругости и повышенной вязкостью при твердости HRCэ 41 ...51.

Высокий отпуск, осуществляемый при 500 . . . 680 ° С, почти полностью ликвидирует закалочные напряжения, повышает пластичность и ударную вязкость, однако заметно снижает прочность и твердость стали. Закалка с высоким отпуском по сравнению с отжигом одновременно повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение и ударную вязкость (механическая характеристика, оценивающая способность металла сопротивляться воздействию ударных нагрузок).

Термообработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением; она создает наилучшее соотношение между прочностью и вязкостью стали. Улучшению подвергают, как правило, конструкционные стали с содержанием углерода 0,3 ... 0,5 %.

Кузнецы ручной ковки при изготовлении слесарного, кузнечного или измерительного инструмента часто применяют закалку и отпуск с одного нагрева. Такую операцию, называемую также закалкой с самоотпуском, выполняют следующим образом. Нагретую под закалку поковку охлаждают в воде или масле не полностью, а до температуры, несколько превышающей температуру отпуска. Извлеченную из закалочной среды поковку выдерживают на воздухе до появления на ее поверхности, предварительно обработанной на наждачном камне, соответствующего цвета побежалости. После этого поковку окончательно охлаждают в масле или воде. Определить примерную температуру поковки можно по цвету побежалости, пользуясь их следующим соответствием: 350 . . . 330 ° С - светло-серый; 320 ° С - сине-васильковый; 250 ° С - красно-коричневый; 240 0 С - коричневый; 280 ° С - фиолетовый; 260 ° С - пурпуровый; 230 ° С - золотистый; 220 ° С - светло-желтый.

Похожие материалы