Различают следующие виды отжига углеродистых сталей: для снятия наклепа, диффузионный, рекристаллизационный, изотермический, на зернистый перлит, нормализация.
Диффузионный отжиг – нагревание стали до температуры 1000–1250 °C (оптимальная температура 1150 °C), выдерживание при этой температуре в течение определенного времени и последующее медленное охлаждение в течение 6–8 ч до температуры 800–890 °C в печи, а затем – на воздухе. Целью этой операции является уменьшение неоднородности химического состава деталей, имеющих внутрикристал-лическую ликвацию. Эта операция используется для крупного стального литья и крупных слитков из легированных сталей.
Бывший в пользовании инструмент (молоток, зубило, пробойник, напильник, плашка и т. д.) с целью его переделки или исправления подвергают нормализации. Отжиг этого вида основан на нагревании стали до определенной температуры, кратковременной выдержке при этой температуре и последующем постепенном охлаждении на воздухе.
Отжиг стали производится в печах, предназначенных для нагревания стали при различных процессах термической обработки.
Закалкой называется технологический процесс термической обработки, применяемый для получения высоких механических свойств стальных изделий за счет изменения их структуры. Закалка состоит в нагревании изделия до определенной температуры, выдержке при этой температуре для ее выравнивания по всему сечению изделия и быстром охлаждении. Применяют следующие виды закалки: в одном или двух охладителях, струйчатую, ступенчатую и изотермическую.
Способ нагревания стали оказывает большое влияние на весь дальнейший процесс термической обработки. Перед нагреванием стали для закалки следует прежде всего определить вид и сорт стали. Если сталь не подвергалась отжигу, следует ее отжечь. Сталь необходимо очистить от грязи и следов жира.
Чем меньше в стали содержание углерода, тем выше температура нагревания.
Нагрев изделий под закалку производят одним из трех способов: в печах с газовой атмосферой – мазутных, нефтяных, газовых, электрических; в ваннах с жидкими средами – расплавленными солями или металлами; токами высокой частоты.
Скорость нагрева изделий зависит от способа их укладки, массы загружаемых в печь или ванну изделий, от их габаритных размеров и теплопроводности.
Время нагрева до 800 °C цилиндрических деталей на 1 мм диаметра в электропечах составляет примерно 40–50 с, а в мазутных и нефтяных печах – 35–40 с.
В качестве жидких сред для нагрева до 800 °C применяются свинцовые или соляные ванны. Время нагрева в свинцовой ванне на 1 мм диаметра составляет 6–8 с, а в соляных – 12–15 с.
Выдержка изделия при температуре закалки необходима для выравнивания температуры по всему сечению и обеспечения завершения происходящих при этом структурных превращений. Время выдержки зависит от химического состава стали, ее теплопроводности, величины, формы и массы закаливаемых изделий. На практике время выдержки принимают равным 20–30 % от общего времени нагрева до заданной температуры.
Изделие следует правильно уложить в печи или в ванне, чтобы избежать деформирования.
Нагревание должно быть постепенным (следует избегать случайного подъема температуры) и производиться таким образом, чтобы нагревалась вся масса материала (изделия нужно часто переворачивать). За нагреванием стали необходимо наблюдать, чтобы избежать перегрева и пережога. Для предотвращения окисления стали может быть использована нейтральная атмосфера в камере печи.
Время и температура нагревания стали для закалки зависит от вида и сорта стали, от массы и формы изделия. Например, сталь углеродистая постепенно нагревается от 0 до 350 °C, а после достижения этой температуры ее можно быстро подогревать до температуры закалки.
При нагревании стали происходят структурные изменения, которые, в зависимости от времени выдержки при данной температуре, оказывают большое влияние на механические свойства стали. Применение неправильного способа или метода нагревания стали ведет к окислению или обезуглероживанию поверхности, что вызывает изменение свойств стали. Избежать таких нежелательных явлений можно при использовании для нагревания электрических печей.
Для предохранения изделий при нагревании от окисления и обезуглероживания в рабочем пространстве печи создают защитную нейтральную газовую среду Если невозможно создать защитную газовую среду изделия для нагрева упаковывают в ящики с отработанным карбюризатором, пережженным асбестом, неокисленной чугунной стружкой или наносят на изделие обмазку.
В зависимости от требований, предъявляемых к изделиям, применяют следующие способы закалки: в одной и двух жидкостях или жидких средах – вода, масло; ступенчатую – охлаждение в расплавленной соли и на воздухе; изотермическую – охлаждение в расплавленной соли с температурой около 300 °C до полного превращения аустенита, а затем в воде или на воздухе.
Для получения твердого поверхностного слоя, мягкой и пластичной сердцевины применяют закалку с самоотпуском (для закалки инструмента).
Для уменьшения внутренних термических напряжений и деформации при закалке применяется закалка с подстуживанием.
К охлаждающим жидкостям относятся масла (специальное масло для закалки, машинное или веретенное масло), вода, а также различного рода растворы (мыла, кислоты или поваренной соли в воде и др.). Растительное масло для закалки не используют.
Способ охлаждения и вид охлаждающей жидкости при закалке стали зависит от сорта и марки стали, от требуемой степени закалки, а также от конфигурации и величины закаливаемой детали.
4.6. Термическая обработка быстрорежущей стали
Быстрорежущие стали относятся к группе высоколегированных. Они характеризуются красностойкостью и сохраняют высокую прочность, твердость и износостойкость при нагреве до 600–700 °C. Применяются для изготовления режущего инструмента высокой производительности. Основными легирующими материалами этих сталей являются вольфрам, ванадий и хром.
Термическая обработка быстрорежущих сталей имеет ряд особенностей, что обусловлено их пониженной теплопроводностью, наличием в их структуре значительного количества карбидов, а также низкой пластичностью стали.
Инструмент из быстрорежущей стали до температуры закалки нагревают ступенчато: вначале медленно до температуры 800–850 °C, затем быстрее до окончательной температуры закалки 1200–1300 °C. Ступенчатый нагрев позволяет избежать тепловых напряжений за счет уменьшения разности температуры поверхности и сердцевины изделия.
С целью предохранения инструмента от обезуглероживания перед нагревом его погружают в насыщенный раствор буры. Иногда предварительно подогретый до 800–850 °C инструмент перед окончательным нагревом покрывают порошком обезвоженной буры.
В качестве охлаждающей среды при закалке быстрорежущих сталей применяют подогретое минеральное масло или охлаждают инструмент на воздухе.
Структура закаленной быстрорежущей стали состоит из первичного мартенсита, остаточного аустенита и сложных карбидов.
Отпуск быстрорежущей стали следует производить как можно быстрее сразу после закалки. Как правило, рекомендуется вести многократный отпуск.
Сталь до температуры отпуска нагревается постепенно и равномерно (температура нагревания стали при отпуске находится в границах 380–570 °C в зависимости от марки стали). Выдержка после нагрева производится в течение часа. Охлаждение ведут на воздухе.
Если после закалки применяют обработку быстрорежущей стали холодом при температуре –80 °C, то производят только один отпуск.
После термической обработки структура быстрорежущей стали состоит из отпущенного мартенсита и карбидов.
Температура нагревания быстрорежущей стали для ковки в зависимости от марки составляет 950–1150 °C. В первый период до 850 °C нагревают постепенно, а затем – быстро до требуемой температуры ковки. После ковки сталь постепенно охлаждается в песке или в пепле.
Для снижения твердости стали ее нагревают до температуры 800–850 °C и выравнивают температуру по сечению. Охлаждать следует постепенно до температуры 650 °C. Дальнейшее охлаждение можно вести на воздухе (табл. 24).
4.7. Поверхностная закалка стали
Поверхностная закалка стали состоит из быстрого нагрева поверхностного слоя стали до температуры, значительно превышающей критическую, и последующего быстрого ее охлаждения. При этом обеспечивается высокая поверхностная твердость при мягкой и пластичной сердцевине детали.
В промышленности применяются следующие способы нагрева для поверхностной закалки: газопламенный (ацетилено-кислородным пламенем); контактный или индукционный электронагрев; в электролите; в соляных и металлических ваннах.
