1.4 Основные операции термической обработки и оборудование

Термическая обработка металлов и сплавов производится с целью улучшения их служебных свойств.

Среди основных видов термической обработки следует отметить:

• Отжиг(гомогенизацияинормализация). Целью является получение однородной зёренной микроструктуры и растворение включений. Последующее охлаждение является медленным, препятствующим образованию неравновесных структур типамартенсита.

• Дисперсионное твердение (старение). После проведения отжига проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.

• Закалкупроводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур типа мартенсита. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки зависит от материала.

• Отпускнеобходим для снятия внутренних напряжений, внесённых при закалке. Материал становится болеепластичнымпри некотором уменьшениипрочности.

Отжиг и нормализация

Отжигом называется операция, которой путем нагрева, выдержки термической обработки, и последующего медленного охлаждения в стали образуется устойчивая (равновесная) структура, свободная от остаточных напряжений.

Отжиг стали бывает с фазовой перекристаллизацией — полный, изотермический, на зернистый перлит и диффузионный, а также без фазовой перекристаллизации — рекристаллизационный.

Если охлаждение стали после нагрева и выдержки производится на воздухе, то такая операция термической обработки называется нормализацией.

Основное назначение отжига и нормализации — улучшение обрабатываемости стали режущим инструментом, улучшение ее штампуемости в холодном состоянии и подготовка структуры к последующим процессам окончательной термической обработки. При отжиге или нормализации отливки и поковки освобождаются от внутренних напряжений, приобретают мелкозернистость и вязкость, одновременно улучшаются их механические свойства.

В настоящее время нормализация распространена в машиностроении больше, чем отжиг, так как она является гораздо более производительной операцией, требует меньших производственных площадей, меньше оборудования и рабочей силы.

Закалка и отпуск.

Назначение закалки заключается в том, чтобы придать изделию высокую твердость и прочность. Однако при закалке с повышением твердости сталь становится более хрупкой.

Для закалки изделия нагревают до высокой температуры, а затем быстро охлаждают в специальных охлаждающих средах. В зависимости от режима закалки одна и та же сталь получает различные структуры и свойства. Для получения наилучших результатов изделие равномерно нагревают до температуры 740-850°С и затем быстро охлаждают до 400-450°С. Скорость охлаждения должна быть не менее 150°С в секунду, т. е. охлаждение должно произойти в течение всего 2-3 с. Дальнейшее охлаждение, ниже 300°С, может протекать при любой скорости, так как полученная при закалке структура достаточно устойчива и скорость дальнейшего охлаждения на нее не оказывает влияния. В качестве охлаждающих сред чаще всего употребляются вода и трансформаторное масло. Скорость охлаждения в воде больше, чем в масле. При температуре воды 18°С скорость охлаждения достигает 600°С в секунду, а в масле - до 150°С в секунду.

При закалке инструментов применяются закалочные печи, которые делятся на камерные, или пламенные, где изделие нагревается открытым пламенем; электрические муфельные; печи-ванны, представляющие собой тигли, наполненные расплавами солей, например хлористым барием.

После закалки необходимо произвести отпуск. Он смягчает действия закалки, повышает вязкость и уменьшает хрупкость и твердость изделия. Кроме того, отпуск устраняет или снижает напряжение, вызванное закалкой. Для определения температуры отпуска очень часто до сих пор пользуются цветами побежалости. Если очищенное от окалины стальное изделие нагревать, то начиная с температуры 220°С на нем образуется тонкая пленка оксидов железа, придающая изделию различные цвета от светло-желтого до серого. С повышением температуры или увеличением времени пребывания изделия при данной температуре оксидная пленка утолщается и цвет ее изменяется.

Химико-термическая обработка металлов.

Химико-термической обработкой (ХТО) называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

Оборудование.

Ванная печь нагревательная, печь для нагрева материалов в жидкой среде. Ванная печь применяются в термических цехах для нагрева металлических деталей под закалку, отпуск, нормализацию, обжиг, цианирование, цементацию, а также для патентирования проволоки и ленты.

Наиболее употребительные среды: для нагрева от 700 до 1300°С — хлористые и углекислые соли, от 160 до 500°С — азотнокислые соли, до 250°С — масла; применяют также расплавленные металлы (свинец, сплавы свинца с оловом и силумин). Преимуществом нагрева в жидких средах по сравнению с нагревом в обычных печах являются быстрота и равномерность нагрева, отсутствие окисления поверхности деталей. Ванная печь подразделяются на пламенные и электрические. Пламенная Ванная печь имеет тигель из жароупорной стали с толщиной стенки 15—30 мм. Обогревается тигель пламенем от форсунки или горелки. Электрические Ванные печи бывают двух типов — с генерацией тепла в нагревательных элементах (например, проволочного или ленточного типа), расположенных вне ванны (Ванная печь с внешним обогревом тигля), и с генерацией тепла в самой жидкой среде путём подвода тока с помощью электродов (Ванная печь с внутренним обогревом).   Наиболее широкое распространение в промышленности получили одно- и трёхфазные электродно-соляные Ванные печи, в которых нагревателем является расплавленная соль, загружаемая в рабочую камеру (круглого, прямоугольного или шестиугольного сечения), выложенную из фасонного шамотного кирпича, или в тигель из жароупорной стали. Электрический ток напряжением 6—24 в через массивные стальные электроды подводится непосредственно к соли.