Основні відомості про термічну обробку металів

Термічна обробка — це процес теплової обробки деталей машин та інструментів для підвищення механічних властивостей.

При термічній обробці метал нагрівають до певної температу­ри, витримують його деякий час при ній, а потім охолоджують з певною швидкістю. При цьому в металі відбуваються складні структурні перетворення, що призводять до зміни його властивостей.

В залежності від температури нагріву та швидкості охолоджен­ня термічна обробка поділяється на такі основні види: відпалюван­ня, гартування, відпуск, нормалізація, обробка холодом.

Відпалювання — це спосіб теплової обробки металу, який обу­мовлює одержання стійких структур. При відпалюванні деталі нагрівають в печах чи ковальських горнах до певної температури, видержують протягом тривалого часу при ній, після чого дуже по­вільно охолоджують (додаток, табл. 10). Відпалювання має на меті зменшити твердість і підвищити пластичність і в’язкість мета­лу, усунути внутрішні напруження його, які виникають під час відливки, кування та ін. і можуть призвести надалі до виникнення тріщин та жолоблення, усунути структурну неоднорідність. Швид­кість охолодження деталей при відпалюванні не повинна перебіль­шувати 2—3° за хвилину.

Гартування полягає в нагріванні деталей в печі або горні до певної температури (додаток, табл. 11), видержуванні при ній та досить швидкому охолодженні (у воді, маслі або соляному розчині). Гартування роблять для того, щоб одержати сталь високої твердо­сті і міцності. Загартована сталь тверда, але крихка і має знижену в’язкість.

Щоб усунути внутрішні напруження, які виникли під час гарту­вання сталі, і надати їй кращих механічних властивостей, сталь знову нагрівають, видержують і охолоджують з певною швидкістю. Цей спосіб поліпшення якостей сталі називають відпуском.

Щоб поліпшити механічні властивості металу, вирівняти струк­турну неоднорідність його та поліпшити оброблюваність різаль­ним інструментом, застосовують ще теплову обробку, що називаєть­ся нормалізацією.

Нормалізація полягає в тому, що метал нагрівають до певної температури, видержують деякий час при ній, після чого охоло­джують на повітрі.

Обробка холодом — це термообробка загартованих стальних виро­бів для підвищення їх твердості і зносостійкості шляхом охолодження до —80°. Обробляють холодом переважно високолеговані сталі.

Термохімічна обробка

Значна частина деталей машин за характером їх роботи повин­на мати тверду поверхню і в’язку серцевину. Для цього провадять так звану термохімічну обробку деталей, яка полягає в тому, що по­верхню металу на товщину до 2 мм насичують вуглецем або іншими хімічними елементами (азотом, хромом та ін.).

Цементація — це навуглецювання стальних виробів для під­вищення твердості їх поверхневого шару. Провадиться вона шляхом нагрівання виробів у навуглецювальному середовищі (карбюри­затори) — суміші деревного вугілля та вуглекислих солей лужних металів. При цьому деталі нагрівають до температури 900—940°. Після цементації провадять гартування та відпуск.

Цементації підлягають такі деталі, як зубчасті колеса, поршне­ві пальці та багато інших деталей машин.

Ціанування полягає в тому, що сталь насичують одночасно вуг­лецем і азотом. Провадять його в рідких і газових середовищах. Ціа­нування буває високотемпературне (для конструкційних сталей) та низькотемпературне — для підвищення твердості інструмента з швидкоріжучої сталі. Інструменти після ціанування відзначають­ся високою зносостійкістю і стійкістю проти ударних навантажень. Ними можна обробляти метал, незважаючи на високу температуру, що утворюється при роботі на великій кількості обертів верстата. Це явище в техніці називається червоною стійкістю інструмента.

Процес хіміко-термічного насичення стальних виробів азотом називається азотуванням. При азотуванні вироби нагрівають в середовищі аміаку, що підвищує твердість їх поверхні, зносостій­кість і стійкість проти корозії. Азотують деталі із сталі, легованої алюмінієм, молібденом і ванадієм. Тепер у промисловості широко застосовують газове азотування, при якому вироби нагрівають в присутності аміаку в герметичних печах або муфелях.

Процес насичення поверхні стальних виробів алюмінієм нази­вається алітуванням. Для алітування деталі укладають в ящики з сумішшю алюмінію і нашатирю, де видержують їх при темпера­турі до 150° протягом 5—15 годин. Такі деталі мають високу жаро­тривкість. Алітовані вироби застосовують для робіт при високих температурах і в безпосередній близькості від полум’я.

Зміна кольору металів під час нагрівання

Останнім часом великого поширення набув метод гартування сталі струмом високої частоти (рис. 26). Це метод підвищення міц­ності поверхні деталей шляхом нагрівання їх струмами високої частоти та дальшого швидкого охолодження. Поверхнева термічна обробка надає сталі високої твердості та підвищеної стійкості.

Схема процесу поверхневого гартування з нагріванням струмом високої частоти

Схема процесу поверхневого гартування з нагріванням струмом високої частоти (рис. 26)

а — зовнішньої поверхні, б — внутрішньої поверхні, 1 — деталь, 2 — індуктор,    3 — загартований шар.

Електротермообробка деталей поділяється на: індукційний нагрів (струмом високої частоти); контактний спосіб нагріву; нагрів в елек­тропечах.

Якщо стальні вироби нагрівати, вони змінюють свій колір за­лежно від температури.

Таблиця зміни кольору металів при нагріванні

Таблиця зміни кольору металів при нагріванні

Таблиця зміни кольору металів при нагріванні

По цих кольорах можна приблизно визначати температуру її відпуску.

Устаткування термічних цехів

Основним устаткуванням термічних цехів є нагрівальні печі.. Ці печі відрізняються між собою за призначенням, способом нагрі­ву, за конструкцією, способами механізації завантаження та пе­реміщення виробів.

Камерна, гартувальна піч

Камерна, гартувальна піч (рис. 27)

а- топка, б — простір для нагрівання металу.

За призначенням печі застосовують для гартування, відпуску, відпалювання.

За способом нагріву термічні печі поділяються на електричні, газові і такі, що працюють на рідкому або твердому паливі.

За конструкцією печі бувають камерні (рис. 27), муфельні, карусельні, печі-ванни та ін.

За способом механізації завантаження виробів печі поділяють­ся на: печі безперервної дії, періодичної дії, штовхаючої дії та конвейерні.

Крім термічних печей, у термічних цехах є ванни різного об’є­му з рідинами для охолодження нагрітих виробів. Охолоджують вироби у воді, маслі та спеціальних розчинах. В кожному терміч­ному цеху є прилади для випробовування готових виробів на твер­дість та вдосконалена апаратура для визначення температури на­гріву у печах і температури охолодних рідин.

Запитання для повторення

  1. Що таке термічна обробка металів?
  2. Яким способом змінюють структуру металу при термічній обробці?
  3. Назвіть основні види термічної обробки металів.
  4. Що таке відпалювання металу і для чого воно застосовується?
  5. З якою швидкістю охолоджується метал при відпалюванні?
  6. Що таке гартування сталі та для чого воно провадиться?
  7. Що таке відпуск і для чого він застосовується?
  8. В чому полягає спосіб нормалізації сталі та для чого він застосовується?
  9. Розкажіть про обробку сталі холодом.
  10. Що таке термохімічна обробка металів?
  11. Що таке цементація і для чого вона застосовується?
  12. Які деталі машин підлягають цементації?
  13. Що таке ціанування сталі та для чого, воно застосовується?
  14. Що таке азотування сталі?
  15. Що таке алітування, як воно відбувається та для чого застосовується?
  16. На які види поділяється устаткування для термічної обробки металу?
  17. Які є нагрівні печі для термічної обробки металу?
  18. Як змінюється колір нагрітого металу в залежності від температури?
Tagged: