Термическая обработка металлов

Термической обработкой металлов и спла­вов называется процесс изменения внутреннего строения (струк­туры) металлов и сплавов путем нагрева, выдержки и последующего охлаждения с целью получения металлов и сплавов с необходимыми свойствами.

Термической обработке подвергают заготовки (кованые, штам­пованные, литые и др.) и готовые детали. Заготовки подвергают тер­мической обработке в целях улучшения их структуры и снижения твер­дости, а обрабатываемые детали — для придания им необходимых свойств: твердости, прочности, износостойкости, упругости и др.

Термическая обработка применялась с давних времен, но сущность изменений,- происходящих при нагреве и охлаждении сплавов, и, следовательно, умение управлять ими и получать нужные результа­ты были изучены недавно.

Д. К. Чернов, работая на Обуховском заводе над изучением ору­дийных сталей, обнаружил ряд изменений в стали при ее нагревании и охлаждении, которые не были замечены металлургами до него. На­блюдая за раскаленными заготовками стали, он неоднократно заме­чал, что при определенных температурах в металле происходят ка­кие-то внутренние превращения (изменения). Об этом можно было, су­дить по двум признакам: в определенный момент цвет охлаждаемой ста­ли становился на несколько мгновений ярче, и в это же время от стали интенсивно отскакивала окалина. Он открыл две температу­ры, которые оказывали решающее значение на строение и свойства охлажденной стали.

Д. К. Чернов назвал эти температуры критическими точками и обозначил буквами А и В. В настоящее время эти точки обозначают Ас1 и Ас3. Одна критическая точка соответствовала темно-вишневому калению, т. е. 723°С (точка А), а вторая — красному калению — около 800°С (точка В).

Это открытие Д. К. Чернова имеет мировое значение. Практически оно значит, что для получения высоких механических свойств сталь следует нагревать до точки В или несколько выше, а затем охла­дить.

Последующие исследования ряда ученых подтвердили существо­вание критических точек и превращений в стали, которые впервые объяснил Д. К. Чернов.

Изменяя температуру и продолжительность нагрева, температуру и продолжительность выдержки и скорость охлаждения, можно сооб­щить стали одного и того же химического состава самые разнообразные свойства, т. е. делать ее твердой или мягкой, в различной степени плас­тичной, хрупкой и т.п. Совокупность этих условий называется режи­мом термической обработки.

Приборы для измерения температуры нагрева

Правильное определение температуры нагрева стали при терми­ческой обработке имеет очень большое значение.

При нагревании стали необходимо помнить, что разные марки ее имеют различную температуру нагрева.

Для измерения и контроля температуры до 400°С пользуются ртутными и спиртовыми термометрами, а в печах с рабочей темпе­ратурой до 1250°С и выше -термоэлектрическими и оптическими пирометрами.

Термоэлектрический пирометр

Термоэлектрический пирометр

Термоэлектрический пирометр

Термоэлектрический пирометр со­стоит из термопары 1 и милливольтметра (гальванометра) 2. Термопара представляет собой прибор, в котором имеются две проволоки (термо­электроды) 3 из разнородных металлов или сплавов, сваренных в точ­ке 7. Каждая из проволочек заключена в фарфоровую трубочку 5. Трубочки помещены в кожух 4. Свободные концы проволочек соеди­нены гальванометром при помощи зажимов.

Если термопару местом «горячего» спая 7 поместить в печь, темпе­ратуру которой определяют, то в проводниках 6 возникает термоэлек­тродвижущая сила (ток). Чем выше будет температура «горячего» спая, тем выше будет величина термоэлектродвижущей силы (тока), кото­рая вызывает отклонение стрелки милливольтметра.

Оптический пирометр с «исчезающей нитью»

Оптический пирометр с исчезающей нитью

Оптический пирометр с исчезающей нитью

Оптический пирометр с «исчезающей нитью» представляет собой зрительную трубу с окуляром 1, внутри которой имеется лампочка 3, питаемая от аккумулятора 5. Ток, изменяемый реостатом 4 измеряется прибором, шкала 2 которого разделена на градусы.

Для измерения температуры трубу наводят на испытуемый объект, например на нагреваемую деталь в печи, таким образом, чтобы в оку­ляре было видно светлое пятно, С увеличением силы тока светящая­ся нить лампочки становится ярче, чем фон, полученный от нагретой детали (рис. 18, г), а с уменьше­нием тока — темнее, чем фон дета­ли (см. рис. 18, б). Регулируя ре­остатом ток в лампочке, можно сделать так, что изображение ни­ти на фоне (рис. 18, в) станет не­заметным. При этом по отклонению стрелки пирометра определяют тем­пературу нагрева металла.

Для контроля используются также электронные автоматические потенциометры типа ЭПД. Темпера­тура в них записывается на диско­вой диаграмме, которая совершает полный оборот за 24 ч. Для наблю­дения за показаниями прибор имеет также показывающую стрелку. Контроль температур при термиче­ской обработке осуществляют так­же приближенными способами, даю­щими ориентировочное значение температур нагретого металла по оттенкам, которые принимает рас­каленная сталь. К таким способам относятся определение температу­ры металла по цветам кале­ния, при нагреве под закалку или отжиг, а также определение температуры металла при отпуске по цветам побежалости, появляющимся на поверхности изделия. Наблюдаемая поверхность металла в этом случае должна быть чистой, без окалины.

Виды термической обработки. Отжиг и нормализация

В зависимости от температуры нагревания и условий охлаждения различают следующие виды термической обработки: отжиг, нормали­зация, закалка и отпуск. Они имеют различные назначения и отличают­ся друг от друга скоростью и температурой нагрева, временем выдерж­ки при этой температуре и скоростью охлаждения. Температура нагре­ва при отжиге, нормализации и закалке зависит от содержания углеро­да.

Отжигом называют такую операцию, при которой сталь на­гревают до определенной температуры, выдерживают при этой тем­пературе и затем медленно охлаждают вместе с печью. Отжиг повы­шает обрабатываемость стали резанием, а также обрабатываемость без снятия стружки.

Целью отжига является:

  • уменьшение внутренних напряжений в деталях после механичес­кой (горячей или холодной) обработки — низкотемпературный от­жиг;
  • устранение нежелательного изменения в структуре, вызванного обработкой,- полный отжиг;
  • изменение структуры в целях облегчения условий обработки ре­занием, т. е. уменьшение сопротивления стали резанию,- неполный отжиг.

Низкотемпературный отжиг

Неравномерность охлаждения стального проката или поковок приводит к образованию внутренних напряжений в металле, которые в необработанной заго­товке не проявляются и обнаруживаются только при односторонней ее обработке. Волочение, прокатка, строгание, точение, фрезерование и др. вызывают возникновение в заготовке внутренних напряжений, которые должны быть уменьшены или полностью устранены перед за­калкой изделия. В таких случаях достаточно нагреть заготовку до температуры 500-600°С.

Полный отжиг

применяют главным образом после горячей обработки деталей (ковки и штамповки) и для обработки отливок из углеродистых и легированных сталей. Основной целью полного от­жига кованых и литых деталей является измельчение зерна. Полный отжиг осуществляется путем нагрева стали на 30-50°С выше линии GSK (точка Асз) (рис. 21), выдержки при этой температуре и после­дующего медленного охлаждения вместе с печью. Время выдержки при нагреве должно быть достаточным для прогрева изделий по всему се­чению.

Неполный отжиг

Если до отжига структура стали удов­летворительная, но сталь обладает повышенной твердостью и в дета­лях имеются внутренние напряжения, применяют неполный отжиг. При неполном отжиге сталь нагревают до температуры, на 30-40°С превышающей нижнюю критическую точку Ас1, т. е. до 750-760°С. Замедленное охлаждение или длительная выдержка стали при темпе­ратурах 680-750°С способствуют образованию крупнозернистости, облегчающей обрабатываемость стали.

Для мягких сталей с содержанием углерода до 0,4-0,5% неполный отжиг применяется редко. Для инструментальных сталей неполный отжиг является единственным видом отжига. Он способствует снятию внутренних напряжений и улучшению обрабатываемости.

Изотермический отжиг в отличие от полного отжига заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Асз (конструкционные стали) или выше точки Ас1 на 50-100°С (инструментальные стали) и после выдержки охлаждают в расплавленной соли.до температуры ниже точки Ас1 на 30-100°С (680-700°С). При этой температуре сталь подвергают выдержке, а затем охлаждают до комнатной температуры. Температура изотермической выдержки оказывает значительное влияние на свойство стали.

Оптимальные интервалы нагрева стали для отжига, нормализации, закалки и отпуска

Оптимальные интервалы нагрева стали для отжига, нормализации, закалки и отпуска

Основное преимущество изотермического отжига состоит в том, что он позволяет сократить длительные циклы, применяемые при ука­занных отжигах деталей из легированной стали, которые требуют очень медленного охлаждения для снижения твердости.

Диффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют, чтобы выровнять (путем диффузии) химический состав стали в слит­ках и крупных отливках. Диффузионный отжиг осуществляют при вы­соких температурах (1100-1200°С) с выдержкой от 10 до 15 ч при этой температуре, а затем медленно охлаждают до 600-550°С.

Сталь, прошедшая диффузионный отжиг, обладает более высокими механическими свойствами, особенно повышается ударная вязкость.

Отжиг на зернистый перлит применяют для ста­лей, содержащих более 0,65% углерода, с целью понизить их твердость и улучшить обрабатываемость резанием. Для отжига сталь нагревают немного выше Ас1 и после выдержки при рабочей температуре в те­чение 3-5 ч медленно охлаждают (со скоростью 30-50°С в час) сна­чала до 700°С, затем до 650-600°С и далее на воздухе.

Рекристаллизационный, или низкий, отжиг применя­ют для исправления искажений кристаллической решетки, полученных при холодной прокатке, волочении или холодной штамповке. Отжиг про­изводят нагреванием стали до температуры ниже точки Ac1 (630 -650°С) с выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением, в резуль­тате чего вместо деформированной (вытянутой) структуры получают мелкозернистую, равноосную, мягкую и вязкую структуру.

Нормализацией называется операция нагрева стали на 30-50° С выше линии GSE (точки Асз — для конструкционной стали или Ас1 — для инструментальной стали) с выдержкой при этой тем­пературе и последующим охлаждением на воздухе.

Нормализации подвергаются штампованные и кованые заготовки из углеродистой и легированной стали. Цель нормализации — улуч­шение микроструктуры стали, повышение механических свойств и подготовка к последующей термической обработке. Нормализацией можно исправить структуру после ковки и штамповки деталей, унич­тожить последствия перегрева после сварки деталей и снять напряже­ния в сварном шве. После нормализации отливки имеют высокий пре­дел текучести и прочности, а также повышенную ударную вязкость. Для некоторых марок углеродистых и специальных сталей нормали­зация является окончательной операцией термической обработки, так как в результате нормализации сталь приобретает требуемые свойства.

Скорость нагрева, закалочные среды, способы закалки

Закалкой называют такую операцию термической обработки, при которой сталь нагревают до температуры, несколько выше крити­ческой, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают в воде, масле, водных растворах солей и др.

Цель закалки — получение стали с высокими твердостью, проч­ностью, износоустойчивостью и другими важными свойствами, повы- шающими эксплуатационную надежность и долговечность обрабаты­ваемых деталей и инструмента л Качество закалки зависит от темпера­туры и скорости нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.

Температура нагрева

При закалке конструкционные стали нагревают на 20-40° С выше линии GS (точки Асз), а инстру­ментальные стали — на 30-50° С выше линии PSK (точки Ас1), вы­держивают в течение времени, необходимого для выравнивания тем­пературы по всему сечению детали, и быстро охлаждают.

Быстрорежущие, нержавеющие и другие высоколегированные стали закаливают при более высоких температурах нагрева: быстро­режущую сталь Р18 закаливают при температуре 1260-1280° С, а нержавеющую сталь (например, 4X13)-при температуре 1050- 1100° С

При выборе режимов закалки пользуются справочниками.

Допускаемая скорость нагрева металла при терми­ческой обработке зависит от типа нагревательного устройства, массы одновременно нагреваемого металла, его химического состава, тепло­проводности, степени однородности и чистоты, а также формы, раз­меров деталей и температуры нагрева.

Увеличение скорости нагрева сокращает длительность термической обработки, повышается производительность оборудования, уменьша­ется угар металла и т. д.

Чем больше в стали углерода и легирующих элементов, чем сложнее форма и больше размеры детали, тем медленнее должен осуществляться нагрев во избежание возникновения больших внутренних напряжений, которые вызовут коробление и даже образование трещин в детали.

Для медленного нагрева детали загружают в холодную печь (мед­ленный нагрев вместе с печью). При загрузке деталей в печь, имеющую температуру заданного режима термообработки, достигается высокая скорость нагрева. Таким методом главным образом нагревают мелкие детали-пружины, шпильки, гайки и т.п..

Медленно нагревают детали до температуры 500-600° С, затем процесс нагрева ускоряют, так как внутренние напряжения в деталях из-за разности температур уже не будут возникать. Время нагрева ин­струментальных углеродистых и среднелегированных конструкцион­ных сталей больше, чем конструкционных углеродистых сталей, на 25-50%, а высоколегированных на 50-100%.

После нагрева до заданной температуры детали выдерживают в течение определенного промежутка времени для выравнивания тем­пературы по всему сечению детали и завершения структурных превра­щений.

Закалочные среды применяют следующие:

воду, водные растворы солей, расплавленные соли и минеральные масла (веретен­ное 2 и 3; машинное Л, С, СУ и трансформаторное).

Закалочную среду выбирают с учетом химического состава стали. Нужно иметь в виду, что единой универсальной среды для закалки стали нет, поэтому пользоваться следует различными средами. В ка­честве закалочных сред используют также 5-10%-ный раствор ед­кого натра или поваренной соли, при этом скорость охлаждения стали в два раза больше.

Способы закалки стали

Основными способами закалки стали являются:

  • закалка в одном охладителе;
  • в двух средах;
  • ступенчатая;
  • с подстуживанием;
  • самоотпуском;
  • изотермическая.

Закалка в одном охладителе состоит в погруже­нии нагретых изделий в жидкость (вода для углеродистых сталей, масло для легированных), где оставляют их до полного охлаждения. Такой способ закалки применяется для закалки изделий простой формы.

Недостаток его заключается в том,что в результате большой разницы в температурах нагретого металла и охлаждающей среды в деталях воз­никают большие внутренние напряжения, называемые термическими, которые вызывают трещины и коробления и другие дефекты.

Закалка в двух средах, или прерывистая закалка, со­стоит в следующем. Нагретые детали сначала быстро охлаждают в воде до температуры 300-400°С, а затем быстро переносят для полного охлаждения в масло. Такую закалку применяют обычно для высоко­углеродистых инструментальных сталей. Недостаток прерывистой закалки состоит в том, что трудно установить время пребывания детали в первой среде, так как оно очень мало (1 с на каждые 5-6 мм се­чения детали). Излишняя выдержка в воде вызывает коробление и появление трещин.

Ступенчатая закалка, заключается в том, что нагретые дета­ли сначала охлаждают в расплавленной соли или в масле (темпера­тура которых должна быть 240-250°С), выдерживают в этой среде, а затем переносят для окончательного охлаждения на воздух.

Ступенчатую закалку широко применяют в массовом производстве, особенно при изготовлении инструмента с небольшим сечением, тре­бующего высокой твердости. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями, а следовательно, уменьшает опасность коробления и образования трещин.

Наиболее хорошо поддаются ступенчатой закалке глубоко прокали­вающиеся углеродистые и легированные стали 9ХС, ХГ, ХВГ и др.

Закалка с подстуживанием применяется для умень­шения разницы в температурах металла и закалочной среды, если на­грев детали проведен до температуры, значительно превышающей тем­пературу закалки данной стали.

Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду выдержи­вают (подстуживают) некоторое время на воздухе. При подстуживании необходимо, чтобы температура детали не опускалась ниже точки Аr3 для конструкционных сталей и ниже точки Аr1 для инструмен­тальных. Цель этого способа закалки — уменьшение внутренних на­пряжений и коробления деталей, особенно цементованных.

Закалка самоотпуском состоит в том, что нагретую деталь выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлажде­ния; иногда в закалочную среду погружают только часть детали, для которой требуется высокая твердость.

В некоторый момент охлаждение прерывают, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, за счет которого осуществляется отпуск. Этот момент устанавливается опытным путем, качество закалки в этом случае зависит от мастерства термиста.

Контроль за температурой отпуска при этом способе закалки осу­ществляется по так называемым цветам побежалости, возникающим на поверхности детали при температуре 220-330°С.

Закалку самоотпуском применяют только для обработки ударного инструмента -зубил, бородков, кернеров и др., так как у тако­го инструмента твердость должна равномерно и постепенно понижать­ся от рабочей части к хвостовой.

Изотермическая закалка — наиболее прогрессивный способ закалки, его применяют в том случае, когда нужно изго­товить деталь с максимальной прочностью, достаточной пластичностью и вязкостью. Сталь, нагретую на 20-30°С выше линии GSK (точка Ас3), быстро охлаждают в соляной ванне, имеющей температуру 250-300° С, выдерживают в этой горячей среде (изотермическая выдержка), а затем деталь охлаждают на воздухе.

Этот способ закалки позволяет снизить термические напряжения, так как после изотермической выдержки структурные изменения в стали уже не происходят. Изотермическую закалку применяют для пружин, рессор, болтов, труб и других изделий из легированных ста­лей 6ХС, 9ХС, ХВГ и др.

Приемы погружения деталей при закалке

Приемы погружения деталей при закалке

Приемы погружения деталей при закалке

Патентирование стали состоит в нагреве деталей до температуры 800-900°С, выдержке и охлаждении в ваннах с расплав­ленным свинцом (500-600°С) и последующей обработке давлением. После патентарования сталь приобретает высокую прочность, обла­дает высокой упругостью и хорошей пластичностью.

При обычном охлаждении закаливаемых деталей необходимо со­блюдать следующие правила:

  • количество охлаждающей жидкости должно быть достаточным, чтобы температура ее мало изменялась во время охлаждения закаливаемый деталей;
  • перед погружением нагретой детали охлаждающую среду (воду, масло) необходимо тщательно перемешать для выравнивания темпера­туры.

В процессе охлаждения при закалке вокруг деталей образуется паровая рубашка (паровое окружение). Так как пар является плохим проводником тепла, то скорость охлаждения стали уменьшается. Кроме того, паровая рубашка ухудшает прокаливаемость стали. Для удаления образующейся вокруг погружаемой в жидкость детали па­ровой рубашки, препятствующей свежему притоку воздуха, обрабаты­ваемую деталь следует перемещать в вертикальном и горизонтальном направлениях. Тонкие длинные детали во избежание коробления нельзя охлаждать, опуская в жидкость плашмя, так как нижние слои металла, охлаждаясь первыми, сжимаются. Детали с неодинаковым сечением следует по­гружать более толстой частью вниз.

Приемы погружения деталей при закалке показаны выше, на рис. 22. На образование трещин оказывает влияние форма углов у детали. Поэтому углы, особенно острые, необходимо закруглять и тщательно обрабатывать.

Угольник с прямым углом после закалки образует трещины, если не просверлить во внутреннем углу отверстия и не сделать подрезки. Зубья шлицевого валика охлаждаются быстрее сердцевины и уменьша­ются в объеме быстрее, чем стержень. Поэтому в углах зубьев созда­ются сильные напряжения, вызывающие трещины.

Поверхностная закалка

Часто требуется, чтобы деталь машины имела очень твердую изно­состойкую поверхность, но чтобы ее сердцевина при этом оставалась вязкой, прочной, хорошо переносила удары и знакопеременные на­грузки. К таким деталям относятся зубчатые колеса, шейки коленча­тых валов и другие стальные тяжелые детали.

Из существующих способов поверхностной закалки наибольшее промышленное применение имеют: закалка токами высокой частоты (ТВЧ), а также закалка в электролитах.

Закалка в электролите

Закалка в электролите

Закалка в электролите

 Закалка в электролите (рис. 23), заключа­ется в том, что деталь 1 погружают в ван­ну 5 с электролитом 4 (например, 5%-ным раствором Na2SO3), через который пропус­кают постоянный ток от генератора 3 нап­ряжением 220-380 В. Ванна служит ано­дом, а деталь — катодом, вокруг которого образуется оболочка 2 (пузырьки) водоро­да с очень высоким сопротивлением.

Водородная оболочка 2 быстро нагрева­ется до температуры 1800-2000° С и в те­чение нескольких секунд нагревает поверх­ность детали до температуры выше точки Асз. Нагретую деталь охлаждают в том же электролите после выключения тока или сбрасывают в закалочный бак.

Закалка в электролите проста, позволяет нагревать отдельные места детали, например торцы, дает возможность автоматизировать процесс. К недостаткам этого способа относятся трудность регулиро­вания температуры, низкая производительность, ограниченное число деталей, поддающихся закалке, и необходимость предохранения их от коррозии.

Поверхностная закалка токами высокой частоты дает возможность в короткое время получить на изделии хорошо сопротивляющийся износу поверхностный слой при мягкой и вязкой сердцевине. Этот способ разработан В. П. Вологдиным.

При закалке нагреваемое изделие помещают внутри медной спирали, по которой пропускается ток высокой частоты. Этот ток создает вокруг спирали сильное переменное магнитное поле, поэтому в стальном изде­лии индуктируются вторичные короткозамкнутые (вихревые) токи, которые сосредоточены только на поверхности изделия и нагревают его на определенную глубину. Чтобы спираль первичного тока не на­гревалась, ее делают из медной трубки, через которую пропускают воду. Такие спирали называются индукторами.

Индукторы могут иметь несколько витков или один, охватывающий нагреваемое изделие. Форма индуктора должна соответствовать форме закаливаемого изделия.

Для получения тока высокой частоты применяются машинные и ламповые генераторы. Скорость и температура нагрева зависят от зазора между индуктором и нагреваемой деталью: чем меньше этот зазор, тем быстрее деталь нагревается до заданной температуры. Обычно зазор между индуктором и нагреваемой деталью составляет 2-5 мм.

В зависимости от формы, размеров закаливаемых деталей и предъ­являемых к ним требований различают три способа высокочастотной закалки.

Для закалки небольших деталей применяют способ одно­временной закалки (рис. 24, а); вся поверхность закали­ваемой детали находится в зоне действия индуктора и нагревается одновременно. Деталь в индукторе должна вращаться. После нагрева реле времени отключает индуктор от генератора и включается водяной душ, который одновременно охлаждает всю деталь.

Способы высокочастотной закалки

Способы высокочастотной закалки

Детали значительной длины закаливают непрерывно- последовательным способом (рис. 24, б). Вал 1 вращается вокруг вертикальной оси и перемещается внутри индуктора 2 сверху вниз, последовательно проходя через зону нагрева и зону охлажде­ния закалочного устройства 5, к которому по шлангу 4 подается вода. Непрерывно-последовательную закалку стальных плит выполняют при помощи плоских индукторов (рис. 24, в).

Для закалки отдельных участков детали применяют способ последовательной закалки: поверхность нагревается и охлаждается по частям, например каждый зуб зубчатого колеса (рис. 24, г).

Преимущества обработки деталей токами высокой частоты: высо­кая производительность и большая экономичность, более высокая твердость по сравнению с другими способами поверхностной закалки, возможность точного регулирования глубины закаленного слоя, от­сутствие окалины и меньшее коробление закаленных деталей, возмож­ность автоматизации процесса, улучшение условий труда рабо­чих и др,

Обработка холодом

Обработка холодом (при отрицательных температурах) является новым методом термической обработки, разработанным уче­ными А. П. Гуляевым, С. С. Штейнбергом, Н. А. Минкевичем. Об­работке холодом подвергают инструменты и детали, содержащие не менее 0,6% углерода. Обычно этот метод применяют для инструмен­тов, изготовленных из стали Р18, деталей — из цементируемых ста­лей 18ХНВА и из других легированных сталей. Обработку холодом применяют с целью повышения красностойкости и твердости стали.

Обработку холодом проводят сразу после остывания закаленных изделий до комнатной температуры путем их погружения в среду, имею­щую температуру ниже нуля. После выдержки изделия извлекают на воздух. Выдержку при обработке холодом определяют временем, необ­ходимым для полного охлаждения всего изделия и выравнивания тем­ператур по сечению. Охлаждают изделие до отрицательных темпера­тур в смеси твердой углекислоты (сухой лед со спиртом, дающий охлаж­дение до -78°С) либо в жидком азоте (-196°С). Кроме того, при­меняют холодильные установки, позволяющие изменять температу­ру рабочей камеры в больших пределах.

Отпуск и старение закаленной стали

Отпуском называется процесс термической обработки, при­меняемый после закалки стали с целью устранения внутренних на­пряжений, уменьшения хрупкости, понижения твердости, увеличения вязкости и улучшения обрабатываемости.

Отпуск заключается в нагреве стали до температуры ниже линии PSK (точки Ас1), (см. рис. 21), выдержке при этой температуре с последующим охлаждением в воде, масле или другой среде. В зависи­мости от требуемых свойств стали, различают низкий, средний и вы­сокий отпуск.

Низкий отпуск применяют для обработки режущего и измерительного инструмента, изготовленного из углеродистых и низ­колегированных сталей, шариков и роликов шарикоподшипников и др. Низкий отпуск осуществляют при температуре 150-200°С с выдерж­кой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе.

В результате низкого отпуска сталь сохраняет высокую твердость HRC 60, устраняется хрупкость, снимаются внутренние напряжения.

Средний отпуск применяют для инструментов, которые должны обладать значительной прочностью и упругостью при сред­ней твердости HRC 35-47, а также для некоторых деталей (пружин, рессор). Этот отпуск производится при температуре 300-500°С.

Высокий отпуск (500-600°С) применяется с целью пол­ностью снять внутренние напряжения, придать деталям высокую вяз­кость при условии сохранения достаточной твердости. Высокому от­пуску подвергаются детали машин из конструкционной стали, которые работают при больших напряжениях и ударах: зубчатые колеса, ва­лы, шатуны и т. д.

Закалку и отпуск инструментов простых форм (бородков, кернеров, зубил и т. д.) обычно осуществляют с одного нагрева (закалкой с само­отпуском). Нагретый под закалку инструмент охлаждают не весь, а «замачивают» только его рабочую часть и, не вынимая из закалочной среды, перемещают в вертикальном направлении. Этим достигается равномерное изменение свойств металла. Отпуск рабочей части про­исходит после того, как инструмент вынут из охлаждающей жидкости, за счет тепла, сохранившегося в неохладившейся внутренней части инструмента. Рабочую часть инструмента быстро зачищают старым напильником, куском обломанного шлифовального круга или шли­фовальной шкуркой. При появлении на поверхности рабочей части цвета побежалости, соответствующего необходимой температуре, ин­струмент вновь погружают в закалочную среду до полного охлаждения.

Таким образом, сердцевина инструмента, подвергнутого самоотпуску, будет иметь вязкость, необходимую, на­пример, для зубила, которое должно выдерживать ударные нагрузки, испытываемые при рубке.

Старение закаленной стали

При низкотемпе­ратурном отпуске большая часть внутренних напряжений в зака­ленной стали остается С течением времени они постепенно исчезают, в результате чего в металле наступает полное структурное равновесие. Самопроизвольное исчезновение внутренних напряжений при комнат­ной температуре весьма длительно и сопровождается изменением формы и размеров закаленных деталей. Этот процесс называют естес­твенным старением. Изменение размеров в процессе ес­тественного старения невелико и измеряется в микронах. Для деталей машин и режущего инструмента изменения размеров не имеют прак­тического значения, поэтому их обычно не учитывают. Однако при изготовлении сверхточных машин, например, координатно-расточных станков, измерительных калибров, даже такие небольшие изменения недопустимы. Чтобы размеры деталей и инструмента не изменялись’ с течением времени и оставались стабильными, их подвергают искус­ственному старению.

Сущность искусственного старения состоит в том, что закаленные и отпущенные при низкой температуре детали и инструмент после пред­варительного шлифования сначала подвергают нагреву до 100-150°С, затем выдерживают при этой температуре в течение 18-35 ч. При таком нагреве и выдержке все процессы, вызывающие изменение размеров стали, протекают значительно быстрее, чем при комнатной темпера­туре. Поэтому после старения размеры деталей и инструмента ста­билизируются.

Искусственное старение чаще всего производится в масляных ван­нах. При отсутствии в цехе масляных ванн искусственное старение производят в кипящей воде с выдержкой в течение 36 ч.

Техника безопасности при термической обработке

Работы по термической обработке металлов выпол­няют в соответствии с правилами техники безопасности, указанными в специальной инструкции.