ТЕМА 2. Термічні операції у технологічних процесах виготовлення деталей

1. Загальні відомості про термічну обробку деталей

Під термічною обробкою розуміється процес теплового впливу на металеві деталі виробів з метою покращення їх фізико-механічних властивостей шляхом зміни струк­тури матеріалу. Тепловий вплив полягає у нагріванні до певної температури, витримці та охолодженні деталей, що призводить до зміни фізико-механічних і хімічних властивостей металів деталей, а це дозволяє одержувати їх більшу твердість, зносостійкість та ін. Можливість застосування того чи іншого виду термічної обробки деталей визна­чається за діаграмою стану металів або їх сплавів. Виділяються основні групи сплавів, які не мають фазових перетворень у твердому стані, зі змінною розчинністю компонентів у твердому стані, з евтектоїдним перетворенням. Розрізняють такі види термообробки деталей (рис. 1):

Відпал металевих деталей, який призначається для зняття внутрішніх напружень у деталі, зниження твердості та лікваційної неоднорідності, покращення оброблюваності, підвищення механічних властивостей, пластичності та в'язкості, усунення крихкості. Розрізняють відпал рекристалізаційний (першого роду), що проводиться за температур, коли ще фазові перетворення не проходять (нижче точок фазових перетворень). Він призначений для зняття наклепу, внутрішніх напружень, усунення неоднорідності хімічного складу (ліквації), підвищення пластичності та оброблюваності тиском. Відпал другого роду пов'язаний з фазовою рекрис­талізацією, тобто нагрівом до температури, вищої за температури фазових перетворень і повільним охолодженням до завершення таких перетворень. Метал має стійку рівноважну структуру, найбільшу пластичність, в'язкість, але і найменшу твердість. Відпал застосовується для одержання дрібнозернистої структури, пом'якшення та поліпшення оброблюваності.

 Нормалізація — застосовується для одержання дрібнозернистої та однорідної структури метале­вих деталей, зняття внутрішніх напружень, покра­щення оброблюваності, а також як попередня технологічна операція для збільшення глибини прожарюваності вуглецевих інструментальних ста­лей. Від відпалу відрізняється охолодженням металевих деталей не у печі, а на спокійному повітрі, після чого набуває дрібнозернистої однорідної структури, за якої зменшуються внутрішні напруження. Нормалізація найчастіше застосовується, як проміжна обробка для поліпшення структури сталі перед гартуванням.

Рис. 1 – Види термічної обробки за діаграмою залізо-вуглець

Гартування застосовується для підвищення механічних властивостей металевих деталей і проводиться їх нагріванням на 20...30° С вище температур фазового перетворення (рис. 1.), витримкою при цій температурі та швидким охолодженням у воді, маслі чи іншому охолоджуючому середовищі. Гартування проводиться з метою одержання нерівноважної метастабільної структури металевих деталей. Внаслідок великої швидкості охолодження металевих деталей рівноважні фазові перетворення не встигають відбутися і тому при кімнатній температурі одержуються власне перехідні метастабільні структури або структури високотемпературного стану металу. В першому випадку метал деталі набуває міцності, твердості та крихкості (наприклад, для сталей), а в другому — найвищої пластичності та в'язкості (для алюмінію). Тепер широко застосовується поверхневе гартування, що забезпечує високу твердість лише поверхні деталі та в'язку серцевину. Поверхневе гартування здійснюється шляхом швидкого нагрівання поверхневої варстви металевої деталі.

Відпуск призначений для зменшення гартувальних напружень металевих деталей шляхом нагрівання до температури, нижчої від температур фазових перетворень, витримки при ній та охолодження частіше на повітрі. При такій термообробці структура металевих деталей наближається до рівноважного стану, міцність, твердість і крихкість загартованого металу зменшуються, а пластичність і в'язкість збільшуються.

Старіння металевих деталей застосовується для зміни їх властивостей, наприклад, зміни напружень масивних виливок у разі збільшення міцності та твердості зі змен­шенням пластичності та в'язкості. Процес зміцнення металу за рахунок виділення у ньому вторинних фаз називається дисперсійним старінням (твердінням). Якщо старіння відбувається після термічної обробки, то його називають термічним старінням.

 Хіміко-термічна обробка полягає у насиченні нагрітої поверхні металевої деталі вуглецем, азотом, алюмінієм, хромом та іншими елементами з метою зміни складу, структури і властивостей поверхневого шару для одержання більш твердої та зносостійкої робочої поверхні деталі з поліпшеними механічними властивостями, підвищеною корозійною стійкістю та червоностійкістю. За такої теплової обробки деталі нагрівають в хімічно активних середовищах, де внаслідок дифузії поверхневі шари насичуються цими елементами, а зміна хімічного складу призводить до зміни їх властивостей.

Термомеханічна обробка поєднує термообробку з пластичною деформацією металу у різній послідовності з метою одержання потрібної структури і високих механічних властивостей. Суть її полягає в тому, що перед гартуванням здійснюють пластичну деформацію високотемпературної фази, а під час гартування фазове перетворення відбувається в нагартованому чи частково рекристалізаційному стані. Ця обробка суттєво в 1,5...2 рази підвищує міцність і ударну в'язкість сталі, зносостійкість, опір утомленості за незначного зниження пластичності, порогу холодноламкості, крихкості, чутливості до утворення тріщин. Залежно від температури деформації розрізняють високо- та низькотемпературну термохімічну обробку.

Термоциклічна обробка полягає в багаторазовому повторному термічному впливі при­скореними нагріваннями та охолодженнями з підвищеними швидкостями. Цій обробці характерна відсутність витримок у разі досягнення потрібної температури нагрівання, що призводить до скорочення тривалості термообробки, зменшення витрат енергії, а головне — до можливості комплексної зміни характеристик міцності деталей. Залежно від температури нагрівання розрізняють низько-, середньо- та високотемпературну термоциклічну обробку. Можливе суміщення з термохімічною обробкою.

Обробка холодом при низьких температурах застосовується для перетворення залиш­кового аустеніту загартованої сталі на мартенсит. Середньовуглецеві сталі з вмістом вуглецю 0,4% і більше, а також леговані містять від 3% до 12% залишкового аустеніту. Тому обробку сталі холодом трактують як продовження її гартування охолодженням у середовищах з температурами, нижчими від 0° С. Практично така обробка здійснюється в інтервалі температур -20...-196° С. При цьому досягається підвищення твердості на НRС 3...4, в деяких випадках навіть на НRС 15. В охолоджувальних установках використовуються такі гази, як азот (температура кипіння при атмосфер­ному тиску -195,78° С), вуглекислота (-78,2° С), етан (-88,5 С), повітря (-195° С), фреон 14 (-128° С). Після обробки холодом здійснюється низький відпуск.

 

 

Рис. 2. - Послідовність операцій та орієнтовні режими термообробки інструментів з їх охолодженням нижче 0°