Сущность термической обработки состоит в том, что нагревом стали или сплава до определенной температуры, выдержкой при этой температуре и последующим быстрым или медленным охлаждением вызывает желаемое изменение свойств стали или сплава. Изменение свойств происходит в результате протекающих в стали превращений, изменяющих микроструктуру металла.
Основными видами термической обработки стали и сплавов являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск и старение.
Отжигом называется процесс нагрева стали до одной из температур в интервале превращений, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения с печью. Отжиг применяют для улучшения структуры стали, улучшения ее обрабатываемости резанием, снятия внутренних напряжений, а также для подготовки к последующей термообработке. Отжиг снижает твердость и повышает вязкость стали.
Нормализацией называется процесс нагрева стали до температуры выше интервала превращений, выдержки при этой температуре с последующим охлаждением на воздухе. Нормализацией достигается улучшение структуры стали, уменьшение внутренних напряжений и повышение механических свойств.
Закалкой называется процесс нагрева стали до одной из температур в интервале превращений или выше его, выдержки при этой температуре и последующего быстрого охлаждения в воде, масле или другой среде. Закаленные стали в большинстве случаев требуют дальнейшей термической обработки (отпуска).
Основное назначение закалки заключается в получении стали с высокими твердостью, прочностью и износостойкостью. Однако закаленная сталь обладает повышенной хрупкостью и легко разрушается .под действием ударных и изгибающих нагрузок. В закаленных деталях всегда имеются большие внутренние напряжения.
Для уменьшения внутренних напряжений и повышения вязкости сталь подвергают отпуску.
Отпуском называется процесс нагрева металла после закалки до температуры ниже интервала превращений, выдержки при этой температуре и охлаждения. Отпуск повышает вязкость стали при сохранении пределов прочности и упругости и уменьшает внутренние напряжения.
Иногда для стабилизации свойств и размеров изделий, т. е. чтобы свойства и размеры не менялись со временем, изделия подвергают старению.
Старением называется процесс длительной выдержки стальных изделий при комнатной температуре (естественное старение) или низкотемпературный нагрев с небольшой выдержкой (искусственное старение).
В процессе термической обработки может возникать брак. При отжиге и нормализации могут возникнуть следующие виды брака: обезуглероживание, перегрев металла, пережог металла.
Обезуглероживание — выгорание углерода с поверхности металла, что при последующей закалке может привести к образованию трещин. Перегрев возникает при нагреве металла до температуры, превышающей установленную, или при длительной выдержке металла в печи. При перегреве зерна металла укрупняются. Это приводит к снижению прочности, вязкости и способствует образованию трещин при закалке. Перегрев стали может быть устранен повторным отжигом или нормализацией. Пережог металла — окисление границ зерен, ведущее к потере прочности стали, является неисправимым дефектом.
При закалке наиболее опасным видом неисправимою брака являются закалочные трещины, образующиеся при излишне резком охлаждении в результате действия больших внутренних напряжений. Другими видами брака при закалке являются обезуглероживание, перегрев и коробление деталей.
Перегрев устраняют повторным отжигом, а чтобы избежать коробление, детали закаливают в специальных штампах и приспособлениях.
Большое количество деталей в машинах воспринимает ударные нагрузки и работает на истирание. Такие детали (зубчатые колеса, ходовые крановые колеса, рабочие валки станов для холодной прокатки металла и др.) должны иметь высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя и вязкую прочную сердцевину. Такое сочетание свойств может быть обеспечено поверхностной закалкой при нагреве токами высокой частоты, а также газопламенной закалкой и закалкой в электролите.
При закалке высокоуглеродистых и легированных сталей структурные превращения в них происходят недостаточно полно и возможности стали для получения высокой твердости используются не полностью. Для повышения твердости, получения однородной структуры стали и для стабилизации размеров детали применяют обработку холодом при температурах от — 12 до —120° С, для чего применяют холодильные машины или смеси сухого льда со спиртом или ацетоном. Смеси обеспечивают охлаждение до —73° С. Для снятия внутренних напряжений после обработки холодом все детали подвергают отпуску при невысоких температурах (150 — 200°С).
Высоких твердости и износостойкости поверхностного слоя детали достигают химико-термической обработкой, т. е. искусственным изменением химического состава поверхностных слоев стали толщиной от сотых и десятых долей до 1 мм. К видам химико-термической обработки относятся: цементация, цианирование, азотирование, алитирование, хромирование.
Цементация — нагрев низкоуглеродистой стали (0,08—0,30% углерода) в карбюризаторе (науглероживающей среде) до температуры в интервале превращений или выше, выдержка при этой температуре и быстрое
или медленное охлаждение. При цементации в результате насыщения углеродом поверхностного слоя происходит его упрочнение с сохранением мягкой и вязкой внутренней зоны.
Цианирование — нагрев металла в цианизаторе, насыщающем сталь углеродом и азотом при температуре, как правило, 800 — 950° С, выдержка при этой температуре и охлаждение. Цианирование повышает твердость и износоустойчивость поверхности деталей из сталей с содержанием углерода от 0,10 до 0,40%, а также из высокохромистых и быстрорежущих сталей.
Цементация и цианирование обычно сопровождаются процессом закалки с отпуском для получения высокой твердости поверхности (HRC56 — 67).
Азотирование — нагрев стали в газообразном аммиаке до температуры не ниже 450° С, длительная выдержка при этой температуре и охлаждение. Этот процесс повышает износостойкость и антикоррозионные свойства тонкого поверхностного слоя стальных деталей. Перед азотированием детали подвергают закалке с отпуском при температуре 600° С на твердость HRC28 — 32.
Алитирование — процесс диффузии алюминия в сталь, повышает жаростойкость.
Хромирование — процесс диффузии хрома в сталь, повышает твердость, жаро- и коррозионную стойкость.
Для получения требуемых свойств поверхностные слои стали насыщают также бором (борирование), кремнием (силицирование) и т. д.
Термическая обработка оказывает исключительно большое влияние на свойства металла и качество пружин.
Вид и режимы термической обработки назначают в зависимости от марки стали, профиля заготовки, размера пружины, а также.от условий службы и характера работы пружин.
Пружины из высокоуглеродистых и легированных сталей подвергают закалке и отпуску, пружины из па-тентированной проволоки — только отпуску.
Патентирование проволоки выполняется обычно на заводе-изготовителе. Патентирование заключается в нагреве стали до температуры выше интервала превращений с последующим охлаждением в ванне из расплавленного свинца или соли, либо на воздухе. Патентированием достигается повышение способности металла к холодной пластической деформации, а также улучшение физико-механических свойств.
При строгом выполнении технологии термической об работки и высокой квалификации термиста гарантируется высокое качество и надежная работа пружин.
Пружинные стали обладают низкой теплопроводностью. В связи с этим необходимо учитывать некоторые особенности нагрева под закалку некоторых марок пружинных легированных сталей. Например, высоком марганцовистые стали перед нагревом под закалку предварительно подогревают до температуры 400 — 500° С. Следовательно, стали под закалку нагревают ступенчато. Вследствие этого опасность образования трещин при нагреве до температуры закалки уменьшается.
Закалку производят следующим образом. Партию пружин укладывают и закрепляют на дне сетчатой металлической корзины. Пружины предварительно подогревают, если этого требует технология обработки стали, затем помещают в печь, нагретую до заданной температуры, и выдерживают при этой температуре до полного прогрева металла по всему сечению. Длительность выдержки зависит от размера сечения проволоки и марки .стали. После этого производится закалка в закалочной среде. Для предупреждения коробления при нагреве под закалку пружины сжатия до термической обработки скрепляют мягкой стальной проволокой, соединяя торцовые (нерабочие) витки с рабочими витками. Иногда для предупреждения короблений и искажений формы пружины применяют приспособления (рис. 67), а также простые швеллерные балки. Для закалки крупных пружин применяют чугунные обоймы. Обойма имеет форму бруса, в котором засверливаются отверстия с уступом для установки пружины. Обойма заполняется пружинами и устанавливается в печь для нагрева. Закалку осуществляют при осторожном погружении пружин в закалочную среду вместе с обоймой.
Закалочными средами для пружинных сталей могут быть масло, вода, воздух и др. Жидкая закалочная среда помещается в специальный бак, который имеет систему охлаждения,"-для регулирования температуры закалочной среды. При закалке в воде происходит очень резкое охлаждение, что способствует образованию трещин в материале пружин. Такую закалку применяют для пружинных сталей очень редко, а если применяют, то добавляют в воду различные примеси (известь, мыло, мел и др.), для того чтобы уменьшить скорость охлаждения пружинной стали.
Температура закалочной среды оказывает большое влияние на структуру и свойства стали после закалки. Например, если температура масла под закалку равна 60° С, то пружина не получает полной закалки, а закалка пружины в масле, нагретом до температуры 30° С, дает требуемую твердость. Масло является самой распространенной средой для закалки. Его применение обеспечивает изготовление пружин хорошего качества с наименьшим браком по термической обработке.
Все закалочные среды имеют различную теплопроводность, и наиболее нагретые слои среды находятся в верхней части закалочного бака. Для того чтобы температура среды была равномерна по всему объему, через нее при помощи специальной трубки продувают сжатый воздух. Применяют и другие способы охлаждения и перемешивания закалочных сред.
После закалки пружины подвергают отпуску для повышения вязкости и для уменьшения внутренних напряжений, полученных в результате резкого охлаждения при закалке. Отпуск пружин осуществляется обычно в отпускных печах, которые могут быть пламенными, муфельными .и электрическими. Часто отпуск пружин выполняют в соляных ваннах. Температура и время вы-держки при отпуске зависят от марки стали, диаметра пружины и проволоки.
Отпуск пружин из патентированной проволоки заключается в нагреве их до температуры 250 — 350° С и выдержке при этой температуре в течение 15 — 3 0 мин. Если не производить отпуск пружин из патентированной проволоки, то при трехкратном и более обжатии то соприкосновения витков свободная высота пружины уменьшается, а пружина делает осадку без изменения количества витков и увеличивается в диаметре.
При выполнении отпуска для таких пружин величи на осадки при трехкратном и более обжатии уменьшается почти вдвое, а упругие свойства увеличиваются. При этом наружный диаметр отпущенной пружины кесколь ко уменьшается, а количество витков увеличивается на 1—2%. Все изменения размеров пружин из патентированной проволоки, которые происходят при термической обработке, должны быть учтены при -навивке на автоматах, а также при выборе оправок и шага навивки пружин.
Термическая обработка пружин уменьшает остаточные деформации за счет уменьшения внутренних напряжений, увеличивает упругие свойства и вязкость, благодаря чему обеспечиваются высокое качество и надежная работа пружин.
