Углеродистые стали применяют при производстве деталей, узлов и механизмов для разных отраслей промышленности, сельского хозяйства и ЖКХ. Они востребованы благодаря сочетанию эксплуатационных свойств с доступной стоимостью, но склонны к появлению коррозии при взаимодействии с влагой и агрессивными веществами.
Термообработка углеродистых сталей позволяет улучшить характеристики и получить материалы с заданными параметрами. Процесс может выполняться на разных этапах производства, меняет структуру и сохраняет химический состав материала.
Особенности технологии
Углеродистые стали представляют собой сплав железа и углерода, количество которого составляет до 2,14%. Содержание марганца, серы и других элементов минимально. Термическая обработка различных марок происходит за счет температурного воздействия на заготовки и готовые изделия и предусматривает полиморфное превращение. Она выполняется поэтапно с соблюдением режима и включает:
- Нагрев. С помощью муфельных печей и другого оборудования заготовки доводят до заданных показателей температуры, которые зависят от вида термообработки и меняют структуру материала.
- Выдержка. Она необходима для перехода в состояние аустенита и равномерных изменений материала. Продолжительность временного периода зависит от размеров детали и химического состава стали.
- Охлаждение. Обеспечивает дальнейшее преобразование структуры металла. Скорость процесса, особенности выполнения и применяемая среда определяют характеристики готового продукта.
При разных показателях температуры, времени выдержки, способа и скорости охлаждения можно достичь заданных целей. Обеспечивается однородность структуры, снижается твердость и повышается пластичность, что улучшает обрабатываемость металла при дальнейших технологических операциях.
После термической обработки материал становится более износостойким и прочным, увеличивается стойкость к высоким температурам и сокращается вероятность появления коррозии. Устраняются внутренние напряжения, которые возникают в заготовках при ковке, литье или сварке.
Виды и основные отличия
При тепловом воздействии на детали из углеродистых сталей могут происходить разные процессы. Они различаются режимом выполнения и конечным результатом, каждый имеет свои преимущества и недостатки.
| Вид термообработки | Цель процедуры | Особенности |
|---|---|---|
| Отжиг | Повышение пластичности | Медленное охлаждение |
| Закалка | Увеличение твёрдости | Быстрое охлаждение |
| Отпуск | Уменьшение внутренних напряжений | Постепенное охлаждение |
| Нормализация | Выравнивание структуры | Охлаждение на воздухе |
Отжиг
Такой способ термообработки помогает снизить внутренние напряжения, стабилизировать структуру. Металл становится более однородным и пластичным и мягким, легче поддается дальнейшим технологическим операциям. Процесс отжига заключается в нагревании до нужных показателей температуры, которые зависят от вида обработки и могут составлять от +100…+200 °C до +1000…+1150 °C. Затем материал выдерживают в течение определенного времени и медленно постепенно охлаждают, обычно в печи.
Продолжительность выдержки и конечную температуру охлаждения определяют в соответствии с видами отжига. Среди них можно выделить следующие варианты:
- Рекристаллизацию. Используется после деформации заготовок, помогает упрочнению углеродистой стали за счет изменения формы зерна.
- Неполный. Позволяет увеличить прочность и стойкость к механическим повреждениям. Подходит для деталей, изготовленных с помощью электродуговой сварки.
- Для снятия напряжений. Отличается продолжительной выдержкой (20 часов). Такая термическая обработка предназначена для деталей, полученных путем литья, сварки или после механической обработки.
- Полный. Может использоваться для кованых, литых и штампованных заготовок. Обеспечивает максимальное изменение и формирование мелкозернистой структуры.
Отжиг снижает риск появления различных дефектов при дальнейшей металлообработке и эффективен перед выполнением фрезерных работ или штамповкой. Но он способствует уменьшению твердости, что ухудшает качества готовых изделий.
Закалка
Как и отпуск, относится к наиболее востребованным видам термической обработки. Заготовки нагревают до температуры, при которой происходит изменение внутренней кристаллической структуры (обычно до +800…+900 °C). Основная особенность процесса – быстрое охлаждение заготовок после выдержки.
Закалка углеродистой стали помогает уменьшить пределы прочности на растяжение и сжатие, способствует увеличению износостойкости, упругости, твердости и прочности. Она может быть объемной или поверхностной, различаться технологией нагрева и охлаждения. Благодаря значительному увеличению показателей твердости закалка незаменима при производстве шестерен, инструментов с режущими кромками.
Для сталей разных марок подбираются:
- Скорость охлаждения. Она зависит от степени нагревания обрабатываемых материалов. Возможно также изменение температуры охлаждающих сред.
- Тип охлаждающей среды. Чтобы остудить заготовки после закалки и выдержки применяют солевые растворы, масла, воду, инертные газы и воздух.
Главный недостаток закалки – существенное снижение пластичности и увеличение хрупкости стальных деталей. Чтобы избежать появления трещин и других дефектов, применяют отпуск.
Согласно ГОСТ 9012-59 закаливание позволяет на 30-40% повысить твердость углеродистых сталей. Однако нарушение режима и неправильный выбор температуры (перегрев на 50 °C) может стать причиной трещин.
Отпуск
Предусматривает нагревание до умеренных показателей. Затем заготовки длительное время выдерживают при данной температуре и в завершении охлаждают. Отпуск часто проводится после закаливания углеродистой стали, способствует снижению внутренних напряжений и твердости, повышению ударной вязкости и стойкости к механическим повреждениям. Материал становится менее хрупким и более пластичным, что востребовано в машиностроении и других отраслях. Во время термической обработки для контроля режимов показателей температуры применяют таблицу цветов каления.
Отпуск может быть:
- Низкий. Сохраняет жесткость и одновременно максимально повышает вязкость. Обеспечивает получение структуры мартенсита. Заготовки нагревают до +150 °C, но не более +250 °C и охлаждают после выдержки с помощью воздуха или в масле. Технология используется при производстве измерительных и режущих инструментов.
- Средний. Способствует снижению твердости и повышению вязкости. Температура нагрева не должна превышать +340 °C (обычная) и не более +500 °C (максимальная). Для охлаждения применяют воздух. Такой вариант термообработки используется для деталей, которые подвергаются значительным нагрузкам.
- Высокий. Нагревание осуществляют в пределах +450…+600 °C, что приводит к увеличению пластичности и вязкости без уменьшения прочности. Он незаменим при производстве ответственных деталей, изготовленных из конструкционных сталей.
Такая термическая обработка снижает твердость материала, но ее можно регулировать путем изменения температуры процесса.
Нормализация
Способствует выравниванию структуры металла, которая становится более однородной и мелкозернистой. Нагревание осуществляется до +850…+950 °C, охлаждение происходит в воздушной среде. Нормализация не требует применения сложного оборудования и улучшает обрабатываемость. Обеспечивает увеличение вязкости и стойкости к износу, снимает внутренние напряжения и повышает твердость разных марок стали до 300HB.
Как выбрать варианты и режимы
Определяющим параметром процесса термообработки для низко-, средне- и высокоуглеродистых сталей является температура. При выборе ее показателей учитывают:
- уровень содержания углерода;
- максимально допустимый размер зерна;
- размер, вес и сложность конструкции деталей, влияющие на однородность прогрева;
- цель технологического процесса и желаемые свойства материала.
Эти причины также влияют на подбор способа преобразования деталей и узлов с помощью теплового воздействия. При подготовке к проведению закалки и других видов термообработки следует учитывать возможные изменения материала. Например, по сравнению с отжигом процесс нормализации высокоуглеродистых сталей сопровождается значительным увеличением твердости, что усложняет выполнение дальнейших механических работ. Среднеуглеродистые марки наоборот улучшают свои характеристики за счет более мелкодисперсной структуры.
Для достижения заданных свойств помимо контроля процесса нагрева необходимо правильно выбрать время выдержки, скорость, способ и среду охлаждения.
Комментарии к статье
Пока нет комментариев. Будьте первым!