Термообробка сталі надає металевим виробам корисні властивості. Піддані термічній обробці, вироби з сталі стають більш міцними, вони краще протистоять зносу, їх важче деформувати при граничних навантаженнях. Теромобробку застосовують у тих випадках, коли необхідно різко підвищити експлуатаційні характеристики виробів.
Види термічної обробки сталі
За термічною обробкою стали передбачати процеси, при яких змінюється структура цього матеріалу при нагріванні, а також при подальшому охолодженні. Швидкість охолодження стали визначається особливостями конкретного методу обробки.
При термообробці властивості стали істотним чином змінюються, проте хімічний склад її залишається колишнім.
Розрізняють кілька окремих видів термічної обробки сталі:
- віджиг;
- гарту;
- нормалізація;
- відпустка.
При випалі сталь нагрівається, а потім поступово охолоджується. Розрізняють кілька видів такої обробки, для яких характерні різні ступені нагріву і швидкості охолодження.
Закалка стала заснована на її перекристалізації в ході нагріву до температури, що перевищує якийсь критичний рівень. Після певної витримки застосовують прискорене охолодження. Загартована сталь характеризується нерівновагою структурою. Для відновлення рівноваги застосовують відпустку сталі.
Відпустка сталі - це такий вид термообробки, який використовують з метою зменшити або повністю зняти залишкові напруги матеріалу. В ході відпустки підвищується в 'язкість сталі, знижується її твердість і крихкість.
Нормалізація в чомусь схожа з випалом. Відмінність між способами в тому, що при нормалізації матеріал охолоджують на відкритому повітрі, тоді як у разі випалу охолодження ведеться в особливій печі.
Операція нагрівання сталевої заготовки
Правильне проведення цієї відповідальної операції визначає якість майбутнього виробу і впливає на продуктивність праці. При нагріванні сталь здатна змінювати свою структуру і властивості. Змінюються також і характеристики поверхні виробу. При взаємодії з атмосферним повітрям на поверхні сталі з 'являється окаліну. Товщина її шару залежатиме від тривалості нагріву і температури впливу.
З найбільшою інтенсивністю сталь окисляється при температурі понад 900 градусів Цельсія. Якщо температуру підвищити до 1000 градусів, окислюваність зросте вдвічі, а якщо використовувати нагрів до 1200 градусів, сталь стане окислюватися в п 'ять разів інтенсивніше.
Хромонікелеві сталі часто називають жаростійкими, оскільки їхні процеси окислення не зачіпають. На легованих сталях формується не надто товстий шар окаліни. Він дає металу захист, не дозволяючи стали окислюватися далі і запобігаючи розтріскуванню при ковці виробу.
Сталі вуглецевого типу в ході нагріву втрачають вуглець. При цьому спостерігається зниження міцності металу і його твердості. Погіршується загартовування. Особливо це стосується заготовок малого розміру, які потім піддаються загартуванню.
Заготовки, виконані з вуглецевої сталі, можна дуже швидко нагріти. Зазвичай їх поміщають у піч холодними, не нагріваючи попередньо. Уникнути виникнення тріщин у сталях високовуглецевого типу допомагає повільний нагрів.
У процесі нагрівання сталь стає крупнозернистою. Знижується його пластичність. Допущений перегрів виробу може бути виправлений термообробкою, але це вимагає додаткової енергії та витрати часу.
Пережіг стали
Якщо довести нагрів до надмірно великої температури, настає так званий пережог сталі. При цьому виникає порушення структурних зв 'язків між окремими зернами. При ковці подібні заготовки повністю руйнуються.
Пережог вважається невиправним шлюбом. При ковці виробів зі сталей високовуглецевого типу застосовується менша кількість нагрівів, ніж при виділенні виробів з легованої сталі.
Нагріваючи сталь, необхідно стежити за температурою процесу, контролювати час нагріву. Якщо час збільшити - зростає шар вікаліни. При прискореному нагріванні на сталі цілком можуть утворитися тріщини.
Хіміко-термічна обробка сталі
Під такою обробкою розуміють пов 'язані між собою операції термообробки, коли поверхня стали насичується різними хімічними елементами при підвищеній температурі. Як елементи використовують азот, вуглець, хром, кремній, алюміній тощо.
Поверхневе насичення матеріалу металевими елементами, які утворюють тверді розчини з залізом, відрізняється більшою енергоємністю. Такі процеси йдуть зазвичай тривалий час, якщо порівнювати їх з насиченням стали вуглецем або азотом. Дифузія легше йде в ґратах альфа-заліза, ніж у ґратах гамма-заліза, де атоми значно щільніше упаковані.
Хіміко-термічну обробку використовують для надання сталі підвищеної твердості та стійкості до зносу. Така обробка також веде до поліпшення стійкості сталі до кавітації і корозії. На поверхні сталевих заготовок при цьому формуються напруги стиснення; довговічність і надійність виробів зростають.
Один з різновидів хіміко-термічної обробки сталі - так звана цементація. При цьому поверхню легованої або маловуглецевої стали насичують вуглецем при певній температурі. За цією операцією йдуть загартування і відпустка. Мета обробки цементацією полягає в збільшенні стійкості до зносу, твердості стали. Цементація дає можливість підвищити контактну витривалість сталевої поверхні в разі в 'язкої серцевини заготовки. Додатковий ефект від цементації - витривалість заготівлі при крученні та вигині.
Вироби перед цементацією потрібно попередньо очистити. Іноді поверхню стали покривають особливими обмазками. Зазвичай обмазку готують з вогнетривкої глини, в яку додають воду і азбестовий порошок. Інший склад для обмазки включає в себе тальк і каолін, які розводять рідким склом.
Азотування сталі
Так називають хіміко-термічну обробку поверхні металевого виробу за допомогою тривалої витримки при нагріванні до 600-650 градусів Цельсія. Процес йде в атмосфері аміаку. Основна якість азотованої сталі - її надзвичайно висока твердість. Азот здатний утворювати з 'єднання з залізом, хромом, алюмінієм, які відрізняються значно більшою твердістю порівняно з карбидами. У водному середовищі азотована сталь краще чинить опір корозії.
Оброблені азотуванням сталеві вироби не коробяться в процесі їх охолодження. Цей вид термообробки стали широко використовують у машинобудуванні, коли потрібно посилити міцність і підняти стійкість до зносу. Приклади виробів, для яких з успіхом застосовується азотування:
- гільзи циліндрів;
- вали;
- пружини;
- зубчасті колеса.
Ціанування сталі
Цей процес також називають нітроцементацією. При такій хіміко-термічній обробці одночасно ведеться насичення поверхні стали азотом і вуглецем. Потім йдуть гартування і відпустка - це дає можливість збільшити корозійну стійкість. Нерідко нітроцементацію проводять у газовому або рідкому середовищі. Рідинне ціанування з успіхом може йти в розплавах солей.
Подібний вид термообробки широко застосовують при виготовленні інструментальних сталей, застосовуваних для швидкого різання. З такої сталі можна формувати деталі з дуже складною конфігурацією. Широке поширення описаного методу ускладнене тим, що він передбачає використання токсичних ціаністів солей.
Термомеханічна обробка сталевих виробів
Так називають операції, що передбачають не тільки термічний вплив на сталеву заготовку, а й її пластичну деформацію. Термомеханічна обробка (ТМО) дає можливість отримати метал особливої міцності. Формування структури йде в умовах високої щільності. Після закінчення термомеханічної обробки повинна негайно слідувати загартування. В іншому випадку може розвинутися рекристалізація.
Даний вид обробки забезпечує підвищену міцність сталі одночасно з відмінною її пластичністю. ТМО нерідко використовують у прокатному виробництві, коли потрібно зміцнити прутки, труби або пружини.
Відпустка стали
Ця процедура знімає наслідки гарту і залишкові напруги металу. В 'язкість стали зростає. Для відпустки застосовують нагрів заготівлі до температури, що не перевищує певний критичний рівень. При цьому можливе отримання стану мартенситу. Перевага такого виду обробки - сприятлива для виробів поєднання пластичності та міцності.
Розрізняють низьку, середню, а також високу відпустку. Різниця полягає в температурі нагріву. Визначити її можна за спеціальними таблицями кольорів побіжності сталі.