Как определяют температуру нагрева стали

Виды термической обработки стали

Чтобы придать металлам необходимые характеристики, прибегают к термической обработке. Завод металлоконструкций ЧЗМК выполняет закалку и отжиг стали и цветных сплавов.

Отжиг стали

Отжиг стали – процесс термообработки стали, при котором происходит температурный нагрев для получения определенных свойств изделия – снижение твердости, получение однородной структуры для проведения механической обработки, снятие внутреннего напряжения стали.

Отжиг – одна из основных операций термообработки, предназначенная для получения определенных свойств стали. Она может служить промежуточным этапом или выполнять функции окончательного технологического процесса. Цели, достигаемые с помощью различных видов отжига: снизить твердость, получить однородную структуру, удобную для последующих операций мехобработки, снять внутренние напряжения. В зависимости от температуры нагрева, времени и условий выдержки различают два основных типа отжига –I иII рода, которые, в свою очередь, подразделяются на подвиды.

Закалка стали

Закалка стали – термическая обработка, включающая в себя нагрев, выдержку и охлаждение. Процесс направлен на улучшение механических характеристик стали, металлов и сплавов.

Закалка – вид термической обработки, состоящий из основных операций – нагрева до определенной температуры, выдержки, быстрого охлаждения. Он применяется в сочетании с другой разновидностью термообработки – отпуском. Эта технология позволяет улучшить механические характеристики недорогих марок стали, цветных металлов и сплавов, за счет чего снижается себестоимость получаемых изделий и конструкций.

Отпуск стали

Отпуск стали – это процесс нагрева стали до определенной температуры и последующее охлаждение изделия. Процесс осуществляется для ликвидация внутренних напряжений, отрицательно влияющих на технические параметры металлоизделий.

Отпуск стали –это чаще всего финальная термическая обработка после закалки, представляющая собой процесс нагрева полуфабрикатов и изделий до определенной температуры с последующим охлаждением. Ее основное назначение – ликвидация внутренних напряжений, отрицательно влияющих на технические параметры металлоизделий.

Технология закалки и отпуска стали

Термическая обработка сталей — одна из самых важных операций в машиностроении, от правильного проведения которой зависит качество выпускаемой продукции. Закалка и отпуск сталей являются одними из разнообразных видов термообработки металлов.

Тепловое воздействие на металл меняет его свойства и структуру. Это позволяет повысить механические свойства материала, долговечность и надежность изделий, а также уменьшить размеры и массу механизмов и машин. Кроме того, благодаря термообработке, для изготовления различных деталей можно применять более дешевые сплавы.

Как закалялась сталь

Термообработка стали заключается в тепловом воздействии на металл по определенным режимам ля изменения его структуры и свойств.

К операциям термообработки относятся:

• отжиг;
• нормализация;
• старение;
• закалка стали и отпуск стали (и пр.).

Термообработка стали: закалка отпуск — зависит от следующих факторов:

• температуры нагрева;
• времени (скорости) нагрева;
• продолжительности выдержки при заданной температуре;
• скорости охлаждения.

Способы определения температуры без термопар

В любительской практике для определения температуры нагретой детали без измерительных приборов можно использовать несколько методов.

Правила закалки металла в домашних условиях

Конструирование механизмов тесно связано с изготовлением деталей из металла. Токарные, фрезерные, сварочные работы – без них в этом деле никуда. Но есть еще один важный момент, когда нужно изменить физические свойства металла – повысить его прочность. Необходим такой процесс при создании ответственных узлов, рассчитанных на большие нагрузки. Закалку металла в домашних условиях проводят, строго соблюдая технологический процесс.

Визуальное определение температуры нагретого металла

Термическую обработку стальных деталей проводят в тех случаях, когда необходимо либо повысить прочность, твердость, износоустойчивость или упругость детали или инструмента, либо наоборот, сделать металл более мягким, легче поддающимся механической обработке.

В зависимости от температуры нагрева и способа последующего охлаждения различают следующие виды термической обработки: закалка, отпуск и отжиг.

В любительской практике для определения температуры раскаленной детали по цвету можно использовать приведенную таблицу.

Цвет каления стали	Температура нагрева, °С
Темно-коричневый (заметен в темноте) Коричнево-красный Темно-красный Темно-вишнево-красный Вишнево-красный Светло-вишнево-красный Светло-красный Оранжевый Темно-желтый Светло-желтый Ярко-желтый	530-580 580-650 650-730 730-770 770-800 800-830 830-900 900-1050 1050-1150 1150-1250 1250-1350

Первый метод “по цвету накала”

Сталь при нагреве выше 530°С излучает световые лучи различного цвета в зависимости от температуры нагрева.

Цвет каления стали	Температура нагрева, °С
Темно коричный (заметен в темноте)	530-580
Коричнево-красный	580-650
Темно-красный	650-730
Темно-вишнево-красный	730-770
Вишнево-красный	770-800
Светло-вишнево-красный	800-830
Светло-красный	830-900
Оранжевый	900-1050
Темно-желтый	1050-1150
Светло-желтый	1150-1250
Ослепительно-белый	1250-1350

В таблице приведены цвета каления стали, соответствующие условиям обычного дневного освещения, и температуры нагрева, соответствующие этим цветам.

При определении температуры нагрева на глаз следует иметь в виду, что окружающие световые условия (дневной яркий свет, слабое искусственное или естественное освещение) в значительной степени искажают действительную температуру нагрева металла. Кроме этого, подобный метод не может быть точным в связи с индивидуальными особенностями глаз наблюдателя. При достаточном опыте ошибка не выходит за пределы 25-30 градусов

Общее описание процесса

Основные этапы проведения отпуска стали:

• нагрев сплава до температур начала фазовых превращений;
• выдержка при требуемой температуре;
• охлаждение с установленной скоростью.

В результате этого вида т/о получают требуемые технические характеристики изделий, сводят к минимуму внутренние напряжения. Чем выше температура термообработки и чем ниже скорость остывания, тем эффективнее устраняются остаточные напряжения.

Скорость охлаждения зависит от химического состава сплава и запланированного результата:

• интенсивное охлаждение после отпуска при +550…+650°Cповышает предел выносливости стали за счет сохранения в приповерхностном слое остаточных напряжений сжатия;
• металлоизделия сложной конфигурации после высокотемпературного отпуска охлаждают медленно, что позволяет избежать коробления;
• полуфабрикаты из легированных сталей, для которых характерна отпускная хрупкость, после отпуска при +550…+650°C охлаждают только в ускоренном темпе.

В зависимости от температуры нагрева выделяют три вида отпуска стали – высокий, средний и низкий.

Отжиг сталей первого рода – назначение, виды, температуры нагрева

В зависимости от температур нагрева и начального состояния сплава при различных видах отжига I рода протекают процессы гомогенизации, рекристаллизации, устранения остаточных напряжений, уменьшения твердости. Все эти процессы проходят в случаях нагрева сплавов и выше, и ниже температур, при которых осуществляются фазовые трансформации. Основные цели, достигаемые с помощью этого вида термической обработки, – ликвидация химической и физической неоднородности, возникающей после сварки, резки, обработки давлением, закалки.

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг

Этот вид термообработки применяется для слитков из легированных марок. Он позволяет снизить дендритную или внутрикристаллитную неоднородность, повышающую склонность металла при обработке давлением к негативным явлениям, среди которых:

• хрупкий излом;
• неравномерность свойств в различных направлениях;
• слоистый излом;
• трещинообразование;
• снижение пластичности и вязкости.

Режим диффузионного процесса:

• нагрев до высоких температур (до +1200°C), при которых характеристики структуры сплава выравниваются по всем направлениям;
• выдержка – 15-20 часов;
• быстрое охлаждение заготовки до 800-820°C, а затем более медленное на воздухе.

В результате гомогенизационного термического процесса получают крупное зерно, которое измельчают дальнейшей обработкой давлением или термической обработкой.

Рекристаллизационный отжиг стали

Этот вид термообработки используется для стальных заготовок или полуфабрикатов после холодного деформирования или между такими операциями. Он заключается в нагреве до температур, превышающих температуры рекристаллизационных процессов, выдержке и охлаждении. Температура операции определяется содержанием углерода в сплаве:

• 0,08-0,2% C–+680…700°C. Такие стали подвергают штамповке, прокатке, волочению.
• Высокоуглеродистая легированная сталь – +680…740°C. Обычно это калиброванные прутки из хромсодержащих безникелевых и хромоникелевых марок. Выдержка – 0,5-1,5 ч.

Для снятия напряжений

Этот вид термообработки применяют для отливок, сварных изделий, заготовок после резки, в которых появляются остаточные напряжения в результате неоднородного охлаждения и пластических деформаций. Остаточные напряжения провоцируют целый ряд негативных последствий, среди которых – изменение размерных параметров и деформационные процессы во время хранения, транспортировки и эксплуатации изделий.

Операция для снятия напряжений осуществляется в следующих температурных интервалах:

• Ходовые винты, зубчатые колеса, червяки: +570-600°C, выдержка 2-3 часа после основной механообработки, +160…+180°C, выдержка 2-2,5 часа после финишных мероприятий, проводимых для снятия напряжений после шлифовки.
• Обработка для снятия сварных напряжений: +650-700°C.

Остаточные напряжения снижаются и при рекристаллизационном отжиге, при котором осуществляются фазовые трансформации.

Общие сведения о технологии закалки стали

Основные цели, решаемые комплексом закалка + отпуск:

• повышение твердости;
• повышение прочностных характеристик;
• снижение пластичности до допустимой величины;
• возможность использования пустотелых изделий вместо полнотелых, что позволяет снизить массу металлоизделия и металлоемкость производственного процесса.

Основные этапы закалки:

• нагрев до температур, при которых осуществляется изменение структурного состояния металла;
• выдержка, установленная в технологической карте;
• охлаждение со скоростью, обеспечивающей формирование заданной кристаллической структуры.

После закалки проводят отпуск, который заключается в нагреве металла до температур, лежащих ниже линии фазовых превращений, с дальнейшим медленным понижением температуры. На результат термообработки влияют:

• температура нагрева;
• скорость роста температуры;
• период выдержки при закалочных температурах;
• охлаждающая среда и скорость снижения температуры.

Ключевым параметром является температура нагрева, от которой зависит перестройка и формирование новой структурной решетки. По глубине действия закалку разделяют на объемную и поверхностную. В машиностроении обычно используется объемная закалка, после которой твердость поверхности и сердцевины отличается незначительно. Поверхностная термообработка востребована для деталей, для которых важна высокая твердость поверхности и вязкая сердцевина.

Что подразумевают под закалкой

Если взять обычный гвоздь, зажать в тисках и попробовать согнуть его молотком, то это легко получится – гвоздь изготовлен из пластичной стали. Но если тот же эксперимент провести со сверлом – последнее лопнет при ударе молотка. Результат говорит о том, что сверло подвергали определенной обработке по увеличению его прочности, иначе оно не смогло бы пробуривать отверстия в плотном материале. Что же такое закалка металла?

Закалка стали

Говоря научным языком, закалкой металла называют технологический процесс, при котором кристаллическая решетка закаливаемого материала приобретает определенную структуру. Это возможно при воздействии на изделие высокими температурами до состояния его накаливания и дальнейшее охлаждение в масляной или водной среде. Сам процесс подразумевает множество нюансов температурного режима, длительности обработки металла.

Важно понимать, что увеличение твердости металла при закалке (полиморфном превращении) ведет к повышению его хрупкости. Поэтому проводить механические преобразования закаленных сталей (изгибание, выкручивание) можно только после предварительного нагрева их до определенной температуры.

Справочник: Маркировка стали

Маркировка стали производится несмываемой краской независимо от группы стали и степени раскисления. По соглашению сторон маркировка краской не производится. Буквенные и цифровые обозначения стали: Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и номером (СтО, Ст1, СтЗ и т.д.). Качественные углеродистые стали маркируются двухзначными числами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: 05; 08; 10; 25; 40 и т.д. Буква Г в марке стали указывает на повышенное содержание Mn (14Г ; 18Г и т.д.). Автоматные стали маркируются буквой А (А12, А30 и т.д.). Углеродистые иструментальные стали маркируются буквой У (У8 ; У10 ; У12 и т.д. Здесь цифры означают содержание стали в десятых долях процента).

Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода в стали (в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей). Затем буквой указан легирующий элемент. Цифрами, следующими за буквой,- его среднее содержание в целых единицах. При содержании легирующею элемента менее 1,5% цифры за соответствующей буквой не ставятся. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной. Буквой Ш – особо высококачественной. Сталь обыкновенного качества Ст0; ВСт0, БСт0 – Красный и зеленый Ст1, ВСт1кп – Желтый и черный Ст2, ВСт2кп – Желтый СтЗ, ВСтЗкп, ВСтЗ, БСтЗкп, БСтЗ – Красный Ст4, ВСт4кп, ВСт4, БСт4кп, БСт4 – Черный Ст5, ВСт5 – Зеленый Ст6 – Синий

Углеродистая качественная сталь 08, 10, 15, 20 – Белый 25, 30, 35, 40 – Белый и желтый 45, 50, 55, 60 – Белый и коричневый

Легированная конструкционная сталь Хромистая – Зеленый и желтый Хромомолибденовая – Зеленый и фиолетовый Xромованадиевая – Зеленый и черный Марганцовистая – Коричневый и синий Хромомарганцовая – Синий и черный Хромокремнистая – Синий и красный Хромокремнемарганцовая – Красный и фиолетовый Никельмолибденовая – Желтый и фиолетовый Хромоникелевая – Желтый и черный Хромоникелемолибденовая – Фиолетовый и черный Хромоалюминиевая – Алюминиевый

Коррозионностойкая сталь Хромистая – Алюминиевый и черный Хромоникелевая – Алюминиевый и красный Хромотитановая – Алюминиевый и желтый Хромоникелекремнистая – Алюминиевый и зеленый Хромоникелетитановая – Алюминиевый и синий Хромоникелениобиевая – Алюминиевый и белый Хромомарганценикелевая – Алюминиевый и коричневый Хромоникелемолибденотитановая – Алюминиевый и фиолетовый

Быстрорежущая сталь Р18 – Бронзовый и красный Р9 – Бронзовый

Твердые спеченные сплавы ВК2 – Черный с белой полосой ВКЗ-М – Черный с оранжевой полосой ВК4 – Оранжевый ВК6 – Синий ВК6-М – Синий с белой полосой ВК6-В – Фиолетовый ВК8 – Красный ВК8-В – Красный с синей полосой ВК10 – Красный с белой полосой ВК15 – Белый Т15К6 – Зеленый Т30К4 – Голубой

Особенности низкого отпуска стали

Этот вид термообработки подразумевает нагрев заготовок и полуфабрикатов до +250°C. Результаты процесса: уменьшение закалочных напряжений, улучшение вязкости без падения твердости.

Средне- и высокоуглеродистые закаленные стали с содержанием углерода 0,6-1,3% после низкого отпуска имеют твердость, равную 58-63 HRC, и высокую износостойкость. Но изделия из таких сплавов при отсутствии вязкой сердцевины неустойчивы к динамическим нагрузкам.

Чаще всего низкий отпуск применяется для режущего и мерительного инструмента, изготовленного из углеродистых и низколегированных марок, металлопродукции после цементации, нитроцементации, цианирования.

Второй метод “по цветам отпуска (побежалости)”

При нагреве металла от 200 до 300 градусов на зачищенной наждаком поверхности появляются цвета побежалости (таблица «Цвета отпуска») за счёт образования плёнок окислов различной плотности; каждая из плёнок отражает лучи только определённого цвета.

Цвет отпуска	Температура нагрева, °С
Светло-желтый	220
Соломенно-желтый	240
Коричнево-желтый	255
Красно-коричневый	265
Пурпурно-красный	275
Фиолетовый	285
Васильково-синий	295
Светло-синий	315
Серый	330

Какие стали подвергают закалке

Не все марки сталей могут подвергаться закалке. Марки с содержанием углерода ниже 0,4% практически не изменяют твердость при закалочных температурах, поэтому этот способ для них не применяется. Закалочную технологию чаще всего применяют для инструментальных сталей.

Таблица правильных режимов закалки и отпуска для некоторых типов инструментальных сталей

Марка стали	Температура закалки стали	Среда охлаждения после закалочного нагрева	Температура отпуска	Среда охлаждения после отпуска
У7	800°C	вода	170°C	вода, масло
У7А	800°C	вода	170°C	вода, масло
У8, У8А	800°C	вода	170°C	вода, масло
У10, У10А	790°C	вода	180°C	вода, масло
У11, У12	780°C	вода	180°C	вода, масло
Р9	1250°C	масло	580°C	воздух в печи
Р18	1250°C	масло	580°C	воздух в печи
ШХ6	810°C	масло	200°C	воздух
ШХ15	845°C	масло	400°C	воздух
9ХС	860°C	масло	170°C	воздух

Защита изделия от окалины и обезуглероживания

Для изделий, поверхности которых после термообработки не шлифуются, выгорание углерода и образование окалины недопустимо. Защищают поверхности от подобного брака применением защитных газов, подаваемых в полость электропечи. Разумеется, такой прием возможен только в специальных герметизированных печах. Источником подаваемого в зону нагрева газа служат генераторы защитного газа. Они могут работать на метане, аммиаке и других углеводородных газах.

Если защитная атмосфера отсутствует, то изделия перед нагревом упаковывают в тару и засыпают отработанным карбюризатором, чугунной стружкой (термисту следует знать, что древесный уголь не защищает инструментальные стали от обезуглероживания). Чтобы в тару не попадал воздух, ее обмазывают глиной.

Соляные ванны при нагреве не дают металлу окисляться, но от обезуглероживания не защищают. Поэтому на производстве их раскисляют не менее двух раз в смену бурой, кровяной солью или борной кислотой. Соляные ванны, работающие на температурах 760 – 1000 градусов Цельсия, весьма эффективно раскисляются древесным углем. Для этого стакан, имеющий множество отверстий по всей поверхности, наполняют просушенным углем древесным, закрывают крышкой (чтобы уголь не всплыл) и после подогрева опускают на дно соляной ванны. Сначала появляется значительное количество языков пламени, затем оно уменьшается. Если в течение смены таким способом трижды раскислять ванну, то нагреваемые изделия будут полностью защищены от обезуглероживания.

Степень раскисления соляных ванн проверяется очень просто: обычное лезвие, нагретое в ванне в течение 5 – 7 минут в качественно раскисленной ванне и закаленное в воде, будет ломаться, а не гнуться.

Режимы среднего (среднетемпературного) отпуска стали

Температуры среднетемпературного отпускного процесса – +350…+500°C. Этот вид т/о, применяемый в основном для пружин, рессор, штампов, обеспечивает значительные пределы выносливости и упругости, хорошую релаксационную стойкость. Получаемые структуры: троостит или тростомартенсит, твердость – 45-50 HRC.

Охлаждение в воде после нагрева до температур +400…+450°C применяется для пружин с целью появления на поверхности остаточных напряжений сжатия, повышающих прочностные характеристики металла.

Отжиг на зернистый перлит

Для получения структуры зернистого перлита осуществляется маятниковый отжиг, после которого эвтектоидные и заэвтектоидные стали обеспечивают хорошую обрабатываемость резанием, повышается cкорость процесса резания и улучшается качество поверхности. Этот вид т/о подходит для тонких листов перед холодной штамповкой и прутков перед холодным волочением. Результат – улучшение пластических свойств.

Режим маятникового отжига состоит из нескольких циклов нагрева выше критической точки А₃ с медленным охлаждением до +670…+700°C. Три таких цикла позволяют получить структуру со 100% зернистого перлита. Финальное охлаждение – на воздухе.

Виды закалки – с полиморфным превращением и без него

Закалка сталей протекает с полиморфным превращением, цветных металлов и сплавов – без них.

Закалка сталей с полиморфным превращением

В углеродистых сталях при повышении температур выше определенного уровня происходит ряд фазовых превращений, вызывающих изменения кристаллической решетки. При критических температурах, значение которых зависит от процентного содержания углерода, происходит распад карбида железа и образование раствора углерода в железе, называемого аустенитом. При медленном остывании аустенит постепенно распадается, и кристаллическая решетка приобретает исходное состояние. Если углеродистые стали охлаждать с высокой скоростью, то в зависимости от режима закалки в них образуются различные фазовые состояния, самый прочный из них – мартенсит.

Для получения мартенситной структуры доэвтектоидные стали(до 0,8% C) нагревают до температур, лежащих выше точки Ас3 на 30-50°C, для заэвтектоидных – на 30-50° выше Ас₁.По такой технологии закаливают металлорежущий инструмент и упрочняют изделия, которые в процессе эксплуатации подвергаются трению: шестерни, валы, обоймы, втулки. При нагреве до более низких температур в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом сохраняется более мягкий феррит, снижающий твердость металла и ухудшающий его механические характеристики после отпуска. Такая закалка стали называется неполной и в большинстве случаев является браком. Но она может использоваться в некоторых случаях во избежание появления трещин.

Закалка без полиморфного превращения

Закалка без полиморфного превращения протекает в цветных металлах и сплавах, имеющих ограниченную растворимость вторичных фаз при обычных температурах, в которых при высоких температурах не происходят полиморфные превращения. При повышении температур выше линии солидус (это линия, ниже которой находится только твердая фаза) вторичные фазы полностью растворяются. При быстром охлаждении вторичные фазы не выделяются, поскольку для этого необходимо определенное время. После такой термообработки цветной сплав является термодинамически неустойчивым, поэтому со временем он начинает распадаться с постепенным выделением вторичной фазы. Такой процесс распада, происходящий в естественных условиях, называется естественным старением, а при нагреве – искусственным старением. В результате старения получают равновесную структуру. Характеристики материала зависят от выбранного режима процесса.

Закалка цветных металлов и сплавов, в отличие от углеродистых сталей, часто не приводит к повышению прочности. Сплавы на основе меди, например, после такой ТО часто становятся более пластичными. Для таких материалов обычно используют отпуск, благодаря которому снимаются напряжения после литья, прокатки, штамповки, ковки или прессования.

Способы закалки стали

Способ закалки выбирают в зависимости от химического состава стали и запланированных свойств.

Закаливание с охлаждением в одной среде

Скорость охлаждения стали после закалки зависит от среды, в которой оно проводится. Самую высокую скорость обеспечивает охлаждение в воде. Такой способ используется для среднеуглеродистых низколегированных сталей и некоторых марок коррозионностойких сталей. При содержании углерода более 0,5% C и высоком легировании воду в качестве охлаждающей среды не применяют, поскольку такие сплавы покрываются трещинами или полностью разрушаются.

Прерывистая закалка в двух охлаждающих средах

Ступенчатую закалку применяют для деталей, изготовленных из сложнолегированных сталей. Крупногабаритные детали после нагрева на несколько минут окунают в воду, а затем охлаждают в масле до +320…300°C, после чего оставляют на воздухе. При охлаждении в масле до комнатных температур твердость изделия значительно снижается.

Изотермическая ТО

Закалка высокоуглеродистых марок – сложный процесс, состоящий из нормализации с последующим нагревом до температуры закалки. Нагретые детали опускают в ванну с селитрой, нагретой до температур +320…+350°C, выдерживают.

Светлая ТО

Такая термообработка применяется для высоколегированных сталей и заключается в их нагреве в среде инертных газов или в вакууме, что обеспечивает светлую поверхность металла. Светлая закалка используется в серийном производстве типовых изделий.

Термообработка с самоотпуском

При высокой скорости охлаждения внутри детали остается тепло, которое при постепенном выходе снимает напряжения внутренней структуры. Этот процесс можно доверить только специалистам, которые могут точно рассчитать время нахождения изделия в охлаждающей среде.

Струйная

Охлаждение осуществляют интенсивной струей воды. Такой процесс применяется при необходимости закаливания отдельных частей изделий.

Высокотемпературный отпуск стали – режимы, цели

Температуры высокого отпуска – +500…+650°C, получаемая структура стали – сорбит отпуска. Задача, решаемая этим видом т/о, – получение оптимального соотношения между прочностью и вязкостью. Комплексная термообработка, включающая закалку и высокий отпуск, называется улучшением. Ее преимущество по сравнению с различными видами отжига и нормализацией – повышение временного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости, относительного сужения.

Закалка и отпуск закаленной стали применяются для среднеуглеродистых сталей с содержанием C 0,3-0,5%, к которым предъявляются повышенные требования к ударной вязкости и пределу выносливости. С их помощью повышают прочность материала, снижают чувствительность к концентраторам напряжений, температуру порога хладоломкости, склонность к трещинообразованию.

Длительность высокого отпуска – 1-6 часов. Конкретное время зависит от габаритов металлоизделия.

При каких температурах происходит закалка стали, что служит охлаждающей средой

Наиболее часто процессу закалки подвергают различные стали. Это связано с тем, что сталь является основным материалом при изготовлении механизмов и конструкций. Для каждой марки стали выведены свои оптимальные показатели, при которых происходит процесс закалки. Для марок быстрорежущих сталей можно сказать, что:

• Сталь Р18 закаливается при температуре 1270 градусов по Цельсию, с дальнейшим охлаждением в масле;
• Р9К5, Р9М4К8, Р6М5К5 – при 1230 градусах, с остыванием в том же охладителе;
• Р6М5 – при 1220 градусах с охлаждением в масле;
• Р2АМ9К5 – при 1200 градусах с тем же охладителем;
• Р12Ф3 – 1250 градусов.

Для марок инструментальных легированных сталей показатели следующие:

• Х – температура в пределах 830-850 градусов, среда охлаждения – масло;
• ХВСГФ, 9ХС – 840-860, масло;
• ХВГ, В2Ф – 820-840, для первой – масло, для второй – вода;
• 13Х — 760-800, вода;
• 11ХФ – 810-830, масло;
• Х12, Х12МФ – 960-980, масло.

Для марок инструментальных углеродистых сталей показатели следующие:

• У7 – температура в пределах 800-820 градусов, охлаждение в воде;
• У8 – 780-800, вода;
• У10 – 770-800, вода;
• У12 – 760-790, вода.

Отпуск закаленных деталей

Отпуск закаленных деталей уменьшает их хрупкость, повышает вязкость и снимает внутренние напряжения. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск применяют главным образом при обработке измерительного и режущего инструмента. Закаленную деталь нагревают до температуры 150–250°С (цвет побежалости – светло-желтый), выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе. В результате такой обработки материал, теряя хрупкость, сохраняет высокую твердость и, кроме того, в нем значительно снижаются внутренние напряжения, возникшие при закалке.

Средний отпуск применяют в тех случаях, когда хотят придать детали пружинящие свойства и достаточно высокую прочность при средней твердости. Для этого деталь нагревают до 300–500°С и затем медленно охлаждают.

И, наконец, высокому отпуску подвергают детали, у которых необходимо полностью снять все внутренне напряжение. В этом случае температура нагрева еще выше – 500–600°С.

Термообработку (закалку и отпуск) деталей постой формы (валики, оси, зубила, кернера) часто делают за один раз. Нагретую до высокой температуры деталь опускают на некоторое время в охлаждающую жидкость, затем вынимают. Отпуск происходит за счет тепла, сохранившегося внутри детали.

Небольшой участок детали быстро зачищают абразивным брусочком и следят за сменой цветов побежалости на нем. Когда появится цвет, соответствующий необходимой температуре отпуска (220°С – светло-желтый, 240°С – темно-желтый, 314°C – светло-синий, 330°С – серый), деталь вновь погружают в жидкость, теперь уже до полного охлаждения.

Виды отпускной хрупкости

Повышение температуры отпуска в большинстве случаев улучшает характеристики металлоизделия, способствует эффективному снятию остаточных напряжений. Но есть ситуации, приводящие к ухудшению характеристик сплава. Ученые-металлурги разработали несколько действенных технологий устранения проблемы отпускной хрупкости, которая может быть низко- или высокотемпературной.

Хрупкость I рода – низкотемпературная

Эта разновидность хрупкости возникает при длительной выдержке материала при температурах +250…+350°C. Скорость охлаждения на вероятность ее появления не влияет. Распространяется эта проблема на все марки сталей. Причина возникновения хрупкости I рода – активное, но неравномерное распространение углерода по поверхности кристаллической решетки. Следствие этого процесса – искажение кристаллической структуры сплава, а, следовательно, существенное увеличению хрупкости.

Отпускная хрупкость I рода является необратимым процессом, и она резко снижает эксплуатационные характеристики сплава, который становится пригодным только для переплавки. Технология борьбы с этой проблемой – выполнение низко- либо среднетемпературного отпуска. Нагрев до промежуточных температур – не допускается. Склонность к низкотемпературной отпускной хрупкости снижает высокотемпературная ТМО.

Отпускная хрупкость II рода – высокотемпературная

Проблема высокотемпературной отпускной хрупкости возникает при совпадении трех факторов. Это:

• нагрев сплава до температур, превышающих +500°C;
• наличие в стали высокого процентного содержания Cr, Mn, Ni;
• медленное охлаждение.

Последствие сочетания этих параметров – неравномерность распределения атомов углерода, хрома, марганца, никеля, нарушающая кристаллическую решетку стали. Высокотемпературная отпускная хрупкость усиливается при выдержке в течение 8-10 часов изделий в опасном температурном диапазоне. Определить эту проблему можно только при травлении шлифов поверхностно-активными реагентами, выявляющими границы аустенитных зерен, по которым происходит хрупкое разрушение.

Существует два наиболее эффективных варианта решения этой проблемы. Первый способ: после появления признаков отпускной хрупкости нагреть металлоизделие еще раз до заданной температуры в масляной среде и быстро охладить. Второй метод –легирование сплава вольфрамом (примерно в количестве 1%) или молибденом – 0,3-0,4%.

Оборудование для проведения закалки

Оборудование разделяется на две основные группы – установки для нагрева и ванны для охлаждения. На современных предприятиях для получения закалочных температур используются:

• муфельные термические печи;
• оборудование для индукционного нагрева;
• установки для нагрева в расплавах;
• аппараты лазерного нагрева;
• газоплазменные устройства.

Первые три типа установок востребованы для осуществления объемной закалки, три последние – для поверхностного процесса.

Закалочное оборудование – это стальные емкости, графитовые тигли, печи, в которых содержатся расплавленные металлы или соли. Закалочные ванны для жидких сред оборудованы системами обогрева и охлаждения. В их конструкции могут быть предусмотрены специальные мешалки для перемешивания жидких сред и устранения паровой рубашки.

Технология закалочного процесса

Нагрев и выдержка

Температура нагрева стали при закалке зависит от ее химического состава. В общем случае наблюдается закономерность – чем меньше процентное содержание углерода, тем выше должна быть температура нагрева. Понижение температуры нагрева приводит к тому, что нужная структура не успевает сформироваться. Последствия перегрева:

• обезуглероживание;
• окисление поверхности;
• увеличение внутреннего напряжения;
• изменение структурных составляющих.

Изделия сложных форм предварительно подогревают. Для этого их два-три раза опускают на несколько минут в соляные ванны или держат короткое время в печах, нагретых до температур +400…500°C. Период выдержки определяется габаритами изделия и их количеством в печи. Все части изделия должны прогреваться равномерно.

Таблица температур закалки различных марок стали

Марка	Температура, °C	Марка	Температура, °C
15Г	800	50Г2	805
65Г	815	40ХГ	870
15Х, 20Х	800	3Х13	1050
30Х, 35Х	850	35ХГС	870
40Х, 45Х	840	30ХГСА	900
50Х	830

Температуру нагрева измеряют с помощью пирометров – контактных и бесконтактных, инфракрасных приборов.

Охлаждение

Для охлаждения используется вода – чистая или с растворенными в ней солями, щелочные растворы. Для легированных сталей используется обдув или охлаждение в минмаслах. В изотермических и ступенчатых процессах для охлаждения используются расплавы солей, щелочей и металлов. Такие среды могут чередоваться между собой.

Отпуск

В зависимости от необходимой температуры отпуск осуществляется в масляных, щелочных или селитровых ваннах, печах с принудительной циркуляцией воздушных потоков, горячем песке.

Низкий отпуск, проводимый при +150…+200°C,служит для устранения внутренних напряжений, некоторого повышения пластичности и вязкости без существенного ухудшения твердости. Низкий отпуск востребован для измерительного и металлообрабатывающего инструмента, других деталей, которые должны сочетать твердость и устойчивость к износу.

Для быстрорежущих сталей отпуск осуществляют при температурах +550…580°C. Такую процедуру называют вторичным отвердением, поскольку она приводит к дополнительному росту твердости.

Отжиг и закаливание дюралюминия

дюралюминия производят для снижения его твердости. Деталь или заготовку нагревают примерно до 360°С, как и при закалке, выдерживают некоторое время, после чего охлаждают на воздухе. Твердость отожженного дюралюминия вдвое ниже, чем закаленного.

Приближенно температуру нагрева дюралюминия детали можно определить так. При температуре 350–360°С деревянная лучина, которой проводят по раскаленной поверхности детали, обугливается и оставляет темный след. Достаточно точную температуру детали можно определить с помощью небольшого (со спичную головку) кусочка медной фольги, который кладут на ее поверхность. При температуре 400°С над фольгой появляется небольшое зеленоватое пламя.

Отожженный дюралюминий обладает небольшой твердостью, его можно штамповать и изгибать вдвое, не опасаясь появления трещин.

Закаливание

. Дюралюминий можно повергать закаливанию. При закаливании детали из этого металла нагревают до 360–400°С, выдерживают некоторое время, затем погружают в воду комнатной температуры и оставляют там до полного охлаждения. Сразу после этого дюралюминий становится мягким и пластичным, легко гнется и куется. Повышенную твердость он приобретает спустя три-четыре дня. Его твердость (и одновременно хрупкость) увеличивается настолько, что он не выдерживает изгиб на небольшой угол.

Наивысшую прочность дюралюминий приобретает после старения. Старение при комнатной температуре называют естественным, а при повышенных температурах – искусственным. Прочность и твердость свежезакаленного дюралюминия, оставленного при комнатной температуре, с течением времени повышается, достигая наивысшего уровня через пять–семь суток. Этот процесс называется старением дюралюминия.

Химико-термическая обработка

Суть подобных мероприятий заключается в нагреве и выдержке в химически активных средах. Посредством такой термообработки удается поменять химический состав, а не только структуру и свойства стали.

Процедура показана по отношению к заготовкам, в которых должна сохраняться твердость поверхности и вязкость сердцевины. Также удается повысить коррозионную стойкость и сопротивление усталости.

Химико-термическую обработку осуществляют, применяя жидкие, твердые и газообразные среды. В зависимости от того, какими веществами насыщается металл, выделяют следующие виды процедур:

• цементация;
• азотирование;
• цианирование и пр.

Если термообработку совмещают с нанесением углерода, как в первом случае, сталям придают высокую прочность и сопротивление истиранию. Процесс происходит с погружением в порошкообразную смесь, в соляные ванны или в печи с цементирующими газами.

Суть азотирования заключается в насыщении стали азотом. Термообработку выполняют в печи, меняя длительность процесса, в зависимости от нужной глубины проникновения химического вещества.

Цианирование предполагает насыщение углеродом и азотом одновременно. Благодаря этому сталям придают высокую твердость, стойкость к истиранию и к коррозии. Такую термическую обработку выполняют, используя цианистые соли, азотирующие газы, порошки и пасты.

Молекулярная физика. Плавление и кристаллизация.

Переход вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое называется плавлением. Чтобы расплавить твердое кристаллическое тело, его нужно нагреть до определенной температуры, т. е. подвести тепло. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества.

Обратный процесс — переход из жидкого состояния в твердое — происходит при понижении температуры, т. е. тепло отводится. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристаллизацией. Температура, при которой вещество кристаллизуется, называется температурой кристаллизации.

Опыт показывает, что любое вещество кристаллизуется и плавится при одной и той же температуре.

На рисунке представлен график зависимости температуры кристаллического тела (льда) от времени нагревания (от точки А до точки D) и времени охлаждения (от точки D до точки K). На нем по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — температура.

Из графика видно, что наблюдение за процессом началось с момента, когда температура льда была -40 °С, или, как принято говорить, температура в начальный момент времени tнач = -40 °С (точка А на графике). При дальнейшем нагревании температура льда растет (на графике это участок АВ). Увеличение температуры происходит до 0 °С — температуры плавления льда. При 0°С лед начинает плавиться, а его температура перестает расти. В течение всего времени плавления (т.е. пока весь лед не расплавится) температура льда не меняется, хотя горелка продолжает го­реть и тепло, следовательно, подводится. Процессу плавления соответствует горизонтальный учас­ток графика ВС. Только после того как весь лед расплавится и превратится в воду, температура снова начинает подниматься (участок CD). После того, как температура воды достигнет +40 °С, горелку гасят и воду начинают охлаждать, т. е. тепло отводят (для этого можно сосуд с водой по­местить в другой, больший сосуд со льдом). Температура воды начинает снижаться (участок DE). При достижении температуры 0 °С температура воды перестает снижаться, несмотря на то, что тепло по-прежнему отводится. Это идет процесс кристаллизации воды — образования льда (гори­зонтальный участок EF). Пока вся вода не превратится в лед, температура не изменится. Лишь после этого начинает уменьшаться температура льда (участок FK).

Применяемое оборудование

В термических цехах встречаются разнообразные установки. Поскольку и назначение термической обработки бывает различным, возникает потребность в нескольких видах печей:

• шахтные;
• камерные;
• вакуумные;
• с выдвижным подом.

Первые называют универсальными. В них возможно выполнять термообработку разными способами. В шахтных печах размещаются заготовки любого размера. Сюда отправляют детали для нагрева перед закалкой, для отжига и отпуска, для цементации. Более того, в них работают не только со сталями, но и с цветными металлами.

В камерных печах обрабатывают преимущественно заготовки среднего и мелкого размера. Их устанавливают на различных предприятиях и в качестве самостоятельных единиц, и в составе автоматизированного комплекса.

В вакуумных печах, помимо термической обработки, можно выполнять пайку, спекание материалов. Оборудование ценят за то, что оно в точности придерживается заданных технологических параметров. Температура не откланяется от нужного предела больше чем на 5 градусов. Такие печи используются для термической обработки конструкционной стали. В них проходят разнообразные процедуры титановые сплавы, тугоплавкие металлы.

Печи с выдвижным поддоном особенно удобны, когда необходимо обработать очень крупную деталь либо узел. Для загрузки и выгрузки стали обычно используют специальные краны и кран-балки. Однако оборудование этого типа имеет существенные недостатки. Во-первых, оно громоздкое, поэтому не на каждом предприятии найдется пространство для его установки. Во-вторых, из-за специфики конструкции высоки теплопотери.

В основном печи с выдвижным поддоном применимы для отжига сварных конструкций. В них доводят заготовки крупных габаритов до аустенитного состояния. Еще один способ применения – подготовка для ковки.

Особенности термообработки цветных сплавов

Цветные металлы требуют особого подхода к обработке, в отличие от работы со сталями. Индивидуальный подход обусловлен особенностями строения кристаллической решетки. Режим и характер воздействия подбирают также с учетом теплопроводности, химической активности. Но многие процессы с цветными металлами протекают в тех же печах, где обрабатывают стали.

Завод металлоконструкций ЧЗМК подвергает термической обработке различные стали, цветные металлы. Для этого предприятие оснащено разнообразным современным оборудованием. Высокая квалификация и профессионализм специалистов служат залогом превосходного результата.