2.6.1 Полный отжиг.

Основные цели полного отжига - устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (лить, горячей деформации или сварке), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений, для придания стали определенных характеристик. В целом отжиг рода проводят для приближения системы к равновесию.

При полном отжиге доэвтектоидная сталь после нагрева выше критической точки А_C3 на 30 – 50 ºC (рис. 3) медленно охлаждается вместе с печью. Охлаждение при отжиге проводят с такой малой скоростью (порядка несколько градусов в минуту), чтобы аустенит распадался при небольшой степени переохлаждения. Так как превращение аустенита при отжиге полностью завершается при температурах значительно выше изгиба С-кривых, то отжигаемые изделия можно выдавать из печи на спокойный воздух при температурах 500 – 600 ºC, если не опасны термические напряжения.

Рис. 3. Участок диаграммы Fe-Fe₃C c нанесенным интервалом

температур термической обработки:

І – полный отжиг;

ІІ – нормализация.

Полный отжиг проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температур на 30-50 С выше температуры Ас ₃ (чрезмерное повышение температуры выше этой точки приведет к росту зерна аустенита, что вызовет ухудшение свойств стали), выдержке для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. Для заэвтектоидных сталей такой отжиг с нагревом выше Аcm не пойдет потому что при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства. Для доэвтектоидных сталей время нагрева и продолжительность обработки зависят типа печи, способа укладки, типа отжигаемого материала (лист, прокат, ... ). Наиболее распространенная скорость нагрева составляет ~ 100 C / ч, а продолжительность выдержки - от 0.5 до 1 часа на тонну изделия. Медленное охлаждение обусловлено необходимостью избежать образования слишком дисперсной ферритно - цементитной структуры и следовательно более высокой твердости. Скорость охлаждения зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно, от состава стали. Ее регулируют, проводя охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом.

При полном отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали. При нагреве выше точки Ас ₃ образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, который при охлаждении дает мелкозернистую структуру, обеспечивающую высокую вязкость, пластичность и получение высоких свойств после окончательной обработки.

Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

Существует отжиг противоположный по целям обычному отжигу. Это отжиг на крупное зерно с нагревом до 950-1100 ^оС, который применяют для улучшения обработки резанием мягких низкоуглеродистых сталей.

2.6.2 Цементация.

Цементация - процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом с целью повышения прочности, твёрдости и износостойкости поверхностного слоя.

За глубину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности до переходной зоны.

Различают следующие виды цементации: цементация с применением твёрдого карбюризатора; газовая цементация с применением жидкого или газового карбюризатора.

Наиболее перспективным является газовая цементация. По сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе она имеет следующие преимущества: значительно сокращается длительность процесса благодаря быстрому нагреву детали; возрастает пропускная способность оборудования, что ведёт к повышению производительности труда; улучшаются условия труда; появляется возможность автоматизации процесса.

    Газовая цементация может проводиться с применением жидкого и газового карбюризатора. В качестве жидкого карбюризатора, как правило, применяется синтин, а в качестве газового - эндогаз.

Синтин получают из окиси углерода и водорода, образующихся при переработке твёрдого топлива. Синтин - это бесцветная жидкость, содержащая 90% парафиновых предельных углеводородов. Скорость цементации при применении синтина повышается на 20% и на 50% понижается выделение сажи и кокса.

В шахтных печах жидкий карбюризатор подаётся каплями, а имеющийся вентилятор создаёт движение газового потока, и цементация протекает равномерно. Для уменьшения сажеобразования карбюризатор подают топливным насосом через форсунки в распылённом состоянии. Оптимальный расход синтина составляет 0,8л газа на 1см². Состав образующегося газа: СО 20...28%, Н₂ 55...75%, СН₄ 2...5%. Режим подачи синтина при насыщении определяют опытным путём.

Для легированных сталей температура цементации применяется выше точки Ас3, когда устойчив аустенит, способный растворить в больших количествах углерод.

При использовании жидкого карбюризатора эффективно применять комбинированный цикл насыщения для получения на поверхности цементованного слоя содержания углерода в пределах 0,8...1%. После цементации структура цементованного слоя приведена на рисунке 11.

Рис.11 Структура цементованного слоя

Расчёт времени нагрева и выдержки при цементации.

Глубина упрочняемого слоя 1,2…1,4мм

Скорость насыщения 1мм/час

Цементацию проводят в газе, получаемом при разложении синтина, при температуре 900°С. Для получения слоя  глубиной 1,2...1,4 мм время выдержки должно составлять 5 часов:

Охлаждение после цементации проводим на воздухе.

2.6.3 Закалка

Закалкой называется процесс термической обработки металлов, состоящий в их нагреве и быстром (иногда постепенном) охлаждении. Закалка применяется для повышения твердости, прочности и износоустойчивости. У некоторых металлов в процессе закалки повышается пластичность. Условия закалки для различных металлов, а порой и различных изделий из одного и того же металла отличаются. Особое значение это имеет для закалки инструментов, поскольку они подвергаются различной нагрузке.

Технология закалки следующая: изделие нагревают до определенной температуры (для стали 18ХГ2 температура равна 900^оС) и некоторое время выдерживают. За этот период изделие равномерно прогревается. Далее следует охлаждение. Охлаждают изделие в воде, при необходимости к ней добавляют поваренную соль, которая повышает эффективность закалки.

Температура воды для закалки должна быть на уровне 27-28°. В холодной воде металл делается ломким. Чем теплее вода, тем менее эффективна закалка (металл остается мягким).

Очень важно, чтобы во время охлаждения температура воды или раствора оставалась почти неизменной. Контролировать это непросто. Емкость для охлаждения должна быть такой, чтобы масса помещающейся в ней воды была в 30-50 раз больше массы закаливаемого изделия. Тогда скачки температуры воды от погружения раскаленного металла будут менее значительны. Чтобы охлаждение изделия происходило быстрее, можно перемещать его в емкости в различных направлениях.

Наиболее часто закалке подвергаются стальные изделия. Так, конструкционные стали обычно нагревают до 880-900 ° (цвет каления светло-красный). Особо твердые инструменты российская промышленность выпускает из специальных конструкционных сталей (маркировка "А") с содержанием углерода 0,25-0,7%. Эти стали обладают достаточно высокой прочностью, на которую эффективно воздействует закалка.

Конструкционные углеродистые стали используются в основном в изделиях, для которых особая прочность не требуется. Закалка мало способна повлиять на изменение твердости этой стали. Эффективна закалка и для изделий, выполненных из углеродистой инструментальной стали. Эти стали содержат 0,7-1,5% углерода и отличаются высокой прочностью. Производить закалку инструментальной стали лучше при температуре 750-760° (цвет каления темно-вишнево-красный). Для нержавеющей стали эта температура составит 1050-1100° (цвет темно-желтый), что обусловлено присутствием в ней более тугоплавких никеля и хрома.

Нагревают заготовки вначале медленно (до 500°), а затем быстро. Это необходимо для того, чтобы в металле не возникало внутреннее напряжение, зачастую приводящее к появлению трещин.

Для охлаждения стали после закалки помимо раствора поваренной соли можно использовать растительное или машинное масло. Чаще всего в масле охлаждают конструкционные и инструментальные стали. Детали сложной формы сначала охлаждают в воде (до 300-400°), а затем до полного остывания оставляют в масле. Еще один фактор, говорящий в пользу масла - в масле поверхность стального изделия покрывается плотной коричневой или черной пленкой оксидов, надежно предохраняя ее от коррозии.

В среднем время пребывания заготовки в охладителе рассчитывается, исходя из соотношения: одна секунда на 5-6 мм сечения изделия. Для более интенсивного охлаждения изделие, погруженное в охладитель, надо постоянно перемещать во всех направлениях.

2.6.4 Низкий отпуск.

Низкий отпуск - это операция термической обработки, заключающаяся в нагреве закалённой стали до температуры не выше температуры в точке Ас1, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. Низкий отпуск проводят для снятия внутренних напряжений, возникающих при закалке и обработки холодом. Низкий отпуск данной стали проводят с нагревом до температуры 250°С.

Расчёт времени нагрева и выдержки при низком отпуске.

При низком отпуске в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в a-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, в деталях. Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на

воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали. Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого (табл.). Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

Таблица