Предварительная и окончательная термическая обработка

Предварительная термическая обработка выполняется для обеспечения необходимых технологических свойств, улучшения структуры металла (обе эти задачи могут решаться одновременно). Кроме того, она выполняется для стабилизации структуры металла и размеров деталей — стабилизирующая. Окончательная термическая обработка формирует необходимые эксплуатационные свойства детали. Следует отметить, что такое разделение носит несколько условный характер. Предварительная термическая обработка для одних деталей (например, нормализация) может быть окончательной для других.

Ниже рассмотрены особенности в основном термической обработки сталей и чугунов как наиболее распространенных конструкционных материалов.

Предварительная термическая обработка заготовок

Заготовки получают отрезкой или рубкой проката; литьем — отливки; пластическим деформированием — поковки; сваркой.

При изготовлении заготовок из проката структурных изменений металла может не происходить. Тогда термическая обработка полученной заготовки не требуется. Вместе с тем в некоторых сталях (высокоуглеродистых, легированных, например ХВГ) при отрезке абразивными кругами появляются закаленные участки с высокой твердостью, что затрудняет последующую механическую обработку. В этом случае требуется термическая обработка для снижения твердости и, как следствие, для улучшения обрабатываемости резанием. Заготовки таких сталей после отрезки подвергают отжигу.

Необходимость термической обработки поковок, полученных методами горячей пластической деформации, определяется наличием остаточных напряжений, а также возможными структурными изменениями, например крупным зерном при перегреве (см. 15.2.1). Стали, обладающие высокой закаливаемостью и прокаливаемостью, после охлаждения от ковочного нагрева могут приобрести повышенную твердость.

Литье используют для получения заготовок — отливок сложной формы (фасонных). Для отливок характерна более грубая макрои микроструктура, ликвация (см. 3.4.2 и 3.4.4), а также наличие остаточных литейных напряжений (разная скорость охлаждения и неодновременное затвердевание по объему отливки).

Таким образом, и для поковок, и для отливок необходима термическая обработка. Она должна обеспечить измельчение зерна, получение структуры, оптимальной для обработки резанием; устранение или снижение остаточных напряжений. Кроме того, в крупных отливках из легированных сталей возникает ликвация, так как диффузия атомов легирующих компонентов (в отличие от атомов углерода) затруднена, проходит медленно, выравнивания химического состава по объему не происходит. Ликвация устраняется или снижается проведением диффузионного отжига, который выполняется при высоких температурах 1050…1250 °С. За этим исключением (диффузионный отжиг) термическая обработка для отливок и поковок одинакова и зависит от марки стали.

Для достижения оптимальной обрабатываемости резанием рекомендуется следующая обработка стальных поковок и отливок (все виды термической обработки рассмотрены в гл. 5):

• — низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,3%, в том числе низколегированные (например, 15Х, 20Х), с твердостью до 207 НВ — нормализация;
• — низкоуглеродистые среднелегированные (18ХГТ) — нормализация + высокий отпуск;
• — низкоуглеродистые сложнолегированные (12ХНЗА), углеродистые и легированные с содержанием углерода 0,3…0,6% (45, 40ХФЛ, ЗОХГСА) — нормализация + высокий отпуск или отжиг;
• — стали с содержанием углерода 0,6% и более — сфероидизирующий отжиг.

Необходимость термической обработки сварных заготовок вызвана тем, что структуры сварного шва и прилегающей к нему зоны, испытывающей тепловое воздействие (зона теплового воздействия, ЗТВ), отличаются между собой, а также от структуры основного металла заготовок. Кроме того, для сварных заготовок характерно наличие остаточных напряжений как результат теплового воздействия и структурных превращений (см. 11.4.2).

Снижение сварочных напряжений обеспечивается отпуском при 620…700 °С. Это наиболее распространенная термическая обработка сварных конструкций.

Улучшение структуры и повышение механических свойств металла в ЗТВ достигается за счет перекристаллизации. Для более нагруженных деталей выполняют нормализацию (для доэвтектоидных статей нагрев выше Ас3 с последующим охлаждением на воздухе). Такая обработка? позволяет измельчить зерно в зоне перегрева (участок 3 на рис. 11.11) и улучшить структуру участка 5 (см. рис. 11.11).

Для деталей малых габаритов, не испытывающих нагрузок при эксплуатации, термическая обработка необязательна.

Заготовки, получаемые холодной пластической деформацией, вследствие наклепа обладают высокими твердостью и прочностью, но пониженной пластичностью. Это снижает обрабатываемость резанием и затрудняет или делает невозможной дальнейшую холодную пластическую деформацию. Для снижения прочности, твердости и повышения пластичности проводят рекристаллизационный отжиг (нагрев и выдержка при температуре выше температуры рекристаллизации, Tрекр = ?•Tпл, см. 3.5.3).