Таблица режимов термообработки отливок: температуры, времена, охлаждение

1. Введение в термообработку отливок

Термическая обработка отливок представляет собой комплекс технологических операций, направленных на изменение структуры и свойств металла посредством контролируемого нагрева, выдержки при определенной температуре и последующего охлаждения. Основными целями термообработки отливок являются снятие внутренних напряжений, возникающих в процессе литья, улучшение механических свойств металла и подготовка изделий к дальнейшей механической обработке.

Процесс литья характеризуется неравномерным охлаждением различных частей отливки, что приводит к формированию внутренних напряжений и неоднородной структуры. Тонкие сечения остывают быстрее массивных частей, создавая градиенты температур и, как следствие, остаточные напряжения. Эти напряжения могут достигать критических значений и приводить к появлению трещин, деформации изделий или снижению их эксплуатационных характеристик.

Современные требования к качеству металлических изделий диктуют необходимость применения научно обоснованных режимов термообработки. Правильно выбранные параметры процесса позволяют снизить уровень остаточных напряжений на 70-80%, улучшить однородность структуры и повысить механические свойства отливок. При этом критически важными являются не только температурные режимы, но и правильный выбор времени выдержки и скорости охлаждения.

2. Основные виды термообработки для снятия напряжений

Для эффективного снятия внутренних напряжений в отливках применяются различные виды термической обработки, каждый из которых имеет свои особенности и области применения. Выбор конкретного метода зависит от марки стали, геометрии изделия, требуемых механических свойств и экономических соображений.

Отжиг для снятия напряжений

Данный вид термообработки является наиболее распространенным для устранения остаточных напряжений в отливках. Процесс проводится при температурах 550-650°C с выдержкой 2-4 часа и последующим медленным охлаждением. При этих температурах происходит релаксация напряжений без существенного изменения структуры металла, что особенно важно для изделий, уже прошедших предварительную термообработку.

Полный отжиг

Полный отжиг предусматривает нагрев стали выше критической точки Ac3 на 30-50°C, выдержку для завершения фазовых превращений и медленное охлаждение вместе с печью. Этот процесс обеспечивает полную перекристаллизацию структуры, измельчение зерна и получение максимальной пластичности металла. Для углеродистых сталей скорость охлаждения составляет 100-150°C в час, для легированных сталей требуется более медленное охлаждение со скоростью 30-50°C в час.

Нормализация

Нормализация представляет собой разновидность отжига с ускоренным охлаждением на воздухе. Температура нагрева аналогична полному отжигу, но охлаждение происходит на спокойном воздухе, что обеспечивает формирование более дисперсной структуры и повышенные механические свойства по сравнению с отжигом. Процесс более экономичен, поскольку не требует длительного охлаждения в печи.

3. Отжиг отливок: температурные режимы и особенности

Температурный режим отжига является критическим параметром, определяющим эффективность процесса и качество конечного результата. Выбор температуры зависит от химического состава стали, типа отжига и требуемых свойств изделия. Для различных марок углеродистых сталей установлены оптимальные температурные диапазоны, обеспечивающие максимальную эффективность термообработки.

Для низкоуглеродистых сталей (содержание углерода до 0,25%) температура полного отжига составляет 870-900°C. При таких температурах обеспечивается полная аустенизация структуры и последующее образование мелкозернистого феррито-перлитного строения при медленном охлаждении. Среднеуглеродистые стали (0,3-0,6% углерода) требуют несколько более низких температур отжига - 820-870°C, что связано с изменением положения критических точек на диаграмме состояния.

Особенности отжига легированных сталей

Легированные стали требуют особого подхода к выбору режимов отжига. Легирующие элементы, такие как хром, никель, молибден, существенно влияют на кинетику фазовых превращений и устойчивость переохлажденного аустенита. Как правило, температуры отжига легированных сталей ниже, чем для соответствующих углеродистых аналогов. Например, для стали 40Х температура отжига составляет 780-800°C вместо 820-850°C для стали 40.

Критически важным для легированных сталей является обеспечение медленного охлаждения. Скорость охлаждения должна составлять 30-50°C в час до температуры 600-500°C, после чего допускается более быстрое охлаждение на воздухе. Нарушение этого требования может привести к образованию нежелательных структур (бейнита, мартенсита) и повышению твердости.

Изотермический отжиг

Для экономии времени и энергозатрат, особенно при обработке легированных сталей, широко применяется изотермический отжиг. После нагрева и выдержки при аустенизирующей температуре сталь быстро охлаждают до температуры 650-680°C и выдерживают при этой температуре 4-6 часов до полного распада аустенита. Такой подход позволяет сократить общее время процесса с 13-15 часов до 4-7 часов.

4. Нормализация как метод улучшения структуры

Нормализация занимает особое место среди методов термической обработки отливок, поскольку сочетает в себе эффективность структурного улучшения с экономичностью процесса. Основное отличие нормализации от отжига заключается в условиях охлаждения: вместо медленного охлаждения в печи применяется охлаждение на спокойном воздухе, что обеспечивает большую скорость охлаждения и, соответственно, более дисперсную структуру.

Температурные режимы нормализации выбираются исходя из типа стали. Для доэвтектоидных сталей (содержание углерода менее 0,8%) нагрев осуществляется до температуры выше критической точки Ac3 на 40-50°C. Для заэвтектоидных сталей температура нормализации выбирается в интервале между точками Ac1 и Ac3, что позволяет избежать чрезмерного роста аустенитного зерна и образования грубой карбидной сетки.

Преимущества нормализации перед отжигом

Нормализация обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с полным отжигом. Более быстрое охлаждение приводит к формированию мелкозернистой структуры с повышенной дисперсностью перлита, что обеспечивает лучшее сочетание прочности и пластичности. Твердость нормализованной стали обычно на 20-30 единиц HB выше, чем после отжига, при сохранении достаточной пластичности для механической обработки.

Экономические преимущества нормализации также весьма существенны. Отсутствие необходимости в длительном охлаждении в печи позволяет повысить производительность термических печей в 2-3 раза и снизить энергозатраты на 30-40%. Это делает нормализацию предпочтительным выбором для массового производства отливок, не требующих максимальной мягкости.

Применение нормализации для различных типов отливок

Нормализация особенно эффективна для отливок сложной конфигурации с переменным сечением. Относительно быстрое охлаждение на воздухе обеспечивает более равномерное распределение структуры по сечению детали по сравнению с медленным охлаждением при отжиге. Для крупных отливок может применяться нормализация с усиленным воздушным обдувом для обеспечения более равномерного охлаждения.

5. Расчет времени выдержки и выбор скорости охлаждения

Время выдержки при термической обработке отливок является критически важным параметром, определяющим полноту протекания диффузионных процессов и фазовых превращений. Недостаточная выдержка не обеспечивает равномерного прогрева по сечению и завершения структурных изменений, тогда как чрезмерная выдержка приводит к неоправданному росту энергозатрат и может вызвать укрупнение зерна.

Для практических расчетов времени выдержки при нормализации используется эмпирическая формула: t = K × D, где t - время выдержки в минутах, K - коэффициент, зависящий от марки стали (обычно 1-2 мин/мм), D - максимальная толщина сечения изделия в миллиметрах. Для отливок из углеродистых сталей коэффициент K принимается равным 1-1,5, для легированных сталей - 1,5-2,0.

Особенности расчета для различных типов термообработки

Для отжига снятия напряжений время выдержки не зависит от толщины изделия и составляет 2-4 часа в зависимости от марки стали и требуемой степени снятия напряжений. При температуре 600°C достаточно 2-3 часов выдержки для снижения напряжений на 70-75%, увеличение времени до 4-5 часов позволяет достичь 80-85% снижения.

Изотермический отжиг требует особого подхода к расчету времени. Выдержка при изотермической температуре (650-680°C) должна обеспечить полный распад аустенита, что для большинства сталей достигается за 4-6 часов. Предварительная выдержка при аустенизирующей температуре рассчитывается по стандартной методике.

Выбор скорости охлаждения

Скорость охлаждения оказывает решающее влияние на формирование структуры и свойства стали после термообработки. Для углеродистых сталей при отжиге применяется охлаждение со скоростью 100-150°C в час до температуры 600-500°C. Такая скорость обеспечивает близкое к равновесному состояние структуры и минимальную твердость.

Легированные стали требуют значительно более медленного охлаждения - 30-50°C в час. Это связано с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита и необходимостью предотвращения образования промежуточных структур. Превышение критической скорости охлаждения может привести к образованию бейнита или даже мартенсита в сечениях малой толщины.

6. Особенности термообработки различных марок сталей

Каждая группа сталей имеет свои специфические особенности, которые необходимо учитывать при выборе режимов термической обработки. Углеродистые стали обыкновенного качества, такие как Ст2, Ст3, отличаются относительной простотой термообработки и хорошей отзывчивостью на стандартные режимы отжига и нормализации.

Углеродистые качественные стали

Стали типа 20, 30, 40, 50 требуют более точного соблюдения температурных режимов. Сталь 20 с низким содержанием углерода (0,17-0,24%) характеризуется высокой пластичностью и свариваемостью. Температура нормализации составляет 880-910°C, что обеспечивает полную аустенизацию и последующее формирование феррито-перлитной структуры с преобладанием феррита.

Сталь 40 со средним содержанием углерода (0,37-0,45%) требует более внимательного подхода к выбору режимов охлаждения. При нормализации на воздухе может происходить частичное образование сорбитных структур, особенно в сечениях малой толщины. Это следует учитывать при назначении режимов последующей механической обработки.

Легированные конструкционные стали

Хромистые стали (40Х, 50Х) отличаются повышенной прокаливаемостью и склонностью к образованию промежуточных структур при ускоренном охлаждении. Температура отжига для стали 40Х составляет 780-800°C, что несколько ниже, чем для углеродистой стали 40. Обязательным является медленное охлаждение со скоростью не более 50°C в час.

Комплексно-легированные стали (30ХГСА, 30ХГС) требуют особого внимания к атмосфере печи для предотвращения обезуглероживания поверхности. Рекомендуется проведение термообработки в контролируемой атмосфере или с применением защитных покрытий.

Инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали У7-У13 подвергаются специальному виду отжига - сфероидизирующему, направленному на получение зернистого перлита для улучшения обрабатываемости резанием. Температура такого отжига составляет 750-770°C с последующим медленным охлаждением или циклическим нагревом и охлаждением в интервале 730-650°C.

Легированные инструментальные стали (ХВГ, 9ХС) требуют еще более строгого контроля атмосферы печи и применения защитных мер против обезуглероживания. Часто применяется отжиг в вакууме или в среде защитных газов.

7. Современные технологии и контроль качества

Современные технологии термической обработки отливок характеризуются высокой степенью автоматизации и точности контроля параметров процесса. Применение программируемых контроллеров позволяет обеспечить точность поддержания температуры в пределах ±5°C, что критически важно для получения стабильных результатов термообработки.

Индукционный нагрев током высокой частоты становится все более популярным для нормализации сортового проката и отдельных видов отливок. Этот метод обеспечивает высокую скорость нагрева, точность контроля температуры и возможность локальной обработки отдельных участков изделия. Особенно эффективен индукционный нагрев для обработки валов, осей и других изделий простой геометрии.

Контроль атмосферы печи

Современные печи для термообработки оснащаются системами контроля и регулирования атмосферы, что позволяет предотвратить окисление и обезуглероживание поверхности изделий. Применение контролируемых атмосфер на основе продуктов сгорания природного газа или готовых газовых смесей обеспечивает стабильное качество поверхности и исключает необходимость в дополнительной механической обработке для удаления окалины.

Методы контроля качества

Контроль качества термической обработки включает измерение твердости, металлографический анализ структуры и контроль остаточных напряжений. Современные методы неразрушающего контроля, такие как ультразвуковая дефектоскопия и рентгеновские методы определения напряжений, позволяют оценить эффективность термообработки без разрушения изделий.

Статистические методы контроля качества, включая построение контрольных карт и анализ трендов, обеспечивают раннее выявление отклонений в процессе и предотвращение брака. Применение образцов-свидетелей, проходящих термообработку вместе с основными изделиями, позволяет осуществлять оперативный контроль свойств без разрушения готовой продукции.