Таблицы методов термообработки

Отжиг и его разновидности

Отжиг — вид термической обработки, заключающийся в нагреве до определенной температуры, выдержке и последующем медленном охлаждении. Основной целью отжига является получение равновесной структуры, снятие внутренних напряжений и повышение пластичности материала.

В зависимости от цели выделяют несколько разновидностей отжига:

• Полный отжиг — выполняется для доэвтектоидных сталей с нагревом на 30-50°C выше точки A₃ (830-950°C);
• Неполный отжиг — для заэвтектоидных сталей с нагревом на 30-50°C выше точки A₁ (750-780°C);
• Рекристаллизационный отжиг — для снятия наклепа после холодной деформации (550-650°C);
• Отжиг для снятия напряжений — проводится при 550-650°C для уменьшения внутренних напряжений после сварки, литья или механической обработки.

Как видно из Таблицы 1, отжиг характеризуется значительным временем выдержки и медленной скоростью охлаждения, что позволяет получить структуры, близкие к равновесным. Согласно Таблице 2, после отжига наблюдается снижение твердости и прочности с одновременным повышением пластичности.

Нормализация

Нормализация — вид термической обработки, при котором материал нагревается до аустенитного состояния (выше точки A₃ или A_cm) и затем охлаждается на воздухе. Основное отличие от отжига — более быстрое охлаждение.

Основными целями нормализации являются:

• Измельчение зерна и получение более однородной структуры;
• Подготовка структуры к последующей термообработке;
• Улучшение обрабатываемости;
• Устранение структурной неоднородности после литья или прокатки.

Как видно из Таблицы 3, нормализация наиболее эффективна для углеродистых сталей с содержанием углерода до 0,6%. В Таблице 4 указано, что нормализация является относительно экономичным процессом, требующим меньше энергозатрат и времени по сравнению с отжигом, при этом риск деформаций деталей также ниже, чем при закалке.

Закалка

Закалка — вид термической обработки, заключающийся в нагреве до аустенитного состояния, выдержке и последующем быстром охлаждении со скоростью выше критической. Основная цель закалки — получение неравновесных структур (мартенсит, бейнит) для повышения твердости и прочности.

Согласно Таблице 1, температурный режим закалки составляет 750-1300°C в зависимости от типа сплава, а время выдержки минимально необходимое для полного прогрева и аустенитизации. Критически важным параметром является скорость охлаждения, которая должна превышать критическую для данного сплава.

Из Таблицы 2 видно, что закалка приводит к значительному повышению твердости (на 20-50 HRC) и прочности (на 50-150%), но при этом резко снижается пластичность (на 70-90%). В структуре образуется мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с тетрагональной кристаллической решеткой.

В Таблице 4 отмечены технологические особенности закалки: высокий риск деформаций и трещинообразования из-за внутренних напряжений, что требует особого внимания к конструкции деталей и выбору закалочной среды.

Отпуск

Отпуск — вид термической обработки, заключающийся в нагреве закаленного материала до температуры ниже точки A₁, выдержке и последующем охлаждении с целью снижения внутренних напряжений и получения требуемого сочетания механических свойств.

В зависимости от температуры различают три вида отпуска:

• Низкий отпуск (150-250°C) — сохраняет высокую твердость при снижении хрупкости, структура — отпущенный мартенсит;
• Средний отпуск (350-500°C) — обеспечивает высокую упругость и прочность, структура — троостит отпуска;
• Высокий отпуск (500-650°C) — обеспечивает оптимальное сочетание прочности и пластичности, структура — сорбит отпуска.

Процесс закалки с последующим высоким отпуском называется улучшением и широко применяется для конструкционных сталей.

Согласно Таблице 2, с повышением температуры отпуска происходит постепенное снижение твердости и прочности при значительном повышении пластичности. Микроструктурные изменения включают распад мартенсита, выделение и коагуляцию карбидов, снятие внутренних напряжений.

Цементация

Цементация — процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя стали углеродом при повышенной температуре. Основная цель — повышение поверхностной твердости при сохранении вязкой сердцевины.

Согласно Таблице 1, цементация проводится при температуре 900-950°C в течение 4-12 часов в зависимости от требуемой глубины слоя. Для насыщения углеродом применяются твердые карбюризаторы (древесный уголь с активаторами) или газовые среды (природный газ, пропан-бутан, эндо- и экзогазы).

Как указано в Таблице 3, цементация наиболее эффективна для низкоуглеродистых сталей (С < 0,25%), поскольку позволяет создать градиент содержания углерода от поверхности к сердцевине. После цементации обычно следует закалка и низкий отпуск для получения высокотвердого мартенситного поверхностного слоя.

Из Таблицы 4 видно, что цементация является энергоемким и длительным процессом, требующим специализированного оборудования, но при этом обеспечивает уникальное сочетание свойств, недостижимое другими методами.

Азотирование

Азотирование — процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя стали азотом при повышенной температуре. Основные цели — повышение поверхностной твердости, износостойкости, усталостной прочности и коррозионной стойкости.

Согласно Таблице 1, азотирование проводится при относительно низких температурах (480-650°C), но требует очень длительного времени выдержки (10-90 часов). В качестве азотирующей среды используются аммиак или соли аммония.

Особенность азотирования в том, что оно проводится как финишная операция после полного цикла термообработки (улучшения). Как показано в Таблице 3, азотирование наиболее эффективно для легированных сталей, содержащих нитридообразующие элементы (Cr, Al, V, Mo).

Из Таблицы 2 видно, что азотирование обеспечивает экстремально высокую поверхностную твердость (до 1000-1200 HV) за счет образования мелкодисперсных нитридов в поверхностном слое. При этом, в отличие от цементации, азотирование не требует последующей закалки, что минимизирует деформации деталей.