Термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, металлов.
Вы здесь
Каталог
Термическая обработка (термообработка) — это технологический процесс изменения структуры сталей, сплавов и цветных металлов посредством широкого диапазона температур: поэтапных нагреваний и охлаждении с определенной скоростью. Такая обработка очень сильно изменяет свойства сталей, сплавов, металлов в сторону улучшения показателей, но при этом не изменяя их химический состав. Можно сказать, что основная цель термической обработки – это улучшение свойств и характеристик изделий из него.
Виды (стадии) термической обработки стали
Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, представляющая собой процесс нагревания до заданной температуры, а затем процесс медленного охлаждения. Отжиг бывает разных видов в зависимости от уровня температур и скорости процесса.
Нормализация — термообработка, принципиально похожая на отжиг. Основное отличие в том, что процесс отжига предполагает печь, а при нормализации охлаждение стали проходит на воздухе.
Закалка — этап термообработки, основанный на нагревании сырья до такого уровня температуры, который является выше критического (перекристаллизация стали). После выдержки в такой температуре в заданном интервале времени происходит охлаждение, быстрое, с заданной скоростью. Закаленной стали (сплавам) свойственна неравновесная структура и поэтому применяется такой вид термообработки как отпуск.
Отпуск — стадия термообработки, необходимая для снятия в стали и сплавах остаточного напряжения или максимального его снижения. Снижает хрупкость и твёрдость металла, увеличивает вязкость. Проводится после стадии закалки.
Старение — иначе еще называется дисперсионное твердение. После стадии отжига металл опять нагревают, но до более низкого уровня температур и с медленной скоростью остужают. Цель такой термообработки в получении особенных частиц упрочняющей фазы.
От степени необходимой глубины обработки различают термообработку поверхностную, которая затрагивает лишь поверхность изделий, и объемную, когда термическому воздействию подвергается весь объем сырья.
В отраслевой промышленности, в частности – в машиностроении, термическую обработку чаще всего проходит сталь следующих марок:
— сталь 45 (замещаемость 40Х, 50, 50Г2)
— сталь 40Х (замещаемость 38ХА, 40ХР, 45Х, 40ХС, 40ХФ, 40ХН)
— сталь 20 (замещаемость 15, 25)
— сталь 30ХГСА (замещаемость 40ХФА, 35ХМ, 40ХН, 25ХГСА, 35ХГСА)
Термообработка стали 45
Конструкционная углеродистая. Этап предварительной термической обработки называется нормализация, проходит на воздухе, а не в печи. довольно легко проходит механическую обработку. Точение, фрезеровку и т. д. Получают детали, например, типа вал-шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки.
После закалки, которая является конечной стадией термообработки, детали достигают высокого уровня прочности и отличных показателей износостойкости. Подвергаются шлифовке. Высокое содержание углерода (0,45%) обеспечивает хорошую закаливаемость и, соответственно, высокую твёрдость поверхности и прочность изделия. Сталь 45 калят «на воду», когда после калки деталь охлаждают в воде. После охлаждения деталь подвергается низкотемпературному отпуску при температуре 200-300 градусов по Цельсия. При такой термообработке стали 45 достигает твердость порядка 50 HRC.
Термообработка стали 40Х
Легированная конструкционная сталь. Для деталей повышенной прочности такие как оси, валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, зубчатые венцы, болты, полуоси, втулки и прочих деталей повышенной прочности. Сталь 40Х также часто используется для производства поковок, штампованных заготовок и деталей трубопроводной арматуры. Однако последние перечисленные детали нуждаются в дополнительной термической обработке, заключающейся в закалке через воду в масле или просто в масле с последующим отпуском в масле или на воздухе.
Расшифровка марки стали 40Х. Цифра 40 указывает на то, что углерод в стали содержится в объеме 0,4 %. Хрома содержится менее 1,5 %. Помимо обычных примесей в своем составе имеет в определенных количествах специально вводимые элементы, которые призваны обеспечить специально заданные свойства. В качестве легирующего элемента в данном случае используется хром, о чем говорит соответствующая маркировка.
Термообработка стали 20
По требованиям к механическим свойствам выделяют пять категорий.
— I категория: сталь всех видов обработки без испытания на ударную вязкость и растяжение.
— II категория: образцы из нормализованной стали всех видов обработки размером 25 мм проходят испытания на ударную вязкость и растяжение.
— III категория: испытания на растяжение проводят на образцах из нормализованной стали, размером 26-100 мм.
— IV категория: образцы для испытаний на растяжение и ударную вязкость изготавливают из термически обработанных заготовок размером не более 100 мм. Требования третьей и четвертой категории предъявляют к калиброванной, горячекатаной и кованной качественной стали.
— V категория. Испытания механических свойств на растяжение проводят на образцах из калиброванных термически обработанных (высокоотпущенных или отожженных) или нагартованных сталей.
Термообработка стали 30ХГСА
Относится к среднелегированной конструкционной стали. Сталь 30ХГСА проходит улучшение – закалку с последующим высоким отпуском при 550-600 °С, поэтому применяется при создании улучшаемых деталей (кроме авиационных деталей это могут быть различные корпуса обшивки, оси и валы, лопатки компрессорных машин, которые эксплуатируются при 400°С, и многое другое), рычаги, толкатели, ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках, крепежные детали, работающие при низких температурах.
Сталь 30ХГСА обладает хорошей выносливостью, отличными показателями ударной вязкости, высокой прочностью. Она также отличается замечательной свариваемостью.
После прохождения термомеханической низкотемпературной обработки сталь 30ХГСА приобретает предел прочности до 2800 МПа, ударная вязкость повышается в два раза (в отличии от обычной термообработки стали 30хгса), пластичность увеличивается.
Термообработка стали 65Г
Сталь конструкционная рессорно-пружинная. Используют в промышленности пружины, рессоры, упорные шайбы, тормозные ленты, фрикционные диски, шестерни, фланцы, корпусы подшипников, зажимные и подающие цанги и другие детали, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости, и детали, работающие без ударных нагрузок. (заменители: 70, У8А, 70Г, 60С2А, 9ХС, 50ХФА, 60С2, 55С2).
Термообработка стали 40
Сталь конструкционная углеродистая качественная. Использование в промышленности: трубы, поковки, крепежные детали, валы, диски, роторы, фланцы, зубчатые колеса, втулки для длительной и весьма длительной службы при температурах до 425 град.
Термообработка стали 40ХН
Сталь конструкционная легированная Используется в отраслевой в промышленности: оси, валы, шатуны, зубчатые колеса, валы экскаваторов, муфты, валы-шестерни, шпиндели, болты, рычаги, штоки, цилиндры и другие ответственные нагруженные детали, подвергающиеся вибрационным и динамическим нагрузкам, с предъявляемыми требованиями повышенной прочности и вязкости. Валки рельсобалочных и крупносортных станов для горячей прокатки металла.
Термообработка сталь 35
Сталь конструкционная углеродистая качественная. Используется в отраслевой промышленности. Это детали невысокой прочности, подвергающиеся невысокому уровню напряжения: оси, цилиндры, коленчатые валы, шатуны, шпиндели, звездочки, тяги, ободы, траверсы, валы, бандажи, диски и другие детали.
Термообработка стали 20Х13
Закалка и отпуск стали 45
Обработка стали, осуществляемая в процессе термообработки, является одной из важнейших операций в металлургической отрасли и машиностроении. При соблюдении технологии PC 45 изделие приобретает достаточную прочность, значительно расширяя область использования изготовляемых изделий. При необходимости можно осуществлять закалку изделия из стали, в домашних условиях строго соблюдая технологию. При закалке лезвия ножа в домашних условиях вполне допустимо добиться повышения прочностных характеристик изделия в 3-4 раза.
Структурные изменения металла
При нагревании конструкционной специальной стали 45 до аустенитного уровня, происходит изменение состояния структурной решетки железа с переходом из объемно-центрированной в гранецентрированную структуру. Осуществляется перемещение углерода входящего в перлит и представляющего собой мельчайшие кристаллы Fe3C (цементита) в гранецентрированную измененную решетку железа.
Структура стали 45 после отжига и закалки
В ходе охлаждения происходит быстрое снижение температуры обрабатываемой стали, но из-за замедления скорости перемещения атомов углерода они остаются внедренными в новую решетку железа, образуя твердую пересыщенную структуру, имеющую внутреннее напряжение. Решетка преобразуется в тетрагональную с ориентацией в одном направлении.
Происходит образование игольчатых мелких структур имеющих название мартенсит. Данный вид кристаллов придает металлу высокую прочность, твердость и улучшенные характеристики. Происходит образование одновременно двух видов кристаллов аустенита и мартенсита, которые воздействуют друг, на друга создавая внутреннее избыточное напряжение. При активном влиянии на металл внешних сил происходит взаимная компенсация двух видов кристаллов, придавая структуре прочность.
Термическая обработка металла
Для изменения характеристик стали производится термическая обработка с соблюдением необходимых режимов воздействия.
Процесс термической обработки состоит из процессов:
Режимы термообработки стали 45
Закалка и отпуск стали во многом зависят от ряда факторов:
Закалка стали
Процесс закалки стали заключается в проведении термообработки заготовок с нагреванием до температуры выше критической с дальнейшим ускорением охлаждения. Данное состояние способствует повышению прочности и твердости (HRC) стали с одновременным снижением пластичности и улучшением потребительских характеристик.
Режим воздействия температуры охлаждения металла зависит от количества содержания углерода и легирующих присадок в стали.
После проведения закалки стали заготовки покрываются налетом окалины и частично теряют содержащийся углерод, поэтому технология обязательно должна соблюдаться согласно установленному регламенту.
Охлаждение металла должно проходить быстро, для предотвращения преобразования аустенита в сорбит или троостит. Охлаждение должно производиться точно по графику быстрое остывание заготовок, приводит к образованию мелких трещин. В процессе охлаждения от 200 °C до 300 °C происходит искусственное замедление при постепенном остывании изделий для этого, могут использоваться охлаждающие жидкости.
Закалка стали с помощью ТВЧ
При проведении поверхностной закалки с помощью ТВЧ процесс нагрева изделий осуществляется до более высокой температуры.
Это вызвано двумя факторами:
Закалка ТВЧ (токами высокой частоты)
Процессы, протекающие при обычной закалке в печи с использованием ТВЧ, имеют различные характеристики и ведут к изменению твердости (HRC) заготовок:
Нагрев деталей при использовании ТВЧ осуществляется до более высокой температуры, но перегрева заготовки не происходит. В процессе обработки с применением ТВЧ время операции нагрева значительно сокращается, что способствует сохранению размера и структуры зерна. В ходе выполнения операции закалки ТВЧ твердость металла ( HRC) возрастает на 2-3 един. по Роквеллу.
Процесс нагрева
Заготовки из стали нагреваются в печах. При нагреве инструмента используется предварительный подогрев отдельных частей с использованием
Обязательно должно соблюдаться условие равномерного прогрева всего изделия. Строго выдерживаться условие одновременного помещения деталей в печь с соблюдением времени нагрева деталей.
Применение защитных мер
При отсутствии герметичных печей операции обработки производятся в специальной герметичной таре, куда предварительно засыпается чугунная стружка для предотвращения выгорания углерода.
При обработке заготовок в соляных ваннах металл защищен от окисления, а для создания необходимых условий для сохранения уровня углерода содержание ванной 2-х кратно в течение суток раскисляется борной кислотой, кровяной солью или бурой. При температуре обработки в диапазоне температур 760-1000 °С в качестве раскислителя может использоваться древесный уголь.
Использование специальных охлаждающих жидкостей
В ходе проведения технологического процесса для охлаждения деталей в основном используется вода. Качество охлаждающей жидкости можно изменить, добавив соду или специальные соли, что может повлиять на процесс охлаждения заготовки.
Для сохранения процесса закалки категорически запрещается использовать содержащуюся в нем воду для посторонних операций. Вода должна быть чистой и иметь температуру от 20 до 30 °С. Запрещено использовать для закалки стали проточную воду.
Состав смесей солей и щелочей, применяемых в качестве закалочных сред
Данный способ закалки применяется только для цементированных изделий или имеющих простую форму.
Изделия, имеющие сложную форму, изготовленные из конструкционной специальной стали охлаждаются в 5% растворе каустической соды при температуре 50-60 °С. Операция закалки, проводится в помещении, оснащенном вытяжной вентиляцией. Для закалки заготовок выполненных из высоколегированной стали применяют минеральные масла, причем скорость охлаждения в масленой ванне не зависит от температуры масла. Недопустимо смешивание масла и воды, что может привести к появлению трещин на металле.
При закалке в масляной ванне необходимо выполнять ряд правил:
При проведении процесса закалки стали 45 необходимо соблюдать технологический процесс с соблюдением всех операций.
Отпуск стали 45
Технологический процесс отпуска стали проводится в зависимости от необходимой температуры:
Температура для проведения процесса отпуска зависит от марки стали, а сам процесс изменяет структуру и способствует снижению напряжения металла, а твердость снижается на малую величину. После проведения всех операций заготовка подвергается техническому контролю и отправляется заказчику.
При закалке и отпуске металла в домашних условиях необходимо строго соблюдать технологию и технику безопасности проведения работ.
Твердость – главный показатель качества инструмента
Выбирая инструмент для работы, мы сталкиваемся с такой его характеристикой как твердость, которая характеризует его качество. Чем выше этот показатель, тем выше его способность сопротивляться пластической деформации и износу при воздействии на обрабатываемый материал. Именно этот показатель определяет, согнется ли зуб пилы при распиловке заготовок, или какую проволоку смогут перекусить кусачки.
Метод Роквелла
Среди всех существующих методов определения твердости сталей и цветных металлов самым распространенным и наиболее точным является метод Роквелла.
Проведение измерений и определение числа твердости по Роквеллу регламентируется соответствующими документами ГОСТа 9013-59. Этот метод реализуется путем вдавливания в тестируемый материал инденторов – алмазного конуса или твердосплавного шарика. Алмазные инденторы используются для тестирования закаленных сталей и твердых сплавов, а твердосплавные шарики – для менее твердых и относительно мягких металлов. Измерения проводят на механических или электронных твердомерах.
Методом Роквелла предусматривается возможность применения целого ряда шкал твердости A, B, C, D, E, F, G, H (всего – 54), каждая из которых обеспечивает наибольшую точность только в своем, относительно узком диапазоне измерений.
Для измерения высоких значений твердости алмазным конусом чаще всего используются шкалы «А», «С». По ним тестируют образцы из закаленных инструментальных сталей и других твердых стальных сплавов. А сравнительно более мягкие материалы, такие как алюминий, медь, латунь, отожженные стали испытываются шариковыми инденторами по шкале «В».
Пример обозначения твердости по Роквеллу: 58 HRC или 42 HRB.
Впереди стоящие цифры обозначают число или условную единицу измерения. Две буквы после них – символ твердости по Роквеллу, третья буква – шкала, по которой проводились испытания.
(!) Два одинаковых значения от разных шкал – это не одно и то же, например, 58 HRC ≠ 58 HRA. Сопоставлять числовые значения по Роквеллу можно только в том случае, если они относятся к одной шкале.
Диапазоны шкал Роквелла по ГОСТ 8.064-94:
| A | 70-93 HR |
| B | 25-100 HR |
| C | 20-67 HR |
Слесарный инструмент
Инструменты для ручной обработки металлов (рубка, резка, опиливание, клеймение, пробивка, разметка) изготавливают из углеродистых и легированных инструментальных сталей. Их рабочие части подвергают закаливанию до определенной твердости, которая должна находиться в пределах:
| Ножовочные полотна, напильники | 58 – 64 HRC |
| Зубила, крейцмессели, бородки, кернеры, чертилки | 54 – 60 HRC |
| Молотки (боек, носок) | 50 – 57 HRC |
Монтажный инструмент
Сюда относятся различные гаечные ключи, отвертки, шарнирно-губцевый инструмент. Норму твердости для их рабочих частей устанавливают действующие стандарты. Это очень важный показатель, от которого зависит, насколько инструмент износостоек и способен сопротивляться смятию. Достаточные значения для некоторых инструментов приведены ниже:
| Гаечные ключи с размером зева до 36 мм | 45,5 – 51,5 HRC |
| Гаечные ключи с размером зева от 36 мм | 40,5 – 46,5 HRC |
| Отвертки крестовые, шлицевые | 47 – 52 HRC |
| Плоскогубцы, пассатижи, утконосы | 44 – 50 HRC |
| Кусачки, бокорезы, ножницы по металлу | 56 – 61 HRC |
Металлорежущий инструмент
В эту категорию входит расходная оснастка для обработки металла резанием, используемая на станках или с ручными инструментами. Для ее изготовления используются быстрорежущие стали или твердые сплавы, которые сохраняют твердость в холодном и перегретом состоянии.
| Метчики, плашки | 61 – 64 HRC |
| Зенкеры, зенковки, цековки | 61 – 65 HRC |
| Сверла по металлу | 63 – 69 HRC |
| Сверла с покрытием нитрид-титана | до 80 HRC |
| Фрезы из HSS | 62 – 66 HRC |
Примечание: Некоторые производители фрез указывают в маркировке твердость не самой фрезы, а материала, который она может обрабатывать.
Крепежные изделия
Существует взаимосвязь между классом прочности крепежа и его твердостью. Для высокопрочных болтов, винтов, гаек эта взаимосвязь отражена в таблице:
| Болты и винты | Гайки | Шайбы | ||||||||||||||
| Классы прочности | Ст. | Зак.ст. | ||||||||||||||
| d 16 мм | d 16 мм | |||||||||||||||
| Твердость по Роквеллу, HRC | min | 23 | 23 | 32 | 39 | 11 | 19 | 26 | 29.2 | 20.3 | 28.5 | |||||
| max | 34 | 34 | 39 | 44 | 30 | 36 | 36 | 36 | 23.1 | 40.8 | ||||||
Если для болтов и гаек главной механической характеристикой является класс прочности, то для таких крепежных изделий как стопорные гайки, шайбы, установочные винты, твердость не менее важна.
Стандартами установлены следующие минимальные / максимальные значения по Роквеллу:
Относительное измерение твердости при помощи напильников
Стоимость стационарных и портативных твердомеров довольно высока, поэтому их приобретение оправдано только необходимостью частой эксплуатации. Многие мастеровые по мере надобности практикуют измерять твердость металлов и сплавов относительно, при помощи подручных средств.
Измерение твердости при помощи напильников
Опиливание образца напильником – один из самых доступных, однако далеко не самый объективный способ проверки твердости стальных деталей, инструмента, оснастки. Напильник должен иметь не затупленную двойную насечку средней величины №3 или №4. Сопротивление опиливанию и сопровождающий его скрежет позволяет даже при небольшом навыке отличить незакаленную сталь от умеренно (40 HRC) или твердо закаленной (55 HRC).
Для тестирования с большей точностью существуют наборы тарированных напильников, именуемые также царапающий твердомер. Они применяются для испытания зубьев пил, фрез, шестерен. Каждый такой напильник является носителем определенного значения по шкале Роквелла. Твердость измеряется коротким царапанием металлической поверхности поочередно напильниками из набора. Затем выбираются два близко стоящие – более твердый, который оставил царапину и менее твердый, который не смог поцарапать поверхность. Твердость тестируемого металла будет находиться между значениями твердости этих двух напильников.
Переводная таблица твердости
Для сопоставления чисел твердости Роквелла, Бринелля, Виккерса, а также для перевода показателей одного метода в другой существует справочная таблица:
| Виккерс, HV | Бринелль, HB | Роквелл, HRB |
| 100 | 100 | 52.4 |
| 105 | 105 | 57.5 |
| 110 | 110 | 60.9 |
| 115 | 115 | 64.1 |
| 120 | 120 | 67.0 |
| 125 | 125 | 69.8 |
| 130 | 130 | 72.4 |
| 135 | 135 | 74.7 |
| 140 | 140 | 76.6 |
| 145 | 145 | 78.3 |
| 150 | 150 | 79.9 |
| 155 | 155 | 81.4 |
| 160 | 160 | 82.8 |
| 165 | 165 | 84.2 |
| 170 | 170 | 85.6 |
| 175 | 175 | 87.0 |
| 180 | 180 | 88.3 |
| 185 | 185 | 89.5 |
| 190 | 190 | 90.6 |
| 195 | 195 | 91.7 |
| 200 | 200 | 92.8 |
| 205 | 205 | 93.8 |
| 210 | 210 | 94.8 |
| 215 | 215 | 95.7 |
| 220 | 220 | 96.6 |
| 225 | 225 | 97.5 |
| 230 | 230 | 98.4 |
| 235 | 235 | 99.2 |
| 240 | 240 | 100 |
| Виккерс, HV | Бринелль, HB | Роквелл, HRC |
| 245 | 245 | 21.2 |
| 250 | 250 | 22.1 |
| 255 | 255 | 23.0 |
| 260 | 260 | 23.9 |
| 265 | 265 | 24.8 |
| 270 | 270 | 25.6 |
| 275 | 275 | 26.4 |
| 280 | 280 | 27.2 |
| 285 | 285 | 28.0 |
| 290 | 290 | 28.8 |
| 295 | 295 | 29.5 |
| 300 | 300 | 30.2 |
| 310 | 310 | 31.6 |
| 320 | 319 | 33.0 |
| 330 | 328 | 34.2 |
| 340 | 336 | 35.3 |
| 350 | 344 | 36.3 |
| 360 | 352 | 37.2 |
| 370 | 360 | 38.1 |
| 380 | 368 | 38.9 |
| 390 | 376 | 39.7 |
| 400 | 384 | 40.5 |
| 410 | 392 | 41.3 |
| 420 | 400 | 42.1 |
| 430 | 408 | 42.9 |
| 440 | 416 | 43.7 |
| 450 | 425 | 44.5 |
| 460 | 434 | 45.3 |
| 470 | 443 | 46.1 |
| 490 | — | 47.5 |
| 500 | — | 48.2 |
| 520 | — | 49.6 |
| 540 | — | 50.8 |
| 560 | — | 52.0 |
| 580 | — | 53.1 |
| 600 | — | 54.2 |
| 620 | — | 55.4 |
| 640 | — | 56.5 |
| 660 | — | 57.5 |
| 680 | — | 58.4 |
| 700 | — | 59.3 |
| 720 | — | 60.2 |
| 740 | — | 61.1 |
| 760 | — | 62.0 |
| 780 | — | 62.8 |
| 800 | — | 63.6 |
| 820 | — | 64.3 |
| 840 | — | 65.1 |
| 860 | — | 65.8 |
| 880 | — | 66.4 |
| 900 | — | 67.0 |
| 1114 | — | 69.0 |
| 1120 | — | 72.0 |
Примечание: В таблице приведены приближенные соотношения чисел, полученные разными методами. Погрешность перевода значений HV в HB составляет ±20 единиц, а перевода HV в HR (шкала C и B) до ±3 единиц.
При выборе инструмента желательно предпочесть модели известных производителей. Это дает уверенность в том, что приобретаемый продукт изготовлен с соблюдением технологий, а его твердость отвечает заявленным значениям.
Соотношение твердости по Роквеллу и Бринеллю различных изделий.