Поэтому процесс термической обработки металлов сводится, по существу, к трем последовательным операциям:
а) нагреву металла с определенной скоростью до необходимой температуры,
б) выдержке при этой температуре в течение некоторого времени,
в) охлаждению с заданной по процессу скоростью.

В зависимости от того, в каком направлении надо изменить свойства данного стального изделия, применяются различные виды термической обработки, отличающиеся максимальной температурой нагрева, продолжительностью выдержки и скоростью охлаждения. Термическая обработка широко применяется в современном машиностроении.

Основными видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Применение того или иного процесса термической обработки зависит от того, в каком направлении нужно изменить структуру и свойства данной стали. В практике часто применяются в определенной последовательности несколько процессов термической обработки к одному и тому же изделию или полуфабрикату для получения необходимых свойств.

Отжиг стальных изделий, поковок, слитков применяется в тех случаях, когда нужно изменить структуру крупнозернистой стали, т. е. измельчить зерно и сделать структуру мелкозернистой; улучшить обрабатываемость стали режущим инструментом; подготовить структуру стали к ‘последующей термической обработке; выровнять химическую неоднородность в крупных стальных отливках, слитках; устранить внутренние напряжения в стальных изделиях; освободить сталь от наклепа. Отжиг заключается в том, что стальное изделие нагревается до определенной температуры, выдерживается при этой температуре некоторое время и затем медленно охлаждается вместе с печью.

Отжиг подразделяется на несколько видов. В практике применяются следующие виды отжига: полный, неполный, изотермический; отжиг на зернистый перлит; диффузионный, низкотемпературный, рекристаллизационный.

Полным отжигом называется такой, при котором сталь нагревается до температуры, лежащей на 30—50° выше линии GSK по диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов, выдерживается при этой температуре и затем медленно охлаждается-вместе с печью. После отжига сталь приобретает мелкозернистую структуру, становится мягкой, вязкой и освобождается от внутренних напряжений.

Скорость нагрева, максимальная температура нагрева, выдержка и скорость охлаждения оказывают большое влияние на конечный результат отжига. В зависимости от химического состава стали и размеров изделия изменяется и скорость нагрева. Например, при отжиге легированных сталей, изделий сложной формы и изделий крупного размера нагрев производится мед-тленно. Выдержка при максимальной температуре нагрева должна обеспечить равномерный прогрев изделия до заданной температуры и произвести превращение в структуре стали. Однако продолжительная выдержка при высоких температурах может привести к образованию крупных зерен. Продолжительность выдержки зависит от максимальной температуры нагрева, химического состава стали, исходной структуры, а также от веса изделия.

Температура максимального нагрева углеродистых сталей зависит в основном от содержания углерода в стали. Ниже приводится табл. 3 температур отжига углеродистых сталей с различным содержанием углерода.

При проведении полного отжига нужно следить за максимально допустимой температурой нагрева, так как превышение температуры приводит к сильному росту зерна, в связи с чем сталь становится хрупкой. Такая сталь называется перегретой. Структуру перегретой стали можно исправить повторным отжигом. Структуры нормально отожженной стали и перегретой показаны на рис. 22. При нагреве стали до очень высоких температур ее можно испортить, так как при этом кислород, проникая в сталь, окисляет железо, в результате чего окислы железа располагаются по границам зерен.

Такая сталь называется пережженной и обладает очень низкими механическими свойствами. Исправить структуру пережженной стали повторными процессами термической обработки невозможно. Скорость охлаждения после тепловой выдержки оказывает большое влияние на механические свойства стали. При быстром охлаждении структурные составляющие стали получаются мельче, что ведет к повышению прочности и упругости стали. При медленном охлаждении металл становится мягче. Скорость охлаждения зависит от требований, предъявляемых к стали.

Отжиг на зернистый перлит применяется для уменьшения твердости, повышения вязкости и улучшения обработки заэв-тектоидных и эвтектоидных сталей. Практически он осуществляется нагревом стали до температуры 740—760°, т. е. немного выше критической точки. После выдержки сталь медленно охлаждается.

Диффузионный отжиг преследует устранение неоднородности химического состава крупных слитков высоколегированной стали. Характеризуется он медленным нагревом стали до высоких температур, порядка 1100—1150°, выдержкой при этих температурах от 10 до 15 часов и последующим охлаждением. Нагрев стали до таких температур ускоряет диффузионные процессы в аустените, в результате чего происходит выравнивание химического состава стали. После диффузионного отжига сталь обычно подвергается обыкновенному отжигу, или нормализации.

Рекристаллизационный отжиг применяется для уничтожения наклепа. При холодной обработке стали, прокатке, волочении проволоки, штамповке сталь получает холодное деформирование (наклёпывается). Наклеп выражается в том, что сталь после холодной обработки приобретает жесткость и становится малопластичной. Такую сталь трудно обрабатывать. Рекристаллизационный отжиг снимает эти деформации, и сталь приобретает свои первоначальные свойства. Структура наклепанной и отожженной стали показана на рис. 23. При рекристаллизационном отжиге сталь нагревается до температуры 680—700°, дается небольшая выдержка при этой температуре, после чего она охлаждается на воздухе.

Нормализация преследует те же цели, что и отжиг. При нормализации стальные изделия нагреваются на 30—50° выше линии GSE, выдерживаются при этих температурах и затем охлаждаются на воздухе. Существенным отличием нормализации от отжига является большая скорость охлаждения стальных изделий после нагрева; поэтому нормализованные изделия имеют большую твердость, а пластичность их меньше.

Рис 22. Структура стали:
а — нормально отожженной; б — перегретой при отжиге

Нормализация способствует образованию в стали более мелкого зерна (рис. 24, а), чем оно получается при отжиге (рис. 24, б) и самый процесс нормализации протекает быстрее отжига. В настоящее время нормализация получила широкое применение и во многих случаях вытеснила отжиг.

Рис. 23. Структура стали:
а — наклепанной; б — отожженной

Закалкой стали называется такой процесс термической обработки, при котором сталь нагревается выше линии GSK на 30—50°, выдерживается при закалочной температуре и затем быстро охлаждается в воде, масле или на воздухе. Закалка применяется в тех случаях, когда нужно повысить прочность, упругость и твердость стали. Сущность закалки заключается в том, что в стали при нагреве выше линии GSK происходят структурные превращения, в результате которых образуются зерна аустенита. При быстром охлаждении аустенит при переходе через линию PSK распадается и в зависимости от скорости охлаждения в стали образуются новые структуры, т. е. сорбит, троостит или мартенсит, которые обладают большей прочностью по сравнению с перлитом.

Рис. 24. Структура стали:
а — нормализованной; б — отожженной

В зависимости от характера охлаждения закалка имеет несколько разновидностей. В производственной практике существуют следующие способы закалки.

Обыкновенная закалка (закалка в одной среде). Этот вид закалки применяется главным образом для простых деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей. Детали после нагрева до закалочных температур и небольшой выдержки погружаются в охлаждающую среду и держатся в ней до тех пор, пока совершенно не охладятся. В качестве охлаждающей среды применяется вода или масло. Среда выбирается в зависимости от размеров изделий и химического состава стали.

Прерывистая закалка (закалка в двух средах) применяется преимущественно для закалки инструмента, изготовленного из высокоуглеродистых сталей. Этот способ заключается в том, что нагретое изделие после некоторой выдержки охлаждают в воде до температуры порядка 400—300°, после чего извлекают его из воды и дальнейшее охлаждение проводят в масле. Так как масляная среда дает меньшую скорость охлаждения, то образование в стали мартенсит-ной структуры происходит спокойнее, благодаря чему уменьшаются внутренние напряжения.

Рис. 25. Закалка зубила с самоотпуском

Закалка с самоотпуском. Отпуск изделий после закалки обычно производится повторным нагревом холодных закаленных изделий до необходимой температуры. В этом случае вся деталь подвергается одному и тому же режиму закалки и отпуска,

в результате чего твердость и вязкость во всех ее точках будут одинаковы. При закалке с самоотпуском к повторному нагреву не прибегают, и отпуск производят за счет тепла той части изделия, которая не погружена в закалочную жидкость, или за счет тепла, сохранившегося во внутренних слоях изделия. Закалка с самоотпуском широко применяется в случаях термической обработки ударных инструментов, так как для них создание одинаковой твердости во всех точках является нецелесообразным. Наоборот, постепенное и равномерное уменьшение твердости от рабочей части к центру и хвостовой части обеспечивает высокую стойкость инструмента в работе.

Закалка с самоотпуском практически производится следующим образом. После нагрева изделия до закалочной температуры и соответствующей выдержки при этой температуре рабочая часть инструмента погружается в воду (рис. 25, а). После неполного охлаждения в воде отпускаемую поверхность быстро-зачищают напильником (рис. 25, б) и наблюдают за цветами побежалости, которые появляются на зачищенной поверхности стали. Появляющиеся цвета побежалости являются результатом возникновения тонких слоев окислов на поверхности стали. Цвет слоя окисла зависит от его толщины. Цвета побежалости появляются при нагревании стали в интервале температур 200—325°. При появлении цвета побежалости, который соответствует требуемой температуре отпуска, рабочую часть инструмента быстро-окончательно охлаждают в воде (рис. 25, в).

2. Виды поверхностной закалки стали

Ряд деталей автомобиля и других машин, испытывая в процессе работы большие динамические нагрузки, одновременно подвергается поверхностному истиранию. В таких случаях возникает необходимость придавать высокую твердость поверхностному слою деталей, сохраняя их сердцевину вязкой. В последнее время в промышленности получили широкое распространение различные виды поверхностной закалки изделий.

В практике поверхностная закалка изделий производится следующими способами:
а) индукционным нагревом изделий токами высокой частоты,
б) контактным электронагревом изделий,
в) нагревом кислородно-ацетиленовым пламенем,
г) нагревом металлов и сплавов в электролите.

Поверхностная закалка токами высокой частоты производится с помощью индукционного нагрева металла токами высокой частоты. Этот метод разработан и применен в 1936 г. в Советском Союзе профессором В. П. Вологдиным.

Индукционный нагрев металлических изделий основан на использовании явлений электромагнитной индукции, теплового действия электрического тока и поверхностного эффекта. Нагрев изделий, подлежащих закалке, осуществляется при помощи специальной установки (рис. 26), которая состоит из следующих основных элементов: генератора высокой частоты, электродвигателя, трансформатора, индуктора, батареи конденсаторов. Сущность закалки токами высокой частоты заключается в том, что изделие, подвергающееся закалке, помещается в индуктор с таким расчетом, чтобы между ним и индуктором был воздушный зазор в 2—4 мм. Ток высокой частоты от машинного генератора поступает в индуктор. Вокруг индуктора создается переменное магнитное поле, под воздействием которого в закаливаемом изделии индуктируются вихревые токи. Благодаря явлению поверхностного эффекта максимальная плотность тока будет сосредоточена на поверхностном слое изделия. Толщина слоя, по которому идет ток максимальной плотности, называется глубиной проникновения тока. Под действием индукционного тока поверхностный слой изделия быстро нагревается до закалочных температур, а сердцевина изделия нагревается до температур, лежащих ниже линии PSK, благодаря чему в ней не происходит никаких структурных превращений и изменений механических свойств. Нагрев изделий происходит в течение нескольких секунд, так как скорость нагрева равна 320—400° в секунду. По окончании нагрева изделия охлаждаются водяным душем. Вода поступает (из индуктора, изготовляемого в виде медной трубки и имеющей с внутренней стороны специальные отверстия для выхода воды. В индуктор вода подается под давлением от специальной

Рис. 26. Схема установки для закалки изделий токами высокой частоты

установки. Глубина закалки зависит в основном от частоты применяемого тока и может получаться от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Закалка’ токами высокой частоты отличается от обычной закалки высокой производительностью; кроме того, она обеспечивает получение более высокой поверхностной твердости закаленных изделий.

туры отпуска твердость стали уменьшается, а ударная вязкость увеличивается. Продолжительность выдержки при отпуске закаленной стали должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить сквозной прогрев изделия и завершение структурных изменений. В зависимости от размеров отпускаемых изделий, их веса, конструкции печи, температуры отпуска время выдержки может быть различным — от нескольких минут до 4—5 часов. Охлаждение нагретых изделий может производиться в воздушной или в жидкой среде, преимущественно в воде, или на воздухе. Скорость охлаждения после нагрева и выдержки углеродистых сталей может быть различной, так как она не оказывает влияния на механические свойства отпускаемых изделий. При отпуске легированных сталей, главным образом хромистых, охлаждение должно производиться быстро. При медленном охлаждении ударная вязкость понижается и сталь может получиться хрупкой. Отпуск, в зависимости от температуры нагрева, бывает трех видов: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск производится при температуре 150—200°. Такой отпуск главным образом снимает внутренние напряжения, а высокая твердость и износоустойчивость изделия сохраняются. Низкий отпуск применяется для инструментальных стадей, а также после закалки деталей, подвергнутых цементации, цианированию и поверхностной закалке.

Средний отпуск осуществляется путем нагрева стали в интервале температур от 200 до 500°. Целью среднего отпуска является создание высоких пределов прочности и упругости при хорошей вязкости. Он применяется обычно при обработке пружин, рессор, штампов, а также ударного инструмента.

Высокий отпуск производится нагревом стали от 500 до 7002и применяется для деталей, изготовленных из улучшенной конструкционной стали. Высокий отпуск имеет своей целью получить наибольшую вязкость стали при достаточном пределе прочности и упругости. Этот вид отпуска применяется для обработки деталей,- подвергающихся действию ударных нагрузок, для создания у них однородной структуры сорбита отпуска. Такому отпуску подвергаются шатуны, шатунные болты, передние оси автомобиля и т. п.

Обработка стальных изделий холодом была впервые применена русским ученым П. П. Аносовым в 1827 г. Широкое применение этот метод получил в наше время благодаря Исследованиям профессора А. П. Гуляева. Сущность обработки стальных изделий холодом заключается в том, что закаленная сталь непосредственно после закалки охлаждается до температур, лежащих значительно ниже 0 (минус 80—190°). При низких температурах остаточный аустенит закаленной стали, распадаясь, превращается в мартенсит. Благодаря этому твердость стали повышается, структура стали становится однородной, повышается ее прочность. Охлаждение закаленных изделий до низких температур производится различными способами: твердой углекислотой, которая дает возможность понизить температуру стали до — 75°, жидким воздухом, кислородом или азотом до — 180—190° в холодильных машинах. Обработке холодом подвергаются режущий инструмент, измерительный инструмент и различные цементованные ответственные детали.

4. Термическая обработка чугуна

Отливки и изделия из серого и белого чугунов подвергаются различным видам термической обработки с целью уничтожения внутренних напряжений, снижения твердости, повышения прочности, улучшения антифрикционных и других свойств.

Отжиг чугунных отливок производится для уничтожения внутренних напряжений и для снижения твердости. Нагрев их делается медленный, так как при быстром нагреве в силу плохой теплопроводности чугуна в нем могут появляться трещины. Скорость нагрева производится в пределах 80—160° в час. Максимальная температура нагрева 500—550°. При такой температуре отливки выдерживаются в течение 2—8 часов. После выдержки производится медленное охлаждение со скоростью от 20 до 50° в час. В результате отжига отливки из серого чугуна освобождаются от внутренних напряжений. Такому отжигу подвергаются отливки блока цилиндров двигателя и поршневых колец. В тех случаях, когда на поверхности отливок образуется слой отбеленного чугуна, отливки также подвергаются отжигу, но с целью снижения твердости.

При отжиге для снижения твердости отливки нагреваются до более высоких температур, порядка 800—950°.

Закалка чугунных изделий производится с целью повышения их твердости, прочности и износоустойчивости. Чугунные изделия, подлежащие закалке, нагревают до 900—950°, выдерживают при этой температуре и затем подвергают охлаждению в масле. Вода для охлаждения не применяется во избежание коробления изделий и образования трещин. После закалки производится отпуск при температурах порядка 200— 300°.

Наиболее распространенным видом закалки чугунных изделий является изотермическая закалка, при которой изделие, нагретое до 850—950°, после выдержки переносится в соляную ванну, температура которой обычно бывает от 250 до 400°. После выдержки в соляной ванне изделия охлаждают на воздухе.

Охлаждающая среда и ее правильный выбор оказывают большое влияние на качество закалки. В. интервале температур 650—400° аустенит очень неустойчив и при медленном охлаждении распадается на феррит и цементит. Следовательно, для того, чтобы предотвратить распад аустенита и переохладить его, необходима большая скорость охлаждения, особенно в интервале температур 650—400°. Аустенит в углеродистых сталях при температурах ниже 400° делается относительно устойчивым, и при процессе превращения его в мартенсит охлаждение желательно проводить медленно, что связано с уменьшением внутренних термических напряжений. Что касается легированных сталей, то охлаждение их ниже 400° должно проводиться быстро. В качестве охлаждающей среды при закалке могут применяться: вода различной температуры, как чистая так и с примесями некоторых солей, минеральные и растительные масла, расплавленные соли, расплавленные металлы.

Скорость охлаждения нагретого металла в этих средах различна.

Различные скорости охлаждения в закалочных средах объясняются тем, что при погружении нагретого металла в жидкость на его поверхности образуется пленка перегретого пара, которая прочно держится вокруг изделия и способствует образованию паровой рубашки. Паровая рубашка плохо проводит тепло, вследствие чего происходит снижение скорости охлаждения. При закалке в масле паровая рубашка разрывается медленно, а в воде она разрывается быстрее, этим объясняются различные скорости охлаждения. Вода повторно, применяемая для закалки, закаливает сильнее, чем свежая. В воде с примесью едкого натра охлаждение происходит очень быстро в связи с тем, что частички едкого натра при попадании на поверхность раскаленного металла взрываются и способствуют разрушению паровой рубашки.

5. Определение температуры нагрева изделий

Температура нагрева изделий при термической обработке металлов имеет исключительно важное значение. Качество изделий после термической обработки в основном зависит от точного соблюдения и выполнения температурного режима того или иного вида термообработки. Поэтому для измерения и регулирования температурного режима термической обработки пользуются специальными приборами, которые называются пирометрами. Пирометры бывают термоэлектрические и оптические.

Термоэлектрический пирометр состоит из термопары и милливольтметра (.рис. 27, а). Термопара состоит из двух тонких проволочек, изготовленных из разных металлов. Концы проволочек спаяны, два других остаются свободными, которыми термопара присоединяется к милливольтметру. При нагревании спаяных концов между свободными концами термопары появляется разность потенциалов, электрический ток при этом регистрируется отклонением стрелки милливольтметра. Величина отклонения стрелки милливольтметра зависит от температуры нагрева спаянных концов термопары. Милливольтметр имеет две шкалы. На одной нанесены милливольты, а на другой — градусы. Для измерения температур, не превышающих 1000°, одна проволочка термопары делается из хромеля (сплав никеля с хромом), а другая из алюминия (сплав никеля с алюминием, марганцем и кремнием). Для предохранения проволочек термопары от повреждений они вставлены в защитные трубки (рис. 27, б). Внутренняя трубка делается из фарфора, а внешняя из стали.

Рис. 27. Термоэлектрический пирометр:
а — схема пирометра; б— термопара в защитной трубке

Оптический пирометр с исчезающей нитью работает по принципу изменения степени яркости излучения раскаленных тел. С помощью такого пирометра измерение температуры нагретого металла производится на некотором расстоянии от него путем сравнения яркости световых лучей, излучаемых нагретым металлом, с яркостью нити лампы, помещенной в пирометре. Определение температуры нагретого металла производится через окуляр. Путем перемещения объектива прибора получают четкое изображение рассматриваемого предмета. После установки пирометра путем пропускания тока накаливают нить лампы. Накал нити регулируется реостатом и производится до тех пор, пока ее изображение не исчезнет на фоне раскаленного металла. Изображение нигги исчезает при ее нагреве, соответствующем нагреву раскаленного металла, т. е. когда температуры у них будут одинаковы. Температура нити измеряется гальванометром, на шкале которого нанесены градусы. Оптическим пирометром можно измерять температуры до 2000°.

Цвета каления и побежалости при отсутствии описанных приборов дают возможность определить температуру нагретых металлов довольно точно на глаз.

При определении температур нагретой стали на глаз в интервале 220—325° пользуются цветами побежалости.

6. Термическая обработка основных деталей автомобиля

Значительная часть автомобильных деталей подвергается различным видам термической обработки с целью сообщения им физических и механических свойств, обеспечивающих необходимую прочность. Для подготовки структуры металла к последующим видам термической обработки применяются главным образом нормализация и отжиг. Улучшение углеродистых сталей производится закалкой и отпуском. Основные детали автомобиля, как, например, коленчатые валы, после штамповки подвергаются нормализации, затем механической обработке, после чего шейки их закаливаются токами высокой частоты.