Металлы в твердом состоянии являются кристалли­ческими телами. Форма, величина, цвет и взаимное рас­положение кристаллов являются характерными для каж­дого металла и сплава.

 

Кристаллическая структура находится в прямой связи с механическими и другими свойствами сплава и зависит не только от количества п качества металлов, входящих в состав сплава, но и от тех условий, при которых получен сплав: температуры нагрева, скорости охлаждения, по­следующей обработки и т. д. Таким образом, один и тот же сплав может иметь различную структуру и соответ­ствующие механические свойства в зависимости от ре­жима его термической обработки.

Чтобы режущий инструмент (резец, сверло И т. п.) легче врезался своей режущей кромкой в тело обрабаты­ваемого изделия и успешнее снимал стружку, он должен быть значительно тверже, чем обрабатываемое изделие. Повышения твердости режущего инструмента и пониже­ния твердости обрабатываемого изделия достигают соот­ветствующей термической обработкой изделий. Металлы и их сплавы подвергаются термической обработке и тогда, когда необходимо понизить их хрупкость и способность к короблению или повысить вязкость, сопротивление раз­рыву, износоустойчивость.

Основными видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка п отпуск.

Отжиг — нагрев стали до определенной температуры с последующим медленным охлаждением, обычно в печн, иногда на воздухе. Температура нагрева зависит от хими­ческого состава стали и колеблется в пределах 700—900°. Чем больше в стали углерода, тем медленнее нужно на­гревать и особенно охлаждать сталь и тем ниже должна быть температура иагрева. Так, например, для стали 20 с содержанием углерода 0,15—0,25% температура нагрева должна составлять 840—860°, а для стали 40 с содержанием углерода 0,35—0,45 %—785—810°.

Литые, кованые и штампованные заготовки, а также восстановленные автогенной наплавкой пзношениые де­тали отжигают для снятия впутренних напряжений, вы­званных неравномерным охлаждеппем, а также для устра­нения перегрева и исправления структуры металла. Кроме того, отжигом понижают твердость заготовок и на­варенных деталей, нуждающихся в последующей обра­ботке резанием. Это весьма важно и потому, что уморен­ная п равномерная твердость изделия позволяет повысить скорость резания, срок службы режущего инструмента и качество обработки.

Нормализация — нагрев стали в печи до определенной температуры (в зависимости от содержания в стали угле­рода) с последующим охлаждением на воздухе. При нор­мализации твердость стали и сопротивление разрыву по сравнению с отжигом несколько повышаются, а вязкость понижается. Кроме того, поверхность нормализованной стали после обработки на металлорежущих станках по­ручается чище, чем у отожженной стали.

Таким образом, если от изделия требуются возможно низкая твердость и высокая вязкость, его подвергают полному отжигу, а если необходимы повышенное сопро­тивление разрыву и хорошая обрабатываемость на стан­ках, то изделие нормализуют.

Закалка — нагрев стали пли чугуна до определенной температуры в пределах 740—850° с последующей выдерж­кой при этой температуре в течение некоторого времени и затем более или менее быстрое охлаждение. Температура нагрева должна строго соответствовать марке стали, при­чем она должна быть тем выше, чем меньше углерода в стали закаливаемых изделий, и, наоборот, тем ниже, чем больше углерода в стали.

Легированная и особенно быстрорежущая сталь тре­бует медленного нагрева, а затем непрерывного или сту­пенчатого (с выдержкой по времени) нагрева до более высокой температуры, чем для углеродистой стали. Чем быстрее производится охлаждение, тем большую твер­дость приобретает сталь. Однако слишком резкое охлаж­дение (холодной водой) может вызвать в изделии так на­зываемые закалочные трещины, которые особенно легко могут получиться в местах резких переходов от тонких к толстым местам изделия.

Стали с небольшим содержанием углерода плохо или совсем не закаляются. Практически закалке подвер­гаются стали с содержанием углерода не меиее 0,35%. Стали легированные закаливаются и ири меньшем содер­жании углерода, таи как закалке способствуют имею­щиеся в стали присадки (хром, никель, вольфрам и т. д.).

Закалкой увеличиваются прочность, — твердость и из­носоустойчивость стали и чугуна и, как правило, их крупнозернистое строение превращается в мелкозернистое. Отрицательным последствием закалки является умень­шение вязкости стали, что понижает со способность со­противляться ударным нагрузкам.

Для охлаждения закаливаемых изделий применяют воду и различные растворы, некоторые масла и дажо струю воздуха.

Отпуск заключается в медленном и равномерном на­греве изделий до температуры 150—600э с последующим быстрым или медленным охлаждением. Отпуск произво­дят непосредственно после закалки для устранения внут­ренних напряжений и хрупкости в закаленных стали или чугуне. Одновременно отпуск повышает вязкость, но сни­жает твердость. Определенной твердости соответствует вполне определенная температура нагрева при отпуске, поэтому ее необходимо измерять специальными прибо­рами—термометрами и термопарами. Низкая темпера­тура нагрева при отпуске определяет более высокую твердость. Изделия, требующие высокой твердости, от­пускают при температуре 150—300°, а изделия, нуждаю­щиеся в большей сопротивляемости ударным нагрузкам, и, следовательно, в повышенной вязкости, отпускают при температуре 450—600°.

Нпже для примера приводятся данные уменьшения твердости углеродистой стали при разных температурах отпуска.

Температура отпуска (в °Ц) . . . 100              200    300 400 500 600

Падение твердости (в ®0)     ….     2,5 14  41  70  87 97

Машинные детали, подвергающиеся прн работе износу истиранием п ударным нагрузкам, обрабатывают способом поверхностной закалки с предшествующими ей цемента­цией или поверхностным нагревом. Закаленный твердый поверхности слой хорошо сопротивляется износу, а не­закаленная вязкая сердцевина придает детали хорошую сопротивляемость ударным нагрузкам.

Цементация — процесс обогащения поверхностного слоя изделия углеродом Толщина цементованного слоя обычно колеблется в пределах 0,1—2 мм. Подвергаемые цементации изделия должны быть изготовлены из мало­углеродистой стали (углерода не выше 0,23 %). При боль­шем содержании углерода в исходной стали нельзя будет после закалки цементованного изделия получить мягкую сердцевину.

Процесс цементации заключается в том, что цементуе­мое изделие и соприкасающееся с ним вещество, бога­тое углеродом, нагревают до температуры в пределах

 

900—950°, прп которой происходит быстрое проникнове­ние углерода в сталь.

Науглероживающие вещества (карбюризаторы) могут быть твердыми, жидкими и газообразными. На ремонтных предприятиях применяют обычно твердые карбюриза­торы — древесный уголь и реже обугленную рожу с раз­личными добавками (сода, углекислый барий и др.), уси­ливающими процесс цементации. Жидкие карбюризаторы применяют в тех случаях, когда требуется быстро полу­чить тонкий цементованный слой с высоким содержанием углерода. В качестве жидких карбюризаторов часто при­меняют цианистый калий в смеси с бурой, содой и другими веществами. При цементации твердыми карбюризаторами в течение 4—12 часов слой цементации получается тол­щиной 1—2 мм, а жидкими в течение 15—20 минут — 0,15—0,3 мм.

При неправильном ведении термической обработки из­делия могут покоробиться и даже дать трещины. Чтобы избегнуть этого, необходимо нагревание и охлаждение изделия вести равномерно во всех его местах.