>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Профессиональное обучение

Ручная ковка

Термическая обработка поковок

Общие сведения. Термической обработкой называют операцию целенаправленного изменения структуры металла и его свойств путем нагрева до определенной температуры, выдержкой при этой температуре и его последующего охлаждения с заданной скоростью. Эта операция очень важна в технологическом цикле изготовления поковок и от правильности ее выполнения во многом зависят эксплуатационные качества деталей, а также их надежность.

Термическую обработку заготовок и поковок выполняют с целью увеличения механической прочности и твердости деталей, повышения обрабатываемости поковок на металлорежущих станках, получения необходимой структуры под окончательную термическую обработку, ликвидации внутренних напряжений в поковках, повышения пластичности металла при многократной его обработке давлением в холодном состоянии и др.

Вид термической обработки, режимы нагрева и охлаждения зависят от типа сплава, требований, предъявляемых к поковкам, а также целей термической обработки.

Термическая обработка стальных поковок. В кузнечном производстве при изготовлении стальных поковок используют в основном один или два из четырех видов термической обработки, к которым относятся отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Следует отметить, что различные стали имеют свои определенные режимы термической обработки.

Отжиг выполняют путем нагрева металла до температуры фазовых превращений и последующего медленного охлаждения. После отжига структуры стали соответствуют диаграмме железо — углерод: доэвтектоидные стали (С < 0,8 %) будут иметь структуру феррит + перлит, эвтектоидные (С = 0,8 %) — перлит, заэвтектоидные (С > > 0,8 %) — перлит + цементит. Фазовая перекристаллизация при отжиге измельчает зерно, снимает внутренние напряжения, возникшие при ковке, и уменьшает структурную неоднородность. В результате отжига снижаются прочность и твердость металла, увеличивается его пластичность, повышается обрабатываемость резанием. Отжиг обычно применяют при обработке поковок из сталей с высоким содержанием углерода и легирующих элементов. При многопереходной холодной пластической деформации с помощью отжига снимают упрочнение, полученное металлом в процессе промежуточных операций, и восстанавливают пластичность металла перед последующей холодной обработкой давлением.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидных сталей до температуры, на 30 ... 50 ° С превышающей температуру перехода стали в аустенитное состояние, выдержке при этой температуре до полного прогрева заготовки и в последующем медленном охлаждении в печи. Время нагрева и выдержки зависит от марки стали, формы и размеров сечения поковок или заготовок, типа печи и способа укладки заготовок в ней. Поковки из углеродистых сталей охлаждают со скоростью 50 . . . 150 град/ч, а поковки из легированных сталей — значительно медленнее (20 ... 60 град/ч). Полному отжигу подвергают поковки для максимального уменьшения твердости и прочности металла и повышения его пластичности. Если полный отжиг выполняют для снятия напряжений в поковках сложной формы, то медленное охлаждение ведут почти до температуры цеха. В других случаях поковки медленно охлаждают в печах до 500 . . . 600 ° С с последующим охлаждением на воздухе.

Неполный отжиг (в отличие от полного) осуществляют путем нагрева поковок до температуры несколько выше 723 ° С. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг выполняют для снятия напряжений и улучшения обрабатываемости резанием поковок, ковка которых была выполнена в установленном температурном интервале без образования крупнозернистой структуры. Заэвтектоидные стали, как правило, подвергают неполному отжигу, при котором происходит полная перекристаллизация, пластинчатый перлит принимает зернистую структуру, а сталь становится пластичной и имеет низкую твердость.

Нормализацию применяют, как правило, для устранения в поковках крунозернистой структуры,, образовавшейся в результате вынужденного или случайного увеличения времени нахождения заготовок в печи или в случае окончания ковки при слишком высокой температуре .

Нормализация заключается в нагреве сталей до температуры, на 50 ... 60 ° С превышающей температуру перехода стали в аустенитное состояние, непродолжительной выдержке и охлаждении на воздухе.

Нормализация низкоуглеродистых сталей обеспечивает получение более чистой поверхности при резании. Для среднеуглеродистых сталей она заменяет закалку с высоким отпуском и снижением коробления формы поковки. Для исправления структуры легированных сталей часто вместо отжига применяют нормализацию с последующим высоким отпуском при 600 ... 650 ° С.

3акалкой называют операцию нагрева до температуры, на 30 ... 70 ° С превышающей температуру перехода стали в аустенитное состояние, и охлаждения в воде, масле или другой среде с соответствующей для данной стали скоростью. Время выдержки при температуре закалки должно быть достаточным для завершения полного фазового превращения в металле.

Кузнецы часто выполняют закалку сразу по окончании ковки без дополнительного нагрева. Очевидно, что зто возможно лишь в том случае, если температура поковки по окончании ковки не ниже температуры закалки.

Закалка не является окончательной термической обработкой, так как сталь становится не только прочной, но и очень хрупкой, а в поковке возникают большие закалочные напряжения. Они достигают такого значения, что из-за низкой пластичности металла приводят либо к образованию в поковках трещин, либо к разрушению детали в самом начале ее эксплуатации. Кузнечный инструмент, например молоток, подвергнутый только закалке, не может быть использован по своему назначению, так как при выполнении удара от него будут откалываться кусочки твердого металла.

Вследствие этого для снижения закалочной хрупкости и внутренних напряжений, а также для приобретения требуемых высоких прочностных свойств поковки после закалки подвергают отпуску. Конструкционные стали закаливают и подвергают отпуску для повышения предела прочности, твердости при достаточных показателях пластичности и ударной вязкости, а инструментальные стали — для придания инструменту высоких твердости и изностостойкости.

Отпуск является окончательным видом термической обработки. Он заключается в нагреве закаленной стали до некоторой температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении, как правило, на воздухе. В процессе отпуска структурных превращений в металле не происходит, но снижаются закалочные напряжения, несколько уменьшаются твердость и прочность, повышаются пластичность и ударная вязкость. Чем выше температура отпуска, тем больше снижается твердость закаленной стали и повышается ее вязкость.

В зависимости от марки стали и требований, предъявляемых к твердости и прочности детали, применяют три вида отпуска: высоко», средне- и низкотемпературный (сокращенно их называют соответственно высоким, средним и низким).

Низкий отпуск проводят с нагревом до 150 . . . 250 ° С с целью снижения внутренних напряжений без уменьшения твердости закаленной стали (до HRC3 59 . . . 65). Однако после такого отпуска детали не воспринимают динамических нагрузок, поэтому низкий отпуск используют для обработки режущего и измерительного инструмента из углеродистых и низкоуглеродистых сталей.

Средний отпуск выполняют при 350 .. . 500 ° С и применяют дня пружин и рессор, так как он обеспечивает получение стали с небольшим пределом упругости и повышенной вязкостью при твердости HRC3 41 ...51.

Высокий отпуск, осуществляемый при 500 . . . 680 ° С, почти полностью ликвидирует закалочные напряжения, повышает пластичность и ударную вязкость, однако заметно снижает прочность и твердость стали. Закалка с высоким отпуском по сравнению с отжигом одновременно повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение и ударную вязкость.

Термообработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением; она создает наилучшее соотношение между прочностью и вязкостью стали. Улучшению подвергают, как правило, конструкционные стали с содержанием углерода 0,3 ... 0,5 %.

Кузнецы ручной ковки при изготовлении слесарного, кузнечного или измерительного инструмента часто применяют закалку и отпуск с одного нагрева. Такую операцию, называемую также закалкой с самоотпуском, выполняют следующим образом. Нагретую под закалку поковку охлаждают в воде или масле не полностью, а до температуры, несколько превышающей температуру отпуска. Извлеченную из закалочной среды поковку выдерживают на воздухе до появления на ее поверхности, предварительно обработанной на наждачном камне, соответствующего цвета побежалости. После этого поковку окончательно охлаждают в масле или воде. Определить примерную температуру поковки можно по цвету побежалости, пользуясь их следующим соответствием: 350 . . . 330 ° С — светло-серый; 320 ° С — сине-васильковый; 250 ° С — красно-коричневый; 240 ° С — коричневый; 280 ° С — фиолетовый; 260 ° С — пурпуровый; 230 ° С — золотистый; 220 ° С — светло-желтый.

Режимы термической обработки пружинно-рессорной стали

Термическая обработка поковок из алюминиевых сплавов. В зависимости от действия термической обработки деформируемые алюминиевые сплавы делят на две группы: сплавы, не упрочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемые термической обработкой. К первой группе относятся сплавы алюминия в основном с марганцем и магнием (МАц, АМг и др.), ко второй — сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем, цинком (Д1, Д16, В95, АК6 и др.) . Сплавы первой группы являются пластичными, упрочняются при холодной деформации и, поскольку обладают сравнительно невысокой прочностью, применяются для изготовления слабонагруженных деталей.

Алюминиевые сплавы второй группы после термической обработки приобретают высокие механические свойства. Термическая обработка упрочняемых сплавов состоит из закалки и старения. При закалке сплав нагревают до определенной температуры и охлаждают в воде. Старение осуществляют, выдерживая сплав при комнатной температуре в течение нескольких суток (естественное старение) или при повышенной температуре — в течение нескольких часов (искусственное старение). Рассмотрим режимы термической обработки некоторых наиболее широко распространенных алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы (АК6, АК8), обладающие высокими пластическими свойствами при ковочной температуре 400 . . . 470 ° С, используют для изготовления ковкой и штамповкой сложных по форме, прочных и легких поковок. С целью повышения механических свойств эти сплавы подвергают закалке в воде с температуры 500 . . . 515 ° С (АК6) или 490 . . . 505 ° С (АК8) и последующему старению при 150 ... 165 ° С в течение 5 ... 15 ч.

Дюралюминий (Д1, Д16) также хорошо деформируется в горячем состоянии, но при холодной деформации требует промежуточного отжига при 350 . . . 470 ° С. Сплав Д1 закаливают в воде с температуры 495 . . . 510 ° С, а сплав Д16 — с 495 . .. 505 ° С- После закалки в течение некоторого времени рассматриваемые сплавы имеют высокую пластичность, поэтому в этот период их пластически деформируют. Для получения наиболее высоких прочности и коррозионной стойкости сплавы Д1 и Д16 подвергают естественному старению в течение 4 ... 5 сут.

Высокопрочные алюминиевые сплавы кроме меди и магния содержат 5 ... 7 % цинка. Например, сплав В95, имеющий предел прочности до 580 МН/м², обладает, однако, небольшой пластичностью (8 %) . Для получения высокой прочности этот сплав закаливают.

Жаропрочные алюминиевые сплавы, содержащие дополнительно такие легирующие элементы, как никель и титан, сохраняют высокую прочность при температурах до 300 °С. Высокой жаропрочностью обладает сплав Д20; его термическая обработка заключается в закалке с 535 °С в воде и старении при 160 ... 175 °с в течение 10 ... 16 ч. Жаропрочный сплав АК4-1 закаливают в воде с температуры 510 . . . 515 °С и, аналогично сплаву Д20, подвергают старению при 160 .. . 175°С.

Термическая обработка поковок из медных сплавов. К наиболее широко применяемым сплавам меди относятся латунь и бронза.

Латунь в процессе холодной пластической деформации интенсивно упрочняется. Так, предел прочности латуни марки Л80 увеличивается при наклепе с 320 до 640 МН/м², но при этом резко снижается ее пластичность, а относительное удлинение уменьшается с 55 до 3 %. Для снятия наклепа эту латунь подвергают рекристаллизационному отжигу при 500 ... 700 ° С в течение 2 ... 3 ч.

Латуни, пластически деформированные в холодном состоянии, при продолжительном нахождении во влажной среде под действием внутренних напряжений могут растрескиваться. Это явление, называемое сезонным растрескиванием, предупреждают отжигом при 200 . . . 300° С.

Оловянистые бронзы, применяемые для обработки давлением, содержат не более 4 . . . 6 % олова. Их подвергают рекристаллизационному отжигу при 600 . . . 650 С в течение 2 ... 4 ч как промежуточной операции при холодной обработке давлением и как окончательной операции — для придания сплаву требуемых свойств.

Алюминиевые бронзы, например БрАЖ9-4, термически обрабатывают для повышения прочности: их подвергают либо нормализации с нагревом до 650 °С ,либо закалке в воде с температуры 950 °С.

Бериллиевые бронзы относятся к медным сплавам, которые в наибольшей степени упрочняются термической обработкой. Их подвергают закалке в воде с температуры 760 . .. 780 °С и старению при 320 ° С в течение 2 ч. В процессе старения предел прочности берил-лиевой бронзы увеличивается до 1300 . .. 1350МН/м², а твердость - до 400 НВ; относительное удлинение снижается до 0,5 . . . 1,5 %.

Термическая обработка поковок из титановых сплавов. Титановые сплавы подвергают отжигу, закалке и старению. Отжиг применяют для снятия упрочнения после пластической деформации и повышения термической стабильности — способности сохранять неизменными механические свойства при повышенных температурах. Закалку и отжиг титановых сплавов выполняют для повышения механических свойств деталей. .

Выполняя термическую обработку титановых сплавов, следует помнить, что при высоких температурах они активно взаимодействуют с кислородом, азотом,, водородом и другими газами. Вследствие этого поковки из титановых сплавов нужно нагревать в вакуумных печах или среде инертных газов (применение газовых или электрических печей с воздушной атмосферой не рекомендуется).

Нагревательные устройства. Для осуществления основных видов термической обработки в кузнечных цехах используют различные нагревательные устройства, закалочные баки, печи, ванны и др. Тип нагревательного устройства выбирают в зависимости от вида выполняемой термической обработки (закалка, отжиг, отпуск), серийности производства, обрабатываемого сплава и используемого источника теплоты (газ, мазут, электричество).

При отсутствии газа и электричества на участках ручной ковки для выполнения термической обработки заготовки и поковки нагревают в горнах. Очевидно, что вследствие невозможности осуществления точного контроля температуры нагрева, а также отсутствия защитной атмосферы в горне на участке ручной ковки нельзя обеспечить качественную термическую обработку высоколегированных сталей, титановых и других сплавов. Однако многие углеродистые (как конструкционные, так и инструментальные) стали могут быть подвергнуты закалке, отпуску или отжигу и в условиях участка ручной ковки.

Термические газовые и электрические печи по своей конструкции напоминают кузнечные. В мелкосерийном и единичном производстве применяют печи камерного типа, в массовом — методического. В термических печах количество горелок или форсунок должно быть большим, чем в кузнечных, что необходимо для более равномерного распределения теплоты в рабочей камере.

Кроме того, для нагрева металла под термообработку используют печи косвенного нагрева, в которых нагреваемый металл не соприкасается с продуктами горения и пламенем. Широко применяют также в настоящее время электрические термические печи. Регулирование температурного режима в этих печах легко автоматизируется, в них можно создавать контролируемую атмосферу или вакуум. Именно в таких печах подвергают термической обработке титановые, высокопрочные алюминиевые и другие сплавы, интенсивно окисляющиеся на воздухе.

Материалы о режимах термообработки, средах, применяемых для нагрева и охлаждения, типах нагревательных устройств в зависимости от обрабатываемого сплава можно найти в соответствующей справочной литературе.