Урок 12.1ОбрабатыватьГлава 12 · Термообработка и поверхностное упрочнение

Термообработка (закалка, отпуск, отжиг)

Нагрев, закалка и отпуск (или медленное охлаждение) всей детали

Термообработка меняет твёрдость или вязкость металла контролируемым нагревом и охлаждением, не меняя форму. Одну и ту же сталь можно сделать достаточно мягкой для обработки или достаточно твёрдой, чтобы резать другие металлы. Кухонный нож, пружина и шестерня обязаны своим поведением именно ей.

Фото: Goodwin Steel Castings, CC BY-SA 2.0, через Wikimedia Commons

Закалка с отпуском и отжиг: схема температуры по времениСплошная линия — путь закалки; цифры в кружках соответствуют шагам ниже. Пунктирная линия — отжиг, альтернатива с медленным охлаждением.

Как это работает

Нагреть. Деталь помещают в печь и нагревают, пока она не засветится красным, для обычных сталей обычно около 800–900 °C. При такой температуре атомы перестраиваются в форму (аустенит), способную растворять углерод стали.
Выдержать (прогреть). Деталь остаётся при температуре, пока не прогреется насквозь. Толстым деталям нужно больше времени, по эмпирическому правилу около часа на 25 мм толщины.
Закалить. Горячую деталь погружают в воду, масло или раствор полимера, и она остывает за секунды. Углерод оказывается в ловушке, образуя мартенсит (очень твёрдую, но хрупкую структуру).
Отпустить, затем остудить. Деталь повторно нагревают до гораздо более низкой температуры, обычно около 150–650 °C, выдерживают, затем охлаждают. Это обменивает немного твёрдости на значительно большую вязкость (стойкость к растрескиванию); чем выше отпуск, тем деталь вязче и мягче.

Отжиг идёт другой дорогой: после выдержки деталь очень медленно остывает в печи и становится мягкой, лёгкой для обработки или гибки. Нормализация — между ними: деталь остывает на неподвижном воздухе.

Ключевые факты

Материалы: В основном углеродистые и легированные стали и инструментальные стали; также чугун, титановые и алюминиевые сплавы (со своими режимами)
Типичные детали: Шестерни, валы, оси, пружины, ножи, инструменты, болты, подшипники
Размер детали: От небольших штифтов до деталей массой в несколько тонн, ограничено печью и закалочным баком
Точность: Форма сохраняется, но детали могут деформироваться или слегка расти, часто на десятые доли миллиметра, поэтому ответственные поверхности потом шлифуют
Качество поверхности: На воздухе образуется тёмная оксидная окалина; вакуумные печи или печи с защитным газом сохраняют детали блестящими
Подходящая партия: От единичных деталей до проходных печей, обрабатывающих тысячи деталей в день
Стоимость оснастки и оборудования: Небольшие печи от нескольких тысяч долларов; промышленные линии с закалочными баками и контролем газа — от сотен тысяч до миллионов
Скорость: Часы на цикл (нагрев, выдержка, закалка, отпуск); партии из многих деталей сразу

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Одну сталь можно сделать мягкой, вязкой или очень твёрдой под задачу
Обрабатывает всю деталь по всей толщине
Большие партии сразу, поэтому низкая стоимость детали
Может отменить прежние эффекты: отжиг размягчает наклёпанный металл

Ограничения

Закалка может коробить или растрескивать детали, особенно тонкие или неровные
Низкоуглеродистые стали почти не закаливаются; сплав должен подходить для обработки
Окалина и деформации часто означают дополнительное шлифование или очистку
Энергоёмкие печи и долгие циклы

Где применяется

АвтомобилестроениеШестерни, коленчатые валы, оси, пружины
ИнструментСвёрла, зубила, ножи, штампы и формы
АвиацияШасси самолётов, валы двигателей, высокопрочный крепёж
Энергетика и тяжёлая промышленностьВалы турбин, детали для горной добычи и землеройной техники
СтроительствоВысокопрочные болты, арматура, стальные канаты

Как узнать процесс

Радужные цвета отпуска (соломенный, бронзовый, синий) возле шлифованных краёв, типичные для инструментов и ножей.
Тёмно-серая или чёрная оксидная окалина на нешлифованных поверхностях.
Напильник скользит по закалённой поверхности, а не врезается.
Шлифованные опорные поверхности рядом с более тёмными нетронутыми поверхностями на той же детали.