1. Термической обработкой называют совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлических сплавов, находящихся в твердом состоянии, для изменения их структуры и получения нужных физико-механических свойств.
Термической обработке подвергают детали и инструменты для повышения твердости, прочности и износостойкости, а также заготовки (отливки, поковки и др.) для подготовки к механической обработке.
Отжиг – нагрев стали до заданной температуры, выдержка и медленное охлаждение (вместе с печью) для: получения ненапряженной структуры и устранения ликвации. Отжиг бывает первого и второго рода. Рекристаллизационный отжиг (первого рода) – нагрев сплава для устранения наклепа, полученного в результате холодной деформации, и повышения пластичности. Этот вид термообработки основан на процессах возврата, рекристаллизации и гомогенизации. Отжиг с фазовой перекристаллизацией (второго рода) характеризуется нагревом сплава выше температуры фазовых превращений с целью снижения твердости и устранения структурной неоднородности стали.
Отжиг второго рода применяют главным образом для доэвтектоидных сталей.
Нормализация– нагрев стали выше температуры фазовых превращений с последующим охлаждением на воздухе (в нормальных условиях) для улучшения микроструктуры стали и повышения механических свойств, а также для подготовки к последующей термической обработке.
Закалка– нагрев стали выше температуры фазовых превращений с последующим охлаждением по определенному режиму для получения нужной структуры и повышения твердости и прочности.
Отпуск– нагрев закаленной стали ниже температуры фазовых превращений для снятия температурных напряжений и получения более равновесной структуры.
2. Для снижения твердости и повышения вязкости стали, устранения химической и структурной неоднородности, уменьшения внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости и получения мелкозернистой структуры проводят ее отжиг или нормализацию.
Существуют различные виды отжига, характеризующиеся режимами нагрева и охлаждения.
Полный отжиг характеризуется нагревом стали на 30...50° выше температуры превращений Ас3 (доэвтектоидные стали) и последующим медленным охлаждением.
При таком отжиге происходит значительное снижение твердости и устранение структурной неоднородности стали в результате фазовой перекристаллизации и изменения формы и размеров зерна структурных составляющих – сталь становится мелкозернистой. Полный отжиг применяют главным образом для доэвтектоидных сталей.
Неполный отжиг характеризуется нагревом стали до-температур в интервале превращений Aсl – Aс3 (доэвтектоидные стали) и Aсl – Aсm (заэвтектоидные стали) и последующим медленным охлаждением.
При таком отжиге снижается твердость, что улучшает обрабатываемость стали, снимаются внутренние напряжения и структура становится более однородной.
Изотермический отжиг, применяемый для легированных сталей, состоит из нагрева их на 20...30° выше Aс3, выдержки и относительно быстрого охлаждения до температуры ниже точки Arl (630...700°С). При этой температуре сталь выдерживают до полного распада аустенита, затем охлаждают на воздухе. После изотермического отжига стали приобретают такие же механические свойства, как и после полного отжига. Изотермический отжиг по сравнению с обычным сокращает время обработки вдвое.
Отжиг на зернистый перлит (сфероидизация) применяют для эвтектоидной и заэвтектоидных сталей. Сталь нагревают немного выше точки Aс1, выдерживают длительное время при этой температуре, затем медленно охлаждают (25...30°С в час) ниже точки Аr1 до 600°С, выдерживают, после чего охлаждают на воздухе.
В результате такого отжига карбиды принимают зернистую (округлую) форму, понижается твердость стали и улучшается ее обработка резанием.
Диффузионный отжиг (гомогенизация) состоит из нагрева стали до 1050...1150°С, длительной выдержки (10...15 ч) и последующего медленного охлаждения.
Цель диффузионного отжига – выравнивание химической неоднородности стали, то есть уменьшение ликвации в слитках, отливках, заготовках. Поэтому диффузионный отжиг называют также гомогенизацией (получение однородного по составу сплава). Диффузионный отжиг приводит к образованию крупнозернистой структуры. Этот дефект можно устранить последующей горячей обработкой давлением или проведением полного отжига.
Рекристаллизационный (низкий) отжиг состоит из нагрева стали ниже точки Aсl на 50... 100°, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе.
После рекристаллизационного отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.
3. Нормализация – более экономичный термический процесс, чем отжиг. Она более производительна и дает лучшие результаты. При нормализации измельчается зерно перлита, разрушается сетка цементита в заэвтектоидных сталях и повышаются механические свойства стали.
Некоторые специальные стали после нормализации приобретают такие механические свойства, которыми они должны обладать в условиях эксплуатации. В этих случаях нормализация служит окончательной операцией термической обработки.
Структура нормализованной стали может быть феррито – перлитная (низкоуглеродистые стали) и сорбитообразная с наличием структурно-свободного феррита (средне-углеродистые и низколегированные стали). Твердость перлита зависит от того, имеет ли он тонкое или грубое строение. При нормализации, когда охлаждение быстрое, перлит имеет более тонкое строение, чем при отжиге, и обладает более высокой твердостью. Поэтому нормализованная сталь более твердая, чем отожженная. Твердость нормализованной стали 150...300 НВ в зависимости от химического состава стали. Нормализация горячекатаной стали (по сравнению с отжигом) повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, снижая порог хладноломкости. Нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение меньшей шероховатости обработанной поверхности
Нормализацию с последующим высоким отпуском (600...650 °С) часто используют для исправления структуры, легированных сталей вместо полного отжига, так как производительность первых двух операций выше, чем одного отжига.