Освоение термической обработки: закалка и отпуск инструментальной стали

Цель

После изучения данного раздела вы сможете:

• Правильно закалить деталь из инструментальной стали и оценить результат.
• Правильно отпустить закаленную деталь и оценить результат.
• Описать правильные режимы термической обработки для других инструментальных сталей.

Безопасность

Рекомендуемые процедуры для безопасной термической обработки:

1. Носите теплозащитную одежду, перчатки, очки и маску — защита от горячих масел, вызывающих ожоги.
2. Перед розжогом печи проверьте: воздушные переключатели, вытяжка, автоматические клапаны аварийного отсечения и прочие меры безопасности.
3. Убедитесь в достаточном количестве охлаждающей среды (масла/воды). Недостаток замедлит охлаждение ниже оптимального.
4. Обеспечьте вентиляцию в зонах закалки для контроля Öl-пыли.
5. При розжоге следуйте инструкциям производителя печи.
6. Не стойте прямо перед печью при розжоге на масле/газе.
7. Закалочное масло не должно содержать воды — влага вызывает взрывы.
8. Перед извлечением деталей из цементирующей ванны проверьте: клещи сухие и подходят для работы.
9. В закалочную жидкость должен быть добавлен фунгицид/бактериостатик.
10. Неиспользуемые закалочные ванны всегда закрывайте крышками.
11. Утечки масла устраняйте негорючим сорбентом — немедленно.
12. По возможности держите инструмент, корзины, приспособления и рабочие зоны чистыми от масла.
13. Перед перерывами и сменой операций тщательно мойте руки.
14. При любых кожных проблемах сообщайте инструктору и обращайтесь к врачу.
15. Пары расплавленной цементирующей соли не вдыхайте — образуется CO.
16. Обеспечьте хорошую вентиляцию рабочей зоны.
17. Следите за загрязнением частицами зацементированного металла.
18. Не несите масляную одежду/оборудование в зоны с едой/напитками.
19. Не ешьте и не пейте там, где используются или хранятся масла.

Процедура закалки и отпуска (на примере стали О1)

Первое — знать температуру закалки. У многих сталей, особенно инструментальных, установлены диапазоны. Для О1: 788–816 °C (1450–1500 °F).

1. Безопасность ante omnia. Температуры очень высоки. Оденьтесь соответствующе, держите зону вокруг печи чистой (нет риска споткнуться). Предварительно нагрейте клещи перед захватом горячей детали.
2. Предварительно нагрейте печь до 649 °C (1200 °F).
3. Когда печь достигла 649 °C, поместите деталь в центр камеры для равномерного нагрева. Закройте и ждите.
4. Нагрейте деталь до 816 °C (1500 °F). При достижении сразу начинайте отсчет выдержки: 15 минут – 1 час (время зависит от толщины детали).

Таблица 1: Приблизительное время нагрева и выдержки для закалки, отжига и нормализации стали

Толщина металла (дюйм)	Время нагрева до температуры (ч)	Время выдержки (ч)
до 1/8	0,06–0,12	0,12–0,25
1/8 – 1/4	0,12–0,25	0,12–0,25
1/4 – 1/2	0,25–0,50	0,25–0,50
1/2 – 3/4	0,50–0,75	0,25–0,50
3/4 – 1	0,75–1,25	0,50–0,75
1 – 2	1,25–1,75	0,50–0,75
2 – 3	1,75–2,25	0,75–1,0
3 – 4	2,25–2,75	1–1,25
4 – 5	2,75–3,50	1–1,25
5 – 8	3,50–3,75	1–1,50

Выдержка (soak time) — время удержания стали на закалочной температуре (здесь 816 °C).

5. Когда выдержка завершена, быстро, но осторожно извлеките деталь клещами. Поместите в ванну с маслом для закалки. Интенсивно перемещайте деталь в масле во время закалки.
6. Когда деталь остывет до ~52 °C (125 °F), начинайте отпуск. Поместите деталь в печь на 191 °C (375 °F). Выдерживайте 2 часа, затем извлеките и остудите до комнатной температуры. Твердость должна быть ~60 HRC.

Другие режимы термической обработки (на примере стали 1045)

Остенитизация и охлаждение на воздухе (Нормализация)

Обычно выполняется производителем — состояние «as-received». Нормализация стали 1045:

1. Остенитизация: печь 850 °C (1562 °F), область аустенита, выдержка 1 час до равновесной температуры и твердого раствора.
2. Охлаждение на воздухе: извлеките сталь, остудите на воздухе до комнатной температуры.

Остенитизация и охлаждение в печи (Отжиг)

1. Процесс также называется отжигом. Температурная история:
   1. Остенитизация: 850 °C (1562 °F), 1 час до равновесия.
   2. Охлаждение в печи: медленное охлаждение в печи от 850 °C до 700 °C (1292 °F) за 10 часов.
   3. Охлаждение на воздухе: извлеките и остудите до комнатной температуры.

Остенитизация и закалка (Quench)

1. Остенитизация: 850 °C (1562 °F), 1 час до равновесия.
2. Закалка: быстро извлеките сталь, погрузите в большой объем воды комнатной температуры, интенсивно перемешивайте. Для стали 1045 среда — вода комнатной температуры (для других сталей — масло, раствор соли).

Закалка: Быстро извлеките материал из печи, погрузите в большой объем воды при окружающей температуре и интенсивно перемешивайте.

Для стали 1045 закалочная среда — вода комнатной температуры (для других сталей — масло или раствор соли).

Остенитизация, закалка и отпуск

1. Остенитизация: 850 °C (1562 °F), 1 час до равновесия.
2. Закалка: быстро извлеките, погрузите в воду комнатной температуры, интенсивно перемешивайте.
3. Отпуск:
   1. Нагрейте до температуры отпуска и выдержите ~2 часа.
   2. Диапазон температур отпуска для 1045: 200–500 °C (392–932 °F).
   3. Разные температуры дают разные механические свойства.
   4. Ниже температуры — выше предел текучести, ниже вязкость и пластичность.
   5. Выше температуры — ниже прочность, выше вязкость и пластичность.
4. Охлаждение на воздухе: извлеките и остудите до комнатной температуры.

Тест по разделу

1. Перечислите пять мер безопасности при термической обработке.
2. Что первое нужно знать при термической обработке стали?
3. Какое время выдержки для толщины 1–2 дюйма?
4. Объясните понятие «выдержка (soak time)».
5. Какой следующий шаг после завершения выдержки?
6. При какой температуре отпускается деталь после закалки?
7. Объясните процесс «Остенитизация и закалка».
8. Что такое «Охлаждение на воздухе (Air-cool)»?
9. Объясните метод Роквелла.
10. Объясните метод Бринелля.

Информация об источнике

Материал основан на следующих источниках:

• Термическая обработка — из «Термическая обработка углебистых и низколегированных сталей» Массачусетского технологического института, CC:BY-NC-SA 4.0.
• Формула твердости по Бринеллю — из «Твердость по Бринеллю» CORE-Materials Resource Finder, CC:BY.