1.5. Термообработка углеродистых сталей
1.5.1. Основные параметры термообработки
Термическая обработка – это технологический процесс, состоящий из нагрева и охлаждения материала изделия с целью изменения его структуры и свойств.
На стадии изготовления деталей необходимо, чтобы металл был пластичным, нетвердым, имел хорошую обрабатываемость резанием.
В готовых изделиях всегда желательно иметь материал максимально прочным, вязким, с необходимой твердостью.
Такие изменения в свойствах материала позволяет сделать термообработка. Любой процесс термообработки может быть описан графиком в координатах температура-время и включает нагрев, выдержку и охлаждение. При термообработке протекают фазовые превращения, которые определяют вид термической обработки.
Температура нагрева стали зависит от положения ее критических точек и выбирается по диаграмме состояния Fe – Fe3С в зависимости от вида термической обработки. Критические точки (температуры фазовых превращений) определяют: линия PSK – точку А1, GS – точку А3 и SE – точку Аm. Нижняя критическая точка А1 соответствует превращению А П при 727ОС. Верхняя критическая точка соответствует началу выделения феррита из аустенита (при охлаждении) или концу растворения феррита в аустените (при нагреве). Температура линии SE, соответствующая началу выделения вторичного цементита из аустенита, обозначается Аm.
Время нагрева до заданной температуры зависит, главным образом, от химического состава стали и толщины наиболее массивного сечения детали (в среднем 60 с на каждый миллиметр сечения).
Выдержка при температуре термообработки необходима для завершения фазовых превращений, происходящих в металле, выравнивания температуры по всему объему детали. Продолжительность выдержки зависит от химического состава стали и для нелегированных сплавов определяется из расчета 60 с. на один миллиметр сечения.
Скорость охлаждения зависит, главным образом, от химического состава стали, а также от твердости, которую необходимо получить.
Существуют различные подходы к классификации видов термической обработки — по температуре нагрева, скорости охлаждения, влиянию на свойства и т. д. (рис. 1.5.1).
Рис. 1.5.1.Виды термической обработки
На рис. 1.5.2 приведен интервал рекомендуемых температур нагрева при различных видах термической обработки.
Рис. 1.5.2. Интервалы рекомендуемых температур нагрева при различных видах термической обработки
1.5.2. Отжиг стали
Цель отжига — получение равновесного состояния стали. Процесс отжига состоит в нагреве, выдержке при установленных температурах и в медленном охлаждении стали вместе с печью. Отжиг производят для снятия внутренних остаточных напряжений, устранения структурной неоднородности, улучшения обрабатываемости и подготовки стали к последующей упрочняющей термобработке.
Отжиг может быть с фазовой перекристаллизацией и без фазовой перекристаллизации. К первому виду относятся полный и изотермический отжиг, отжиг на зернистый цементит и диффузионный отжиг (гомогенизация), ко второму — рекристаллизационный отжиг. Отжиг является предварительной операцией обработки.
Полный отжиг (отжиг на мелкое зерно). Такой отжиг применяют для измельчения зерна доэвтектоидной и эвтектоидной стали. Отжигу подвергают стальное литье и детали, перегретые при ковке. Чтобы вместо крупного получить мелкое зерно, нужно произвести перекристаллизацию стали, т. е. путем нагрева до температуры выше АС3 получить мелкозернистый аустенит. После охлаждения продукт распада аустенита — феррито-перлитная или перлитная структура — будет иметь также мелкозернистое строение.
Подлежащие отжигу детали нагревают до температуры АС3, плюс 30 — 50°С и выдерживают при такой температуре некоторое время, чтобы выровнять температуру по сечению деталей. Затем детали охлаждают вместе с печью до 500 — 200°С. Дальнейшее охлаждение производится на воздухе. Измельчение зерна в результате отжига приводит к повышению значений предела текучести, пластичности и особенно вязкости.
Изотермический отжиг. Этот вид отжига состоит в нагреве стали до температуры А3 плюс 30 — 50°С, быстром охлаждении до температуры немного ниже A1(700 — 600°С) и выдержке при этой температуре до полного распада аустенита и образования феррито-перлитной или перлитной структуры. При изотермическом отжиге получается мелкозернистая, более однородная структура и сокращается время термической обработки.
Отжиг на зернистый цементит. Этот отжиг применяют для превращения пластинчатого цементита в зернистый с целью уменьшения твердости и улучшения обрабатываемости инструментальных сталей (содержащих более 0,6% углерода). Отжиг на зернистый цементит чаще проводится по так называемому маятниковому режиму: сталь нагревают до температуры 730 — 750°С, выдерживают, медленно охлаждают вместе с печью до 700 — 680°С, затем cнова нагревают до 730 — 750°С и опять охлаждают до 700 — 680°С. Таких циклов бывает три-четыре. В результате трех-четырехкратной перекристаллизации происходит сфероидизация (округление) цементитной фазы перлита и вторичного цементита заэвтектоидной стали.
Диффузионный отжиг применяют для крупных отливок и слитков, чтобы путем диффузии выровнять химический состав стали, т. е. устранить внутрикристаллическую (дендритную) ликвацию. При гомогенизации сталь нагревают до 1050—1150° С, выдерживают при этой температуре 8—12 ч и более, а затем медленно охлаждают до 600—500° С. Гомогенизация приводит к росту зерен стали. Этот дефект устраняют дополнительным отжигом на мелкое зерно или нормализацией. Сталь, прошедшая гомогенизацию, обладает более высокими механическими свойствами.
Рекристаллизационный отжиг. Этот процесс термической обработки применяют для устранения наклепа в металле деталей, прошедших холодную обработку давлением (холодные штамповка и прокатка, волочение). Он состоит в нагреве стали до 600 — 700°С, выдержке и охлаждении. В результате рекристаллизации вытянутые зерна становятся равноосными, а искажения в кристаллической решетке устраняются и сталь приобретает свойства, которые она имела до наклепа (хорошую обрабатываемость, высокую пластичность и вязкость).