17.5. Термическая обработка стали

Термической обработкой стали называют процессы нагрева и охлаждения, проведенные по определенному режиму для повышения качества стали в связи с изме­нением ее структуры.

Большое влияние на структуру стали оказыва­ет скорость ее охлаждения. При медленном ох­лаждении аустенит полностью превращается в перлит и получаются равновесные структуры стали (феррит + перлит, перлит и перлит + цементит). Размер зерна перлита > 10^–6 м. При быстром охлаждении обра­зуются мелкозернистая смесь цементита с ферритом, получившая название сорбит. Размер зерен сорбита 10^–7…10^–8 м. При более быстром охлаждении зерна получаются еще более мелкими (10^–9…10^–10 м), в результате образуется высо­кодисперсная смесь цемен­тита с ферритом, получив­шая название троостит. При резком охлаждении стали происходит перестрой­ка кристаллической решетки γ-Fe в α-Fe, однако атомы углерода не успевают выделиться из образовавшейся решетки. Получается пересыщенный раствор углерода в α-Fe с искаженной кристаллической решеткой, назы­ваемый мартенситом; он является наиболее неустойчи­вой, наиболее твердой и хрупкой структурой стали. Под микроскопом мартенсит вы­является в виде характерных очень тонких игольчатых образований. При нагреве мартенситовая структура пе­реходит в более устойчивые структуры: троостит, сорбит и перлит.

Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг стали применяется для снижения твердости, повышения пластичности и вязкости, ликвидации последствий перегрева, лучшей обрабатываемости и получения равновесного состояния.

Различают отжиг 1 рода (рекристаллизационный и диффузионный), не связанный с фазовыми превращениями и отжиг 2 рода (полный и неполный), связанный с фазовыми превращениями:

а) отжиг для снятия напряжение (рекристаллизационный отжиг). Применяется для снятия наклепа деформированного металла путем нагрева его выше температуры порога рекристаллизации, выдержки при этой температуре и охлаждении. Нагрев до температур ниже критических, выдержка при них и медленное охлаждение. Температура рекристаллизации t_р = 0,4…0,5 t_пл;

б) диффузный отжиг (гомогенизация). Гомогенизации подвергается легированная сталь при температурах 1100…1200 ^оС в течение 15…20 час. Происходит выравнивание химического состава, уменьшение дендритной и внутрикристаллической ликвации, вызывающей хрупкий излом при обработке стали давлением. Снижается пластичность и анизотропия свойств, образуется крупнозернистая структура;

в) полный отжиг (на равновесное состояние) заключается в нагреве до температуры выше критических температур на 20…50 ^оС, выдержка до полного прогрева и медленное охлаждение (вместе с печью) со скоростью 150…200 ^оС/час. Структура аустенита распадается с образованием ферритно-перлитной структуры;

г) неполный отжиг (на мелкое зерно) производится со скоростью охлаждения 200…250 ^оС/час, что определяет только частичную перекристаллизацию. Применяется для улучшения обрабатываемости углеродистых легированных сталей резанием и повышения пластичности перед холодным деформированием. Происходит неполная перекристаллизация перлита и феррита, в результате образуется зернистая (сфероидальная) форма перлита, вместо пластинчатой . Такой отжиг называется сфероидацией. Сталь с зернистым перлитом (цементитом) имеет более низкую прочность и твердость по сравнению с пластинчатым, но повышенную пластичность.

Нормализация стали применяется в тех случаях, когда не­обходимо получить мелкозернистую однородную струк­туру с более высокой твердостью и прочностью, но с не­сколько меньшей пластичностью, чем после отжига. Она заключается в нагреве до- и заэвтектоидной конструкционной стали до температуры выше критических на 20…50 ^оС, непродолжительная выдержка при ней и охлаждение на воздухе. Происходит измельчение зерна, уменьшение структурной неоднородности, удаление пороков стали, возникших при затвердевании, горячей деформации и термообработке. Перекристаллизация будет более интенсивнее при больших скоростях нагрева и охлаждения.

При нормализации производят нагрев стальной детали до температуры на 30…50 °С выше верхних критических точек с выдерж­кой и затем охлаждение на воздухе. В результате нор­мализации сталь с содержанием углерода менее 0,3 % приобретает ферритоперлитовую структуру, сталь с со­держанием углерода 0,3…0,7 %, а также низколегиро­ванная сталь − сорбитовую структуру.

Нормализацию применяют в качестве промежуточной операции между отпуском и закалкой, а также в тех случаях, когда необходимо получить мелкозернистую однородную структуру с более высокими твердостью и прочностью, но с меньшей пластичностью, чем после отжига. В основном нормализации подвергаются стальные отливки, поковки и штамповки.

Закалка стали заключается в нагреве металла до температуры образования аустенита, выдержка при ней и резкое охлаждение. Сталь остается в неравновесном состоянии с образованием мартенсита, троостита и сорбита. Мартенситовая структура − промежуточная и для ее превращения в более устойчивую структуру производят отпуск.

Упрочнение стали происходит за счет увеличения твердости. Способность стали к закалке зависит от содержания углерода (более 0,2 %). Вид получаемой структуры определяется скоростью охлаждения и средой закалки:

а) закалка в одном охладителе (простая непрерывная закалка). Этот метод наиболее прост и широко применяется. Для мелких деталей в качестве охладителя применяют масло, для более крупных деталей – водные растворы NaCl и NaOH;

б) закалка в двух средах (прерывистая закалка). В качестве охладителя применяют воду (охлаждение до 300 ^оС), масло и другие жидкости. При закалке в слабых водных растворах электролитов или холодной воде образуется мартенсит, при закалке в горячей воде или минеральном масле – троостит, при закалке в расплавленном свинце – сорбит.

в) ступенчатая закалка. На каждой температурной ступени происходит выдержка до выравнивания температуры по всему сечению. Охладитель – масло. Фазовые напряжение невелики, уменьшается склонность к образованию трещин и снижается деформация при закалке;

г) изотермическая закалка. Отличие от ступенчатой в том, что выдержка на каждой ступени производится до полного превращения аустенита при данной температуре. Охладитель – расплавленные соли и щелочи различного состава;

д) закалка с самоотпуском. Изделие выдерживают в закалочной среде не до полного охлаждения и извлекают из нее, когда внутренние части изделия еще достаточно нагреты. За счет внутреннего тепла происходит нагрев поверхностных слоев изделия до нужной температуры, т.е. самоотпуск закаливаемого изделия. Применяется для инструмента типа зубил, молотков кернов, которые должны сочетать высокую твердость и вязкость;

е) поверхностная закалка. Нагрев изделия ТВЧ и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем. Повышается сопротивление истиранию и вязкость.

Высокочастотные генераторы позволяют изменять частоту тока в широких пределах до десятков миллионов герц: машинные генераторы (500…15 000 Гц), ламповые – до 10⁷ Гц. Машинные генераторы используют для получения закаленного слоя толщиной от 2 до 10 мм, ламповые – от десятых долей до 2 мм. Оптимальным является толщина слоя, равная 0,15 диаметра изделия.

Газопламенная закалка происходит при температурах 3000…3200 ^оС. Толщина слоя 2…4 мм. Применяется для крупных изделий со сложной поверхностью.

Мартенситные превращения осуществляются в некотором интервале температур. Для высокоуглеродистых и многих легированных сталей нижняя температура мартенситных превращений находится ниже 0 ^оС. Для устранения остаточного аустенита производят обработку стали холодом в среде сухого льда. Эту обработку необходимо проводить сразу после закалки, иначе аустенит стабилизируется и эффект обработки будет незначителен. После обработки холодом дают низкий отпуск.

Прокаливаемость – способность стали закаливаться в глубину. Она зависит от критической скорости охлаждения при закалке. Прокаливаемость определяют по глубине полумартенситной зоны, струк­тура которой содержит 50 % мартенсита и 50 % троостита. При закалке обыкновенной углеродистой стали глу­бина закалки распространяется на 5…7 мм. Для обеспечения полной прокаливаемости на всю глубину при­меняют легированные ста­ли.

Термомеханическая обработка стали заключается в совме­щении термической обработки с пластической деформацией, которая проводится либо выше критических точек, либо при температуре переохлажденного аустенита (500…700 °С). Такой вид обработки позволяет получать сталь высокой прочности (до 270 МПа).

Отпуск стали заключается в нагреве до температур ниже критических с выдержкой 0,5…1,5 часа. При всех видах отпуска не имеет значение скорость охлаждения, так как все изменения происходят во время изотермической выдержки. Применяется после закалки для снижения внутренних напряжений, твердости и хрупкости и повышения пластичности.

Существуют следующие виды отпусков стали:

а) низкий отпуск. Производится при температурах 150…200 ^оС. При этом происходит уменьшение остаточных напряжений. Применяется для инструментальных сталей;

б) средний отпуск. Производится при температурах 300…500 ^оС. Образуется троостит с хорошим сочетанием высокой твердости и прочности с хорошей упругостью и достаточной вязкостью. Охлаждение лучше производить в воде, что приводит к образованию в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, которые увеличивают предел выносливости деталей. Применяется для пружин и рессор;

в) высокий отпуск. Производится при температурах 550…600 ^оС. Происходит полное снятие внутренних напряжений. Образуется сорбит. Закалка с высоким отпуском называется улучшением. Рекомендуется медленное охлаждение. Применяется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки.