Основы термообработки стали. Превращения в стали при нагреве

Основными видами термической обработки, изменяющими структуру и свойства стали, являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск (старение) и обработка холодом. Отжиг и нормализацию относят к предварительной термической обработке, а закалку, отпуск и обработку закаленной стали холодом - к окончательной.

Большинство структурных изменений, имеющих место при термической обработке сталей и сплавов, непосредственно связано с процессами, описываемыми диаграммой железо-цементит. Поэтому выбор технологических режимов термической обработки в большинстве случаев обусловлен положением линий на диаграмме.

Любой процесс термической обработки металла состоит из нагрева до заданной температуры, выдержки и охлаждения. Он схематически показан на (рис. 7).

Длительность нагрева и выдержки изделия (детали) при заданной температуре зависит от вида нагревающей среды; формы изделия, его теплопроводности, а также от времени, необходимого для завершения структурных превращений.

Рисунок 7. Графическое изображение термической обработки: t_mах - температура нагрева, τ_н, τ_с, τ_о - продолжительность нагрева, выдержки и охлаждения соответственно; V_ист - истинная скорость охлаждения, определяемая тангенсом угла наклона касательной к кривой охлаждения

t - время выдержки в нагревательных печах можно ориентировочно определить по следующей формуле: в,])d=[D( ) - диаметр (толщина) изделия. Скорость охлаждения выбирают вdгде D( зависимости от вида термической обработки, назначения изделий, подвергающихся термообработке, и химического состава стали. Скорость охлаждения изменяют подбором сред с разной охлаждающей способностью.

Отжиг и нормализация

Отжиг - вид термической обработки, состоящий из нагрева стали до определенной температуры в зависимости от вида отжига, выдержки и последующего, как правило, медленного охлаждения (в печи или в золе) для получения более равновесной структуры.

Отжиг проводят для улучшения обрабатываемости резанием и давлением, снижения твердости, увеличения пластичности и вязкости, снятия внутренних напряжений. На практике применяют следующие виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный и отжиг для снятия остаточных напряжений.

Полный (смягчающий) отжиг заключается в нагреве стали до температур на 30 - 50⁰С выше критических точек Ас3 (линия GS) диаграммы Fe – Fe₃С, в выдержке с последующим медленным охлаждением с печью со скоростью 20 - 50⁰ С/ч. Этому виду отжига подвергают доэвтектоидную (конструкционную) сталь для создания мелкозернистой структуры, что способствует повышению вязкости, снижению твердости и повышению пластичности, а также снятию внутренних напряжений (например, в зоне сварного шва). При нагреве крупная исходная ферритно-перлитная структура доэвтектоидных сталей превращается в мелкую структуру аустенита. При последующем медленном охлаждении из мелкозернистого аустенита образуется мелкая ферритно-перлитная структура.

Неполному отжигу подвергают заэвтектоидную и эвтектоидную (инструментальные) стали для превращения пластинчатого перлита в зернистый. Заэвтектоидную сталь нагревают до температуры немного выше критической точки Ас1, но ниже Асm (около 7800 С). При нагреве происходит превращение перлита в аустенит, а кристаллы вторичного цементита частично сохраняются, при этом образуется структура, состоящая из вторичного цементита и аустенита. При последующем медленном охлаждении из аустенита образуется зернистая ферритоцементитная структура, что способствует повышению вязкости, пластичности и снижению твердости стали. Диффузионный (гомогенизационный) отжиг проводят для выравнивания химического состава фасонных отливок и слитков в основном легированных сталей, у которых неоднородность сильно выражена. Выравнивание химического состава происходит за счет диффузионных про-цессов, поэтому температура отжига должна быть высокой (1100 - 1200⁰С). Отжиг (выдержка) заготовок длится от 8до 15 ч, после этого их охлаждают вместе с печью до 800 - 850⁰ С в течение 6 - 8 ч и переносят для окончатель-ного охлаждения на воздух. Отжигу для снятия остаточных напряжений подвергают в основном сварные соединения и отливки, нагревая до темпе-ратур, при которых фазовые превращения отсутствуют, т.е. <727⁰ С. В ре-зультате отжига при 600⁰ С в течение 20 ч напряжения почти полностью сни-маются независимо от их начального значения. Для сокращения продолжи-тельности отжига температура нагрева может быть увеличена до 680 - 700⁰ С.

Рисунок 8. Участок диаграммы состояния Fе – Fе₃С с нанесенными температурами для различных видов термической обработки углеродистой стали

Отжиг является длительной операцией и может продолжаться до 10 - 20 ч, поэтому часто вместо отжига для углеродистой стали применяют нормализацию. Нормализацией называют процесс термической обработки, проводимый для улучшения обрабатываемости стали резанием, исправления структуры сварных швов и структуры перегретой (после горячей обработки давлением) и литой стали, а также для подготовки стали к последующей термической обработке - закалке. Сталь нагревают до температуры на 30 - 50⁰ С выше критических точек Асз (для доэвтектоидной стали) или Аст (для заэвтектоидной стали) с последующим охлаждением на воздухе. Для среднеуглеродистых сталей и некоторых марок специальных сталей нор-мализация заменяет закалку, так как нормализованные детали приобретают достаточную прочность, необходимую для эксплуатации. Нормализованная сталь имеет структуру сорбита. Температуры нагрева углеродистой. стали для различных видов отжига и нормализации приведены на рис. 8.

Закалка

Закалка стали - самый распространенный вид термической обработки, включающий нагрев стали до оптимальной температуры, выдержку и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры. Закалке подвергают практически все детали машин и механизмов, инструмент и штампы. В результате закалки повышаются прочность, твердость, сопротивление износу (износостойкость) и предел упругости, однако при этом понижается пластичность стали.

При закалке доэвтектоидные, в основном это конструкционные, стали нагревают до температуры на 30 - 50⁰ С выше критических точек Ac3 (линия GS, рис. 9). При этом исходная ферритно-перлитная структура этих сталей превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью больше крити-ческой (150 - 200⁰ С/с) образуется мартенсит. Мартенсит - основная струк-турная составляющая закаленной стали; представляет собой -железо. В a перенасыщенный твердый раствор внедрения углерода в большинстве слу-чаев стремятся получить эту структуру, так как сталь, закаленная на мартен-сит, обладает высокой твердостью (HRC 50 - 65 или НВ 600 - 700), повышен-ной прочностью и сопротивляемостью изнашиванию, но низкой вязкостью.

Рисунок 9. Оптимальный интервал закалочных температур углеродистых сталей

Мартенсит имеет форму тонких игл-пластин, разделяющих аустенитное зерно на несколько частей. Чем мельче зерна аустенита, тем мельче иглы мартенсита.

Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат термической обработки.

В качестве охлаждающих сред при закалке используют воздух, инертные газы, воду, водные растворы солей, щелочей и масло, которые имеют различную охлаждающую способность. Вода по сравнению с машинным маслом охлаждает сталь примерно в 6 раз быстрее при 550 - 650⁰ С и в 28 раз быстрее при 200⁰ С. Поэтому воду применяют для охлаждения углеродистых сталей, которым свойственна большая критическая скорость закалки, а масло - для охлаждения легированных сталей, имеющих малую критическую скорость закалки. Основной недостаток воды как охлаждающей среды - высокая скорость охлаждения при пониженных температурах в области образования мартенсита (200 - 300⁰ С), которая приводит к возникновению больших структурных напряжений и создает опасность образования трещин. Добавление к воде солей, щелочей увеличивает ее закаливающую способность. Для ответственных деталей из углеродистой стали, особенно для инструмента, применяют закалку в двух средах: воде-масле. Преимущество масла как охладителя заключается в том, что оно обеспечивает небольшую скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения, поэтому опасность образования трещин резко снижается. Недостатки машинного масла как охладителя - легкая воспламеняемость, пригорание к поверхности деталей.

В зависимости от марки стали, формы, размеров и технических требований, предъявляемых к готовым изделиям (деталям), применяют различные способы закалки.

Мартенситные стали типа Х13, Х18, применяемые для изготовления медицинского инструмента, закаливают с охлаждением на воздухе или, если нагрев производится в вакууме, то в разряженной атмосфере. Закалка в вакууме позволяет в дальнейшем обойтись без операции осветления, т.е. очистки от оксидных пленок.

Закалка с обработкой холодом заключается в дополнительном охлаждении закаленной стали до температур ниже 20⁰ С для более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит, так как остаточный аустенит в закаленной стали снижает твердость и придает ей хрупкость. Для обработки холодом закаленные на мартенсит изделия помещают в холодильник, где при температуре от - 40 до - 100⁰ С создаются условия для распада остаточного аустенита в мартенсит. Распространенным охладителем является смесь из твердой углекислоты с ацетоном (-78⁰ С). Обработка холодом целесообразна только для сталей, у которых температура конца мартенситного превращения М_к ниже комнатной. Обработку холодом применяют для повышения режущих свойств быстрорежущих сталей; увеличения твердости инструмента, изготовленного из легированной стали; повышения магнитных свойств магнитных сталей и стабилизации размеров измерительного инструмента и шарикоподшипников.

При изотермической закалке (при постоянной температуре), так же как и при ступенчатой, нагретые до температуры закалки изделия (детали) охлаждают в соляной ванне при 300 - 400⁰ С и выдерживают до полного превращения аустенита в игольчатый троостит. Дальнейшее охлаждение до комнатной температуры осуществляют на воздухе.

Поверхностной закалке подвергают такие детали, как, например, шестерни, валы, оси, кулачки, пальцы для муфт, работающие на истирание и подверженные динамическим (ударным) нагрузкам. Им необходимо иметь высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя, а сердцевина их должна быть вязкой и иметь повышенную усталостную прочность. Перечисленное сочетание свойств можно придать изделиям, применив индукционную закалку токами высокой частоты (ТВЧ).

При закалке ТВЧ деталь или участок детали, который необходимо закалить, охватывают индуктором. К индуктору через трансформатор от специального генератора подводится ток высокой частоты от 200 до 500 кГц. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле, индуцирующее на поверхности детали электродвижущую силу, под действием которой в металле возникают электрические вихревые токи. Эти токи и вызывают нагрев поверхности детали до высокой температуры в течение нескольких секунд. После нагрева детали охлаждаются на воздухе за счет теплопроводности. Толщина закаленного слоя составляет от 1 до 10 мм, ее можно регулировать, изменяя частоту тока. В условиях серийного и массового производства, когда установка загружена полностью, данный способ закалки является высокоэкономичным. Его широко применяют в машиностроительной, автотракторной, электротехнической и в других отраслях промышленности.

Отпуск

Отпуск - вид термической обработки, состоящий из нагрева закаленной стали ниже критических точек Ас1 в интервале 150 - 650⁰ С, выдержки и по-следующего охлаждения с любой скоростью, так как при этом виде тер-мической обработки фазовых превращений не происходит (т.е. температура отпуска не выше 727⁰ С). Цель отпуска - ослабить или полностью предотвратить внутренние напряжения, возникающие при закалке; умень-шить хрупкость и твердость, а также повысить вязкость закаленной стали.

Термин «отпуск» принято применять только к тем сплавам, которые были подвергнуты закалке с полиморфным превращением, а термин «старение» - в случае закалки без полиморфного превращения (после такой закалки фиксируется перенасыщенный твердый раствор).

При отпуске закаленных сталей в результате нагрева происходит переход от более твердых, но менее устойчивых структур, к менее твердым, но более устойчивым структу-рам. В зависимости от температуры отпуск подразделяют на низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск заключается в нагреве закаленной стали до 150 - 250⁰ С, непродолжительной выдержке (от 30 мин до 1,5 ч) и охлаждении, обычно в машинном масле или на воздухе. При этом в структуре стали остается мартенсит, но с измененной кристаллической решеткой, который называют мартенситом отпуска. После низкого отпуска твердость практически не изменяется, но уменьшаются остаточные закалочные напряжения и несколько повышается вязкость. Такой вид отпуска применяют для режущего и измерительного инструмента (например, сверл, метчиков, плашек, калибров, скоб, шаблонов).

Средний отпуск заключается в нагреве изделий до температур 300 - 500⁰ С. Структура отпущенной при этих температурах стали состоит в основном из троостита отпуска. Изделия (детали) приобретают упругие свойства при сохранении высокой прочности. Такому виду отпуска подвергают пружины, рессоры, мембраны.

Высокий отпуск - нагрев стали от 450 до 650⁰ С, выдержка, а затем охлаждение для получения структуры сорбита отпуска. Закалку вместе с последующим высоким отпуском называют улучшением стали. После этого отпуска изделия приобретают повышенную ударную вязкость, пластичность, но несколько пониженную твердость стали. Этому виду отпуска подвергают в основном все ответственные детали машин и механизмов (например, валы, оси, зубчатые колеса).

Значительного повышения прочности стали можно добиться, совмещая закалку и отпуск с пластической деформацией. При этом пластичность снижается в меньшей мере, чем если бы была произведена только .закалка. Такой метод упрочнения стали при сохранении пластичности называют термомеханической обработкой (ТМО). Пластическое деформирование при ТМО осуществляют прокаткой, ковкой, штамповкой.

От неправильного выбора режима термической обработки и ее прове-дения в деталях могут возникнуть различные дефекты (закалочные трещины, коробление, пережог и др.), ухудшится коррозионная стойкость стали.

Так, при неполной закалке инструментальных сталей типа Х13, Х18 в структуре стали частично присутствует феррит, что ведет к интенсивной местной коррозии и потере им функциональных свойств.

Превышение температуры закалки у этих сталей свыше 1100⁰ С приводит к образованию укрупненного зерна и повышенной хрупкости.

Сварка плавлением этих сталей образует ряд нежелательных структурных изменений, приводящих к трещинообразованию, потере прочности и коррозионной стойкости в районе сварного шва. Поэтому эти стали классифицируются как несвариваемые.