Отжиг заэвтектоидной стали.
Для заэвтектоидной стали применяют неполный отжиг и нормализацию.
Неполный отжиг.Заэвтектоидные стали подвергают неполному отжигу, так как полный отжиг приводит к появлению цементитной сетки по границам зерен пластинчатого перлита, что приводит к резкому снижению пластичности стали. Неполный отжиг, то есть нагрев стали выше температуры Ас1 на 30-50 град – основной способ получения структуры зернистого перлита. Неполный отжиг заэвтектоидных сталей называют также сфероидизацией.Такой отжиг часто осуществляют маятниковым способом (температуру несколько раз изменяют вблизи линии PSK, то перегревая выше нее на 30-50°С, то охлаждая ниже на 30-50°С) или путем длительной выдержки (5-6 часов) при температуре несколько выше линии PSK и последующего медленного охлаждения. После такого отжига цементит, обычно присутствующий в структуре в виде пластин, приобретает зернистую форму.
Рис.41. Изменение структуры стали при сфероидезирующем отжиге
Сталь со структурой зернистого перлита обладает большей пластичностью, меньшей твердостью и прочностью по сравнению с пластинчатым перлитом. Отжиг на зернистый перлит применяется для подготовки сталей к закалке или для улучшения их обрабатываемости резанием. Структурой зернистого перлита должны обладать инструментальные стали.
Нормализация состоит из нагрева стали на 30-50°С выше линии SE диаграммы Fe-Fe3C, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе. Более быстрое охлаждение по сравнению с обычным отжигом приводит к более мелкозернистой структуре и удалению сетки цементита вторичного, который может образовываться в стали при медленном охлаждении. С этой целью нормализацию применяют, например, после цементации.
Закалка стали
Закалка – это термическая операция, которая заключается в нагреве сплава до температуры выше критических точек и охлаждении с высокой скоростью. В зависимости от того происходит ли в сплаве полиморфное превращение, цель закалки различна. Если в сплаве не протекает полиморфного превращения, закалкой можно зафиксировать при комнатной температуре высокотемпературное структурное состояние. Если в сплаве протекает полиморфное превращение, что происходит, например, в углеродистой стали, закалку применяют для получения другой структуры – мартенсита.
Рис. 42 Температурный интервал нагрева под закалку
Закалка углеродистой стали – это термическая операция, которая заключается в нагреве стали выше температуры фазового превращения, выдержке при этой температуре и охлаждении с высокой скоростью, выше некоторой критической.
Критическая скорость охлаждения – это минимальная скорость, охлаждая с которой в стали не происходит диффузионного распада аустенита с образованием структур перлитного типа, таких как перлит, сорбит, тростит, а также бейнит. При охлаждении со скоростью выше критической в стали происходит бездиффузионное (сдвиговое) превращение. Образовавшаяся в результате такого превращения структура названа в честь ученого-металлурга Мартенса - мартенсит.
Мартенсит - это пересыщенныйтвердый раствор углерода в феррите. Это неравновесная (метастабильная) структура, которая характеризуется максимальной твердостью и прочностью, но пластичность при этом практически равна нулю.
Закалку сталей подразделяют на объемную и поверхностную.
Объемная закалка направлена на получение максимально неравновесной структуры по всему объему детали. В зависимости от температуры нагрева закалку подразделяют на полную и неполную (рис.42). Для доэвтектоидной стали обычно применяют полную закалку с нагревом выше точки А3 (Ас3 +30 - 50оС). А для заэвтектоидной – неполную с нагревом выше точки А1(Ас1+ 30 – 50оС).
Нагрев >Ас3на (30 – 50оС)при полной закалке позволяет получить мелкозернистый аустенит и, соответственно, после охлаждения – мелкокристаллический мартенсит.
Нагрев >Ас1на (30 – 50оС)при неполной закалке приводит к сохранению в структуре кристаллов доэвтектоидного феррита, что снижает твердость и прочность стали.
Нагрев заэвтектоидной стали >Ас1на (30 – 50оС)при неполной закалке приводит к образованию структуры мартенситас включениями вторичного цементита. Кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, поэтому твердость стали выше, чем при полной закалке.
Заэвтектоидные стали предварительно подвергают сфероидезации, поэтому избыточныйFe3C округлой формы не вызывает снижения вязкости.
Нагрев вышеАcm при полной закалке приводит к укрупнению зерна аустенита, а в результате быстрого охлаждения - к образованию крупно игольчатого мартенсита с повышенным количеством остаточного аустенита. В этом случае твердость и прочность стали будут ниже, чем при неполной закалке.
Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до Мн, следовательно скорость охлаждения должна превышать критическую скорость закалки Vкр
Для углеродистых сталей необходимо очень резкое охлаждение ( ≈ 1000 оС/сек ), поэтому в качестве охлаждающей среды используют холодную воду или воду с добавлением соли или едкого натра.
Многие легированные стали приобретают мартенситную структуру при охлаждении в холодных или подогретых маслах( ≈ 100 оС/сек), а высоколегированные даже при охлаждении на воздухе( ≈ 10оС/сек).
Отпуск стали.
Закаленная сталь очень твердая, но она хрупкая, у нее низкая пластичность и большие внутренние напряжения. В таком состоянии изделие не работоспособно, не надежно в эксплуатации. Поэтому для уменьшения внутренних напряжений и повышения пластичности после закалки всегда следует еще одна операция термической обработки, которая называется отпуск.
Отпуск – заключительная термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры фазового превращения (для углеродистой стали это ниже температуры Ас1), выдержке и охлаждении на воздухе. Целью отпуска является получение более равновесной структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности, создание требуемого комплекса эксплуатационных свойств стали.
Различают три вида отпуска.
1.Низкий отпуск углеродистой стали проводят при температуре 150-2000С. При этом из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц. Но поскольку скорость диффузии здесь еще мала, некоторая часть углерода в мартенсите остается.
Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости при сохранении высокой твердости, прочности и износостойкости изделий. Структура стали в результате низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска или мартенсит отпуска и вторичный цементит. Закалке и низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а так же изделия, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью (например, штампы для холодной штамповки или валки прокатных станов). Закалке и низкому отпуску подвергают стали с 0,7 – 1,3 %С.
2. Средний отпуск проводят при температуре 350 – 4500С. При этом из мартенсита уже выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональные искажения кристаллической решетки железа снимаются, она становится кубической. Мартенсит превращается в феррито-цементитную смесь с очень мелкими, в виде иголочек, частицами цементита, которая называется трооститом отпуска.
При этом происходит некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости и улучшения сопротивляемости действию ударных нагрузок. Закалку и средний отпуск проводят для пружин, рессор, ударного инструмента. Средний отпуск применяют для стали с содержанием углерода 0,5–0,65%.
3. Высокий отпуск проводят для среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,3 – 0,45%. Он заключается в нагреве закаленной стали до температуры 550 - 650 0С. Цель высокого отпуск – достижение оптимального сочетания прочности, пластичности и вязкости. Структура стали после закалки и высокого отпуска – сорбит отпуска (мелкая смесь феррита и зернистого цементита, более крупного по сравнению с цементитом троостита отпуска). Термическая обработка, состоящая из закалки и последующего высокого отпуска, является основным видом термической обработки изделий из конструкционных сталей, подвергающихся в процессе эксплуатации действию высоких напряжений и ударных, часто знакопеременных нагрузок. Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением.
Время выдержки при низком отпуске составляет от 1 до 10-15 часов, так как при таких низких температурах диффузия углерода идет медленно. Для среднего и высокого отпуска обычно достаточно 1-2 часа. Для дисков газовых и паровых турбин, валов, цельнокованых роторов в теплоэнергетике требуется до 8 часов, потому что их структура должна быть максимально стабильной.
Изменение механических характеристик углеродистой стали при отпуске показано на рис. 43.
Рис.43.Изменение механических свойств стали при отпуске
Таким образом, с повышением температуры и продолжительности отпуска увеличиваются пластические свойства стали, но снижаются ее твердость и прочность. В практике термической обработки стали режим отпуска назначают в соответствии с требуемыми свойствами, которые определяются условиями работы детали.
4.4 Отпускная хрупкость.
Отпускной хрупкостью называют резкое падение ударной вязкости при отпуске при определенных температурах.
Различают два вида отпускной хрупкости – низкотемпературную и высокотемпературную. Первая развивается в температурном интервале 250-4000С. Ее называют необратимой или отпускной хрупкостью первого рода. Ударная вязкость закаленной стали после отпуска в этом интервале меньше, чем после отпуска ниже 2500С (рис. 44).
Рис. 44. Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска
Если охрупченную сталь, отпущенную при 250-4000С, отпустить при более высоких температурах для перевода в вязкое состояние, то повторный отпуск в интервале 250-4000С не возвращает сталь в хрупкое состояние. Поэтому такую отпускную хрупкость называют необратимой.
Необратимая отпускная хрупкость в большей или меньшей степени свойственна всем сталям и не зависит от скорости охлаждения с температур отпуска. Ее причину связывают с неоднородным выделением карбидов по границам зерен при распаде мартенсита.
Второй провал на кривой ударной вязкости приходится на интервал температур отпуска примерно 450-6000С при медленном охлаждении (рис.44). При этом быстрое охлаждение с температур высокого отпуска, например в воде, предотвращает развитие отпускной хрупкости. Если же сталь вновь нагреть в этот интервал и медленно охладить, то отпускная хрупкость возвращается. Новый нагрев выше 6000С с быстрым охлаждением устраняет хрупкость и т.д. Поэтому это явление называют обратимой или отпускной хрупкостью второго рода.
Развитие отпускной хрупкости второго рода связывают с повышенной концентрацией фосфора на границах зерен. Наиболее широко используемые легирующие элементы – хром, никель, марганец усиливают эффект обратимой хрупкости, а введение молибдена и вольфрама уменьшают его. Особенно сильно на снижение склонности к отпускной хрупкости влияет молибден при введении его в сталь более 0,2%.
Способы закалки стали.
Выбор того или иного способа охлаждения при закалке определяется во-первых получением наибольшей прокаливаемости и во-вторых минимальным уровнем остаточных внутренних напряжений, чтобы уменьшить коробление деталей.
Используются несколько способов закалки, которые классифицируются по методу охлаждения:
1-закалка в одном охладителе;
2-закалка в двух охладителях;
3-ступенчатая закалка;
4-изотермическая закалка.
Все рассмотренные способы закалки показаны на диаграмме распада переохлажденного аустенита на рис.45.
Закалка в одном охладителе (воде или масле). Это наиболее простой и распространенный способ. Однако некоторые стали при охлаждении в воде склонны к возникновению трещин. При охлаждении в масле скорость охлаждения меньше, но многие стали при таком охлаждении не закаливаются (скорость охлаждения меньше Vкр и мартенсит не образуется).
Закалка в двух охладителях (через воду в масло). При этом методе в верхнем интервале температур скорость охлаждения велика, но сталь достаточно пластична и значительных напряжений не возникает. При этом способе сталь быстро охлаждается в интервале температур 750–400°С, а затем деталь переносится в другую, более мягкую, охлаждающую среду, и в мартенситном интервале охлаждение происходит замедленно, что практически исключает образование трещин. Твердость при таком методе закалки такая же, как при закалке в воде. 
(рис.45, кривая 2). Это приводит к уменьшению внутренних напряжений и снижает вероятность появления трещин. Примером такой закалки может быть процесс с охлаждением вначале в воде, а затем в масле.
Ступенчатая закалка -заключается в том, что после нагрева детали переносят в печь-ванну с расплавом щелочей (обычно КОН+NaOH). Нагретую до температуры немного выше начала образования мартенсита (на 20-30° выше точки Мн т.е. до 350-4000С), выдерживают небольшое время для выравнивания температуры по сечению, а затем охлаждают в масле или на воздухе (рис.45, кривая 3).При этом обеспечивается быстрое охлаждение стали в верхней области температур, а затем делается выдержка, во время которой температура по сечению детали выравнивается, и термические напряжения уменьшаются.
Твердость после такой закалки такая же, как и в предыдущих способах, но напряжения и вероятность образования трещин еще меньше.В качестве жидких сред для ступенчатой закалки используют расплавы щелочей, селитры, легкоплавких металлов.
Ступенчатая закалка применяется только для мелких изделий (до 10мм) из углеродистых сталей. Для более крупных деталей ее не применяют, так как в расплаве щелочей скорость охлаждения внутри детали мала.
Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, такую закалку применять нецелесообразно, так как они обычно хорошо закаливаются в масле, которое достаточно медленно охлаждает при температурах образования мартенсита.
Изотермическая закалкапроводится так же как и ступенчатая, но в расплаве щелочей детали выдерживают более длительное время (до полного распада аустенита на бейнит (рис.45,кривая 4). При этом существенных напряжений не возникает, но твердость получается ниже, чем при других способах закалки. Преимуществом этого способа является то, что после него не требуется отпуска. Изотермическая закалка обычно применяется для деталей сложной формы, склонных к деформациям и образованию трещин.
Обработка стали холодом.
Обработку стали холодом применяют для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленных высокоуглеродистых сталях. При охлаждении до -70..-1900С остаточный аустенит превращается в мартенсит.
Обработку холодом проводят непосредственно после закалки путем погружения изделий в смесь авиационного бензина с жидким азотом на 1-1,5 часа.
Обработка холодом обычно применяется:
1. Для инструмента из быстрорежущих сталей и деталей
шарикоподшипников с целью повышения твердости;
2. Для улучшения свойств постоянных магнитов;
3. Для стабилизации размеров точного измерительного инструмента (например, калибров).
Закалка с самоотпуском.
При сквозной прокаливаемости все точки детали имеют практически одинаковую твердость. Однако, для ударного инструмента типа зубил, долот, штампов необходимо иметь высокую твердость рабочей поверхности и напротив высокую ударную вязкость хвостовой части. Этого можно добиться специальными способами охлаждения.
1.Охладить в воде только рабочую поверхность, вынуть деталь из воды и контролировать ее разогрев до нужной температуры по цветам побежалости.
2.Закалить всю деталь, а затем разогревать ее хвостовую часть, контролируя разогрев рабочей поверхности.
Поверхностная закалка
Для некоторых деталей при эксплуатации необходима высокая твердость и износостойкость поверхности в сочетании с хорошей вязкостью в сердцевине. Это касается деталей, работающих в условиях износа с одновременным действием динамических нагрузок (например, шестерни, пальцы, скрепляющие звенья трака гусеничных машин).
В таких случаях подвергают упрочнению не всю деталь, а только тонкий (несколько мм) поверхностный слой.
Поверхностная закалка – это нагрев до закалочных температур только поверхностного слоя детали с последующим быстрым охлаждением и образованием мартенситной структуры только в этом слое.
Осуществляют такую закалку быстрым нагревом поверхности, при котором сердцевина не успевает прогреваться за счет теплопроводности. При таком нагреве температура по сечению детали резко падает от поверхности к центру.
После охлаждения в сечении детали получаются три характерных зоны с разной структурой и свойствами (рис. 46).
а б в
Рис. 46. Поверхностная закалка стали:
а – распределение температур по сечению; б – структура при поверхностном нагреве;
в – структура после закалки
В зоне I после закалки получается мартенситная структура с максимальной твердостью, так как эта зона нагревалась выше критической температуры Ас3.
В зоне II после закалки в структуре, кроме мартенсита, будет присутствовать и феррит. Следовательно, твердость там будет ниже.
В зоне III нагрев и охлаждение не приводят к каким-либо изменениям структуры. Значит, здесь сохраняется исходная феррито-перлитная структура с низкой твердостью, но высокими пластическими свойствами.
После поверхностной закалки деталь может сопротивляться динамическим нагрузкам за счет вязкой сердцевины и хорошо работать в условиях износа благодаря твердой поверхности.
Быстрый нагрев поверхности, необходимый при такой технологии, осуществляется чаще всего индукционным способом (закалка ТВЧ). Деталь помещается в индуктор, подключенный к генератору тока высокой частоты (рис.47). Переменное магнитное поле высокой частоты наводит в тонком поверхностном слое металла вихревые токи, и нагрев осуществляется за счет сопротивления металла протеканию этих токов. Немедленно после нагрева, который длится секунды, деталь помещают в спрейер для охлаждения.
Рис.47. Схема закалки ТВЧ
Поверхностная закалка должна сопровождаться низким отпуском.
Чем выше частота внешнего переменного магнитного поля, тем тоньше слой, в котором сосредоточены вихревые токи. Поэтому глубина закаленного слоя может легко регулироваться и составляет от десятых долей миллиметра до 3–5 мм. Операцию закалки ТВЧ можно полностью автоматизировать. Способ очень производительный; коробление и окисление поверхности детали при этом минимально.
Иногда, для поверхностной закалки используют и другие способы нагрева – газопламенный (рис.48), лазерный, а также нагрев краткосрочным погружением в расплав солей.
Рис.48.Схема газопламенной закалки
Для способа упрочнения поверхностной закалкой созданы специально стали пониженной прокаливемости, например, 55ПП (0,55 % С и не более 0,5 % примесей).