Тема 7. ТЕХНОЛОГІЯ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ СТАЛІ
Основні поняття
Технологією термічної обробки передбачається вибір операцій і режимів термообробки у відповідності з умовами обробки і роботи деталей машин, конструкцій, інструментів, а також вимогам, які ставляться до структури і властивостей матеріалів, і технічними умовами. Технологічні процеси термообробки ґрунтуються на теорії фазових перетворень при нагріванні та охолодженні. Режими обробки для конкретних деталей визначаються за довідниками.
Однією з основних задач при виборі режимів є прискорення процесів термообробки, що може бути досягнуто зменшенням часу нагрівання. Загальний час нагрівання складається з часу нагрівання до заданої температури і часу витримки при ній, який визначається структурними перетвореннями в сплаві і не залежить від інших факторів.
Обладнання, потрібне для виконання термообробки, поділяється на основне, додаткове та допоміжне. До основного відноситься обладнання для нагрівання (печі, ванни, апарати й установки), для охолодження (гартувальні баки, машини, ванни) і для обробки холодом (холодильні установки). До додаткового обладнання відносяться установки для очищення деталей від солі, масла, окалини (мийні машини, травильні установки, дробоструминні апарати) та пристрої для правлення та гнуття деталей після гартування. До допоміжного обладнання відносять установки для приготування захисних атмосфер і охолодження гартувальних рідин.
Відпалювання
В залежності від того, нагрівають сталь нижче чи вище температур фазових перетворень у твердому стані, розрізняють відпалювання першого роду (рекристалізаційне, для зняття внутрішніх залишкових напруг, дифузійне) і другого роду (повне чи неповне). В залежності від середовища. у якому проводиться нагрівання сталі, відпалювання може бути звичайним і світлим (із застосуванням захисної атмосфери). В залежності від умов охолодження розрізняють відпалювання з безперервним охолодженням і з витримкою при постійній температурі.
Рекристалізаційне відпалювання застосовують для зняття наклепу і внутрішніх залишкових напруг у сталі після її холодної обробки тиском (прокатування, волочіння, штампування). Сталь нагрівають вище температури рекристалізації, дають невеличку витримку при цій температурі і потім охолоджують на повітрі. Рекристалізаційне відпалювання застосовують і як проміжну операцію для підвищення пластичності і попередження появи тріщин у сталі при її холодній обробці тиском.
Відпалювання для зняття внутрішніх залишкових напруг призначене для зменшення або зняття у виробах шкідливих напруг розтягу. Воно проводиться при невисокій температурі, тому цей вид відпалювання іноді ще називають низькотемпературним. Відпалюванню для зняття внутрішніх напруг піддають чорні і кольорові метали і сплави після різноманітних технологічних операцій (лиття, обробка тиском, зварювання, термічна обробка, обробка різанням).
Дифузійне (гомогенізаційне) відпалювання застосовують для злитків і фасонних виливків великих розмірів з легованих сталей для усунення в них дендритної ліквації. При дифузійному відпалюванні сталь нагрівають до високої температури (1000…1150 оС), витримують при ній значний час (12…15 год.) і потім повільно охолоджують у печі. Висока температура нагрівання і тривала витримка потрібні для повного протікання дифузійних процесів у сталі. При цьому внаслідок великого часу витримки відбувається збільшення зерна, що не є небезпечним для злитків при подальшій гарячій обробці тиском. Що стосується фасонних виливків, то для отримання дрібнозернистої структури після дифузійного відпалювання їх піддають повному відпалюванню.
Мета повного відпалювання - отримання дрібнозернистої структури, переважно, у литої доевтектоїдної сталі, а також після гарячої обробки тиском для усунення крупнозернистості, відманштетової структури (яка утворюється внаслідок неправильно вибраної високої температури початку гарячої обробки тиском) або смугастої структури (яка утворюється при низькій температурі кінця обробки). Температуру нагрівання при повному відпалюванні вибирають, користуючись діаграмою стану Fе-С (рис.7.1.), Доевтектоїдну сталь повільно нагрівають до температури вище точки Ас3 (лінія GS) на 30…50 оС. При цьому у ній відбувається утворення дрібнозернистого аустеніту. Час витримки при нагріванні повинен бути достатнім для прогрівання виробів по всьому перетину. При наступному повільному охолодженні разом із піччю відбувається розпад аустеніту з утворенням дрібнозернистої структури перліту і фериту.
Рис.7.1. Температурні інтервали нагрівання сталі при різних видах
термічної обробки
При проведенні звичайного повного відпалювання, в зв'язку з тривалістю перебування деталей у печі, можливе зневуглецьовування й окислювання їхньої поверхні. Тому вироби, які відпалюються, для захисту від зневуглецьовування й окислювання упаковують у ящики, труби чи реторти, заповнені піском, чавунною стружкою або вугіллям. Часто для попередження зневуглецьовування й окислювання застосовують відпалювання у печах із контрольованою захисною атмосферою (або в печах із вакуумом), після якого деталі мають світлу і чисту поверхню. Такий вид відпалювання називається світлим.
Повне відпалювання підвищує міцність, пластичність і в`язкість литої сталі; міцність гарячеобробленої сталі після відпалювання дещо знижується.
Неповне відпалювання застосовують для отримання дрібнозернистої структури в литій і гаряче обробленій заевтектоїдній сталі. При проведенні неповного відпалювання сталь нагрівають до температури вище точки Ас1 (лінія РSК), а потім повільно охолоджують. При цьому відбувається перетворення аустеніту в перліт, у той час як вторинний цементит залишається без зміни. Такий режим відпалювання застосовують тільки в тому випадку, якщо вструктурі сталі вторинний цементит не утворює сітки навколо зерен перліту. Якщо ж у структурі є цементитна сітка, необхідно нагріти сталь вище точки Аст і остудити на повітрі (нормалізація), щоб розчинити сітку цементиту і не дати йому виділитися, а потім зробити повторне нагрівання вище точки Ас1 з наступним повільним охолодженням.
Неповне відпалювання застосовують також: для поліпшення оброблюваності різанням гарячеобробленої доевтектоїдної сталі. При проведенні повного і неповного відпалювання за описаною технологією отримують сталь із структурою пластинчастого перліту (цементиту) і надлишкового фериту чи цементиту або без них.
Для отримання структури зернистого цементиту (рис.7.2.) заевтектоїдну сталь піддають сферодизуючому відпалюванню. При такому виді відпалювання сталь нагрівають трохи вище точки Ас1, витримують при цій температурі і потім повільно охолоджують спочатку до температури, яка відповідає точці Ас1, а потім на повітрі. Внаслідок невисокої температури нагрівання, у сталі, поряд з аустенітом, зберігається велике число часток, які не розчинилися, що сприяє утворенню зернистої форми перліту (цементиту). На розмір зерен цементиту впливає швидкість охолодження; із зменшенням швидкості охолодження розмір зерна збільшується. Відпалена сталь із структурою зернистого цементиту в порівнянні з відпаленою сталлю зі структурою пластинчастого перліту, має меншу твердість, велику в`язкість і кращу оброблюваність різанням.
Рис.7.2.Мікроструктура евтектоїдної сталі після сферодизуючого відпалювання (зернистий перліт)
Щоб полегшити утворення зернистого перліту, нагрівання вище точки Ас1 і охолодження нижче точки Аr1 повторюють декілька разів. Таке відпалювання називають маятниковим, або циклічним. При наявності в сталі цементитної сітки сфероїдизуючому відпалюванню повинна передувати нормалізація.
Всі розглянуті види відпалювання проводять з безперервним повільним охолодженням. При відпалюванні з витримкою при постійній температурі (ізотермічне відпалювання) сталь нагрівають, як і при звичайному відпалюванні: доевтектоїдну вище точки Ас3, заевтектоїдну - вище точки А с1 на 20…30 оС. Потім швидко охолоджують до температури нижче точки Аr1 на 20…100 оС і витримують при цій температурі; під час витримки відбувається перетворення аустеніту в перліт. Після цього сталь охолоджують звичайно на повітрі. Час iзотермічної витримки повинен бути більшим часу ізотермічного перетворення аустеніту, обумовленого С-подібними кривими. При цьому варіанті ізотермічне відпалювання роблять в одній печі. Іноді ізотермічне відпалювання роблять у двох печах. У одній печі виріб нагрівають вище температури фазового перетворення, а потім переносять в іншу піч, нагріту до температури нижче точки Аr1 і витримують при цій температурі. Можливий і інший варіант, коли вироби після нагрівання в печі переносять у соляну ванну, нагріту до 600…650 оС, і витримують при цій температурі протягом декількох годин. Останні два способи більш економічні.
Перевагами ізотермічного відпалювання у порівнянні зі звичайним е менша тривалість процесу завдяки прискоренню охолодження (4…7 год. замість 15…30 год.) і більш однорідна структура, що покращує оброблюваність сталі різанням. Ізотермічним відпалюванням, переважно, обробляють леговані сталі, в яких він, крім зниження твердості перед обробкою різанням, понижує чутливість до утворення флокенів і тріщин.
Нормалізація сталі
При нормалізації доевтектоїдну сталь нагрівають звичайно до температури вище точки Ас3, а заевтектоїдну вище точки Аст на 30…50 оС (рис.7.1), а потім охолоджують на повітрі. Нормалізація набуває все більшого поширення в практиці термічної обробки і для низьковуглецевих сталей часто заміняє тривалу операцію повного відпалювання, а для середньовуглецевих (0,25…0,6%) і легованих сталей - гартування з наступним високим відпуском.
Метою нормалізації є отримання дрібнозернистої структури в доевтектоїних сталях, зняття внутрішніх залишкових напруг і наклепу, отримання однорідної структури перед завершальною термічною обробкою, холодним штампуванням або обробкою різанням, знищення сітки вторинного цементиту в заевтектоїдних сталях. Нормалізують фасонні виливки, поковки і штамповки, а також деталі, які цементуються. Після нормалізації доевтектоїдна низьковуглецева сталь має структуру перліту і фериту, як і після відпалювання, але більш дрібнозернисту. Механічні властивості нормалізованої сталі дещо вищі в порівнянні з відпаленою.
Середньовуглецева і низьколегована сталі після нормалізації отримують структуру сорбіту і тому твердість та міцність їх у порівнянні з відпаленою сталлю вищі. Іноді нормалізація заміняє гартування і високий відпуск, проте в цьому випадку нормалізована сталь має меншу в’язкість, ніж загартована і відпущена, і для відповідальних деталей машин і конструкцій не застосовується.
Гартування сталі
Гартування є поширеною операцією термічної обробки деталей машин і інструментів, її мета - надання матеріалу високої твердості і міцності шляхом утворення нерівноважних структур - мартенситу або бейніту (голчастого троститу).
Існує декілька різновидів гартування сталі. В залежності від товщини загартованого прошарку розрізняють об'ємне і поверхневе гартування. Об'ємне гартування проводиться в печах і ванних, а поверхнева - струмами високої, підвищеної і промислової частоти, газовим полум'ям і в електролітах. В залежності від режиму охолодження буває об'ємне гартування (рис.7.3) з безперервним охолодженням (1) і з переривчастим охолодженням (2), ізотермічне (4), ступінчасте (3). В залежності від середовища, у якому нагрівають сталь, розрізняють гартування звичайне і з застосуванням захисної атмосфери (світле).
Рис.7.3.Схеми режимів охолодження при різних способах гартування: 1 – безперервне гартування; 2 – переривчасте гартування; 3 – ступінчасте гартування; 4 – ізотермічне гартування
Температуру нагрівання під гартування для вуглецевих сталей вибирають, користуючись діаграмою стану Fe-С (рис.7.1). Доевтектоїдну вуглецеву сталь нагрівають до температур вище точки А с3 (лінія GS), а заевтектоїдну - вище точки Ac1 (лінія РSК) на 30…50 оС. Нагрівання заевтектоїдної сталі вище точки А c1 роблять, щоб зберегти в структурі загартованої сталі цементит, що є більш твердою складовою, ніж мартенсит. Таким чином, у той час як температура нагрівання під гартування доевтектоїдної сталі знижується зі зміною вмісту в сталі вуглецю, температура нагрівання заевтектоїдних сталей постійна і складає 760…780 оС. Час витримки при нагріванні вибирають в залежності від розмірів виробів й об’єму металу, який завантажується в піч. Після нагрівання і витримки вироби охолоджують у різноманітних гартівних середовищах, які забезпечують необхідну швидкість охолодження. Найпоширенішими гартівними середовищами є: вода, мінеральні масла, розчин їдкого натрію, розплавлені солі, луги і метали, емульсії тощо.
Основна вимога до гартівних середовищ - висока охолоджувальна спроможність в інтервалі температур 650…550 оС (температури найменшої стійкості аустеніту на С-подібній кривій) і знижена охолоджувальна спроможність при 300…200 оС (в області мартенситного перетворення), коли аустеніт відносно стійкий. Уповільнене охолодження в інтервалі температур 300…200 оС необхідне для зменшення внутрішніх термічних напруг.
При ізотермічному і ступінчастому гартуванні охолодження сталі проводиться в гарячих середовищах - у ваннах із розплавленими металами, солями чи лугами.
Охолоджувальну спроможність гартівних середовищ підвищують інтенсивним перемішуванням, здійснюваним різноманітними способами - механічним, за допомогою ультразвукових коливань тощо.
Основними технологічними властивостями при гартуванні сталі є загартовуваність і прогартовуваність. Спроможність сталі до підвищення твердості при гартуванні називають загартовуваністю, а спроможність гартуватися на визначену глибину - прогартовуваністю. Поверхневі прошарки деталей машин і інструменти, які стикаються з гартівним середовищем, охолоджуються швидше, ніж внутрішні; тому не завжди вдається досягти прогартовуваності по всьому перерізу (наскрізної прогартовуваності). При наскрізній прогартовуваності структурною складовою поверхневих прошарків виробу після гартування є мартенсит, а внутрішніх прошарків - троостит. Отже, твердість на поверхні виробу вища, ніж у серцевині. За глибину загартування приймають віддаль від поверхні виробу до прошарку з напівмартенситною структурою (50% мартенситу і 50% трооститу). У сталі з глибокою прогартовуваністю твердість знижується повільно, а з неглибокою - спостерігається різке її падіння в міру віддалення від поверхні.
Крім швидкості охолодження, прогартовуваність залежить від ряду інших чинників: хімічного складу сталі (вмісту легуючих елементів), вихідної структури, діаметра виробу, температури нагрівання під гартування тощо. Прогартовуваність, поряд з іншими технологічними властивостями, є одним із основних при виборі марки сталі і виду її термічної обробки.
При охолодженні сталі в процесі гартування виникають внутрішні напруги термічні і структурні, пов'язані з перебудовою ГЦК-ґратки аустеніту в ґратку мартенситу і зміною об’єму сталі. В результаті виникнення внутрішніх напруг у сталі після гартування з'являються тріщини, короблення, деформації.
Дефектами гартування є також м'які плями, знижені твердість і міцність, зневуглецьовування, окислювання тощо. Застосування різноманітних видів гартування і правильний вибір її режимів дають можливість уникнути цих дефектів або в значній мірі зменшити їх.
Є декілька різновидів об'ємного гартування. При гартуванні в одному охолоджувачі нагріті до температури гартування вироби занурюють у гартівне середовище (найчастіше - воду чи масло), де вони і знаходяться до повного охолодження (рис.7.3, крива 1). Гартування цього виду застосовують як для вуглецевої сталі (охолодження у воді), так і для легованої сталі (охолодження в маслі). Недоліком такого способу гартування є те, що в результаті великої різниці температур нагрітого металу й охолоджувального середовища в загартованих сталях, поряд із структурними, виникають великі термічні напруги, які ведуть до утворення тріщин, короблення й інших дефектів.
Для зменшення термічних напруг застосовують гартування з підстужуванням, коли нагрітий виріб перед зануренням у гартівне середовище якийсь час витримують на повітрі (підстужують). При цьому необхідно, щоб температура виробів не опускалася нижче точки Аr3 -для доевтектоїдної сталі і нижче точки Аr1 - для заевтектоїдної.
Застосовують також гартування в двох середовищах (рис.7.3, крива 2): деталі спочатку охолоджують до 300…400 °С в воді, а потім в маслі. Таке гартування має назву переривчастого і застосовується, переважно, для високовуглецевої інструментальної сталі. Іншим видом гартування є ступінчасте гартування (рис.7.3, крива 3), при якому сталь охолоджують поетапно, у двох різноманітних середовищах. Першим охолоджувальним середовищем є розплавлені солі або масло, нагріті до температури на 20…30 оС вище точки Мп, для даної сталі. У гарячому середовищі деталям дають короткочасну витримку (до початку розпаду аустеніту) для вирівнювання температури по всьому об`єму виробів. Ванни, в яких роблять охолодження виробів, мають постійну задану температуру, автоматично регульовану у вузьких межах. Після витримки в гарячому середовищі сталь має структуру аустеніту. Другим охолоджувальним середовищем є повітря. При охолодженні сталі на повітрі відбувається перетворення аустеніту в мартенсит.
Основною перевагою ступінчастого гартування є можливість зменшення термічних напруг, і отже, тріщин і короблення виробів. При ступінчастому гартуванні досягається також сприятливе поєднання високої в’язкості і міцності. Твердість сталі після ступінчастого гартування відповідає твердості мартенситу і складаєНRС 54…60. Застосування ступінчастого гартування обмежено розмірами виробів, тому так гартують, як правило, вироби малих перетинів, що виготовлені з вуглецевої сталі.
Найпрогресивнішим методом гартування, яке забезпечує поєднання високої міцності, пластичності і в’язкості, є ізотермічне (рис.7.3, крива 4), при якому сталь охолоджують у гарячому середовищі (соляних або лужних ваннах). Температура нагрівання середовища різна в залежності від складу сталі, але завжди на 20-100 оС вище точки Мп для даної сталі. Перетворення аустеніту в голчастий тростит (нижній бейніт) відбувається під час ізотермічної витримки сталі. Після цього сталь охолоджують на повітрі. Ізотермічному гартуванню особливо часто піддають вироби з високолегованих сталей.
Після гартування твердість сталі підвищується і тим більше, чим більше в сталі вуглецю. Проте, одночасно з цим, у загартованій сталі збільшується вміст залишкового аустеніту, що помітно знижує її твердість. Поряд із високими твердістю і міцністю загартована сталь характеризується зниженими пластичністю і в’язкістю. Змінюються і фізичні властивості: електричний опір і коерцитивна сила після гартування підвищуються, а магнітна проникність і залишкова індукція знижуються. Зміну фізичних властивостей можна використати. Наприклад, заевтектоїдні вуглецеві сталі, застосовувані для постійних магнітів, які повинні мати високу коерцитивну силу, загартовують на мартенсит.
Відпускання
Призначення відпускання - зняти внутрішні залишкові напруги, які виникли в загартованій сталі, і одержати необхідні структуру та механічні властивості. Відпуск є найважливішою операцією термічної обробки, яка формує структуру і властивості сталі і визначає її поводження в експлуатації. При відпусканні виконується нагрівання сталі нижче точки А с1 (лінії РSК) (рис.7.1), витримка й охолодження.
У залежності від температури нагріву розрізняють низький, середній і високийвідпуск. Низький відпуск характеризується температурами нагрівання 150…250 оС, при яких у сталі протікають тільки перше і друге перетворення, що не знижує помітно її твердості. Після низького відпускання сталь одержує структуру відпущеного мартенситу. Низький відпуск застосовується для вуглецевих і легованих інструментальних сталей, для яких необхідні високі твердість (НRС 59…63) і зносостійкість. Середній відпуск характеризується нагріванням до 350…500° С, при якому в сталі відбувається третє перетворення. Після середнього відпускання сталь має структуру трооститу відпускання. Ця структура у вуглецевій сталі має достатньо високу твердість (НRС 44…54) при високій пружності. Середній відпуск застосовують для пружинних і ресорних сталей. Високе відпускання характеризується температурою нагрівання 500…700 оС і структурою сорбіту відпускання. Подвійну термічну обробку, яка складається з гартування на мартенсит і високого відпускання називають поліпшенням, тому що після такої обробки відпущена сталь одержує найбільш сприятливе поєднання механічних властивостей - високі в`язкість і пластичність поряд із достатньою міцністю. Високому відпускання піддають, як правило, конструкційні (вуглецеві та леговані) сталі, що поліпшуються, які містять 0,3…0,5%С.
На рис.7.4 наведені криві зміни механічних властивостей сталі 40 після відпускання, з яких очевидно, що при відпусканні в порівнянні з гартуванням міцність і твердість сталі знижуються, а пластичність і в’язкість підвищуються, змінюються також і фізичні властивості сталі.
Рис.7.4. Механічні властивості сталі 40 в залежності від температури відпускання
Крім температури нагрівання, важливим чинником при відпускання є час витримки; чим вища температура відпускання, тим час витримки може бути меншим. Швидкість охолодження при відпусканні вуглецевої сталі великого значення не має.