Технология термической обработки стали

Основными видами термической обработки сталей являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг стали в зависимости от назначения и температурно-временных режимов разделяют на две группы: I и II рода. Отжиг первого рода проводят для получения более равновесной структуры, чем исходная (рекристаллизационный и диффузионный отжиги). В настоящей работе подробно рассмотрен отжиг второго рода (далее отжиг), в основе которого лежит фазовая перекристаллизация.

Отжиг состоит в нагреве стали на 30…50 ^оС выше температуры фазовых превращений (А₃ или А₁), выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью. Медленное охлаждение обеспечивает достижение равновесного состояния и получение структур, соответствующих диаграмме железо – цементит.

Результат отжига зависит от технологических режимов: температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.

В зависимости от температуры нагрева различают полный отжиг с нагревом до температуры на 30…50 ^оС выше А₃ (для доэвтектоидных сталей) и неполный – с нагревом на 30…50 ^оС выше А₁ для заэвтектоидных сталей (рис. 6.1). Углеродистые стали охлаждают со скоростью 150…200 ^оС/ч, легированные – 100…130 ^оС/ч.

Отжиг производится для уменьшения прочности и твердости поковок, увеличения пластичности и вязкости литой стали, полного снятия напряжений и улучшения обрабатываемости. Отожженная сталь 40 имеет крупнозернистую феррито – перлитную структуру (рис. 6.3, а).

Нормализациязаключается в нагреве стали на 30…50 ^оС выше температуры фазовых превращений (А₃ или А_m), выдержке и последующем охлаждении на спокойном воздухе. Вследствие большей, по сравнению с отжигом, скоростью охлаждения (примерно 150 ^оС/мин) у стали 40 формируется более мелкозернистая феррито – перлитная структура (рис. 6.3, б). Твердость и прочность нормализованной стали на 10…15 % выше, чем отожженной.

Целью нормализации является получение мелкозернистой, однородной структуры, устранение внутренних напряжений и наклепа, снижение твердости и прочности, повышение пластичности. Она производится как предварительная ТО перед штамповкой, обработкой резанием, окончательной термообработкой.

а) б)

Рис. 6.3. Микроструктуры стали 40 (Î600): а) после отжига;

б) после нормализации

Закалка – упрочняющая термическая обработка, при которой сталь нагревают на 30…50 ^оС выше температуры фазовых превращений (А₃ или А₁), выдерживают во времени и быстро охлаждают со скоростью выше критической V_кр (рис. 6.1). Для углеродистых сталей V_кр ≈ 150 ^оС/с, а охлаждение в воде обеспечивает среднюю скорость 200 ^оС/с.

Целью закалки является получение высокой твердости, прочности и износостойкости стали. Такие свойства обеспечивает образующаяся в результате закалки неравновесная (метастабильная) структура мартенсита.

Мартенсит (М)– пересыщенный твердый раствор углерода в α- железе (назван по имени немецкого металловеда А. Мартенса – Adolf Martens).

Определяющим этапом формирования структуры мартенсита при закалке является охлаждение стали из аустенитной области до комнатной температуры. При быстром охлаждении после полиморфного превращения, т.е. перестройки кристаллической решетки аустенита (ГЦК) в решетку феррита (ОЦК), «лишний» углерод остается в решетке ОЦК вследствие подавления диффузионных процессов. Образуется пересыщенный твердый раствор углерода в α – железе. Перенасыщенность мартенсита углеродом создает в его решетке большие внутренние напряжения, которые приводят к искажению ее формы и превращению из кубической (рис. 6.4, а) в тетрагональную (рис. 6.4, б). Уровень внутренних напряжений оценивается степенью тетрагональности, т.е. отношением длины ребра «с» высоты параллелепипеда к ребру его основания «а».

- Fe

- C

с

а

а

а ) б)

Рис.6.4. Кристаллическая решетка феррита (а) и мартенсита (б)

Чем выше степень тетрагональности решетки мартенсита, тем выше его твердость. Степень тетрагональности, в свою очередь, будет зависеть от содержания углерода в стали.

По температуре нагрева различают полную и неполную закалку. Полная закалка, осуществляемая из аустенитной области (выше линии А₃), проводится для изделий из доэвтектоидных сталей. При этом образуется структура мартенсита. Неполной закалке подвергают инструмент из заэвтектоидной стали, в которой образуется структура М + Ц_II. Наличие включений вторичного цементита увеличивает твердость закаленного инструмента, т.к. цементит по твердости превосходит мартенсит.

Закалка не является окончательной термообработкой. Чтобы уменьшить внутренние закалочные напряжения, приводящие к хрупкому разрушению, а также получить требуемый комплекс механических свойств, после закалки сталь обязательно подвергают отпуску.

Отпускзакаленных сталей включает нагрев до температур ниже фазовых превращений (ниже А₁), выдержку во времени и последующее охлаждение с любой скоростью. Получаемые структуры и свойства отпущенных сталей зависят от температуры нагрева, в зависимости от которой различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск проводят в интервале температур 100…250 ^оС для уменьшения внутренних напряжений и хрупкости при незначительном снижении твердости. Этому отпуску подвергают инструменты, а также детали, прошедшие поверхностную закалку или цементацию, от которых требуется высокая твердость и износостойкость. Получаемая структура – мартенсит отпуска (М_отп), имеющий игольчатое строение (рис. 6.5, а).

Средний отпуск производится при температурах 300…450 ^оС и применяется для рессор, пружин, штампов и другого ударного инструмента, т.е. для изделий, где требуется достаточная твердость и высокая упругость. Получаемая структура – троостит отпуска.

Троостит (тростит) Т – структурная составляющая стали, представляющая собой ультадисперсную (сверхтонкую) смесь феррита и цементита. Названа по имени французского ученого Луи-Жозефа Труста (фр. L. J. Troost). Структура троостита настолько дисперсна, что даже при увеличении 600 крат она практически не просматривается (рис. 6.5, б).

а) б) в)

Рис. 6.5. Микроструктуры стали 40 после ТО (Ï600): а) – мартенсит

отпуска (закалка с низким отпуском); б) – троостит (закалка со средним

отпуском); в) – сорбит (закалка с высоким отпуском)

Высокий отпуск, проводимый при 500…650 ^оС, полностью устраняет внутренние напряжения. В результате образуется структура – сорбит отпуска.

Сорбит (С)– структурная составляющая стали, представляющая собой тонкодисперснуюсмесь феррита и цементита, более крупную, чем у троостита (рис. 6.5, в). Названа в честь английского учёного Г. К. Сорби (Н. С. Sorby).

Стали со структурой троостита обладают повышенной твердостью, прочностью и упругостью, умеренной пластичностью и высокой вязкостью. Их применяют для изделий из конструкционных сталей, подверженных воздействию высоких напряжений.

Термообработку, заключающуюся в закалке на мартенсит с последующим высоким отпуском, называют улучшением.