4. Термическая обработка стали

Цель термической обработки - изменение структуры и свойств металла путем нагрева его до заданной температуры, выдержки до полного прогрева и охлаждения с заданной скоростью.

Виды термической обработки

Отжиг 1-го рода. Если металл находится в неустойчивом состоянии под влиянием предшествовавшей обработки - наклеп при холодном деформировании, неравномерное распределение упругой деформации, ликвационная неоднородность, - то только нагрев может перевести металл в нормальное устойчивое состояние путем усиления теплового движения атомов. Такой нагрев называют отжигом 1-го рода. Он не связан с точками фазовых превращений.

Отжиг 2-го рода, иначе фазовая перекристаллизация. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые превращения (аллотропические, растворение фаз), то нагрев выше критической точки (точки фазового превращения) вызывает изменение строения сплава и его свойств. Если последующее охлаждение достаточно медленно, то обратное превращение совершится полностью. Такой нагрев с медленным охлаждением называется отжигом 2-го рода.

Закалка. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые превращения, то нагревом выше температуры превращения и быстрым охлаждением фиксируется или состояние сплава, имевшее место при температуре нагрева, или некоторое промежуточное состояние сплава, тоже неравновесное. Закаленное состояние неустойчиво (метастабильно). Нагрев выше точки фазового превращения с последующим быстрым охлаждением называется закалкой.

Отпуск. Нагрев закаленного сплава ниже температуры фазового превращения для получения более стабильной структуры. Отпуск, происходящий при комнатной температуре или при невысоком нагреве, называется соответственно естественным и искусственным старением.

Химико-термическая обработка. Способность металлов растворять в feepflOM состоянии различные металлы и неметаллы при нагреве в соответствующей среде (например, способность железа растворять С, N, А1, В, Si) позволяет путем диффузии вводить атомы растворимых элементов в поверхностные слои металла с целью изменения свойств этих слоев и нередко изделия в целом. Такое диффузионное насыщение называется химико-термической обработкой.

Главные технологические процессы термической обработки

Общие положения. В основе термической обработки стали лежат три главных явления:

1.Перекристаллизация в районе критических точек при нагреве: в процессе перекристаллизации α→γ. т. е. в процессе перехода феррито-цементитных смесей в аустенит, сталь, обладающая до обработки крупным или неравномерным зерном, может быть переведена нагревом до температур, несколько превышающих критические точки, в равномерно мелкозернистое состояние: доэвтектоидные стали нагревом до Ac₃ +(30-50°) а эвтектоидная и заэвтектоидная стали - до Ac₁ + (30-50°).

2.Способность аустенита переохлаждаться при быстром охлаждении в очень большой степени, что дает возможность:

а) понижать точку перлитного превращения до очень низких температур, в процессе распаца при которых аустенит превращается в очень высокодисперсный пластинчатый перлит - троостит или сорбит отличающиеся повышенной прочностью и износостойкостью (твердость сорбита 250-350 Н_B , троостита 350-450 H_B)

б) при очень сильном переохлаждении - ниже так называемой мартенситной точки М (для эвтектоидной стали около 250°)- подавить перлитное превращение и получить из аустенита мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в Feα, обладающей особо высокой твердостью (600-750 Н_B); получение мартенсита, происходящее с увеличением объема стали и сопряженное с возникновением больших структурных напряжений и хрупкости, и есть истинная закалка стали, обеспечивающая получение режущей способности и высокой износостойкости.

3 Возможность невысоким нагревом (ниже Ас₁) — отпуском ослаблять или снимать напряжения в закаленных на мартенсит изделиях с переводом его при так называемом низком отпуске (100—.300°) в отпущенный мартенсит—твердую еще, но лишенную чрезмерных напряжений и поэтому работоспособную структуру, обладающую режущей способностью. При высоком отпуске (350—650°) образуются продукты распада мартенсита — глобулярные феррито-цементитные смеси — троостит и сорбит отпуска, важнейшие структуры высокопрочных деталей машин. Троостит (и закалки и отпуска) обладает более высокой дисперсностью цементита и поэтому более высокой твердостью и хрупкостью, чем сорбит.

Гомогенизация, иначе диффузионный отжиг - нагрев слитков или отливок (реже поковок) при 1100—1200° с длительной выдержкой производится с целью уменьшения дендритной ликвационной неоднородности и сопровождается ростом зерна. Для измельчения зерна после гомогенизации производится дополнительно полный отжиг или нормализация (см. ниже).

Отжиг — нагрев стали на 30—50° выше Ac₃ (полный отжиг) или Ac₁ (неполный отжиг) или несколько ниже Ас₁ (низкий отжиг) с последующим медленным охлаждением. При изотермическом отжиге сталь, нагретая несколько выше Ac₃, переносится в другую печь с температурой на 50—100° ниже Аr₁, и выдерживается в ней при постоянной температуре до полного превращения аустенита в перлит, что сокращает продолжительность операции по сравнению с полным отжигом и сообщает стали более равномерную структуру.

Отжигом достигается: снижение твердости, повышение пластичности и вязкости, улучшение обрабатываемости при резании, а также снятие остаточных напряжений и улучшение микроструктуры (измельчается зерно).

Сфероидизация, иначе сфероидизирующий отжиг — предварительная термическая обработка инструментальной стали, переводящая пластинчатый цементит перлита и вторичный цементит в округлую (глобулярную) форму путем низкого отжига или отжига с периодическим изменением температуры около точки A₁. Сфероидизацией достигается улучшение обрабатываемости при резании и деформируемости в холодном состоянии сталей с содержанием более 0.6%С.

Нормализация — нагрев стали на 30—50° выше Ac₃ с последующим охлаждением в спокойном воздухе. В результате нормализации получается улучшение структуры (измельчение зерна, образование тонкодисперсного перлита), связанное с повышением механических свойств отливок, поковок и проката; в сталях с содержанием углерода менее 0.4% улучшается обрабатываемость при резании.

Закалка с непрерывным охлаждением (обычная) — нагрев стали на 30—50° выше Ac₃ (полная закалка) или выше Ас₁, но ниже Aс₃ (неполная закалка), с последующим быстрым охлаждением — в воде, в масле, в сжатом или вентиляторном воздухе. Минимальная скорость охлаждения, необходимая для получения мартенсита, называется критической скоростью закалки v_кр. При закалке со скоростью охлаждения больше v_кр получается мартенсит, со скоростью меньше v_кр — троостит или сорбит.

При ступенчатой закалке изделие охлаждают в среде (масле, соли) с температурой, близкой к точке М, до выравнивания температуры с последующим охлаждением на воздухе, во время которого образуется мартенсит. При этом напряжения в мартенсите и коробление изделий ослабляются.

При изотермической закалке изделие охлаждается в горячих закалочных средах с температурой в пределах между s. 600° и точкой М. В зависимости от уровня температуры ванны получают структуры сорбита или троостита.

Патентирование — разновидность изотермической закалки на сорбит проволоки и лент перед холодным волочением или холодной прокаткой. Закалочной средой служит расплавленный свинец для расплавленные соли.

Отпуск — нагрев закаленной стали до температур ниже точки Ас₁. При низком отпуске (100—300°) получается отпущенный мартенсит, при высоком (более 300 до 650°) — троостит или сорбит. Отпуск при температурах 250—350° иногда называют средним. Отпуск повышает вязкость закаленной стали и уменьшает остатичные напряжения. При среднем и высоком отпуске твердость снижается весьма ощутимо.

Обработка холодом, т. е. при температурах ниже 0° (от —70 до —100°). производится для превращения так называемого остаточного аустенита, т. е. не превратившегося в мартенсит аустенита, в некотором количестве всегда присутствующего в мартенсите, — в мартенсит. При этом повышается твердость закаленных на мартенсит изделий и стабилизируются их размеры. Последнее важно для калибров.