Практика термической обработки стали

Различают следующие виды термообработки: отжиг,
нормализация, закалка и отпуск стали.

Отжиг

Отжиг – это нагрев стали выше температур фазовых превращений, выдержка и последующее медленное охлаждение, обычно с печью. После отжига сталь приближается к фазовому и структурному равновесиям, отображенным на диаграмме Fe–Fe₃C.

Поэтому после любого отжига структура будет та же, что и на диаграмме железо-цементит (см. п. 5.3):

· у доэвтектоидных сталей – перлит и феррит;

· у эвтектоидной стали – перлит;

· у заэвтектоидных сталей – перлит и цементит вторичный.

В зависимости от температуры нагрева отжиг подразделяется на диффузионный, полный, изотермический, рекристаллизационный и неполный.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) – это нагрев стали до температуры 1100…1200 ⁰С, выдержка (минимальная – около 16 часов), и последующее медленное охлаждение с печью. Применяется в основном для легированных сталей и крупных фасонных отливок (слитков) из углеродистой стали с целью выровнять химический состав по углероду и легирующим элементам, а, следовательно, и механические свойства по всему объему слитка (чем выше температура, тем выше диффузия). После диффузионного отжига получаем структуру, состоящую из перлита и феррита, но при этом зерна будут крупными, что понижают ударную вязкость, а это нежелательно. Поэтому после диффузионного отжига нужно измельчать зерно.

Способы измельчения зерна. Зерно в стали измельчается при нагреве в момент перехода перлита в аустенит. Скорость же охлаждения на величину зерна не влияет. Поэтому зерно в стали измельчают: 1) полным отжигом; 2) нормализацией; 3) закалкой; 4) пластической деформацией, при которой измельчение зерен происходит механически, путем дробления.

Полный отжиг – это нагрев доэвтектоидной стали выше A_с3 на 30…50 ⁰С (рис. 6.1), выдержка и последующее медленное охлаждение с печью. Выше нагревать нельзя, поскольку в этом случае слишком вырастает зерно аустенита. После такого отжига получается мелкозернистая структура, состоящая из перлита и феррита, с повышенной ударной вязкостью.

Рис. 6.1. Диапазон оптимальных температур нагрева

при различных видах термообработки

Полный отжиг применяется:

· для измельчения зерна и повышения ударной вязкости после диффузионного отжига, литья, сварки, а также после горячей прокатки и ковки (1100…1200 ⁰С);

· для смягчения стали перед обработкой резанием, так как перлит намного мягче мартенсита;

· для снятия внутренних напряжений.

Полный отжиг – это, как правило, подготовительная операция перед окончательной термической обработкой.

Полный отжиг для заэвтектоидной стали, то есть нагрев выше A_cm , не применяют, так как: а) образуется крупное зерно; б) появляется хрупкая сетка вторичного цементита по границам зерен.

Медленное охлаждения в печи при полном отжиге способствует выделению избыточного феррита в виде отдельных скоплений, то есть зерен. Образование таких участков (зерен) феррита нежелательно, так как при последующем нагреве под закалку трудно обеспечить выравнивание концентрации углерода по всему объему аустенита. Это может привести к образованию после закалки участков с пониженной твердостью. Поэтому полному отжигу чаще всего подвергаются прокат, поковки, фасонные отливки, а также слитки легированных сталей для понижения твердости с целью облегчения их прокатки.

Изотермический отжиг – это разновидность полного отжига, применяется в основном для легированных сталей с целью сокращения времени отжига.

И при полном и изотермическом отжиге детали нагревают до температур выше A_c3 на 30…50 ⁰С и дают выдержку – для прогрева деталей и окончания фазовых превращений перлита и феррита в аустените. Если затем проводят полный отжиг, то охлаждения деталей ведут в той же печи. Если проводят изотермический отжиг, то детали из первой печи быстро перебрасывают во вторую печь с температурой, соответствующей изотермической выдержке. При этом получается более твердая структура сорбита или троостита, детали обрабатываются резанием хуже, но есть выигрыш во времени и меньше внутренние напряжения, так как перлитное превращение на поверхности и в сердцевине идет более или менее равномерно, и нет резких концентратов напряжений.

Изотермическому отжигу подвергают прокат, штамповки, заготовки инструмента и другие изделия небольшого размера. Нагрев чаще всего проводится в защитных средах, чтобы избежать окисления и выгорания углерода с поверхности деталей. Если, например, длительность обычного отжига мелкосортного проката быстрорежущей стали составляет около 30 часов, то изотермический отжиг продолжается 8…10 часов.

При отжиге очень крупных изделий или заготовок не удается их быстро и равномерно по объему охладить до температуры изотермической выдержки. В этом случае превращение в отдельных местах деталей протекает при разных температурах, что приводит к неравномерной структуре и твердости.

Рекристаллизационный отжиг – это нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение. Цель отжига – устранение наклепа и повышение пластичности. Этот вид отжига применяют перед холодной обработкой давлением и как промежуточную операцию для снятия наклепа между операциями холодного деформирования. В некоторых случаях рекристаллизационный отжиг используют и в качестве окончательной термообработки.

Температура рекристаллизационного отжига стали зависит от ее состава. С увеличением содержания углерода и легирующих элементов в стали температура рекристаллизационного отжига повышается. Чаще всего температура такого отжига находится в интервале 650…750 ⁰С (рис. 6.1).

Неполный отжиг – это нагрев доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей выше A_с1 на 30…50 ⁰С, выдержка и последующее медленное охлаждение с печенью. Структура после такого отжига такая же, как на диаграмме железо-цементит.

Доэвтектоидные стали. Неполный отжиг применяют для смягчения стали перед обработкой резанием, снятия внутренних напряжений и частичного измельчения зерна (зерно измельчается только за счет перлита, а феррит при этом не принимает участие). Этот отжиг проводят тогда, когда горячая обработка давлением проведена правильно и не привела к резкому укрупнению зерна. Неполный отжиг по сравнению с полным отжигом дешевле, и сталь меньше окисляется.

Заэвтектоидные стали. Неполный отжиг применяют вместо полного отжига для измельчения зерна, так как вторичного цементита очень мало, а в структуре находится в основном перлит. Кроме того, неполный отжиг применяют для получения зернистого перлита, и тогда этот отжиг называют циклическим или отжигом сфероидизацией, так как пластичный цементит в перлите приобретает зернистую форму.

Процесс сфероидизации заключается в следующем. При нагреве от 680…760 ⁰С и выдержке перлит превращается в аустенит в ходе эвтектоидной реакции. При этом феррит очень быстро переходит в аустенит (полиморфное превращение), а цементит затем медленно растворяется в образовавшемся аустените, причем растворение идет преимущественно по углам и ребрам пластинки, где атомам легче всего оторваться.

При охлаждении от 760 ⁰С до 680⁰С и выдержке идет обратный процесс, то есть вновь выпадает цементит, но уже преимущественно по граням пластинки (округление пластинки цементита в перлите). И так повторяют несколько раз. В результате получаем зернистый перлит, то есть на фоне феррита расположены не пластинки, а зерна цементита (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Микроструктура заэвтектоидной стали после сфероидизации: на светлом фоне (феррит) – зёрна цементита (Fe₃C)

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость и прочность по сравнению с пластичным перлитом, но зато более высокую ударную вязкость. Кроме того, сталь с зернистым перлитом менее склонна к перегреву (к росту зерна при нагреве), короблению и трещинообразованию при последующей закалке. Для устранения хрупкости сетки вторичного цементита перед неполным отжигом производят нормализацию.

Отжигу на зернистый перлит подвергаются также низко- и среднеуглеродистые стали для повышения пластичности перед холодной штамповкой или волочением.

Нормализация

Нормализация – это нагрев доэвтектоидных сталей выше А_с3 , а заэвтектоидных выше А_cm на 50…60 ⁰С (рис. 6.1), выдержка и последующее охлаждение на спокойном воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, горячей прокатке, ковке и штамповке. После нормализации структура сильно зависит от толщины стенки изделия. Для изделий средних размеров получаем следующие структуры.

Доэвтектоидные стали – сорбит пластинчатый и избыточный феррит. Причем с увеличением углерода в стали количество избыточного феррита становиться все меньше, а в сталях 0,6% углерода и выше его совсем не будет, то есть получим квазиэвтектоид, и твердость при этом на 10…15% повышается.

Эвтектоидная сталь – сорбит пластинчатый.

Заэвтектоидные стали – сорбит пластинчатый и вторичный цементит. Но этот цементит хрупкую сетку по границам зерен не дает, так как охлаждение по сравнению с отжигом ускоренно, то есть не в печи, а на воздухе.

Нормализация по сравнению с отжигом обеспечивает более высокую твердость и прочность, а, вследствие измельчения зерна, сохраняет достаточную пластичность и вязкость. Поэтому нормализация очень широко применяется в машиностроении как окончательный вид термообработки.

Применение. Для низкоуглеродистых сталей (до 0,3% С) – (у них в структуре много мягкого феррита, а перлита или сорбита очень мало) нормализация применяется вместо полного отжига. Это дешевле и проще, так как охлаждение проходит на воздухе. При этом твердость будет немного выше, но поверхность при обработке резанием будет чище. Для высокоуглеродистых сталей применять нормализацию вместо полного отжига нельзя, так как будет слишком много сорбита и обработка резанием будет затруднена;

Для среднеуглеродистых сталей (0,3…0,5% С) нормализацию применяют вместо улучшения, когда получают структуру сорбит отпуска зернистый с повышенной ударной вязкостью. Улучшение – это дорогой вид обработки, и применяется для ответственных деталей автомобиля, работающих с высокими ударными нагрузками (шатун, коленчатый вал и др.). Если же деталь работает с невысокими ударными нагрузками, то дешевле применять нормализацию (охлаждение на воздухе), но при этом получают сорбит пластинчатый, у которого вязкость ниже.

Для заэвтектоидных сталей нормализация применяется для разрушения хрупкой сетки вторичного цементита перед закалкой и неполным отжигом.

Закалка

Закалка – самый распространенный и в то же время наиболее сложный вид термообработки. Доэвтектоидные стали нагревают выше линии А_с3, заэвтектоидные – выше А_с1 на 30…50 ⁰С (рис. 6.1), выдерживают и затем быстро охлаждают со скоростью выше , например для углеродистой стали – в воде, а для легированной – в масле.

Углеродистые стали. Вода в качестве охлаждающей среды обеспечивает охлаждения детали со скоростью выше критической скорости закалки , и при этом получаем структуру, состоящую из мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита (рис. 6.3). При охлаждении же изделий в масле часть аустенита переходит в троостит, а нераспавшийся аустенит при дальнейшем охлаждении переходит в мартенсит. В результате получим структуру мартенсита и нежелательного более мягкого троостита. Это неполная закалка, так как охлаждение было со скоростью ниже .

Легированные стали. Все легирующие элементы, кроме кобальта, уменьшают диффузию. При этом уменьшается и скорость охлаждения в масле будет выше , т.е. имеет место полная закалка.

Цель закалки – повысить твердость, то есть получить структуру мартенсит, чтобы повысить износостойкость детали.

Выбор температуры под закалку. Температура нагрева под закалку зависит от химического состава стали и в первую очередь от содержания углерода. Доэвтектоидные стали надо нагревать до температур выше A_с3 на 30…50 ⁰С, при этом сталь приобретает структуру аустенита, который при последующем охлаждении со скоростью выше превращается в мартенсит.

Рис. 6.3. Микроструктура мартенсита (светлый фон – остаточный аустенит)

В доэвтектоидных сталях, нагретых под закалку до температур выше А_с1, но ниже А_с3, после закалки наряду с мартенситом сохраняется избыточный феррит. Присутствие этого феррита снижает твердость стали после закалки, что нежелательно. Поэтому такая неполная закалка для доэвтектоидных сталей, как правило, не применяется.

Нагрев доэвтектоидных сталей до температур значительно выше А_с3 приводит к росту зерна аустенита. Поэтому после закалки мы получим крупноигольчатый мартенсит с низкой ударной вязкостью, что нежелательно.

Заэвтектоидные стали нагревают под закалку до температур выше A_с1 на 30…50 ⁰С, где находится аустенит и вторичный цементит. После закалки из аустенита мы получаем мартенсит, а цементит вторичный в виде хрупкой сетки по границам зерен сохраняется, что нежелательно, так как зерна по этой сетке в процессе эксплуатации изделий (это в основном режущий инструмент) выкрашиваются. Для устранения хрупкой сетки вторичного цементита перед закалкой проводят нормализацию.

Нагрев заэвтектоидных сталей под закалку до температур выше А_cm не применяю так как:

1) из крупного зерна аустенита получается крупноигольчатый мартенсит с очень низкой ударной вязкостью;

2) после закалки от этих температур получается много аустенита остаточного, что резко снижает твердость. Это связано с тем, что аустенит, переходящий в мартенсит, при закалке от температуры выше A_с1 или выше A_cm, содержит разное количество углерода. При закалке от температур выше A_с1 на 30…50 ⁰С, исходя из правила коноды, в аустените содержится около 0,8% углерода и соответственно остаточного аустенита будет мало. При закалке же, например, стали У12 (1,2% С) от температур выше A_cm аустенит будет содержать 1,2% углерода, а не ~ 0,8%, и поэтому аустенита остаточного будет больше – до 40%;

3) цементит вторичный тверже мартенсита (у мартенсита 65 HRC, а у цементита 70 HRC), поэтому нет смысла от него избавляться, особенно если его перед закалкой проведена нормализация для разрушения его хрупкой сетки.

Скорость нагрева под закалку определяется конфигурацией изделий и химическим составом стали.

Для высокоуглеродистых сталей, крупных изделий, изделий со сложной конфигурацией и высоколегированных сталей скорость нагрева должна быть небольшой, в противном случае возникают большие внутренние напряжения, приводящие к короблению и даже трещинообразованию. В этом случае изделия нагревают медленно, вместе с печью.

Для мелких изделий, особенно с простой конфигурацией, применяют ускоренный нагрев, то есть детали загружают в предварительно нагретую печь. Иногда используют нагрев в расплавленных солях.

При нагреве, особенно при температуре выше 550 ⁰С, сталь интенсивно окисляется и выгорает углерод с поверхности, что нежелательно. Поэтому нагрев ведут в защитных средах: расплавленных солях, газовых защитных смесях, в расплавленном свинце (в жидком состоянии низкая адгезия со сталью) или в вакууме.

Виды закалочных сред:

для углеродистых и малолегированных сталей – вода и водные растворы NaOH или NaCl

для средне- и высоколегированных сталей те же закалочные среды, а так же масло, воздух и расплавленные соли.

Способы закалки. В промышленности наиболее широко используется следующие способы закалки (рис.103): непрерывная, прерывистая, ступенчатая и изотермическая.

Непрерывная закалка – это закалка в одном охладителе. Преимущество: простота проведения закалки. Недостаток: в области температур мартенситного превращения скорость охлаждения большая и возникают большие внутренние напряжения при переходе аустенита в мартенсит. Применение: для небольших изделий простой фирмы (болты, гайки, муфты и т.п.), где не учитываются внутренние напряжения.

Прерывистая закалка – это закалка в двух средах. До 300…350 ⁰С ведут охлаждение в воде, а затем детали быстро перебрасывают в менее интенсивный охладитель, например в масло или на воздух. Преимущество: в области температур мартенситного превращения скорость охлаждения замедленна, и уменьшаются внутренние напряжения при переходе аустенита в мартенсит. Недостаток – нужна высокая квалификация термиста. Обычно используют метод пробных закалок на максимальную твердость с тем, чтобы определить время, когда надо перебрасывать детали из воды в масло. Применение: для изделий сложной конфигурации.

Ступенчатая закалка. Охлаждение до 250…300 ⁰С и выдержка в ванне из расплавленных солей или щелочей. Иногда охлаждения и выдержку проводят в горячем масле с температурой 150…180 ⁰С (для крупных деталей, чтобы увеличить охлаждающую способность закалочной среды и прокалить деталь насквозь).

Выдержку в ванне проводят с целью выровнять температуру на поверхности детали и в сердцевине, то есть снять внутренние термические напряжения, чтобы затем при замедленном охлаждении на воздухе мартенситное превращение пошло более или менее равномерно на поверхности и в сердцевине детали, и тем самым уменьшить напряжения, связанные с переходом аустенита в мартенсит.

Ступенчатая закалка применяется в основном для легированных сталей и для углеродистых сталей, но только для изделий небольшого размера (диаметром до 10…12 мм).

Изотермическая закалка. Проводится точно так же, как и ступенчатая закалка, но только выдержка в ванне дается большей. После такой закалки получают хороший комплекс механических свойств, то есть высокую твердость и прочность при хорошей пластичности и вязкости. Изотермическая закалка применяется только для легированных сталей.

Закалка не является окончательной термической обработкой. Чтобы уменьшить хрупкость и внутренние напряжение, вызванные закалкой за счет увеличения объема, а так же получить требуемые механические свойства, сталь после закалки подвергают отпуску.

Отпуск

Отпускстали всегда следует после закалки. После отпуска сталь приобретает требуемые физико-механические свойства. Кроме того, чем выше температура отпуска, тем полнее снимаются внутренние напряжения. Последующее охлаждение должно быть медленным, чтобы эти внутренние напряжения вновь не возникали.

Различают следующие виды отпуска (рис. 6.1):

Низкий отпуск 150…200 ⁰С. Получаем структуру мартенсит отпуска. Цель низкого отпуска: снять внутренние напряжения без снижения твердости. Такому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент, а также детали после цементации и поверхностной закалки токами высокой частоты (ТВЧ).

Средний отпуск 350…500 ⁰С. После такого отпуска получаем структуру троостит отпуска. Цель среднего отпуска – повысить предел упругости. Такому отпуску подвергаются рессоры и пружины. После среднего отпуска получаем твердость 40…50HRC.

Высокий отпуск 550…650 ⁰С. После высокого отпуска получаем структуру сорбит отпуска, который имеет зернистое строение и характеризуется повышенной ударной вязкостью.

Закалка с последующим высоким отпуском называется улучшением, так как улучшается ударная вязкость.