Термічна обробка вуглецевих сталей

Термічна обробка — це сукупність операцій нагрівання, витримки та охолодження виробів із метою зміни структури та властивостей сталі в потрібному напрямі. Термічна обробка сталі ґрунтується на поліморфному перетворенні заліза.

Відпалювання — це нагрівання та повільне охолодження металу для переведення із нестійкого в стійкий стан. Мета відпалювання — поліпшити структуру і властивості сталі, зняти наклеп та внутрішні напруження, підготувати структуру до подальшої термічної обробки, що забезпечується внаслідок розпаду аустеніту. Відпалювання буває першого та другого роду.

Відпалювання першого роду не пов'язане з поліморфним перетворенням і виконується для зняття внутрішніх напружень і наклепу у виробах, зменшення хімічної неоднорідності сталі в перерізі зерна. Його виконують за температури, яка нижча або вища від фазових перетворень (критичних точок). Розрізняють відпалювання для зняття кінцевих напружень, рекристалізаційне та дифузійне (гомогенізація). Температурний режим відпалювання визначають за діаграмою «залізо-вуглець» (рис. 6.1).

Відпалювання другого роду засноване на поліморфному перетворенні заліза і складається з нагрівання до температури, вищої за критичні точки Ас₃ або Ас₁, з наступним повільним охолодженням (разом з піччю) та призначений для одержання рівноважного структурного стану сталі. Залежно від температури нагрівання відпалювання буває повним і неповним. За повного відпалювання доевтектоїдну сталь нагрівають на 30–50°С вище критичної точки Ас₃ до повного перетворення феритно-перлітної структури в аустеніт. У процесі наступного повільного охолодження аустеніт перетворюється на феритоцементитну суміш (перліт) і надлишкові фази — ферит у доевтектоїдній і вторинний цементит у заевтектоїдній сталях.

Неповне відпалювання заевтектоїдних сталей виконується за температури, на 10–30 °С вищої від критичної точки Ас₁, з перекристалізацією перліту в аустеніт, а за наступного повільного охолодження утворюється замість пластинчастого зернистий перліт. Таке відпалювання називається сфероїдизацією і використовується для поліпшення структури сталі звичайно перед гартуванням інструменту. Процес нормалізації полягає у нагріванні доевтектоїдної сталі до температури, що перевищує Ас₃, а заевтектоїдної Ас_т на 30...50°С, нетривалому витримуванні для нагрівання виробу по всьому перерізу та наступному охолодженні на повітрі. Завдяки цьому усувається грубозерниста структура, що утворилась при обробці тиском, цементації та ливарному виробництві. Для низьковуглецевих сталей нормалізацію виконують замість відпалювання тому, що вона менш трудомістка й поліпшує обробку різанням за рахунок підвищення твердості сталі. Для відливків із середньовуглецевої сталі нормалізація заміняє гартування з високим відпуском. При цьому зменшуються механічні властивості та не виникають жолоблення виробів і тріщини після загартування. Цементовані вироби піддають нормалізації перед загартуванням для подрібнення зерен.

Рисунок 6.1 - Температурний режим відпалювання сталі

Загартування полягає в нагріванні сталі вище фазових перетворень, витримуванні за цих температур та наступному швидкому охолодженні. В основі загартування сталі лежать поліморфні перетворення заліза, пов'язані з різкою зміною розчинності в ньому вуглецю. Так, переходячи через критичну точку Ас₁ (727°С), розчинність вуглецю збільшується у 40 разів (із 0,02 до 0,8%) при нагріванні й у стільки ж разів зменшується при охолодженні. Тому одержані сталі за швидкого охолодження мають метастабільну структуру і є перенасиченими вуглецем.

Температура нагрівання під загартування (рис. 6.2) залежить від кількості вуглецю в сталі й вибирається на 30–50 °С вище за критичну точку Ас₃ для доевтектоїдних сталей (повне загартування) і на 30–50 °С вищою за критичну точку Ас₁ для заевтектоїдних сталей (неповне загартування). Мета загартування - максимальне підвищення твердості виробу. Неповне загартування доевтектоїдної сталі звичайно не використовується, тому що при нагріванні під загартування до температури, нижчої від точки Ас₃, в сталі за вихідною перлітоферитною структурою перетворюються на аустеніт лише зерна перліту, а ферит залишається без зміни. За наступного загартування утворюється мартенситно-феритна структура, внаслідок чого твердість значно знижується. За неповного загартування в заевтектоїдній сталі поряд із загартованими структурами буде присутній вторинний цементит, який не тільки не знижує твердість загартованої сталі, а навіть підвищує її. Тому немає сенсу нагрівати заевтектоїдну сталь перед загартуванням до температури, вищої від критичної точки Ас_т.

Рисунок 6.2 - Температура нагрівання сталі під загартування

Структури сталі після загартування — мартенсит, троостит, сорбіт — це різні стадії перетворення аустеніту. Вони залежать від швидкості охолодження та температури його розпаду. Чим більша швидкість охолодження й нижча температура розпаду аустеніту, тим дрібніша утворюється феритоцементитна структура (рис. 6.3). За малої швидкості охолодження утворюється перліт, за підвищеної — сорбіт, а потім троостит. Зі збільшенням дисперсності структури підвищується і твердість сталі.

За великої швидкості охолодження (крива V₄) частина аустеніту переохолоджується до точки М_Н початку мартенситного перетворення й утворюється мартенсит. У структурі в цьому випадку присутні тростит і мартенсит. За занадто великої швидкості охолодження (крива V₅) дифузійний розпад аустеніту є неможливим, і він перетворюється на мартенсит. Проте перетворення аустеніту на мартенсит не йде до кінця, тому в загартованій сталі зі вмістом вуглецю більше ніж 0,4% поряд із мартенситом присутній залишковий аустеніт. Мінімальна швидкість охолодження (крива V_к), за якої весь аустеніт переохолоджується до точки М_Н, називають критичною швидкістю загартування. Для різних сталей вона залежить від стійкості переохолодженого аустеніту. Вуглецеві сталі мають низьку стійкість аустеніту і відповідно високу критичну швидкість загартування (800...200°С/с). Значно знижують критичну швидкість загартування легуючі елементи: хром, марганець, нікель, бор, а підвищує кобальт.

Відпускання — кінцева стадія термічної обробки — являє собою процес нагрівання загартованої сталі до температури, нижчої від критичної точки Ас₁, для зняття внутрішніх напружень та усунення крихкості.

Рисунок 6.3 - Діаграма ізотермічного розпаду аустеніту в сталі У8