Виды термической обработки сталей

Основными видами термической обработки, изменяющими структуру и свойства стали, являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск и обработка холодом.

Отжиг и нормализацию относят к предварительной термической обработке, а закалку, отпуск и обработку закаленной стали холодом – к окончательной термической обработке.

Большинство структурных изменений, имеющих место при термической обработке сталей и сплавов, непосредственно связанно с процессами, описываемыми диаграммой железо-цементит. Поэтому выбор технологических режимов термической обработки в большинстве случаев обусловлен положением линий на диаграмме.

Любой процесс термической обработки металла состоит из нагрева до заданной температуры, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения (рисунок 6).

Длительность нагрева и выдержки изделия (детали) при заданной температуре зависит от вида нагревательной среды, формы изделия, его теплопроводности, а также от времени, необходимого для завершения фазовых превращений.

Время выдержки (мин) в нагревательных печах можно ориентировочно определить по формуле:

,

где - диаметр (толщина) изделия, мм

Скорость охлаждения выбирают в зависимости от вида термической обработки, назначения изделий, подвергающихся термообработке, и химического состава стали. Скорость охлаждения изменяют подбором сред с разной охлаждающей способностью.

Рисунок 6 – График термической обработки:

- температура нагрева;

- продолжительность нагрева, выдержки и охлаждения;

- истинная скорость охлаждения, определяемая тангенсом

угла наклона a касательной к кривой охлаждения.

Отжиг – вид термической обработки, состоящий из нагрева стали до определенной температуры в зависимости от вида отжига, выдержки и последующего, как правило, медленного охлаждения вместе с печью (или в золе костра) для получения более равновесной структуры.

Отжиг проводят для улучшения обрабатываемости резанием и давлением, снижения твердости, увеличения пластичности и вязкости, снятия внутренних напряжений. На практике применяют следующие виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный и отжиг для снятия остаточных напряжений.

Полный (смягчающий) отжиг заключается в нагреве до температур на 30-50° С выше критических точек (линия GS) диаграммы , выдержке с последующим медленным охлаждением (в печи) со скоростью 20-50° С в час. Этому виду отжига подвергают доэвтектоидную (конструкционную) сталь для создания мелкозернистой структуры, что способствует повышению вязкости, снижению твердости и повышению пластичности, а также снятию внутренних напряжений (например, в зоне сварного шва). При нагреве крупная исходная феррито-перлитная структура доэвтектоидных сталей превращается в мелкозернистую структуру аустенита. При последующем медленном охлаждении из мелкозернистого аустенита. При последующем медленном охлаждении из мелкозернистого аустенита образуется мелкая феррито-перлитная структура.

Неполному отжигу подвергают эвтектоидную и заэвтектоидную (инструментальные) стали для превращения пластинчатого перлита в зернистый. Заэвтектоидную сталь нагревают до температуры немного выше критической точки , но ниже (около 780°). При нагреве происходит превращение перлита в аустенит, а кристаллы вторичного цементита частично сохраняются, при этом образуется структура, состоящая из вторичного цементита и аустенита. При последующем медленном охлаждении из аустенита образуется зернистая феррито-цементитная структура, что приводит к повышению вязкости, пластичности и снижению твердости стали.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг проводят для выравнивания химического состава фасонных отливок и слитков из легированных сталей, у которых неоднородность сильно выражена. Выравнивание химического состава происходит за счет диффузионных процессов, поэтому температура отжига должна быть высокой (1100-1200°С). Отжиг (выдержка) заготовок длится от 8 до 15 часов, после этого их охлаждают вместе с печью до 800-850°С в течение 6-8 часов и переносят для окончательного охлаждения на воздух.

Отжигу для снятия остаточных напряжений подвергают, в основном, сварные соединения и отливки, нагревая до температур, при которых фазовые превращения еще не происходят, т.е. меньше 727°С. В результате отжига при 600°С в течение 20ч напряжения почти полностью снимаются независимо от их начальной величины. Для сокращения продолжительности отжига температура нагрева может быть увеличена до 680-700°С.

Отжиг является длительной операцией и может продолжаться до 10-20 ч., поэтому часто вместо отжига для углеродистой стали применяют нормализацию. Нормализацией называют процесс термической обработки, проводимый для улучшения обрабатываемости стали резанием, исправления структуры сварных швов и структуры перегретой (после горячей обработки давлением) и литой стали, а также для подготовки стали к последующей операции термической обработки – закалке. Сталь нагревают до температуры на 30-50° выше критических точек или с последующим охлаждением на воздухе. Для среднеуглеродистых сталей и некоторых марок специальных сталей нормализация заменяет закалку, так как нормализованные детали приобретают достаточную прочность, необходимую для эксплуатации. Нормализованная сталь имеет структуру сорбита. Температуры нагрева углеродистой стали для различных видов отжига и нормализации приведены на рисунке 7.

Рисунок 7 – Участок диаграммы состояния с нанесенными

температурами для различных видов термической обработки углеродистой стали.

Закалка стали самый распространенный вид термической обработки, включающий нагрев стали до оптимальной температуры, выдержку и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры. Закалке подвергают практически все детали машин и механизмов, режущий инструмент и штампы. В результате закалки повышаются прочность, твердость, износостойкость и предел упругости, однако при этом понижается пластичность стали. При закалке доэвтектоидные (в основном это конструкционные) стали нагревают до температуры на 30-50° выше критических точек (линия GS на диаграмме ). При этом исходная феррито-перлитная структура этих сталей превращается в аустенит, а при охлаждении со скоростью больше критической (150-200°С/с) образуется мартенсит – основная структурная составляющая закаленной стали. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в a - железе. Он содержит углерода столько, сколько его было в исходном аустените.

В большинстве случаев стремятся получить эту структуру, т.к. сталь, закаленная на мартенсит, обладает высокой твердостью (НRС 50-65 или НВ 600-700), повышенной прочностью и сопротивляемостью изнашиванию, но низкой вязкостью. Мартенсит имеет форму тонких игл-пластин, разделяющих аустенитное зерно на несколько частей. Чем мельче зерна исходного аустенита, тем мельче иглы мартенсита.

Если доэвтектоидные стали нагревать ниже , то в структуре сохраняется непревращенный феррит, который после закалки будет присутствовать в структуре наряду с мартенситом и снижать твердость закаленной стали. Такую закалку называют неполной и для доэвтектоидных сталей ее не применяют.

Для эвтектоидной и заэвтектоидной сталей всегда применяют неполную закалку, поскольку остающийся при таком нагреве вторичный цементит имеет высокую твердость и сообщает при закалке твердость и износостойкость закаленной стали. При закалке эти стали нагревают на 30-50°С выше критических точек (см. рис. 8, линия PSK), затем выдерживают в печи для полного прогрева и завершения структурных превращений. Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат этого вида термической обработки.

В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду, водные растворы солей, щелочей и масло, которые имеют различную охлаждающую способность. Вода по сравнению с машинным маслом охлаждает сталь примерно в 6 раз быстрее при 550-650°С и в 28 раз быстрее при 200°С . Поэтому воду применяют для охлаждения углеродистых сталей, которым свойственна большая критическая скорость закалки, а масло – для охлаждения легированных сталей, имеющих малую критическую скорость закалки.

Рисунок 8 – «Стальной» участок диаграммы

с нанесенным оптимальным интервалом закалочных

температур углеродистых сталей

Основной недостаток воды как охлаждающей среды высокая скорость охлаждения при пониженных температурах в области начала мартенситного превращения (200-300°С), которая приводит к возникновению высоких внутренних напряжений и создает опасность образования трещин в закаливаемых деталях. Добавление к воде солей и щелочей увеличивает ее закалочную способность. Для ответственных деталей из углеродистых сталей, особенно для инструментальных сталей, применяют закалку в двух средах: вначале в воде, а затем в масле. Преимущество масла как охладителя заключается в том, что оно обеспечивает невысокую скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения, поэтому опасность возникновения трещин резко снижается. Недостатки машинного масла как охладителя – легкая воспламеняемость, образование нагара на поверхности деталей.

В зависимости от марки стали, формы, размеров и технических требований, предъявляемых к готовым изделиям (деталям), применяют различные по способу охлаждения виды закалки. Чаще всего используют непрерывную закалку в одном охладителе (вода или масло), прерывистую закалку в двух охладителях (в воде, а затем на воздухе или в масле), ступенчатую закалку (вначале – в соляном расплаве, а затем на воздухе) и изотермическую закалку. При изотермической закалке деталь быстро охлаждают в среде, нагретой на 50-70°С выше, чем температура начала мартенситного превращения, и продолжительно выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита. Дальнейшее охлаждение ведут на воздухе. В результате такой закалки получается не мартенсит, а близкий к нему по твердости, но более вязкий и прочный игольчатый тростит.

Технологическими характеристиками процесса закалки являются закаливаемость и прокаливаемость. Под закаливаемостью понимают способность стали получать высокую твердость при закалке, что обеспечивается получением структуры мартенсита. Закаливаемость оценивается числом твердости и зависит, главным образом, от содержания углерода в стали. Однако, твердость всех закаленных заэвтектоидных сталей остается постоянной (НRC 63-65).

Под прокаливаемостью стали понимается глубина проникновения закаленной зоны с поверхности к сердцевине изделия. Прокаливаемость измеряется в единицах длины (мм) и зависит от критической скорости закалки. Чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость стали.

В результате закалки в металле возникают термические и структурные напряжения, неравновесные неустойчивые структуры, повышаются твердость, прочность, но снижаются пластичность и ударная вязкость. Поэтому после закалки необходимо подвергать закаленные изделия отпуску.

Отпуск – вид термической обработки, состоящий из нагрева закаленной стали ниже критической точки (727°С) в интервале температур 150-650°С, выдержки и последующего охлаждения с любой скоростью, т.к. при отпуске фазовых превращений не происходит (температура нагрева всегда ниже 727°С). Цель отпуска – ослабить или полностью снять внутренние напряжения, возникшие при закалке; уменьшить твердость и хрупкость, а также повысить вязкость закаленной стали.

При отпуске закаленных сталей в результате нагрева происходит переход от более твердых, но менее устойчивых структур, к менее твердым, но более устойчивым структурам. В зависимости от температуры отпуск подразделяют на низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск заключается в нагреве закаленной стали до 150-250°С, непродолжительной выдержке (от 30 мин до 1,5 ч) и охлаждении, обычно в машинном масле или на воздухе. При этом в структуре стали остается мартенсит, но уже с измененной кристаллической решеткой, который называют мартенситом отпуска. После низкого отпуска твердость практически не изменяется, но уменьшаются остаточные закалочные напряжения и несколько повышается вязкость. Такой вид отпуска применяют для режущего и измерительного инструмента (например, сверл, метчиков, плашек, калибров, скоб, шаблонов).

Средний отпуск заключается в нагреве изделий до температуры 300-500°С. Структура отпущенной при этих температурах стали состоит, в основном, из тростита отпуска. Изделия (детали) приобретают упругость при сохранении высокой прочности. Такому виду отпуска подвергают пружины, рессоры, мембраны.

Высокий отпуск – нагрев стали до 450-650°С, выдержка, а затем охлаждение для получения структуры сорбита отпуска. Закалку вместе с последующим высоким отпуском называют улучшением стали. После такого отпуска изделия приобретают повышенную ударную вязкость, пластичность, но несколько пониженную твердость и прочность стали. Этому виду отпуска подвергают, в основном, все ответственные детали машин и механизмов (например, валы, оси, зубчатые колеса).

Значительного повышения прочности стали можно добиться, совмещая закалку и отпуск с пластической деформацией. При этом пластичность снижается в меньшей мере, чем если бы была произведена только закалка. Такой метод упрочнения стали при сохранении пластичности называют термомеханической обработкой (ТМО). Пластическое деформирование при ТМО осуществляют прокаткой, ковкой, штамповкой. Различают два вида термомеханической обработки – высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО). При ВТМО сталь нагревают выше точки (до 1000-1100°С), пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 20-30%), слегка охлаждают и производят закалку. При НТМО сталь нагревают выше точки , охлаждают до температур ниже температуры рекристаллизации стали (450-550°С), пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 75-95%). Закалку производят непосредственно с температуры деформирования.

В обоих случаях после закалки следует низкий отпуск. ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО – только легированные стали. По сравнению с обычной закалкой ТМО повышает механические свойства. Наибольшее упрочнение (но меньшая пластичность) достигается после НТМО ( , в то время как после обычной закалки и низкого отпуска .

От неправильного выбора режима термической обработки и ее проведения при таком режиме могут возникнуть различные дефекты (закалочные трещины, коробление, пережог и др.)