Продукти розпаду аустеніту

Під час повільного охолодження сталі по лінії PSK відбувається розпад аустеніту з утворенням фериту та цементиту в результаті дифузії вуглецю та заліза.

Утворення перліту завершується при температурі 650⁰. Пластинки перліту мають розмір 0,6…1,0 мкм. Твердість перліту 180…250 НВ.

При розпаді аустеніту в інтервалі температур 650…600⁰ утворюється більш дрібнозерниста феритно-цементитна суміш з розміром зерен 0,25…0,3 мкм. Такий дисперсний перліт називають сорбітом. Сорбіт має твердість 250…350 НВ.

При подальшому збільшенні швидкості охолодження в інтервалі температур 600…550⁰ утворюється феритно-цементитна суміш з розміром зерен 0,1…0,15 мкм. Таку структуру називають троостит. Твердість 350…450 НВ.

Перліт, сорбіт та троостит є двофазовими пластинчастими (іноді зернистими) структурами з різним ступенем дисперсності. Зі збільшенням дисперсності збільшується твердість сталі.

Зі зниженням температури розпад аустеніту сповільнюється, а при температурах нижче 500⁰ припиняється зовсім.

При різкому переохолодженні сталі відбувається тільки поліморфне перетворення γ – заліза в α – залізо без виділення вуглецю з твердого розчину. Такий пересичений твердий розчин вуглецю в α – залізі називають мартенситом. Це основна структура загартованої сталі голчастої форми розміром 0,1…0,001 мкм з твердістю до 60…65 НRС.

Температура початку та кінця мартенситного перетворення залежить від концентрації вуглецю і легувальних елементів у сталі. Що більша концентрація вуглецю, то нижчий інтервал мартенситного перетворення. В сталях з вмістом вуглецю понад 0,5 % мартенситне перетворення зсувається в зону мінусових температур. Всі легувальні елементи, крім кобальту і алюмінію знижують інтервал температур мартенситного перетворення.

Атоми вуглецю сильно деформують решітку α – заліза, збільшуючи міжатомні відстані. Це веде до збільшення об’єму та виникнення внутрішніх напружень.

Так як зі зниженням температури розпад аустеніту сповільнюється, то при швидкому охолодженні сталі в структурі залишається певна кількість не перетвореного аустеніту, який називають залишковим аустенітом. Залишковий аустеніт, кількість якого зростає зі збільшенням вмісту вуглецю у сталі, спричиняє неоднорідність властивостей загартованої сталі.

Термічна обробка сталей

Відпал сталей

Відпалом називається процес термічної обробки – нагрівання сплаву до певної температури, витримка і наступне, як правило, повільне охолодження (в печі) з метою одержання більш рівноважної структури.

Відпал першого роду. Це відпал, при якому, як правило, не відбувається фазових перетворень (перекристалізації), а якщо вони мають місце, то не впливають на кінцеві результати, передбачені його цільовим призначенням.

Розрізняють такі різновиди відпалу першого роду: дифузійний і рекристалізаційний.

Дифузійний відпал. Це відпал зливків з вуглецевих та легованих сталей при температурі 1100-1300 ^оС з витримкою 20…50 годин, а зливків алюмінієвих сплавів – при 420…520 ^оС з витримкою 20…30 годин з метою вирівнювання хімічного складу.

Рекристалізаційний відпал. Це відпал заготовок з наклепаної сталі при температурі, що перевищує температуру початку рекристалізації, з метою усунення наклепу і одержання певної величини зерна. Його проводять після холодного деформування (прокатування, волочіння та ін.). В процесі цього відпалу зменшується міцність і твердість та відновлюється пластичність деформованого металу. Для сталей з вмістом вуглецю 0,08…0,20% температура відпалу становить 680…700 ^оС, для високовуглецевих легованих сталей - 700 ^оС з тривалістю витримки 0,5…1,5 години.

Відпал другого роду. Це відпал, при якому фазові перетворення (перекристалізація) визначають його цільове призначення. Розрізняють такі різновиди відпалу другого роду: повний, неповний, ізотермічний, нормалізаційний (нормалізація).

Повний відпал. Цьому виду відпалу піддають доевтектоїдну сталь з метою досягнення дрібнозернистості, зниження твердості і підвищення пластичності, зняття внутрішніх напружень. Сталь нагрівають до температури на 20-30^о вище точки Ас₃. При нагріванні крупна початкова

Рис. 2.4. Температурні режими відпалів другого роду:

1 – повний відпал;

2, 3 – неповний відпал;

4 – нормалізація.

ферритно-перлітна структура перетворюється в дрібну структуру аустеніту. При цьому відпалі відбувається повна фазова перекристалізація сталі. Забезпечується висока в’язкість і пластичність, а також можливість досягнення високих властивостей після остаточної термічної обробки. Повному відпалу зазвичай піддають сортовий прокат, поковки та фасонні відливки.

Неповний відпал. Цьому відпалу піддають заевтектоїдну і евтектоїдну сталь з метою перетворення пластинчатого перліту в зернистий. Для одержання зернистого перліту заевтектоїдну сталь нагрівають до температури трохи вище точки Ас₁ (до 740-780 ^оС). При нагріванні відбувається перетворення перліту в аустеніт без розпаду цементиту. Після охолодження сталь має зернисту феритно-цементитну структуру.

Нормалізаційний відпал (нормалізація). Нормалізацією називають процес термічної обробки – нагрів до температури вище точки Ас₃ для евтектоїдної або Аc_сm на 30…50 ^оС для заевтектоїдної сталі з наступною витримкою та охолодженням на повітрі. Мета нормалізації – виправлення структури сталі, подрібнення зерна, пом’якшення сталі перед обробкою різанням, загальне покращення структури перед гартуванням, вилучення сітки вторинного цементиту в заевтектоїдній сталі. Нормалізація, в порівнянні з відпалом, більш економічна операція, тому що не вимагає охолодження разом з піччю, але твердість після нормалізації вища ніж після відпалу.

Гартування сталі

Гартуванням називають процес термічної обробки, що складається з нагріву сталі до певної температури, витримки і подальшого швидкого охолодження з метою отримання нерівноважної структури. Внаслідок гартування підвищується міцність і твердість та знижується пластичність сталі. Основні параметри при гартуванні – температура нагріву і швидкість охолодження.

Температура гартування. Для вуглецевих сталей температуру гартування можна визначити по лівій нижній частині діаграми стану залізо-цементит.

При гартуванні доевтектоїдні сталі нагрівають до температури на 30-50^о вище точки Ас₃. При гартуванні заевтектоїдні сталі нагрівають до температури на 30-50^о вище точки Ас₁. Сталі, леговані кремнієм, вольфрамом, молібденом і титаном, гартують при більш високих температурах, щоб розчинились в аустеніті важкорозчинні карбіди. Швидкорізальні сталі гартують при 1200…1300 ^оС, а штампові, наприклад 3Х2В8Ф, при 1050…1100 ^оС.

Час нагрівання вибирається в залежності від розмірів та конфігурації деталей. Час витримки при температурі гартування вибирають таким, щоб повністю завершились фазові перетворення. Практично час нагріву в електричних печах прийнято 1,5-2 хвилини на 1 мм перерізу.

Охолодження при гартуванні має вирішальний вплив на результат гартування. Найбільш розповсюджені середовища для гартування – вода, водяні розчини солей (KNO₂ + NaNO₃) і лугів (NaOH + KOH), масло, повітря, розплавлені солі.

Вода охолоджує значно швидше, ніж масло: в 6 разів швидше при 550-650 ^оС і в 28 разів швидше при 200 ^оС. Тому воду використовують для охолодження сталей з великою критичною швидкістю гартування (вуглецеві сталі), а в маслі охолоджують сталі з малою критичною швидкістю гартування (леговані сталі). Основний недолік води, як охолоджувача – висока швидкість охолодження при занижених температурах в області утворення мартенситу, що призводить до виникнення великих структурних напружень і створює небезпеку виникнення тріщин. Додавання до води солей та лугів підвищує її гартувальну здатність.

Масло охолоджує значно повільніше, ніж вода. Але перевага масла як охолоджувача полягає в тому, що воно володіє невеликою швидкістю охолодження в області температур мартенситного перетворення, тому при охолодженні в маслі небезпека утворення тріщин значно зменшується. Недолік масла – його вогненебезпечність, пригоряння до поверхні деталі.

Прогартовуваність сталі. Під прогартовуваністю розуміють здатність сталі гартуватися на певну глибину. Глибину загартованої зони можна визначити на зламі зразка. Загартована зона має блискучу дрібнозернисту поверхню. Легувальні елементи, крім кобальту, збільшують прогартовуваність сталі. Прогартовуваність не слід плутати з загартовуваністю, яка характеризується максимальним значенням твердості, яку набула сталь внаслідок гартування. Вона залежить від вмісту вуглецю. Якщо вміст вуглецю не перевищує 0,2%, то такі сталі практично не гартуються.

Гартування в одному охолоднику. Деталь нагрівають до температури гартування і охолоджують в одному охолоднику (вода, масло). Для зниження короблення довгих циліндричних та тонких плоских деталей використовують спеціальні гартувальні машини і преси. Недолік гартування у воді – виникнення значних внутрішніх напружень, які можуть викликати тріщини.

Гартування в двох охолодниках – спочатку швидко охолоджують у сильному охолоднику (вода, водяні розчини солей або лугів), а пройшовши температурний інтервал 650…400 ^оС, де стійкість аустеніту мінімальна, охолоджують у слабшому охолоднику, наприклад в маслі. При цьому складно визначити момент переносу заготовки з одного охолодника в інший.