Принципы термической обработки

В зависимости от режима термообработки пружинные стали общего назначения делят на: 1) стали, подвергаемые холодной пластической деформации и низкотемпературному отжигу; 2) стали, подвергаемые закалке и среднему отпуску.

Деформационноупрочняемые стали. Деформационному упрочнению подвергают стали со структурой тонкопластинчатого перлита или сорбита (после патентирования), нижнего бейнита или мартенсита отпуска (после закалки и скоростного отпуска).

Патентированию подвергают низколегированные и углеродистые стали, прочность которых, особенно после деформации, тем больше, чем выше содержание углерода. Именно на стали с высоким содержанием углерода (1,2 %) при волочении с высокой степенью обжатия удалось получить временное сопротивление около 5000МПа. Предварительная термообработка в таких сталях – нормализация. Для сталей заэвтектоидных и перлитного класса нормализация проводится с нагревом до температуры 950–1000˚С так, чтобы растворить вторичный цементит, и охлаждением на воздухе. В результате нормализации получают структуру пластинчатого сорбита.

При патентировании углеродистые стали нагревают до температуры аустенизации, равной 900–50С–10D, где С–содержание углерода, %; D–диаметр проволоки, мм. Помимо этого применяют высоко- и сверхвысокотемпературное патентирование при 975–1050 и 1100–1180˚С соответственно. Температура изотермической выдержки в селитровой ванне 420–535˚С. Она тем ниже, чем выше содержание углерода и больше диаметр патентированной катанки. Вместо патентирования в селитровых ваннах можно применять патентирование с использованием кипящего слоя, что устраняет неизотермичность превращений, особенно для катанки повышенных сечений, и позволяет подвергать подобной обработке и легированные стали.

Пластическая деформация после патентирования обеспечивает очень высокое упрочнение. Свойства патентированной стали зависят от величины частных обжатий, которые обычно составляют 10–12 %; упрочнение тем больше, чем выше суммарная степень обжатия, которая может достигать 80–90 %. Упрочнение при пластической деформации является результатом роста плотности дислокаций, генерируемых от межфазных поверхностей феррит–цементит и образующих ячеистую структуру феррита, стабилизируемую пластинками цементита.

Помимо этих изменений структуры, под действием пластической деформации происходит частичный распад цементита, поскольку энергия связи атомов углерода с дислокациями больше, чем их связи с атомами железа в решетке цементита. Этот эффект сказывается на росте упрочнения и в то же время уменьшает пластичность. Снижение энергии связи атомов углерода с дислокациями или увеличение энергии связи в решетке карбидов, естественно, улучшает пластичность стали.

Разработан эффективный процесс скоростного электропатентирования (СЭП): скоростной нагрев, быстрое охлаждение до температуры на 100–150°С выше мартенситной точки, а затем быстрый нагрев пропусканием электрического тока до температуры перлитного превращения. При этом сокращается продолжительность обработки и улучшаются свойства стали.

Еще более высокое упрочнение по сравнению с патентированием при равной степени последующей холодной пластической деформации достигается в результате изотермической закалки с образованием структуры нижнего бейнита, в которой присутствуют еще более дисперсные пластинчатые карбиды, чем после обычного патентирования. Рост упрочнения в результате холодной пластической деформации стали со структурой бейнита объясняется главным образом ростом дисперсности пластинчатых частиц карбидной фазы, хотя и состояние a – твердого раствора тоже играет здесь определенную роль. Высокая дисперсность карбидов пластинчатой или игольчатой морфологии может быть получена в стали после закалки и скоростного отпуска до температур, отвечающих третьей стадии превращения.

C ростом содержания углерода в стали после закалки и скоростного отпуска выше и абсолютный уровень деформационного упрочнения. Высокое упрочнение можно также получить и в стали с относительно пониженным уровнем углерода (~ 0,27%), содержащей сильные карбидообразующие элементы (V, Cr, Mo), но после термообработки с превращением переохлажденного аустенита в субкритической области температур в ферритокарбидную структуру, в которой частицы карбидов имеют нитевидную морфологию. После холодной пластической деформации эти частицы карбидов приобретают определенную ориентированность, и достигается очень высокое упрочнение, не уступающее упрочнению высокоуглеродистой стали после патентирования и деформации. Имеющиеся дисперсные частицы карбидов из–за их малой склонности к коагуляции и торможению процессов возврата и рекристаллизации легированного феррита обеспечивают стали и повышенную теплостойкость.

Можно достигнуть высокого упрочнения и в результате деформации стали с мартенситной структурой. В результате пластической деформации закаленной стали с небольшим обжатием происходит распад мартенсита, сопровождающийся ростом объемной доли кубического мартенсита и снижением доли тетрагонального мартенсита при уменьшении степени его тетрагональности вследствие перераспределений дислокаций, влияющих на миграцию атомов углерода, при их высокой плотности, и образование карбидов. Возникающее при этом структурное состояние стали определяет рост сопротивления большим и умеренным пластическим деформациям. Однако при этом предел упругости снижается. Это снижение является результатом _²разблокировки^² закрепленных дислокаций и превращением остающегося остаточного аустенита. При относительно больших степенях обжатия возрастает сопротивление малым и повышенным пластическим деформациям. Т.е. и после небольших и после повышенных обжатий рост всего комплекса свойств прочности оказывается наибольшим в случае дальнейшего низкого отпуска. Происходящее при этом деформационное старение мартенсита улучшает весь комплекс свойств стали, включая и сопротивление разрушению.

Пружинные стали, упрочняемые мартенситным превращением. К сталям этой группы относятся углеродистые, низко- , средне- и высоколегированные, в том числе и мартенситостареющие стали. Их объединяет общий механизм упрочнения, основанный на мартенситном превращении, происходящем при закалке.