Технологія термічної обробки сталі

    Під час охолодження з аустеніту  формується нова структура: рівноважна (феритно-перлітна, перлітна чи перлітно-цементит-на) або нерівноважна (сорбітна, трооститна чи мартенситна) [4,с. 76-88].

      2 ВИДИ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ СТАЛІ 

     2.1 ВІДПАЛ 

    Відпал  — термообробка, під час якої доевтектоїдну сталь нагрівають до температури АС_з + 30...50 °С (рис. 2.1.1, а), евтектоїдну й заевтектоїдну сталі — до температури АС₁ + 30...50 °С, витримують при цій температурі і повільно охолоджують (переважно разом з піччю). Надмірне підвищення температури нагрівання порівняно з зазначеним вище призводить до росту зерен аустеніту й погіршення механічних властивостей сталі.

    Вихідними фазами перед нагріванням здебільшого  є ферит і цементит. Під час  нагрівання й витримки вихідні структури  — феритно-перлітна доевтектоїдної сталі й перлітна евтектоїдної сталі  переходять в аустенітну, а перлітно-цементитна структура заевтектоїдної сталі — в аустенітно-цементитну. Мала швидкість охолодження (30...200 °С/год) уможливлює зворотні дифузійні фазові перетворення, коли аустеніт доевтектоїдної сталі знову переходить у ферит + перліт, а аустеніт евтектоїдної і заевтектоїдної сталі — в перліт. Отже, новоутворені рівноважні структури (або близькі до них) після закінчення відпалу відрізняються від аналогічних за фазовим складом вихідних структур дрібнішими зернами, оскільки останні утворились із дрібнозернистого аустеніту під час повільного охолодження.

    Відпал  застосовують, щоб усунути нерівноважні структури і залишкові напруження, які виникають під час таких технологічних процесів як лиття, холодна обробка тиском, зварювання. Після відпалу сталь має низьку твердість і міцність, але підвищену пластичність.

    Рисунок 2.1 Частина діаграми системи Fe-C:

    t — температура нагрівання сталі: 1 — під час відпалу та гартування; 2 — під час  високого, 3 —  під час середнього; 4 — під час низького відпуску; 5 — під час нормалізації

    Розрізняють повний і неповний відпал. Повним називають  відпал з повною перекристалізацією вихідних низькотемпературних фаз, а неповним - відпал з повною перекристалізацією одної фази й частковою перекристалізацією другої. Повний відпал застосовують переважно для доевтектоїдних, а неповний — для заевтектоїдних сталей. Під час неповного відпалу заевтектоїдну сталь, як уже зазначено, нагрівають на ЗО...50 °С вище від A q так, що в її структурі після нагрівання поруч з аустенітом зберігається вторинний цементит.

    Під час неповного відпалу із аустеніту  можна отримати зернистий (а не пластинчастий) перліт. Відпал на зернистий перліт називають сфероїдизацією. Центрами кристалізації в дещо переохолодженому (нижче від A q ) аустеніті є частинки цементиту, що не перейшли в твердий розчин, а також ділянки аустеніту з підвищеною концентрацією вуглецю. Якщо заевтектоїдна сталь була нагріта значно вище від Ас₁, тобто так, що цементит здебільш перейшов у твердий розчин, а в аустеніті вирівнявся склад, то під час охолодження утвориться не зернистий, а пластинчастий перліт.

    Сталь зі зернистим перлітом порівняно  зі сталлю з пластинчастим перлітом менш тверда і міцна, але пластичніша. Сталі зі структурою зернистого перліту добре обробляються різанням. Під час гартування вони отримують структуру мартенситу з рівномірно розподіленими в ньому дрібними глобулами цементиту, що підвищує міцність і в'язкість загартованої сталі.

    Щоб скоротити тривалість охолодження, нерідко застосовують ізотермічний відпал, під час якого заготовку, нагріту до температури вище від АС_з, переохолоджують на 50... 100 °С нижче від Аг₁ і витримують при цій температурі до повного розпаду аустеніту. Далі заготовку вже можна охолоджувати швидко, наприклад, на повітрі. Ізотермічний відпал застосовують переважно до легованих сталей зі стійким переохолодженим аустенітом. Розпадаючись, аустеніт утворює однорідну двофазову феритно-карбідну структуру при практично однаковій по всій заготовці температурі. Зазначимо, що температуру контролювати легше, ніж швидкість охолодження [5,с. 33-54]. 

     2.2 НОРМАЛІЗАЦІЯ 

    Нормалізацією називають нагрівання доевтектоїдної сталі вище температури АС_з (рис. 2.1, б), евтектоїдної — вище температури АС₁ і заевтектоїдної — вище температури АС_ст на 30...50 °С, витримування при цій температурі та охолодження на спокійному повітрі.

    Під час нагріву й витримки сталь  отримує аустенітну структуру. Швидкість охолодження під час нормалізації вища, ніж під час відпалу, внаслідок чого розпадається аустеніт при більш низьких температурах і утворюється дисперсніша структура евтектоїду (тонкий перліт або сорбіт). Нормалізація зменшує залишкові напруження, усуває сітку вторинного цементиту в заевтектоїдній сталі, підвищує твердість і міцність. Хоч нормалізація порівняно з відпалом істотно заощаджує час та енергію, все ж вона не завжди може замінити відпал. Відпалені й нормалізовані низьковуглецеві сталі, в яких аустеніт був слабо переохолоджений, мають різні властивості, проте ця різниця поступово збільшується з підвищенням концентрації вуглецю або легувального елементу. Нормалізовані леговані сталі мають значну твердість.

     Часто нормалізацію використовують як проміжну термообробку для здрібнення структури перед гартуванням, щоб домогтися стабільніших властивостей мартенситу. [6,с. 187-209]. 

     2.3 ГАРТУВАННЯ 

    Гартування  — це вид термообробки, під час  якого доевтектоїдну сталь нагрівають вище температури АС_з (див. рис. 2.1, а), евтектоїдну й заевтектоїдну сталі — вище температури A q на ЗО...50 °С, витримують при цій температурі і охолоджують зі швидкістю не меншою за критичну.

    Критичною υ_кp називають таку мінімальну швидкість охолодження, при якій аустеніт перебудовується тільки в мартенсит.

    Під час нагрівання й подальшої витримки в доевтектоїдній та евтектоїдній сталях формується аустенітна структура, а в заевтектоїдній — аустенітно-цементитна. Цементит твердіший за мартенсит, тому немає сенсу нагрівати заевтектоїдні сталі понад температуру А_Сст.

    Після гартування доевтектоїдна та евтектоїдна  сталі мають структуру: мартенсит або мартенсит + залишковий аустеніт, а заевтектоїдна сталь — мартенсит + вторинний цементит + залишковий аустеніт. Метою гартування є істотне підвищення твердості та міцності сталі.

    Щоб отримати мартенсит з аустеніту, його переохолоджують до температур мартенситного перетворення. Найчастіше для охолодження застосовують воду, водяні розчини лугів і солей, оливу. Найпростіший спосіб охолодження під час гартування — занурити нагріту заготовку у воду або в оливу. Такий спосіб називають гартуванням в одному охолоднику.

    Потрібно  пам'ятати, що під час надто швидкого охолодження виникають значні залишкові напруження, причиною яких є неоднорідний розподіл температури в тілі заготовки та збільшення об'єму металу під час перетворення аустеніту (комірка ГЦК) в мартенсит (комірка ОЦК). Напруження, зумовлені неоднаковими температурами в об'ємі заготовки і, як наслідок, різними величинами термічного стиснення зовнішніх і внутрішніх зон під час охолодження, називають термічними. Напруження, спричинені неодночасністю фазових перетворень у різних точках перерізу заготовки, називають фазовими. Термічні й фазові напруження алгебраїчно підсумовуються. Щоб усунути негативний вплив сумарних напружень на жолоблення заготовок та утворення в них тріщин, треба зменшити швидкість охолодження в інтервалі температур мартенситного перетворення. З цією метою заготовки гартують ступінчасто у двох охолодниках.

    Гартування  у двох охолодниках — спочатку швидко охолоджують у сильному охолоднику (водяні розчини солей або лугів; вода), а пройшовши температурний інтервал 650...400 °С, де стійкість аустеніту мінімальна, охолоджують у слабшому охолоднику, наприклад в оливі. При такому гартуванні, однак, складно визначити момент переносу заготовки з одного охолодника в інший.

    Під час ступінчастого гартування нагріту  заготовку швидко переносять в охолодну рідину, температура якої на ЗО...50 °С вища від мартенситної точки М_п, і коротко витримують у цій рідині, щоб вирівняти температуру в об'ємі, а потім охолоджують на спокійному повітрі або в холодній оливі. Час ізотермічної витримки не повинен бути більшим за період стійкості аустеніту при температурі витримки. Рідиною для ізотермічної витримки є спеціальні оливи з високою температурою спалаху. Ступінчасто гартують заготовки невеликого перерізу, виготовлені переважно з легованих сталей. Завдяки вирівняній температурі в заготовці значно зменшуються фазові напруження.

    Обробка холодом — це додаткове охолодження, яке застосовують для перетворення залишкового аустеніту в мартенсит у високовуглецевих і легованих сталях, для яких температура М_к нижча за 0 °С. Основна мета обробки холодом — стабілізація розмірів і деяке підвищення твердості. Справа в тому, що залишковий аустеніт не стабільний і при коливанні температури він перетворюється у мартенсит, що супроводжується збільшенням розмірів. До виробів, які вимагають обробки холодом, 
належать точні підшипники кочення, вимірний інструмент тощо. В результаті твердість сталі зростає на 1...4 HRC. Для обробки холодом потрібні температури не нижчі за -80 °С [7,с. 56-76]. 

     2.4 ЗАГАРТОВУВАНІСТЬ І ПРОГАРТОВУВАНІСТЬ 

    Загартовуваністю  називають здатність сталі підвищувати  твердість внаслідок гартування. Вона залежить від концентрації вуглецю в сталі. Якщо вміст вуглецю не перевищує 0,2 %, то такі сталі практично не гартуються. Легувальні елементи мало впливають на загартовуваність.

    Прогартовуваність — це глибина проникнення загартованої зони від поверхні в тіло виробу. Часто за глибину загартованої зони умовно приймають відстань від поверхні до зони з напівмартенситною структурою (50 % мартенситу + 50 % трооститу).

    Глибину загартованої зони можна визначити  на зламі, на макрошліфі або за розподілом твердості в перерізі виробу.

    На  зламі крихка загартована зона має  гладку блискучу дрібнозернисту поверхню, натомість незагартована пластична зона — нерівну волокнисту з матовим відтінком. Межу між ними добре видно на поверхні зламу.

    На  протравленому макрошліфі так само добре видно границю між загартованою і незагартованою зонами.

    Значна  зміна твердості в перерізі виробу відповідає границі між загартованою і незагартованою зонами. Твердість  напівмартенситної зони залежить від  концентрації вуглецю в сталі й визначається за таблицями або за еталонними графіками, побудованими в координатах: твердість HRC напівмартенситної зони — концентрація вуглецю (%).

    Очевидно, що швидкість охолодження найбільша  на поверхні виробу, а в його середині — найменша. Виріб не прогартується наскрізь, коли значення фактичної швидкості охолодження в середині виробу менше за критичну швидкість гартування υ_кp. Зі зменшенням критичної швидкості гартування даного матеріалу глибина загартованої зони зростає. Якщо швидкість гартування всередині виробу дорівнює або більша ніж υ_кp, то виріб прогартовується наскрізь і всюди має мартенситну структуру. Якщо переріз охолоджуваного виробу настільки великий, що неможливо досягти критичної швидкості навіть на його поверхні, то такий виріб не гартується зовсім. Як уже згадувалось, критична швидкість гартування пов'язана з положенням кривої початку перетворення аустеніту й може бути оцінена за діаграмою ізотермічного розпаду. Для точнішого знаходження значення цієї швидкості необхідно скористатись анізотермічною діаграмою перетворень аустеніту.

    До  основних факторів, що впливають на стійкість переохолодженого аустеніту, а, отже, і на положення С-кривої, належать: легувальні елементи, частинки, нерозчинені в аустеніті, та розмір його зерна.

    Легувальні  елементи, крім кобальту, збільшують прогартовуваність, оскільки підвищують стійкість переохолодженого аустеніту, зменшуючи критичну швидкість гартування. Однак стійкість аустеніту підвищується лише тоді, коли легувальні елементи повністю розчиняться в ньому.

    Нерозчинені в аустеніті частинки — карбіди  або оксиди — зменшують стійкість  аустеніту, бо вони стають додатковими  центрами кристалізації.

    Величина  зерна аустеніту істотно впливає  на його стійкість через те, що центри кристалізації нових фаз утворюються на границях зерен аустеніту. Зі збільшенням зерна сумарна поверхня границь зменшується і водночас зменшується кількість центрів кристалізації.