Термическая обработка стали

    Ниже  рассмотрены перечисленные виды отжига применительно к стали.

    Возврат (отдых) стали – нагрев до 200 – 400°, для уменьшения или снятия наклепа. При возврате наблюдается уменьшение искажений в кристаллических решетках у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств.

    Рекристаллизационный  отжиг (рекристаллизация) стали происходит при температурах 500 – 550°; отжиг для снятия внутренних напряжений – при температурах 600 – 700°. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения в отливках от неравномерного охлаждения их частей, а также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) при температурах ниже критических. При рекристаллизационном отжиге из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, в результате твердость стали снижается, а пластичность и ударная вязкость увеличиваются. Для полного снятия внутренних напряжений в стали нужна температура не менее 600°.

    Охлаждение  после выдержки при заданной  температуре должно быть достаточно медленным: при ускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения.

    Диффузионный  отжиг применяется в тех случаях, когда в стали наблюдается внутрикристаллическая ликвация. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. В результате сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией.

    Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, однако нельзя допускать пережога и оплавления зерен. При пережоге кислород воздуха окисляет железо, проникая в толщу его, образуются кристаллиты, разобщенные окисными оболочками. Пережог в металле устранить нельзя, поэтому пережженные заготовки являются окончательным браком.

    При диффузионном отжиге обычно зерна слишком  укрупняются, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).

    Полный  отжиг связан с фазовой перекристаллизацией и измельчением зерна при температурах точек А_С1 и А_С2. Назначение его – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры в готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30-50° выше температуры линии GSK и медленно охлаждают.

    

    После отжига избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоидный цементит имеют  форму пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатым.

    При отжиге на пластинчатый перлит заготовки оставляют в печи до охлаждения, чаще всего при частичном подогреве печи топливом, чтобы скорость охлаждения была не больше 10-20° в час.

    Отжигом также достигается измельчение  зерна. Крупнозернистая структура, например, доэвтектоидной стали (рис. 5), получается при затвердевании вследствие свободного роста зерен (при медленном охлаждении отливок), а также в результате перегрева стали. Эта структура называется видманштетовой (по имени австрийского астронома А. Видманштеттена, открывшего в 1808 г. такую структуру на метеорном железе). При такой структуре прочность заготовки низка, и структура характерна тем, что включения феррита (светлые участки) и перлита (темные участки) располагаются в виде вытянутых пластин под различными углами друг к другу. В заэвтектоидный сталях видманштетова структура характеризуется штрихообразным расположением избыточного цементита.

    Размельчение  зерна связано с перекристаллизацией a-железа в g-железо; при охлаждении и обратном переходе g-железа в a-железо мелкозернистая структура сохраняется.

    Таким образом, при отжиге на пластинчатый перлит одновременно обеспечивается мелкозернистая структура.

    Неполный  отжиг связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки А_С1; он применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура.

    

    Отжиг на зернистый перлит применяют обычно для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей, с целью повышения пластичности и вязкости стали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита сталь нагревают выше точки А_С1 и выдерживают недолго, чтобы цементит растворился в аустените не полностью. Затем сталь охлаждают до температуры несколько ниже Ar₁ и выдерживают при такой температуре несколько часов. При этом частицы оставшегося цементита служат зародышами кристаллизации для всего выделяющегося цементита, который нарастает округлыми (глобулярными) кристаллитами, рассеянными в феррите (рис. 6).

    Свойство  зернистого перлита существенно  отличаются от свойств пластинчатого в сторону меньшей твердости, но большей пластинчатости и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоидной стали. В которой весь цементит (как эвтектоидный, так и избыточный) получается в виде глобулей.

      

    При изотермическом отжиге после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки А₁ (рис. 7) и выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время и повышает производительность. Например, обыкновенный отжыг легированной стали длится 13-15 ч, а изотермический – всего 4-7 ч. Схема изотермического отжига приведена на рис. 7.

    Нормализация. При нормализации сталь охлаждается не в печи, как при отжиге, а на воздухе в цехе. Нагревание ведется до полной перекристаллизации (на 30-50° выше точек Ас₃ и А_ст), в результате сталь приобретает мелкозернистую и однородную структуру. Твердость и прочность стали после нормализации выше, чем после отжига.

    Структура низкоуглеродистой стали после  нормализации феррито-перлитная, такая  же, как и после отжига, а у  средне- и высокоуглеродистой стали  – сорбитная; нормализация может заменить для первой – отжиг, а для второй – закалку с высоким отпуском. Часто нормализацией подготавливают сталь для закалки. Термическую обработку некоторых марок углеродистой и легированных сталей заканчивают нормализацией.

3. Закалка и отпуск.

    Цель  закалки и отпуска стали – улучшение ее свойств.

    Закалка с отпуском нужна для очень  многих деталей и изделий. Она  основана на перекристаллизации стали  при нагреве до температуры выше критической; после достаточной  выдержки при этой температуре для  завершения закалки следует быстрое охлаждение. Таким путем предотвращают превращение аустенита в перлит.

    Закаленная  сталь имеет неравновесную структуру  мартенсита, троостита или сорбита.

    Чаще  всего при закалке сталь резко  охлаждают на мартенсит. Для смягчения  действия закалки сталь отпускают, нагревая до температуры ниже точки А₁. При отпуске структура стали из мартенсита закалки переходит в мартенсит отпуска, троостит отпуска или сорбит отпуска.

    Температурные условия закалки. Температура нагрева стали при закалке та же, что и при полном отжиге: для доэвектоидной стали на 30-50° выше точки Ас₃, для заэвтектоидной – на 30-50° выше точки Ас₁.

    При нагреве доэвтектоидной стали до температуры между точками Ас₁ и Ас₃ (неполная закалка) в структуре быстро охлажденной стали, наряду с закаленными участками, будет присутствовать нерастворенный феррит, резко снижающий твердость и прочность. Поэтому для доэвтектоидной стали обязательна полная закалка (нагрев выше точки Ас₃).

    В заэвтектоидной стали избыточной фазой  является цементит, который по твердости не уступает мертенситу и даже превосходит его; поэтому сталь достаточно нагреть на 30-50° выше точки Ас₁.

    Нагревать изделия, особенно крупные, нужно постепенно, чтобы избежать местных напряжений и трещин, а время выдержки нагретого изделия должно быть достаточным, чтобы переход перлита в аустенит полностью завершился. Продолжительность выдержки обычно равна четверти общей продолжительности нагревания.

    Охлаждение  деталей при закалке. Скорость охлаждения деталей при закалке должна быть такой, чтобы деталь получилась заданной структуры. Скорость V₂ (см. рис. 2), обеспечивающая мартенситную структуру (с остаточным аустенитом, не без троостита), называется критической скоростью закалки.

    Так как С-образные кривые доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей смещены влево по сравнению с кривыми эвтектоидной стали, критическая скорость закалки их выше, и получение структуры мартенсита достигается труднее, а для некоторых марок она даже недостижима.

    Легирующие  компоненты в стали облегчают  закалку, так как при этом С-образные кривые смещаются вправо, и критическая скорость понижается.

    При скорости охлаждения меньше критической  в структуре закаленной стали, наряду с мартенситом, будет троостит, а  при дальнейшем уменьшении скорости получаются структуры троостита или сорбита без мартенсита.

    Резкость  закалки (получение мартенсита без  троостита) зависит от природы температуры  охлаждающей среды. Охлаждение струей воздуха или холодными металлическими плитами дает следую закалку на сорбит. Наиболее распространено охлаждение деталей погружением их в воду, щелочные или кислые растворы, масло, расплавленный свинец и др. При этом получается резкая или умеренная закалка (на мартенсит или троостит).

    Охлаждающая способность воды резко изменяется в зависимости от ее температуры; если эту способность при 18° принять за единицу, то при 74° она будет иметь коэффициент 0,05.

    К наиболее резким охладителям относится 10%-ный раствор NaOH в воде, при 18° его коэффициент –2,0; к умеренным – минеральные масла с коэффициентом 0,2-0,25.

    При закалке применяют различные  приемы охлаждения в зависимости  от марки стали, формы и размеров детали и технических требований к ним.

    Простая закалка в одном  охладителе (чаще всего в воде или в водных растворах) выполняется путем погружения в него детали до полного охлаждения. При охлаждении необходимо освобождать деталь от слоя пара хороший теплоизолятор. Такой способ закалки самый распространенный.

    Для получения высокой твердости  и наибольшей глубины закаленного  слоя для углеродистой стали применяют охлаждение деталей при интенсивном обрызгивании.

    Прерывистой закалкой называют такую, при которой деталь охлаждают последовательно в двух средах: первая среда – охлаждающая жидкость (обычно вода); вторая – воздух или масло. Резкость такой закалки меньше, чем предыдущей.

    При ступенчатой закалке деталь быстро погружают в соляной расплав и охлаждают до температуры несколько выше М_Н (см. рис. 3), короткое время выдерживают и затем охлаждают на воздухе. Выдержка обеспечивает выравнивание температуры от поверхности к сердцевине детали, что уменьшает напряжения, возникающие при мартенситном превращении.

    Способ  погружения деталей в закалочную ванну должен быть таким, чтобы при  закалке они как можно меньше коробились. Детали с большим отношением длины к диаметру или ширине (напильники, сверла и др.) следует погружать в охладитель вертикально.

    Изотермическая  закалка. Изотермическая закалка (закалка в горячих средах) основана на изотермическом распадении аустенита; охлаждение ведется не до комнатной температуры, а до температуры несколько выше начала мартенситного превращения (200-300°, в зависимости от марки стали). В качестве охладителя используют соляные расплавы или нагретое до 200-250° масло. При температуре горячей ванны деталь выдерживается продолжительное время, пока пойдут инкубационный период и распадение аустенита. В результате получается структура игольчатого троостита, по твердости близкого к мартенситу, но более вязкого и прочного. Последующее охлаждение производится на воздухе.