ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ. Около 40 % стали, потребляемой машиностроением для изготовления деталей машин, приборов, оборудования

 

Около 40 % стали, потребляемой машиностроением для изготовления деталей машин, приборов, оборудования, подвергают различным видам термической обработки. Под термической обработкой сплавов понимают совокупность операций теплового воздействия на металлы (иногда в сочетании с химическим, механическим и другими воздействиями) с целью изменения их структуры, а, следовательно, и свойств. Поскольку основными факторами при термической обработке являются температура и время, то любой процесс термической обработки можно представить в этих координатах.

Основные параметры режима термической обработки – температура нагрева (t_н), скорость нагрева (v_н), продолжительность выдержки при температуре нагрева (t_в,) и скорость охлаждения (v_о).

Температура нагрева сплава при конкретном виде термической обработки определяется температурами фазовых превращений (критическими температурами) на соответствующей диаграмме его состояния. Эти критические температуры для каждой стадии обозначаются буквой А с соответствующим индексом (А₁, А₂, А₃, А₄, А_cm). Критические точки А₁ на линии РSК показывают превращение А ® П (при охлаждении) или П ® А (при нагреве); А₃ на линии GS – начало выделения феррита из аустенита при охлаждении или конец его растворения при нагреве; А_cm на линии SЕ – начало выделения цементита вторичного из аустенита в заэвтектоидных сталях при охлаждении или конец его растворения при нагреве.

Поскольку при нагревах и охлаждениях сплавов с реальными скоростями фазовые превращения в твердом состоянии протекают со значительным тепловым гистерезисом, следует отличать критические температуры при нагреве сплава, которые обозначаются А_c1, А_c3, А_ccm, от аналогичных температур при охлаждении А_r1, А_r3, А_rcm. Температура нагрева при термической обработке сталей во избежание их оплавления не должна превышать линии солидуса.

Скорость нагрева выбирается в зависимости от ряда факторов: теплопроводности стали, формы и размеров деталей, общей массы нагреваемых деталей, характера их расположения в печи и некоторых других.

Продолжительность выдержки при заданной температуре нагрева определяется скоростью фазовых превращений, происходящих в металле. Выдержка необходима для завершения фазовых превращений и выравнивания температуры по объему детали.

Скорость охлаждения выбирается в зависимости от степени устойчивости переохлажденного аустенита, определяемой преимущественно химическим составом стали, а также от требуемых структуры и свойств сплава. В зависимости от скорости охлаждения углеродистой стали могут быть получены перлитная, сорбитная, трооститная или мартенситная структуры с различными свойствами.

Рис. 7.1. Температуры нагрева для различных видов отжига

 

В соответствии с общепринятой классификацией (по А.А. Бочвару) термическая обработка делится на собственно термическую, химико-термическую и деформационно-термическую (термомеханическую). Первая в свою очередь включает четыре основные группы: отжиг первого рода, отжиг второго рода, закалка, отпуск.

Температуры нагрева при различных видах отжига приведены на рис. 7.1.

0тжиг первого рода способствует устранению отклонений в структуре сплавов от равновесного состояния, возникших при литье, деформировании, механической обработке, сварке и других технологических процессах. Различают следующие основные виды отжига первого рода: диффузионный, рекристаллизационный, низкий.

Диффузионный, или гомогенизирующий, отжиг применяется для устранения ликвации, т. е. неоднородности химического состава внутри отдельных зерен или в объеме сплава, возникающей чаще всего в процессе кристаллизации. Он состоит из нагрева стали до температур, значительно превышающих критические (1050...1200 ⁰С) и обеспечивающих диффузию неравномерно распределенных элементов, а также длительной выдержки (10...100 ч) и медленного охлаждения (с выключенной печью).

Для устранения различных отклонений в структуре сплавов от равновесного состояния, возникших в результате наклепа при пластической деформации, применяется рекристаллизационный отжиг. Он включает нагрев металла до температур, превышающих температуру рекристаллизации (для стали Т_рекр = 0, 3...0, 4 Т_пл), выдержку (1...2 ч), медленное охлаждение.

Низкий отжиг применяется для устранения остаточных внутренних напряжений, возникающих, например, в зоне термического влияния при сварке изделий, вследствие неравномерного охлаждения отливок или срезания отдельных объемов металла при механической обработке и нарушения установившихся напряжений между отдельными частями детали. Он включает нагрев металла до температур 150... 700 ^оС, выдержку и последующее медленное охлаждение.

0тжиг второго рода (фазовая перекристаллизация) – термическая обработка, включающая нагрев стали до температур, превышающих А_c1 или А_c3, выдержку и медленное охлаждение и имеющая целью обеспечение фазовых превращений и достижение практически равновесных (в соответствии с диаграммой состояния системы Fe – Fe₃C) фазового и структурного состояний. После отжига структура сталей такова: доэвтектоидных – Ф + П; эвтектоидной – П; заэвтектоидных – П + Ц_II. Поскольку такой отжиг обеспечивает минимальную твердость и наилучшую обрабатываемость стали резанием, как правило, он является подготовительной термической обработкой перед обработкой резанием. Однако в некоторых случаях (например, для крупных отливок) он может быть и окончательным видом обработки. Различают следующие основные виды отжига второго рода: полный, неполный, нормализационный, изотермический.

При полном отжиге сталь нагревают до температуры, на 30...50 ⁰С превышающей А_c3, выдерживают при этой температуре, медленно охлаждают до 500...600 ^оС вместе с печью, а затем на воздухе. Полный отжиг обеспечивает полную фазовую перекристаллизацию и применяется обычно для доэвтектоидных сталей.

При неполном отжиге температура нагрева стали на 30...50 ⁰С выше А_c1, но не превышает А_c3 или А_ccm. После выдержки сталь медленно охлаждают с печью. При нагреве происходит частичная (неполная) перекристаллизация стали (в структуре Ф + П или П + Ц_II только перлит превращается в аустенит). Неполный отжиг, проводимый обычно для заэвтектоидных сталей, называют сфероидизацией. Он позволяет получать сталь со структурой зернистого перлита. Такая сталь имеет более низкую твердость, большую пластичность и лучшую обрабатываемость резанием, чем сталь с пластинчатым перлитом.

Нормализационный отжиг (нормализация) включает нагрев доэвтектоидной стали до температуры, на 30... 50 ⁰С превышающей А_c3, а заэвтектоидной – на 30...50 ⁰С превышающей А_ccm, изотермическую выдержку и охлаждение на спокойном воздухе. Ускоренное охлаждение при нормализации позволяет получить более дисперсную (измельченную) структуру стали, что приводит к повышению ее твердости и прочности по сравнению со сталью, подвергнутой полному отжигу. Поскольку температуры нагрева под нормализацию весьма высоки, во избежание значительного роста зерна металла выдержка должна быть минимальной, но обеспечивающей равномерный прогрев изделия по всему сечению.

Нормализацией устраняется цементитная сетка в заэвтектоидных сталях при подготовке их к закалке. Учитывая более высокую производительность нормализации по сравнению с полным или неполным отжигом, их часто заменяют ею при подготовке углеродистых сталей к механической обработке.

Изотермический отжиг включает нагрев стали до температуры, на 30... 50 ⁰С превышающей А_c3, выдержку, а затем перенос детали в другую печь с заданной температурой (ниже А_c1) и изотермическую выдержку ее до полного распада аустенита. Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием и применяется для деталей и заготовок небольших размеров.

3акалка – термическая обработка, включающая нагрев стали выше критических температур, изотермическую выдержку и последующее охлаждение со скоростью выше критической (V_кр). Под критической скоростью закалки понимают минимальную скорость охлаждения, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Цель закалки – повышение твердости, прочности и износостойкости стали. Изменяя скорость охлаждения нагретых сталей, имеющих аустенитную структуру, и варьируя тем самым степень переохлаждения, можно получать стали с различными структурой и свойствами (рис. 7.2).

Так, при небольших скоростях охлаждения в интервале температур 720...550^оС из аустенита образуются пластинчатые феррито-цементитные смеси (перлит, сорбит или троостит). По мере увеличения скорости охлаждения дисперсность смеси, неравновесность структуры стали, а, следовательно, ее твердость и прочность возрастают. При охлаждении со скоростью выше критической из аустенита образуется мартенсит, представляющий собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в a-Fe. Зависимость критической скорости закалки от содержания углерода в стали представлена на рис. 7.3. На V_кр влияют также вид охлаждающей среды, размер зерна и легирующие элементы.

По возрастанию интенсивности охлаждения, применяемые в практике термической обработки охлаждающие среды можно расположить так: минеральные масла, вода, водные растворы солей, кислот, щелочей. Для закалки углеродистых сталей предпочтительны вода или водные растворы солей. Идеальный охладитель при закалке такой, который не допускает распада аустенита на перлитные структуры, обеспечивая максимальную скорость охлаждения в интервале температур А₁ – М_н и минимально допустимую в мартенситном интервале, что исключает появление значительных внутренних структурных и термических напряжений, коробления, трещин.

Рис. 7.2. Диаграмма изотермического распада переохлажденного

аустенита с наложенными на нее кривыми охлаждения

 

Недостатки воды как охладителя: высокая скорость охлаждения в мартенситном интервале и резкое падение охлаждающей способности при ее нагреве. Минеральные масла лишены этих недостатков, но характеризуются в несколько раз меньшей охлаждающей способностью. Поэтому их целесообразнее применять для охлаждения легированных сталей, критическая скорость закалки которых меньше, чем углеродистых.

При расчете продолжительности нагрева t_н под термическую обработку можно руководствоваться табл. 7.1. Продолжительность изотермической выдержки t_в принимают чаще всего равной 1/5 от общей продолжительности нагрева.

Рис. 7.3. Критическая скорость закалки в зависимости от

содержания углерода в стали

 

Закалку доэвтектоидных сталей, включающую нагрев до температур выше А_c3, т. е. в аустенитное состояние, называют полной закалкой. Для заэвтектоидных сталей используют неполную закалку, при которой сталь, нагретая до температуры, несколько превышающей А_c1, приобретает структуру А + Ц_II, при охлаждении претерпевает лишь превращение А ® М, т. е. частичное (неполное) изменение структуры (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Оптимальный интервал закалочных температур

для углеродистых сталей

 

Сохранение некоторой доли твердого и износоустойчивого цементита вторичного способствует повышению прочностных свойств стали. Полная закалка заэвтектоидных сталей с нагревом до температур, превышающих А_ccm приводит к повышению содержания в них аустенита остаточного и ухудшению свойств закаленных сталей.

Неполная закалка для доэвтектоидных сталей нежелательна, так как после нее наряду с твердым мартенситом сохраняется мягкий избыточный феррит. В промышленности в зависимости от характера охлаждения применяют различные способы закалки: в одном или двух охладителях, струйчатую, ступенчатую, изотермическую, с самоотпуском. Во избежание коробления или образования трещин вследствие высоких внутренних напряжений, возникших при закалке, в дальнейшем сталь подвергают отпуску.

 

Таблица 7.1.

Ориентировочная продолжительность нагрева стальных изделий

Тип нагревательного устройства	Температура нагрева, 0С	Продолжительность нагрева (с) на 1 мм сечения изделия
углеродистой	легированной
Пламенная печь Электропечь   Соляная ванна	800...900 770...820 820...880 770...820 820...880	60…70 60…65 50…55 12…14 10…12	65…80 70…75 60…65 18…20 16…18

0тпуск – операция термической обработки, включающая нагрев закаленной стали до температур ниже А₁, выдержку при этой температуре, охлаждение. Цель отпуска – уменьшение внутренних напряжений в металле и получение требуемых структуры и свойств. При нагреве закаленной стали со структурой мартенсита или мартенсита и аустенита остаточного протекают следующие превращения. До температуры 100 ^оС (стадия предвыделения) в мартенсите происходит диффузионное перераспределение углерода. Образуются ультрамикроскопические объемы с содержанием углерода и структурой, близкими к аналогичным показателям той фазы, которая должна выделиться. На первой стадии отпуска в интервале температур 100...200 ^оС в результате выделения из мартенсита углерода образуется e-карбид (Fe_{2, 4}C) в виде тонких пластин. Решетка карбида когерентно связана с решеткой мартенсита, который значительно обеднен углеродом (0, 25...0, 35 % С). На второй стадии (200...300 ^оС) аустенит остаточный превращается в смесь мартенсита с 0, 25...0, 35 %С и когерентного e-карбида. Одновременно происходит дальнейшее выделение углерода из мартенсита, который обедняется углеродом (0, 1 % С), становясь отпущенным, решетка его из тетрагональной трансформируется в кубическую. Обогащаясь углеродом, e-карбид превращается в цементит Fe₃C.

На третьей стадии отпуска (300...350 ^оС) заканчивается выделение углерода из мартенсита, который становится ферритом. Происходит срыв когерентности решетки феррита и цементита. В конечном итоге к концу третьей стадии отпуска формируется смесь феррита и цементита. Дальнейший нагрев стали приводит к коагуляции (рост с одновременным округлением) ферритно-цементитной смеси. Зернистая феррито-цементитная смесь, образующаяся при отпуске (350...500 ^оС) из мартенсита, называется трооститом отпуска, при 500...650 ^оС – сорбитом отпуска, выше 650 ^оС – перлитом отпуска.

Троостит, сорбит и перлит отпуска в отличие от получаемых из аустенита при непрерывном охлаждении имеют зернистое, а не пластинчатое строение. Стали с зернистой структурой характеризуются более высокой пластичностью и лучшей обрабатываемостью резанием.

Низкий отпуск включает нагрев закаленной стали до 150...250 ^оС. Он применяется для придания поверхностным слоям изделий высоких твердости и износостойкости. Низкий отпуск, несколько уменьшающий внутренние напряжения, повышающий вязкость стали при сохранении ее высокой твердости, широко применяют при изготовлении измерительного, режущего и штампового инструмента (шаблоны, фрезы, метчики, зубила, штампы, волоки и др.), для деталей после цементации.

При среднем отпуске закаленная сталь нагревается до 300...400 ^оС, чем обеспечивается получение структуры троостита отпуска, обладающего достаточными твердостью (40...55 HRC) и прочностью при высоком пределе упругости. Средний отпуск еще в большей степени, чем низкий, способствует уменьшению внутренних напряжений и наиболее часто применяется при термической обработке рессор и пружин.

Высокий отпуск заключается в нагреве закаленной стали до 500...650 ^оС и обеспечивает получение структуры сорбита отпуска, обладающего хорошим комплексом свойств (прочность, ударная вязкость, твердость). Закалку с высоким отпуском, поэтому называют термическим улучшением и применяют для ответственных деталей из среднеуглеродистых сталей (коленчатые валы, шатуны и т. д.).

На рис. 7.5 представлена зависимость механических свойств углеродистой стали от температуры отпуска. По этой зависимости различают низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий) виды отпуска.

Рис. 7.5. Зависимость механических свойств стали от температуры отпуска