ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Отжиг I рода. Применяют отжиги:

· рекристаллизационный,

· диффузионный и

· для снятия напряжений.

Рекристаллизационный от жиг углеродистых сталей осуществляется при температуре 680...700 °С, легированных — при 700...730 °С. Время выдержки зависит от сечения обрабатываемого изделия.

Отжиг для снятия напряжений чаще всего ведется при температуре 400...680°С, время выдержки — из рас­чета 2,5 мин на 1 мм толщины сечения детали.

Диффузионному отжигу подвергаются в основном легированные стали в литом состоянии. Температура отжига 1000......1200°С, выдержка 8... 15 ч. Охлаждение до температуры 550...600 °С медленное, затем с любой скоростью. Во время отжига интенсивно растет зерно и фасонные отливки подвергают допол­нительному отжигу II рода для устранения крупнозернистости.

Отжиг II рода. Применяют:

· полный,

· неполный и

· изотермический виды отжига.

Температуру полного отжига выбирают по диаграмме состояния Fe —Fe₃C (см. рис. 26 и 34): А_с + (30...50 °С) — для доэвтектоидных и А_Ст + (30...50 °С) —для эвтектоидных сталей. В доэвтектоидных сталях аустенит образуется при температуре нагрева выше А_с3, при которой завершается превращение -железа в γ-железо. Поэтому обратный переход и дальнейший эвтектоидный распад A_s → П_s (Ф_р + Ц _к) позволяет получить ферритоперлитную структуру с равномерным распределением структурных составляющих (см. рис. 20, б). Полный отжиг позволяет устранять полосчатость, полученную металлом вследствие низкой температуры горячей обработки давлением, исправлять крупнозернистость и видманштеттову структуру — результат перегрева и др.

В заэвтектоидной стали фазовое превращение -железа в γ-железо происходит при температуре t₀ >А_С1, а растворение цементи­та — при t₀ > A_Cm. Превышение А_Ст чревато сильным ростом зерна аустенита — перегревом. Поэтому полный отжиг применяется только для доэвтектоидных сталей.

Заэвтектоидные стали подвергают неполному отжигу при температуре

А_С1 + 10...30°С. При этих температурах полностью протекает фазовая перекристаллизация и сталь имеет структуру: А + ЦП. При охлаждении аустенит распадается с образованием зернистого (глобулярного) цементита, что повышает пластичность стали, снижает твердость и прочность, улучшает обрабатываемость резанием. Неполный отжиг снимает внутреннее напряжение. Более высокая температура отжига Т₀ (А_с1 <Т₀< А_Сm) дает пластинчатый перлит.

Но к доэвтектоидным сталям неполный отжиг применяется лишь тогда, когда требуется не исправление структуры, а лишь снижение твердости и напряжений: при нагреве до температуры выше А_с1, но ниже А_с3, эти стали имеют двухфазную структуру (А + Ф) и после охлаждения сохраняются расположение и форма зерен феррита.

Заэвтектоидные стали — углеродистые и легированные — подвергают также циклическому отжигу на зернистый перлит (сфероидизирующему отжигу). Его проводят путем 3...5-краткого повторения следующих операций:

Ÿ нагрев до 740...750 °С — несколько выше А_с1;

Ÿ изотермическая выдержка;

Ÿ медленное охлаждение до 680 °С — несколько ниже А_с1.

Такое термоциклирование способствует образованию не пластинчатого, а зернистого цементита (см. рис. 20, г).

Все рассмотренные виды отжига, кроме сфероидизирующего, проводят с непрерывным медленным охлаждением:

Ÿ для углеродистых сталей скорость охлаждения составляет 150...200°С/ч,

Ÿ для легированных — 10... 100°С/ч.

Столь медленное охлаждение легированных сталей обусловлено высокой устойчивостью аустенита и большим, чем для углеродистых сталей, временем его распада.

Изотермический отжиг осуществляется по следующей схеме:

1. нагрев стали (доэвтектоидной — выше А_с3, заэвтектоидной — выше А_с1;

2. выдержка до полного прогрева и осуществления фазового превращения α-железа в γ-железо;

3. быстрое охлаждение до температуры на 30... 100 °С ниже А_с1; изотермическая выдержка до полного распада аустенита и быстрое охлаждение на воздухе.

Изотермическую выдержку в течение 2...5 ч можно проводить в соляной ванне, нагретой до температуры 600...650 °С. Обработка легированных сталей улучшает структуру, обрабатываемость резанием, уменьшает чувствительность к образованию трещин и флокенов.

Нормализация — разновидность полного отжига — получает все большее распространение в силу значительного сокращения времени на термообработку. Она применяется как заключительная операция для низкоуглеродистых и легированных сталей; при ускоренном охлаждении (на воздухе) образуется более мелкая, чем при отжиге, структура; возможно появление большего количества перлита (квазиперлит), образование сорбитообразного перлита — все это увеличивает твердость и прочность стали. Для заэвтектоидной стали нормализация — вспомогательная операция перед закалкой: ускоренное охлаждение аустенита не дает образоваться цементитной сетке, порождающей повышенную хрупкость стали, особенно закаленной. Легированные стали часто подвергаются нормализации с последующим высоким отпуском (вместо отжига). Для горячедеформированных легированных сталей, не имеющих перлитного превращения, единственная обработка, уменьшающая твердость, — низкотемпературный о т ж и г (высокий отпуск) при температуре 650...680 °С.

Закалка стали.

Различают:

Ÿ полную (нагрев выше А_Сm, и А_с3 на 30...50 °С) и

Ÿ неполную (нагрев выше А_с1, но ниже А_с3 и А_Сm) закалку.

Цель закалки — получение высокой твердости и износостойкости — определяет выбор температур нагрева (см. рис. 26). Так, если доэвтектоидную сталь нагреть выше А_с1, но ниже А_с3, в структуре наряду с аустенитом будет содержаться некоторое количество феррита; при последующем быстром охлаждении аустенит превратится в мартенсит и структура будет: М + Ф (см. рис. 28, в). Присутствие феррита, имеющего низкую твердость, нежелательно. Следовательно, неполная закалка доэвтектоидной стали не позволяет получить требуемые свойства и ее применение нецелесообразно.

Если скорость охлаждения меньше критической, то в структуре будет присутствовать троостит и после неполной закалки структура стали: М + Ф + Т (см. рис. 28, в).

При нагреве выше температуры А_с3 на 30...50 °С образуется однородный аустенит, который при быстром охлаждении превратится в мелкоигольчатый мартенсит (см. рис. 28, б). Таким образом, необходимо проводить полную закалку доэвтектоидной стали.

В заэвтектоидной стали, наоборот, получение аустенита при нагреве до температуры выше А_Ст нежелательно из-за быстрого роста его зерна и образования после закалки хрупкого крупноигольчатого мартенсита, увеличения А_ОСТ и закалочных напряжений. В то же время выше А_с1 полиморфное превращение закончится, а сохранение в структуре стали после закалки некоторого количества цементита, имеющего большую твердость, чем мартенсит, положительно скажется на ее свойствах. Поэтому для заэвтектоидной стали применяется неполная закалка, но с обязательным предварительным дроблением цементитной сетки нормализацией или сфероидизацией для уменьшения хрупкости.

При закалке стали очень важно правильно выбрать охлаждающую среду. Основное требование к ней — высокая скорость охлаждения в области температур 650...550 °С и более низкая—ниже 300 °С. Это обусловлено тем, что при температуре 550...650 °С диффузионная подвижность атомов углерода и железа еще достаточно велика, а стабильность переохлажденного аустенита минимальна. Поэтому желательно подавить диффузионные процессы, быстро «проскочив» эти температуры. В области высокой стабильности аустенита — ниже 300 С^о (см. рис. 29, б) — мартенситное превращение идет с большим увеличением объема (особенно в высокоуглеродистых сталях), поэтому там желательно иметь пониженные скорости превращения. При таком течении процесса внутренние напряжения будут не столь велики, следовательно, уменьшится возможность коробления и разрушения закаливаемых изделий.

В качестве закалочных сред используют

1. воду,

2. минеральные масла,

3. водный 10%-ный раствор NaOH,

4. расплавленные соли, щелочи и металлы,

5. эмульсии и др.

Ведутся работы по замене дорогих минеральных масел более дешевыми синтетическими охладителями.

Основными технологическими свойствами, характеризующими процесс закалки стали, являются:

Ÿ закаливаемость — способность стали повышать твердость в результате закалки и

Ÿ прокаливаемость — способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троосто-мартенситной (50% М + 50% Т) структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину.

Прокаливаемость определяется критическим диаметром — максимальным диаметром прутка, закаливающегося насквозь в данном охладителе, т. е. получающего высокую твердость, а после отпуска и высокие механические свойства по всему сечению. Таким образом, для каждой охлаждающей среды данная сталь имеет свой критический диаметр. На рисунке 35 показано распределение скорости охлаждения по сечению закаливаемой детали (пунктирная кривая). При критической скорости закал

ки v_кр, отмеченной на рисунке, закалка будет не сквозной. Структура прутка от поверхности к центру изменяется следующим образом: М, М + Т, Т, исходная. Аналогично изменяется твердость.

Рис.35. Схемы, показывающие различную скорость охлаждения по сечению изделия

Для сталей с низкой критической скоростью закалки v_кр прокаливаемость будет выше.

Легирование, особенно хромом, молибденом и марганцем, увеличивает прокаливаемость стали, что имеет большое значение для получения однородных свойств по всему сечению детали. Это обусловлено стабилизацией аустенита, снижением критической скорости закалки. У стали с глубокой прокаливаемостью твердость по сечению снижается медленно, с малой- — резко. Диаграммы изотермического распада аустенита позволяют судить о прокаливаемости стали : чем меньше критическая скорость закалки, т. е. чем выше устойчивость переохлажденного аустенита, тем выше прокаливаемость стали. Так, критический диаметр углеродистой, хромистой и хромоникелевой стали после закалки в одних и тех же условиях соответственно равен 25, 50 и 125 мм. Некоторые высоколегированные стали имеют очень низкую критическую скорость закалки, и в них может образоваться мартенсит даже при охлаждении на воздухе.

Существуют различные способы охлаждения при закалке. Наиболее широкое применение получила закалка в одном охладителе (непрерывная). Она используется для несложных изделий из углеродистой и легированной сталей. Углеродистые стали по этому способу закаливают в воде (их критическая скорость закалки составляет 150...200 °С/ч); высокоуглеродистые и легированные — в масле, так как вода дает быстрое охлаждение и в области низких температур, а следовательно, превращение аустенита в мартенсит может привести к разрушению изделий за счет возникновения высоких внутренних напряжений. Более сложные детали лучше закаливать другими методами. Для уменьшения внутренних напряжений изделия перед закалкой иногда «подстуживают» (немного охлаждают на воздухе).

Закалка в двух охладителях (прерывистая) применяется для инструмента из высокоуглеродистых сталей. Сначала охлаждение ведут в воде, затем деталь переносят в масло, обеспечивая резкое прохождение температур в интервале 550...650 °С и меньшую скорость охлаждения в области мартенситного превращения.

И в первом, и во втором случае вокруг детали образуется «паровая рубашка», уменьшающая интенсивность охлаждения. Этот недостаток устраняется при струйчатом способе охлаждения — обрызгивании детали интенсивной струей воды. Способ обеспечивает большую прокаливаемость изделия.

Закалка с самоотпуском применяется для обработки ударного инструмента (зубил, кузнечного инструмента и др.), когда требуется постепенное понижение твердости от поверхности изделия к его центральной части. Рабочую часть инструмента опускают ненадолго в воду, затем вынимают из нее и после появления на зачищенной поверхности изделия окисной пленки нужного цвета побежалости снова охлаждают. Цвет окисной пленки определяется ее толщиной и зависит от температуры:

Ÿ соломенно-желтый — 220...240 °С,

Ÿ оранжевый — 240...260 °С,

Ÿ красно-фиолетовый — 260...280 °С,

Ÿ синий —280...300 °С.

При ступенчатой закалке деталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде (расплав щелочей, селитры), имеющей температуру несколько выше точки М_н (обычно 180...250 °С), и выдерживают в ней в течение времени, необходимого для приобретения деталью температуры закалочной среды. Затем изделие вынимают и, используя высокую пластичность стали в момент мартенситного превращения, производят рихтовку, правку, гибку и прочие операции. Применение метода ограничено размерами изделий.

При изотермической закалке деталь, перенесен­ную в охлаждающую среду (расплавленные соли, щелочи), выдержи­вают в ней при температуре выше точки М_н в течение большего времени, чем при ступенчатой закалке. При такой выдержке про­исходит распад аустенита. Температура превращения обычно 250...350°С. Продолжительность выдержки определяется по диаграммам изотермического распада аустенита. Изотермически зака­ленный металл имеет структуру, аналогичную получаемой после закалки и отпуска. Поэтому он характеризуется более высокими показателями пластичности и вязкости при несколько меньшей твердости, чем та же сталь после обычной закалки.

Обработка холодом. В 1937 г. А. П. Гуляевым для обработки измерительного инструмента, шарико- и роликоподшипников, цементованных деталей из легированных сталей, температура окончания мартенситного превращения М_к в которых лежит ниже нуля, предложена обработка холодом. Значительное количество остаточного аустенита в их структуре не только снижает твердость, но и может вызвать изменение размеров изделия в процессе эксплуатации в результате самопроизвольного превращения остаточного аустенита в мартенсит, сопровождающегося увеличением объема. Обработка холодом (—100...—40 °С) для большинства сталей вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит, что повышает их твердость и износостойкость, стабилизирует размеры изделия, улучшает магнитные характеристики. Обработку холодом проводят сразу же по окончании закалки, пока не произошла стабилизация остаточного аустенита. В связи с тем, что при обработке холодом повышение твердости стали сопровождается одновременным ростом напряжений, необходимо сразу же после нее проводить отпуск.

Отпуск стали.

Низкий отпуск (нагрев и выдержка при температуре 150...250 °С в течение 1...3 ч) применяется для закаленных и химико-термически обработанных углеродистых и легированных сталей, от которых требуется высокая твердость (HRC58...63), износостойкость и стабильность размеров (измерительный и режущий инструмент из углеродистой и легированной стали; детали, работающие на истирание и др.). Конечная структура — отпущенный мартенсит имеет меньшие внутренние напряжения, меньшую хрупкость и ту же или более высокую твердость (в легированных сталях), что и мартенсит закалки.

Средний отпуск (350...450 °С) дает трооститную структуру, обладающую достаточно высокой твердостью (HRC40...50), очень высокой упругостью и достаточной прочностью. Такой отпуск применяется для пружин и рессор, а также для штампов.

Высокий отпуск (500...680,°С) практически полностью снимает внутренние напряжения, дает сорбитную структуру, обладающую наиболее благоприятным сочетанием пластических и прочностных свойств при твердости HRC30...40. При этом резко повышается ударная вязкость стали. Например, ударная вязкость стали 40 после закалки и высокого отпуска примерно в 1,5 раза выше, чем у отожженной, и в 4,5 раза выше, чем у закаленной и отпущенной при температуре 300 °С. Поэтому обработка: закалка + высокий отпуск — называется улучшением. Высокому отпуску подвергают среднеуглеродистые (0,3...0,5%С) и легированные конструкционные стали, которые предназначены для изготовления деталей машин (валы, оси и т. д.), испытывающих в процессе эксплуатации ударные нагрузки.

Уменьшение скорости охлаждения при всех видах отпуска способствует уменьшению внутренних напряжений. Поэтому изделия сложной формы охлаждают медленно, в противном случае возможно их коробление. Но некоторые легированные стали, содержащие хром, марганец и более 0,001% фосфора, проявляют склонность к обратимой отпускной хрупкости: при медленном охлаждении после высокого отпуска границы зерен обогащаются фосфором, и резко уменьшается ударная вязкость. Поэтому в эти стали либо добавляют вольфрам, молибден, ниобий или титан (в небольших дозах, до 0,5%), уменьшающие склонность к охрупчиванию, либо применяют их быстрое охлаждение в опасном интервале температур (450...650°С). Этот вид хрупкости очень опасен, так как может повториться, если сталь в процессе эксплуатации будет нагрета До 500...650 °С и медленно охлаждена.

Некоторые особенности имеет термообработка высоколегированных специальных сталей. Например, быстрорежущая сталь Р18, содержание карбидов в которой достигает 25...30%, в литом состоянии имеет ледебуритную структуру (см. рис. 28, г). При горячей деформации эвтектика дробится и карбиды измельчаются. После отжига структура стали — сорбитообразный перлит, после закалки в масле при 1270... 1290°С (высокая температура необходима для растворения тугоплавких карбидов Fe₂W₈C, WC, VC и др. в аустените) получают теплоустойчивую структуру легированного мартенсита, остаточного аустенита и специальных карбидов (см. рис. 28, д). Затем рекомендуется обработка холодом (при —80 °С) с целью более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит и часовой отпуск при 560 °С. Если этап обработки холодом опускается, то необходимо провести три часовых отпуска при 550...570 °С, чтобы весь остаточный, аустенит превратился в мартенсит, произошел отпуск последнего и карбидообразование. Структура стали: М + К (см. рис. 28, е). Твердость стали после закалки HRC62...63, после отпуска HRC 63...65, красностойкость до 600...620 °С.

Поверхностная закалка стали. Для получения вязкой сердцевины и высокой твердости поверхности изделия, что позволяет сочетать хорошую износостойкость с высокой динамической прочностью, применяют поверхностную закалку.

Известно несколько методов быстрого нагрева поверхностного слоя (токами высокой частоты, газовым пламенем и др.). Наибольшее применение в машиностроении нашел индукционный нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) — производительный метод, обеспечивающий хорошее качество обработки. Этот метод был предложен советским инженером В. П. Вологдиным и в 1937 г. внедрен в производство. Поверхностная закалка заключается в нагреве поверхностного слоя обрабатываемой детали с последующим быстрым охлаждением. Быстрый нагрев создает резкий градиент температур: поверхность (на глубину 1,5...3,0 мм, иногда 4,0...5,0 и даже 10,0...15,0 мм) имеет температуру выше А_с, а сердцевина — го­раздо ниже. После быстрого охлаждения поверхностные слои по­лучают полную закалку, а сердцевина — либо неполную, либо совсем не закаливается (это зависит от ее температуры и толщины детали).

Высокочастотная закалка легко поддается автоматизации, позволяет осуществлять нагрев со скоростями, в сотни и тысячи раз превышающими скорости нагрева в печах с внешним источником тепла; поверхность не успевает окислиться и обезуглеродиться. Кроме того, превращение перлита в аустенит идет при более высоких температурах. Например, для стали 40 температура α→γ превращения 880... 1020°С при скорости нагрева 250...500 °С/с, а при нагреве с обычными скоростями 1,5...3,0°С/с — 840...860 °С.

Поверхностной закалке подвергаются чаще углеродистые стали, содержащие 0,4...0,5% С, реже — легированные (хромистые, хромоникелевые и др.). Многие легированные стали не подлежат поверхностной закалке — у них высокая прокаливаемость. С целью улучшения механических свойств сердцевины изделий из таких сталей их подвергают предварительной нормализации или улучшению. После поверхностной закалки и низкого отпуска поверхность изделий имеет твердость HRC 54...58 при высокой вязкости. Этот метод применяется в массовом и серийном производстве для обработки коленчатых и распределительных валов, шестерен, валков холодной прокатки, тормозных шкивов и др.