ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

 

Целью термической обработки стали является изменение ее структуры и свойств. При термической обработке сталь нагревают обычно до температур, при которых образуется аустенит, и охлаж­дают. При этом происходят фазовые превращения, переход менее устойчивой структуры, полученной предшествующей обработкой, в более устойчивую и равновесную.

При нагревании выше PSK образуются зародыши кристаллов аустенита и его мелкие зерна (см. рис. 19.7). При повышении темпе­ратуры или продолжении выдержки при данной температуре зерна аустенита растут. При охлаждении размеры зерен не изменяются. Аустенит находится в метастабильном состоянии, и в нем происхо­дят превращения, он распадается с образованием более стабильных структур; при распаде в области повышенных температур образует­ся структура из феррита и цементита.

При термической обработке значительно изменяются свойства стали, причем наибольшее значение имеет изменение механических свойств.

В зависимости от требований к стальным полуфабрикатам (от­ливкам, поковкам, прокату и др.) и изделиям применяют следующие основные виды термической обработки: отжиг, нормализацию, за­калку и отпуск.

Отжигом называют термическую обработку стали, получившей неустойчивое состояние в предыдущей обработке, путем нагревания выше линий Ас₃ или Ac₁ и медленного охлаждения вместе с печью, что приводит ее в более устойчивое состояние.

При нагревании стали выше линии Ас₃ происходит полная ее пере­кристаллизация с образованием аустенита, а при медленном охлажде­нии аустенит распадается и превращается в перлитовые структуры.

Отжиг стали проводят для устранения некоторых дефектов ее предыдущей горячей обработки (литья, ковки и др.) или для подго­товки ее структуры к следующим операциям (закалке, обработке ре­занием и др.). Часто отжиг является окончательной термической операцией. Различают отжиг 1-го и 2-го рода.

Отжиг 1-го рода проводят с целью снятия остаточных напряже­ний и искажения кристаллической решетки, уменьшения неоднород­ности стали, полученных в результате предшествующей обработки. Он осуществляется при температурах ниже или выше фазовых пре­вращений (650—1200°С). Ему подвергают стальные отливки, дета­ли, обработанные резанием, сварные изделия, холоднодеформиро-ванную сталь и др.

При отжиге 2-го рода сталь нагревают до температуры выше ли­ний Ас₃ или Ас₁, выдерживают при данных температурах и медлен­но охлаждают. При этом в стали протекают фазовые превращения — перекристаллизация, в результате которых структура. практически становится близкой к равновесной. При фазовой пере­кристаллизации происходит измельчение зерен, снимаются внутрен­ние напряжения, уменьшается структурная неоднородность, что и обусловливает повышение пластичности и вязкости. После отжига сталь имеет низкие прочность и твердость, что облегчает обработку резанием среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали. Отжигу 2-го рода подвергают отливки, поковки и прокат для повышения пластичности и вязкости.

Отжиг 2-го рода является в производстве обычно промежуточ­ной операцией, а для многих крупных отливок — окончательной термической обработкой.

Нормализацию (нормализационный отжиг) доэвтектоидных ста­лей производят нагреванием на 50°С выше Ас₃, а заэвтектоидных — на 50°С выше Аст, недолго выдерживают при этих температурах для прогрева стали и завершения фазовых превращений и охлажда­ют на воздухе. Происходит полная фазовая перекристаллизация и устраняется крупнозернистая структура, полученная сталью при ли­тье, прокатке, ковке или штамповке, в результате чего улучшаются ее свойства. При быстром охлаждении на воздухе аустенит распада­ется при более низких температурах, чем при медленном охлажде­нии стали вместе с печью при отжиге, что приводит к образованию более дисперсной ферритно-цементитной структуры и на 10—15% повышает прочность и твердость среднеуглеродистой и высокоугле­родистой стали по сравнению с отжигом.

Нормализация экономнее отжига, так как сталь охлаждается за пределами печи.

Закалка стали. При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температур на 30—50°С выше Ас ₃, а заэвтектоидные — на 30—50°С выше Ас ₁, выдерживают при этих температурах для завершения фа­зовых превращений и с большой (выше критической) скоростью ох­лаждают, точнее переохлаждают до низких температур, когда не­возможны диффузионные процессы. Углеродистые стали чаще охлаждают в воде, а легированные — в минеральном масле или дру­гих средах.

В результате закалки значительно повышается твердость стали. Закалка является промежуточной, не окончательной термической операцией. После закалки сталь подвергают отпуску для уменьше­ния внутренних напряжений и хрупкости, возникших в результате закалки, и для придания стали необходимых механических свойств.

Доэвтектоидные стали, имеющие структуру феррит + перлит, при нагревании на 30—50°С выше Ас ₁приобретают структуру аустенита, который при непрерывном быстром охлаждении превраща­ется в мартенсит — пересыщенный твердый раствор внедрения угле­рода в α-Fe.

Содержание углерода в мартенсите может доходить до 2,14%, т. е. как и в исходном аустените, в то время как в равновесном со­стоянии растворимость углерода в α-Fe при 20°С не более 0,002%. Применяют следующие основные способы закалки: непрерыв­ную, прерывистую и ступенчатую.

Непрерывная закалка — с полным охлаждением в одном охладителе (в воде или минеральном масле) — самая простая и при­меняется наиболее широко. Ее применяют для простых изделий из углеродистых и легированных сталей.

Прерывистая закалка или закалка в двух средах: изделие быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше точки Мн (температуры начала мартенситного превращения), быстро переносят в среду с меньшей скоростью охлаждения (минеральное масло, воздух), в которой они охлаждаются до температуры 20°С. При охлаждении во второй среде в стали уменьшаются внутренние напряжения. Этим способом закаляют инструменты из высокоуглеродистой стали.

Ступенчатая закалка заключается в следующем. Сталь­ное изделие охлаждают в среде расплавленных солей: 45% NaNO₃ + 55% KNO₃, а также в расплавленных щелочах: 20% NaOH + 80% KОН, температура которых несколько выше Мн (обычно 180—250°С), недолго выдерживают в них и затем окончательно ох­лаждают на воздухе до комнатной температуры, когда и происхо­дит закалка, т. е. превращение аустенита в мартенсит. При выдерж­ке изделия в закалочной среде выравнивается температура по сечению изделия. Охлаждение в две ступени уменьшает внутренние напряжения и поэтому уменьшает закалочную деформацию.

При ступенчатой закалке в стали остается больше аустенита, чем при непрерывной закалке, так как мартенситное превращение, про­текающее при охлаждении на воздухе, менее полное, чем при непре­рывной закалке. В результате уменьшаются объемные изменения из-за большого содержания остаточного аустенита, коробление вследствие почти одновременного мартенситного превращения по всему изделию, возможность образования трещин.

Отпуск стали. Состояние закаленной стали является неравно­весным (неустойчивым), в ней даже без нагрева происходят превра­щения и она может приближаться к равновесному состоянию. При нагревании стали увеличивается подвижность атомов и благодаря этому состояние закаленной стали все больше приближается к рав­новесному.

Отпуском называют температурную обработку, состоящую из нагревания закаленной стали ниже температуры равновесного фазо­вого превращения (ниже Ас ₁ ), выдержки при этой температуре и ох­лаждения на воздухе или в воде с целью получения более устойчиво­го состояния структуры стали.

При отпуске закаленной стали при температуре выше 400°С об­разуется смесь феррита и цементита. При отпуске в пределах 350—500°С отпущенная сталь имеет структуру так называемого тро-остита, а при 500—600°С — сорбита, обладающих разной степенью дисперсности частиц цементита и разной твердостью.

Троостит представляет собой тонкодисперсную смесь феррита и цементита, а сорбит — менее дисперсную (среднедисперсную) смесь феррита и цементита (для сравнения укажем, что перлит — грубодисперсная смесь феррита и цементита). С повышением степени дис­персности структуры повышаются твердость и прочность, которые у троостита больше, чем у сорбита.

Сорбит имеет более высокую пластичность (δ, ψ), чем троостит.

Различают низко-, средне- и высокотемпературный отпуски.

При низкотемпературном (низком) отпуске зака­ленную сталь нагревают до температуры 250°С. Мартенсит закалки превращается в отпущенный мартенсит, при этом уменьшаются за­калочные микронапряжения, повышаются прочность и немного вяз­кость, а также незначительно понижается твердость. Такому отпус­ку подвергают измерительный и режущий инструмент и изделия после их поверхностной закалки или химико-термической обра­ботки.

Присреднетемпературном (среднем) отпуске сталь нагревают до температуры 350—500°С, в результате чего она приоб­ретает структуру троостита отпуска или троостомартенсита. После такого отпуска сталь имеет высокие релаксационную стойкость, предел упругости и выносливость. Этот отпуск применяют для изго­товления рессор, пружин, штампов и др.

При высокотемпературном (высоком) отпуске сталь нагревают до температуры 500—680°С, в результате чего она приобретает структуру сорбита отпуска и имеет наилучшее соотно­шение прочности и вязкости. При отпуске при температуре 550—600°С почти полностью снимаются закалочные остаточные на­пряжения.

По сравнению с отжигом или нормализацией закалка стали с высоким отпуском значительно повышает предел прочности, предел текучести, относительное сужение и особенно повышает ударную вязкость.