Технология термической обработки стали

Технология термической обработки стали
11.1. Отжиг I рода

        Отжиг I рода в зависимости от исходного состояния стали и температуры его выполнения может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижение и твердости и снятие внутренних напряжений.
        Характерная особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы происходят независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения (   ) или нет.
        Поэтому отжиг I рода можно проводить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений ( критических точек А₁ и А₃).
        Этот вид обработки в зависимости от температурных условий его выполнения устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную предшествующими обработками.
        Гомогенизация (диффузионный отжиг). Диффузионному отжигу подвергаются слитки легированной стали с целью уменьшения дендритной и внутрикристаллической ликвации, которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлении, к хрупкому излому. Температура отжига - 1100 - 1200⁰С. Выдержка не более 15 - 20 часов. После выдержки охлаждают до 800 - 820⁰С в печи, а далее на воздухе.
        В результате диффузионного отжига получается крупное зерно. Этот недостаток устраняется при последующей обработки слитка давлением или в процессе последующей термической обработки
        Рекристаллизационный отжиг. Под рекристаллизационным отжигом понимают нагрев холоднодеформированной стали выше температуры начала рекристаллизации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением. Снимает наклеп. Температура отжига для углеродистых сталей с 0,08 - 0,2 %С, чаще подвергаемых холодной деформации ( прокатке, штамповке, волочению) , температура отжига находится в интервале - 680 - 740⁰С . Отжиг калиброванных прутков(холодная протяжка) их высокоуглеродистой легированной стали (хромистой, хромокремнистой) проводят при 680-740⁰С в течении 0,5 - 1,5 ч.
        Кроме рекристаллизации феррита при отжиге стали могут протекать коагуляция и сфероидизация цементита, при этом повышается пластичность , что облегчает обработку давлением.
        Высокий отпуск (для уменьшения твердости). После ускоренного охлаждения легированные стали имеют неравновесную структуру - сорбит, троостит, бейнит или мартенсит - и, как следствие этого, высокую твердость. Температура отпуска 650 - 700⁰С в течение 3 - 15 ч. и последующему охлаждению. После высокотемпературного отпуска доэвтектоидная сталь лучше обрабатывается резанием, чем после полного отжига, когда структура - обособленные участки феррита и перлита. Для высоколегированных сталей, у которых практически не отмечается перлитного превращения, высокий отпуск является единственной термической обработкой, позволяющий снизить их твердость.
        Отжиг для снятия остаточных напряжений. Этот вид отжига применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием, в которых в процессе предшествующих технологических операций возникли остаточные напряжения.
        Отжиг стальных изделий для снятия напряжений проводят при температуре 160 - 700⁰С в зависимости от характера причин возникновения внутренних напряжений с последующим медленным охлаждением.
        Остаточные напряжения снимаются и при проведении других видов отжига, например, рекристаллизационого, с фазовой перекристаллизацией, а также при отпуске (особенно высоком) закаленной стали.

11.2. Отжиг II рода

        Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас₁ или Ас₃, выдержке и как правило, последующем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения в этом случае протекают фазовые превращения (    ), определяющие структуру и свойства стали.
        Различают следующие виды отжига: полный, изотермический и неполный.
        Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30 - 50С выше температуры, соответствующей точке Ас₃, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении.
При нагреве до температуры выше точки А₃ на 30-50⁰С образуется аустенит, характеризующий мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность, и возможность достижения высоких свойства после окончательной термической обработки.
Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки А₃ вызывает рост аустенита, что ухудшает свойство стали.
Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита при малых степенях переохлаждения, что бы избежать образования излишне дисперсной ферритно-карбидной структуры и свойственное ей более высокой твердости. Чем больше устойчивость аустенита в области температур перлитного превращения, тем медленнее должно быть охлаждение.
Полному отжигу подвергают сортовый прокат из стали с 0,3-0,4 % С, поковки, фасонные отливки.
Изотермический отжиг состоит обычно в нагреве легированной стали, как и для полного отжига, и в сравнительно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки А₁ (обычно 660 - 680⁰С) При этой температуре назначают изотермическую выдержку 3 - 6 ч., необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.
        Преимущество изотермического отжига         

• в сокращении длительности процесса, особенно для легированных сталей, которые для заданного снижения твердости приходится охлаждать очень медленно.

• в получении более однородной ферритно-перлитной структуры.

Пружинную (канатную ) проволоку из стали, содержащей 0,65-0,9%С, перед холодным волочением подвергают изотермической обработке - патентированию. Для потентирования проволоку подвергают высокотемпературной аустенизации для получения однородного аустенита, а затем пропускают через расплавленную соль температурой 450-550⁰С. В результате изотермического распада аустенита образуется тонкопластинчатый троостит или сорбит. Такая структура позволяет при холодной протяжке давать большие обжатия (более 75%) без обрывов и после заключительного холодного волочения получить высокую прочность (_ = 2000-2250 МПа).
        Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше температуры А₁).
Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучшения обрабатываемости их резанием. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали – вследствие перехода аустенита в перлит. Такой отжиг для конструкционных легированных сталей проводится при 750 - 770⁰С с последующим охлаждением со скоростью 30-60⁰С/ч до 600⁰С, далее на воздухе.
Неполный отжиг доэвтектоидной сталей применяют для улучшения обрабатывания их резанием; для заэвтектоидных и легированных сталей (выше на 10 - 30⁰С Ас₁) для получение зернистого перлита и снятия цементитной сетки и получения ее зернистой структуры после нормализации.
        Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий интервал температур нагрева (750 - 760⁰С) для отжига на зернистый цементит, для заэвтектоидных углеродистых сталей интервал расширяется до 770-790⁰С. Легированные заэвтектоидные стали для получения зернистых карбидов можно нагревать до более высоких температур и в более широком интервале (770- 820⁰С). Охлаждение при сфероидизации медленное, обеспечивающее полный распад аустенита. После отжига на зернистый перлит эвтектоидные и заэвтектоидные стали обладаю наилучшей обрабатываемостью резанием, т.е. возможно применение больших скоростей резания и достигается высокая частота поверхности.
        Отжиг нормализационный (нормализация) заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку _Ас3 на 40 -50⁰С, заэвтектоидной стали до температуры выше точки А_cm также на 40 - 50⁰С, в непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе.
        Нормализация вызывает полную фазовую кристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье и прокатке, ковке или штамповке. Нормализацию широко применяется для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.
        Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество перлита, или, точнее сорбита или троостита. Это повышает прочность и твердость нормализованной среднеуглеродистой стали по сравнению с отожженной. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали, для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При повышении твердости нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высоко отпуска. В этом случае механические свойства несколько ниже, но детали будут подвергнуты меньшей деформации по сравнению с получаемой при закалке, и вероятность появления трещин практически исключается.
        Нормализация с последующим высоким отпуском (600-650⁰С) часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига, так как производительность и трудоемкость этих двух операций выше, чем одного отжига.

11.3. Закалка

        Закалка - термическая обработка - заключается в нагреве стали до температуры выше критической (А₃ для эвтектоидной и А₁ - для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающих критическую.
        Закалка не является окончательной операцией термической обработки, Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергается отпуску.
        Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости. износостойкости и прочности, а конструкционную сталь - для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также высокой износостойкости.
        Выбор температуры закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до температур на 30 - 50⁰С выше точки Ас₃. (аустенит  мартенсит). Заэвтектоидные стали нагревают выше точки Ас₁. При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества цементита
(аустенит + цементит  мартенсит + цементит). Верхний предел закалки ограничивается, так как чрезмерное повышение температуры выше точки А₁ связано с ростом зерна. Поэтому интервал колебания температур закалки невелик (15 - 20⁰С). Закалка от температур выше точки А_cm снижает твердость стали за счет увеличения количества остаточного аустенита.
        Для многих высоколегированных сталей температура нагрева под закалку значительна превышает критические точки А₁ и А₃ (на 150 - 250⁰С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита. Это повышение не ведет к заметному росту зерна так как нерастворенные частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.
        Охлаждающие среды для закалки. Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуру мартенсита в пределах заданного сечения изделия (определенную прокаливаемость) и не должно вызывать закалочных эффектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.
        Чаще всего для закалки используют кипящие жидкости - воду, водные растворы щелочей и солей, масла.
         При закалке в этих средах различают три периода:

• пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется "паровая рубашка"; в этот период скорость охлаждения сравнительно невелика;

• пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки, наблюдаемое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период происходит быстрый отвод теплоты;

• конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости: тепло отвод в этот период идет с наименьшей скоростью.

        Вода как охлаждающая среда имеет существенные недостатки: высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры воды резко ухудшается ее закалочная способность.
        Масло как закалочная среда имеет преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур; постоянство закаливающей способности в широком интервале температур (20-150⁰С). К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость (температура вспышки 165 - 300⁰С); недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, а так же повышенную стоимость.
        Закаливаемость и прокаливаемость стали. Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в результате закалки. Закаливаемость стали определяется в первую очередь содержанием в стали углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое влияние на закаливаемость.
        Под прокаливаемостью понимают способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троото-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину.
        Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если скорость охлаждения больше критической скорости то прокаливаемость будет полной , а если меньше - то неполной..
        За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситой зоны (50% мартенсита и 50% троостита).
         Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающе среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром D_к.
        Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т.е. чем выше устойчивость переохлажденного аустенита.
        Устойчивость переохлажденного аустенита повышается, а критическая скорость закалки уменьшается только при том условии, если легирующие элементы растворяются в аустените.
        Влияние прокаливаемости на механические свойства можно показать на примере. Заготовка из углеродистой стали с 0,45 %С, диаметром 10мм прокаливается в воде на сквозь. После отпуска при 550⁰С получается структура - сорбит отпуска. Для такой структуры характерны высокие механические свойства: _ = 800 МПа;_ = 650 МПа;  = 13 %;  = 40 % КCU = 1 МДж/м². При диаметре заготовки 100 мм и закалке вводе скорость охлаждения в сердцевине значительно меньше критической V_к , и там образуется структура из пластинчатого перлита и феррита. Эта структура обладает более низкими механическими свойствами: _ = 700 МПа;_ = 450 МПа;  = 13 %;  = 40 % КCU = 0,5 МДж/м².
        Способы закалки. Наиболее широко применяют закалку в одном охладителе, такую закалку называют непрерывной. Для уменьшения закалочной деформации применяют другие способы закалки.
        Прерывистая закалка (в двух средах). Изделие сначала быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше М_н, а затем быстро переносят в менее интенсивный охладитель (например масло или воздух), в котором он охлаждается до 20⁰С.
        Закалка с самоотпуском. В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде прерывают, с тем чтобы в сердцевине изделия сохранилось еще некоторое количество теплоты. Под действием теплообмена температура в более сильно охлаждающих поверхностных слоях повышается и сравнивается с температурой сердцевины. Тем самым происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск).
        Ступенчатая закалка. При выполнении закалки поэтому способу сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки М_н (обычно 180 - 250⁰С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до нормальной температуры на воздухе. В результате выдержки в закалочной среде достигается выравниванием температуры по сечению изделия, но это не должно вызывать превращение аустенита с образованием бейнита.
        Изотермическая закалка. закалку по этому способу выполняют в основном так же как ступенчатую, но в данном случае предусматривается более длительная выдержка выше точки М_н . При такой выдержке происходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита. Для многих сталей изотермическая закалка обеспечивает значительное повышение конструктивной прочности.
        Обработка стали холодом. В закаленной стали, особенно содержащей 0,4 - 0,5 % С, у которой точка М_н лежит ниже нуля, всегда присутствует остаточный аустенит. Для его уменьшения применяют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до температуры ниже нуля, что увеличивает ее твердость. Для уменьшения закалочных дефектов обработку холодом желательно выполнять после закалки, а затем для снятия внутренних напряжений провести отпуск.