Основные виды термической обработки стали. Термическая обработка позволяет значительно изменить мно­гие свойства металлов, особенно механические

Термическая обработка позволяет значительно изменить мно­гие свойства металлов, особенно механические.

В машиностроении термической обработке подвергается бо­лее половины объема выпускаемой номенклатуры деталей — от деталей приборов, разнообразных деталей машин до крупных элементов металлургического и энергетического оборудования.

Основными факторами воздействия при термической обра­ботке являются температура и время. Изменяя температуру и скорость нагрева или охлаждения, можно целенаправленно изменять структуру и свойства стали в зависимости от требова­ний, предъявляемых к изделиям. Выбор вида термической обра­ботки определяется характером требуемых структурных изме­нений в металле.

Отжиг сталей

Отжиг является весьма распространенной операцией терми­ческой обработки сталей и чугунов. В зависимости от назначения отжига режимы его могут быть различными. При отжиге сталь нагревают ниже или выше температур критических точек, вы­держивают при этой температуре и затем медленно охлаждают (обычно вместе с печью). В результате получается стабильная структура. Отжиг применяют для устранения неоднородности микроструктуры литых деталей, для снятия наклепа в мате­риале после прокатки, ковки и других видов обработки, а также для подготовки детали к последующей технологической опера­ции (резанию, закалке и т.д.). Температурные области нагрева для диффузионного, рекристаллизационного отжига и отжига для снятия остаточных напряжений в соответствии с диаграм­мой состояния Fe-Fe₃Cуказаны на рис. 4.1.

Диффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют для уст­ранения дендритной ликвации в стальных слитках и отливках. Его также назначают для повышения пластичности и вязкости легированных сталей, что достигается за счет более благоприят­ного распределения избыточных карбидов в результате их час­тичного растворения и коагуляции. Схема технологического процесса включает нагрев до температуры примерно 1100 °С, длительную выдержку (в течение 8...20 ч) и медленное охлаж­дение. Однако из-за высоких температур гомогенизации про­исходит рост зерна стали. Для устранения этого недостатка требу­ется дополнительно проводить полный отжиг или нормализацию.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия на­клепа и повышения пластичности холоднодеформированной стали. Схема технологического процесса включает нагрев до тем­ператур, превышающих порог рекристаллизации (650...760 °С), выдержку в течение 0,5... 1,5 ч и последующее медленное охла­ждение. В процессе такого отжига вытянутые в результате дефор­мации зерна феррита становятся равноосными, а также происхо­дит коагуляция и сфероидизация частиц цементита, в результате чего повышается пластичность сталей.

Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для стальных изделий после литья, сварки или механической обра­ботки. Остаточные напряжения возникают из-за неравномерного охлаждения, неоднородности пластической деформации и могут вызывать изменение размеров, коробление изделий в процессе обработки, эксплуатации или хранения. Схема технологического процесса включает нагрев до 160...700 °С, выдержку в течение 2...3 ч и последующее медленное охлаждение. Выбор темпера­туры зависит от вида предшествующей обработки: после реза­ния — при 570...600 °С, сварки — при 650...700, шлифования — при 160... 180 °С.

Для получения равновесной структуры с целью снижения твердости, повышения пластичности и вязкости стали, улучше­ния обрабатываемости, измельчения зерен отжиг проводят при температурах выше точек Ас₃ или Ас₁ и подразделяют на пол­ный, неполный и изотермический.

Полный отжиг применяют для перекристаллизации всей структуры доэвтектоидной стали с целью измельчения зерна ферритной и перлитной составляющих и снятия остаточных на­пряжений. Схема технологического процесса включает нагрев стальных деталей на 30...50 °С выше точки Ас₃, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение вместе с печью (рис. 4.8, а). При этом образуется мелкозернистый ау­стенит, обусловливающий получение перлита с мелким зерном, что обеспечивает высокую вязкость и пластичность стали.

Разновидностью полного отжига является нормализационный {нормализация). Отжиг в этих случаях обязательно сопровож­дается ос у-фазовыми превращениями.

Нормализационный отжиг применяется для получения мел­козернистой однородной структуры, устранения цементитной сетки в структуре заэвтектоидной стали, частичного снятия внутренних напряжений и наклепа, улучшения штампуемости и обрабатываемости резанием. Схема технологического процес­са включает нагрев на 30...50 °С выше Ае₃ для доэвтектоидных

1 Ф + П |—*4АМ Ф + II

 

 

Рис. 4.8. Режим отжига стали: а — полный; б — нормализационный

 

или выше Ас_ст для заэвтектоидных сталей, выдержку в течение 0,5...3,0 ч с последующим охлаждением на воздухе (рис. 4.8, б). Нормализация — более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как ускоренное охлаждение на воздухе приводит к сокращению времени, затрачиваемого на охлаждение деталей. Кроме того, нормализация приводит к получению сталей более высокой прочности, так как распад аустенита происходит при более низких температурах, что повышает дисперсность ферри­тоцементитной смеси. Эту особенность охлаждения на воздухе используют для среднеуглеродистых сталей, чтобы заменить улучшение (для изделий неответственного назначения). Нормали­зацию с последующим высоким отпуском (600...650 °С) часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига, что обеспечивает повышение произво­дительности.

Неполный отжиг применяется для улучшения обрабатывае­мости резанием и получения зернистого перлита в структуре за­эвтектоидных сталей. Схема технологического процесса включает нагрев на 30...50 °С выше точки Ас_1У выдержку и последующее медленное охлаждение. Следует отметить, что в доэвтектоидных сталях при неполном отжиге происходит частичная перекристал­лизация, так как перлит превращается в аустенит полностью, а избыточный феррит — лишь частично. Поэтому доэвтектоид- ные стали подвергают неполному отжигу тогда, когда необходима перекристаллизация только перлитной составляющей структуры стали.

Заэвтектоидная сталь подвергается только неполному отжигу, так как при этих температурах происходит практически полная перекристаллизация перлита, который приобретает зернистое строение вместо пластинчатого. Зернистое строение обеспечива­ется тем, что при небольшом превышении температуры нагрева надAc_iаустенит сохраняет неоднородность и частицы не полно­стью растворившегося цементита служат зародышами при после­дующей кристаллизации перлита из аустенита в процессе охла­ждения стали.

Для получения структуры зернистого перлита (рис. 4.9) темпе­ратуру нагрева выбирают в диапазоне 750...760 °С для эвтекто- идных сталей и 770...790 °С для заэвтектоидных. Охлаждение выполняют с малой скоростью до температуры образования кар­бидов, выдерживают при этой температуре 1...3 ч, а затем быстро

Рис. 4.9. Перлит зернистый (структура состоит из ферритной матрицы, в которой вместо цементитных пластинок появились сфероиды различ­ного размера)

 

охлаждают на воздухе. Стали со структурой зернистого перлита лучше обрабатываются резанием, так как имеют более низкую твердость (160...180 НВ), чем стали с пластинчатым перлитом (180...250 НВ). Так как при этом виде отжига получается зер­нистая (сфероидальная) форма частичек цементита, его называ­ют сфероидизирующим.

Изотермический отжиг применяется для измельчения зерна, снижения твердости и снятия внутренних напряжений. При этом в 2...3 раза сокращается длительность технологического процесса, что особенно важно при отжиге больших поковок из легирован­ных сталей. Схема технологического процесса включает нагрев деталей до температур выше точки Ас₃ на 20...30 °С, выдержку и последующее сравнительно быстрое охлаждение до температур 680...620 °С (ниже температуры точки Аг_г на 50...100 °С) и вы­держку при этой температуре до полного распада аустенита, после чего детали охлаждают на воздухе.

Для ускорения процесса отжига температуру изотермической выдержки выбирают близкой к температуре минимальной устой­чивости переохлажденного аустенита в перлитной области. Это приводит к получению более однородной ферритно-пгерлитной структуры, так как при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение по всему объему детали происходит при одинаковой степени переохлаж­дения.

Закалка сталей

Закалка является основным видом упрочняющей термиче­ской обработки сталей и чугунов. При закалке детали нагревают выше критических температур, а затем охлаждают со скоростью, превышающей критическую. Под критической скоростью закал­ки понимают минимальную скорость охлаждения, обеспечиваю­щую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Это позволяет получить неравновесную структуру с высокой твер­достью, износостойкостью и прочностью. После закалки стали обычно следует отпуск, позволяющий снять термические на­пряжения и оптимизировать ее свойства.

Температуру закалки (рис. 4.10, а) выбирают в зависимости от температуры критических точек с учетом химического состава сталей. Для углеродистых сталей температура закалки определя­
ется по левой нижней части диаграммы Fe—Fe₃C. В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При полной закалке изделия нагревают на 30...50 °С выше линии Ас₃, а при неполной — на 30...50 °С выше линии Ас₁. Перегрев выше указанных температур приводит к ухудшению структуры углеро­дистых сталей из-за роста аустенитного зерна. Для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, нагрев ведут на 150...250 °С выше критических точек для полного растворения карбидов перед закалкой.

Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной за­калке (Ас₃ + 30...50 °С), так как при этих температурах обеспе­чивается полное превращение ферритно-перлитной структуры в структуру мелкозернистого аустенита, а соответственно, после охлаждения — мелкокристаллического мартенсита (рис, 4.10, б):

д ф нагрев А з ^ ^ охлаждение ^ вд

Неполная закалка с межкритических температур приводит к сохранению в структуре закаленной стали кристаллов доэвтек- тоидного феррита:

П + Ф -^1Шгрд,!^А») А + ф охлаждение _{> м + ф<}

t, °С

Сплав II

0 I 1,011 2,0 С, %

Рис. 4.10. Температурные области нагрева (а), схемы закалки и структуры доэвтектоидной (б) и заэвтектоидной (в) сталей

аt,° С 1200

Из-за низкой твердости феррита твердость стали после закалки будет неоднородна (рис. 4.11) и существенно понижена, поэтому неполная закалка доэвтектоидных сталей применяется редко.

Рис. 4.11. Дефект «мягкие пятна»

 

При нагреве заэвтектоидных сталей на 30...50 °С выше тем­пературы точки Ас₁ перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной, следова­тельно, структура нагретой стали состоит из аустенита и цемен­тита:

П + Ц„ ^нагре1'^А' > А + Ц„ °*^{лаждепие}> М + Ц„.

Ее закалка приведет к превращению аустенита в мартенсит, зерна которого окаймлены частицами нерастворенного цементита (см. рис. 4.10, в). Такая сталь обладает повышенной твердостью и износостойкостью. Закалка заэвтектоидных сталей от темпе­ратур выше А_ст снижает твердость стали из-за увеличения ко­личества остаточного аустенита и, самое главное, может вызвать перегрев. Поэтому для заэвтектоидных сталей обычно применя­ется неполная закалка.

Нагрев под закалку осуществляется в пе.чной атмосфере, рас­плавленных солях или металлах (обычно свинец). На рис. 4.12 приведены схемы печей, применяемых для термической обра­ботки деталей. Это камерные, толкательные, шахтные и конвей­ерные печи.

По источнику теплоты печи подразделяются на электриче­ские и топливные (газовые и, редко, мазутные).

а б Рис. 4.12. Печи для термической обработки деталей: а — камерная; б — толкательная; в — шахтная; г — конвейерная

 

Скорость и время нагрева деталей зависят от температуры в печи, степени легирования стали, конфигурации деталей, мощ­ности и типа печи, объема садки и способа укладки деталей.

Время выдержки исчисляется с момента достижения деталями заданной температуры и так же, как и время нагрева, зависит от многих факторов, влияющих на структурные превращения, происходящие в стали. Ориентировочные значения длительности нагрева на 1 мм толщины изделия составляют в электропечах 1...2 мин, в пламенных печах — 1, в соляных ваннах — 0,2...0,5, в свинцовой ванне — 0,2...0,15 мин. Время выдержки обычно составляет 15...25 % от времени нагрева.

Для предотвращения обезуглероживания и окисления метал­ла рабочее пространство печи заполняют защитной атмосферой, состав которой постоянно контролируется. Обычно используют атмосферы из смеси метана, азота, водорода и оксидов углерода.

Наиболее ответственной операцией при закалке является охла­ждение, которое должно осуществляться со скоростью, равной или выше критической (У_кр), чтобы получить структуру мартенсита. Для углеродистых сталейV_Kpсоставляет 1400...400 °С/с. Такие скорости охлаждения достигаются погружением закаленных деталей в холодную воду или в воду с добавками солей. Быстрое охлаждение необходимо только в интервале наименьшей устой­чивости аустенита, а при дальнейшем понижении температур, особенно в мартенситном интервале, быстрое охлаждение не только не нужно, но и нежелательно, так как ведет к увеличе­нию остаточных напряжений и образованию трещин.

Нежелательно и слишком медленное охлаждение в мартен­ситном интервале, так как может произойти частичный отпуск мартенсита и возрасти количество остаточного аустенита из-за его стабилизации, что снижает твердость стали. Наилучшей зака­лочной средой является та, которая быстро охлаждает в интер­вале температур 550...650 °С (область температур наименьшей устойчивости аустенита) и медленно — ниже 200...300 °С (об­ласть температур мартенситного превращения).

При закалке различают три периода охлаждения:

1) пленочное охлаждение — на поверхности детали образуется паровая рубашка, отделяющая поверхность от всей массы жидко­сти и обусловливающая сравнительно небольшие скорости охла­ждения;

2) пузырьковое кипение — наступает при низких температу­рах охлаждаемой поверхности, когда паровая пленка разруша­ется; в результате этого происходит быстрый отвод теплоты, так как на образование пузырьков пара расходуется большое ее коли­чество;

3) конвективный теплообмен — наблюдается при понижении температуры поверхности ниже температуры кипения жидкости; отвод теплоты в этот период происходит с наименьшей скоростью.

В табл. 4.2 приведены наиболее широко применяемые охла­ждающие среды и обеспечиваемые ими скорости охлаждения.

При закалке в воде из-за высоких скоростей охлаждения в области температур мартенситного превращения возникают большие структурные напряжения, что создает опасность воз­никновения трещин. При использовании горячей воды снижа­ется скорость охлаждения в интервале температур 550...650 °С, а скорость охлаждения в области мартенситного превращения остается высокой и вероятность образования трещин не умень­шается. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способ­ностью обладают 8...12%-ные водные растворы NaClи NaOH. В интервале температур мартенситного превращения эти рас­творы охлаждают быстрее, чем вода.

Таблица 4.2 Охлаждающие среды Охлаждающая среда Температура охлаждающей среды, °С Скорость охлаждения в интервале температур, °С/с 650...550 °С 300...320 °С Вода                               10% -ный водный раствор:       NaCl       NaOH       5% -ный раствор марган­       цовокислого калия       Масло минеральное     40...60

 

Масло охлаждает значительно медленнее, чем вода, и обеспе­чивает небольшую скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения. Это объясняется тем, что темпера­тура кипения масла (250...300 °С) повышает температуру перехода от стадии пузырчатого кипения к конвективному теплообмену и, как следствие, обеспечивает уменьшение скорости охлажде­ния в области температур мартенситного превращения.

Закалку углеродистых и некоторых низколегированных ста­лей проводят в воде и водных растворах NaClи NaOH. Для леги­рованных сталей применяют минеральное масло.

В практике термической обработки сталей наряду с непрерыв­ной закалкой широкое применение находят закалка в двух средах и ступенчатая закалка. Закалка в двух средах состоит в преры­вистом охлаждении изделия — сначала в воде до температуры 300 °С, а затем в масле или на воздухе до 20 °С. Такой режим закалки обеспечивает быстрое прохождение температурного ин­тервала минимальной устойчивости аустенита при охлаждении в воде, а перенос изделия на воздух или в масло уменьшает внут­ренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаж­дении.

Ступенчатая закалка включает охлаждение нагретого из­делия сначала в расплавленных солях, имеющих температуру на 180...250 °С выше М_И (см. рис. 4.6, б), непродолжительную выдержку для выравнивания температуры по всему сечению изделия, а затем охлаждение на воздухе. Образование мартенсита происходит в этом случае при охлаждении на воздухе. При таком методе закалки получение мартенсита возможно в легированных сталях с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в интервале температур перлитного превращения и в изделиях небольшого сечения (10...12 мм) из низко- и среднеуглероди- стых сталей. После такой закалки уровень внутренних напряже­ний и склонность к образованию трещин меньше.

Закалка с обработкой холодом предусматривает продолжение охлаждения закаленной стали до температур ниже нуля. В струк­туре закаленных сталей, у которых точка М_к лежит в области минусовых температур, всегда присутствует значительное ко­личество остаточного аустенита (см. рис. 4.6, б и рис. 4.13). Об­работку холодом проводят для уменьшения его количества. Это особенно важно для сталей, которые используются для изготов­ления мерительного инструмента, пружин и деталей подшип­ников качения. В результате самопроизвольного превращения аустенита в мартенсит понижаются твердость, износостойкость, нередко изменяются размеры деталей, работающих при низких температурах.

Обработку холодом выполняют сразу после закалки, а затем проводят низкий отпуск. Выдержка в течение 3...6 ч стабили­зирует аустенит и уменьшает эффект обработки холодом.

Рис. 4.13. Между иглами мартенсита отчетливо выделяются светлые аустенитные участки