Технология термической обработки стали

Для полного или частичного перевода сталей в структурно-равновесное состояние применяют различные виды отжига.

Отжигом называют такой вид термической обработки, при котором сталь нагревают ниже или выше температуры критических точек, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают.

Твердость стали после отжига составляет НВ=180-250 кГ/см². Скорость охлаждения в печи = 1-5 °С/мин. Сталь имеет перлитную структуру, т.е. феррито-цементитную эвтектоидную смесь.

Отжиг I рода проводят при температурах выше или ниже температур фазовых превращений. Этот вид отжига устраняет химическую или структурную неоднородность, созданную предшествующими обработками.

Основные виды отжига I рода:

- диффузионный отжиг. Применяется для устранения дендритной ликвации (химической неоднородности) в слитках и отливках. Нагрев до 1100-1200 °С с выдержкой 12-15 часов (иногда до 100 часов) и медленным охлаждением. Недостаток – укрупнение зерна. Для исправления структуры применяется нормализация;

- рекристаллизационный отжиг. Применяется для устранения наклепа после холодной пластической деформации или как промежуточный отжиг при волочении. Нагрев до 727 °С.

Отжиг II рода заключается в нагреве стали выше точек А₁ или А₃, выдержке и, как правило, последующем медленном охлаждении (вместе с печью). При этом виде отжига протекают фазовые превращения, определяющие структуру и свойства стали. Различают полный и неполный отжиг II рода.

Полный отжиг состоит в нагреве до 30-50ºС выше А₃, выдержке и медленном охлаждении. Образуется мелкозернистая феррито-цементитная смесь. Его обычно применяют для доэвтектоидных сталей с целью измельчения зерна. В результате повышаются пластичность и обрабатываемость резанием.

Неполный отжиг производится при температуре выше А_1, но ниже А₃, или А_ст. Структура сталей после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цементит. Отжиг II рода применяют для получения равновесной структуры в целях снижения твердости, повышения пластичности и вязкости стали; улучшения обрабатываемости; измельчения зерна.

Неполному отжигу на зернистый перлит обычно подвергают заэвтектоидные инструментальные стали. После неполного отжига карбиды приобретают округлую форму, исчезает сетка вторичного цементита, которая ухудшает обрабатываемость.

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку А₃ на 40…50°С, заэвтектоидной стали до температуры выше критических точек А_ст также на 40…50°С, в непродолжительной выдержке для завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация является более экономичным видом термообработки, чем отжиг.

Углеродистые стали после нормализации несколько прочнее, чем после отжига. Их пластичность при этом ниже максимально возможной.

Твердость стали после нормализации составляет: сорбитная структура – НВ=250-350 кГ/см², трооститная структура - НВ=350 – 500 кГ/см². Сорбит и троостит – это мелкозернистая феррито-цементитная смесь, поэтому соответственно с этой структурой в «нормализованных» сталях несколько повышена твердость по сравнению с результатами обыкновенного отжига при более высоком пределе текучести и хорошей вязкости.

Упрочняющие виды термической обработки углеродистых сталей – закалка и отпуск.

Закалка - это термическая операция, состоящая из нагрева стали до температуры аустенитного состояния, выдержки при этой температуре с последующим охлаждением со скоростью больше критической (V > Vкр).

Целью закалки является, главным образом, повышение прочности и твёрдости стальных изделий. Твердость стали после закалки составляет НВ=650 - 700 кГ/см². В результате закалки аустенит превращается в мартенсит (рис. 5).

 

Рисунок 5 – Структура стали марки У8 после закалки: мелкоигольчатый мартенсит, х500.

Как уже говорилось (см. стр. 4) критическая скорость закалки – это минимальная скорость охлаждения, при которой образуется мартенсит. Эта скорость представляет собой касательную к линии начала распада аустенита на диаграмме его изотермического распада. На этой же диаграмме удобно графически изобразить различные способы закалки (координаты: температура-время, рис. 6).

В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку. При полной закалке сталь нагревают на 30–50ºС выше А₃ или А _ст и при быстром охлаждении образуется мартенситная структура с некоторым количеством остаточного аустенита.

Рисунок 6 – Схема диаграммы изотермического распада аустенита для стали У8 с нанесенными на нее режимами охлаждения при различных способах закалки

При неполной закалке сталь нагревается на 30–50ºС выше А₁, но ниже А₃ или А _ст . После неполной закалки в доэвтектоидных сталях структура состоит из мартенсита и зерен феррита, а в заэвтектоидных – из мартенсита и округлых зерен вторичного цементита. Наличие феррита в структуре закаленной стали снижает ее твердость. Наличие избыточного цементита в структуре закаленной заэвтектоидной стали наоборот полезно, так как округлые зерна вторичного цементита повышают твердость и износостойкость, что важно для инструментальных заэвтектоидных сталей.

Нагрев до более высоких температур вызывает рост зерна аустенита, увеличение уровня внутренних напряжений в сталях при закалке, возможное коробление, трещинообразование и поэтому нежелателен. Практически время выдержки для углеродистых сталей выбирается из расчета - одна минута на каждый миллиметр сечения детали.

Таким образом, для доэвтектоидных сталей рационально применять полную закалку, а для заэвтектоидных – неполную закалку.