Основы термической и химико-термической обработки стали

Термической обработкой, называют совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлических сплавов, находящихся в твердом состоянии, для изменения их структуры, и получения нужных физико-механических свойств.

Отжиг - нагрев стали до заданной температуры, выдержка и медленное охлаждение (вместе с печью) для получения не напряженной структуры и устранение мехвации.

Отжиг бывает I и II рода. Рекристаллизационный отжиг (I рода) - нагрев сплава для устранения наклепа, полученного в результате холодной деформации и повышения пластичности. Этот вид термообработки основан на процессах возврата, рекристаллизации и гомогенизации.

Отжиг с фазовой перекристаллизацией (II рода), характеризуется нагревом сплава выше температуры фазовых превращений, с целью снижения твердости и устранения структурной неоднородности стали.

Нормализация - нагрев стали выше температуры фазовых превращений, с последующим охлаждением на воздухе (в нормальных условиях), для улучшения микроструктуры стали и повышения механических свойств, а также для подготовки к последующей термообработке.

Закалка - нагрев стали выше температуры фазовых превращений, с последующим охлаждением по определенному режиму, для получения нужной структуры и повышения прочности и твердости.

Отпуск - нагрев закаленной стали ниже температуры фазовых превращений, для снятия температурных напряжений и получения более равновесной структуры.

 

Основные факторы термической обработки - это температура и время.

 

 

АБ - скорость нагрева сплава;

БВ - выдержка при заданной температуре;

V₁, V₂, V₃, V₄ - скорость охлаждения.

 

Теория и технология термической обработки стали.

Теория термической обработки.

Превращения при нагреве стали.

При нормальной температуре доэвтектоидные стали имеют структуру феррит + кермет, эвтектоидные - кермет, заэвтектоидные - кермет + цементит, т.е. исходное состояние сталей - феррит и цементит.

При нагреве более 727°С происходит фазовое превращение a-железа в g-железо и растворение цементита в g-железе с образованием аустенита.

Доэвтектоидные стали на участке GSP - имеют структуру феррит - аустенит. На линии GS - феррит полностью растворяется в аустените.

Эвтектоидные стали выше S, имеют структуру аустенита.

В заэвтектоидных сталях премет превращается в аустенит, который в дальнейшем при нагревании растворяет вторичный цементит.

Т.о. любой нагрев стали выше GSЕ приводит к превращению ее в аустенитное состояние.

Превращение аустенита при непрерывном охлаждении.

Аустенит устойчив только при температурах выше линии GSЕ. При охлаждении ниже этой линии начинается его превращение.

При медленном охлаждении с температуры выше 727°С происходит эвтектоидное превращение аустенита с образованием смеси феррит и цементита - кермета. Аустенит превращается в кермет диффузионно; углерод выделяясь из аустенита, образует зародыши цементитовых включений.

Количество зародышей и скорость их роста зависят от степени переохлаждения. При малой степени переохлаждения аустенит превращается в смесь крупных частиц феррита и цементита (т.к. число центров мало и они успевают вырасти). С увеличением степени переохлаждения можно получить смесь феррита с цементитом, в результате чего твердость и прочность возрастают, а плотность снижается.

Регулируя степень переохлаждения аустенита, можно изменять характер продуктов его распада и получать следующие структуры: кермет, сорбит, троостит, мартенсит.

Кермет, сорбит и троостит являются смесью феррита и цементита с различной степенью измельченности.

 

Сорбит и троостит получаются при повышенных скоростях охлаждения (40-80°С). Сорбит имеет хорошую вязкость и упругость. Троостит меньшую вязкость чем сорбит.

При охлаждении со скоростью 150-300°С образуется мартенсит. Он имеет игольчатое строение, высокую твердость, большую хрупкость и внутреннее напряжение. Он неустойчив по своей природе и при определенных условиях может распадаться.

Отжиг. В зависимости от температуры отжига различают: диффузионный отжиг (гомогенизация), полный отжиг, неполный отжиг, отжиг на зернистый кермет, изотермический отжиг.

 

Троостит.

Диффузионный отжиг обычно применяют когда в сплаве наблюдается зернистая или внутрикристаллическая меквация. При этом виде отжига используют процесс диффузии в твердом растворе, приводящий к выравниванию в стали концентрации углерода и примесей. Иногда такой отжиг называют гомогенизацией, т.к. цель его - сделать сталь однородной (гомогенной).

 

Отжиг операция нагрева стали выше А_С1 (727°С) на 150-300°С, длительной выдержкой при данной температуре и последующим медленным охлаждением. Диффузионный отжиг применяют для слитков из легированных сталей.

Полный отжиг - сталь нагревают выше критической точки А_С3 на 30-50°С выдерживают при данной температуре, а затем медленно охлаждают. Этот вид отжига проводят чтобы снизить вязкость, т.е. привести сталь в равновесное состояние.

Полный отжиг применяют для доэвтектоидных углеродистых и легированных сталей, находящихся в неравновесном состоянии, т.е. когда сталь закалена, недоотпущена, после горячей обработки давлением.

Для заэвтектоидных сталей полный отжиг не применяется, т.к. при медленном охлаждении этих сталей с температур выше А_ст вторичный цементит выделяется по границе зерен аустенита и при нормальной температуре сохраняется в виде сетки, окаймляющей зерна кермета, что придает стали хрупкость.

Неполным отжигом - называется нагрев стали выше критической точки А_С1 на 30-50°С, выдержка при заданной температуре и последующее медленное охлаждение. Данный отжиг является наиболее общим видом термической обработки, потому что он может быть применен не только к сталям, но и ко всем металлическим материалам, в которых возникают внутренние напряжения. При неполном отжиге наблюдают только частичную перекристаллизацию. Избыточный феррит в доэвтектоидных сталях или цементит в заэвтектоидных сталях не переходят в твердый раствор (аустенит).

Неполный отжиг для доэвтектоидных сталей применяют для исправления структуры (измельчения зерна) после обработки давлением. Такому обжигу подвержены эвтектоидные доэвтектоидные стали для снятия внутренних напряжений, уменьшения твердости, увеличения пластичности.

Отжиг на зернистый кермет

Сталь имеющую структуру пластичного кермета нагревают до температуры 740°С, 5 часов выдерживают при данной температуре, затем медленно охлаждают до 680°С (А_Т1) и опять выдерживают 5 часов. После этого весь процесс повторяют до получения необходимой степени сфероидизации цементита. Иногда этот отжиг называют цикличным. Цель такого отжига - перевод пластичного кермета в зернистый, уменьшение прочности и твердости, улучшение обрабатываемости.

Изотермический отжиг - сталь нагревают как и для полного отжига, быстро охлаждают до температуры меньше А_С1 на 50 -100°С, при этой же температуре выдерживают до полного распада аустенита на кермет. После выдержки охлаждение ведут на воздухе (для легированных сталей).

Нормализация.

Это более экономичный, чем отжиг, термический процесс (нет операции охлаждения металла вместе с печью).

Нормализация зависит от состава стали. При нормализации измельчается зерно кермета, разрушается сетка цементита в заэвтектоидных сталях и увеличиваются механические свойства стали. В этих случаях нормализация служит окончательной операцией термической обработки.

Закалка.

Это нагрев стали до определенной температуры (на 30-50°С выше линии GSК), выдержка и быстрое охлаждение в воде, масле, расплавленных солях и других средах.

Изменение свойств стали при закалке связано с образованием неравновесных структур (мартенсит, троостит, сорбит). Закалка основана на фазовых превращениях при нагреве и охлаждении.

Скорость охлаждения, при которой в структуре стали, фиксируется образование чистого мартенсита, называют критической скоростью закалки. Она зависит от температуры нагрева стали перед закалкой, ее состава, размера зерен и других факторов.

При закалке, происходит превращение аустенита в мартенсит. Превращение происходит мгновенно, и измерить скорость роста кристаллов трудно.

Аустенит не успевший распасться называется остаточным.

При закалке доэвтектоидные стали, имеющие в равновесном состоянии структуру феррит - кермет, нагревают до температуры выше линии GS для получения аустенита (на 30-50°С).

После выдержки при данной температуре сталь охлаждают с критической скоростью для получения мартенсита.

Закалка с нагревом до температуры (между линиями РS и GS) называют неполной закалкой.

Заэвтектоидные стали, имеющие структуру кермет + цементит нагревают под закалку выше линии SК на 30-50°С. Кермет перейдет в аустенит, а цементит сохранится, и при быстром охлаждении стали, ее структура будет состоять из мартенсита и избыточного цементита. Присутствие цементита - повышает износостойкость стали.

Наиболее распространенные закалочные среды - вода, различные масла, водные растворы солей, иногда расплавленные металлы и соли.

Желательно, чтобы закалочная среда быстро охлаждалась в интервале температур малой усталости? аустенита (600-550°С), и медленно в интервале 300-200°С, чтобы уменьшить деформации и напряжения.

Вода создает энергичное охлаждение в двух температурных интервалах и это является недостатком.

Масла имеют изменение охлаждения в 10 раз меньше, чем вода, что уменьшает возможность возникновения дефектов при закалке.

Применяют несколько способов закалки:

1. Закалка в одном охладителе (самая распространенная для углеродистых и легированных сталей): Нагретое до температуры закалки изделие погружают в охлаждающую среду до полного охлаждения (углеродистые стали в воде, легированные стали - в масле). Этот способ может вызвать появление внутренних напряжений.

2. Прерывистая закалка (в двух средах): при закалке крупных изделий из углеродистой и низколегированной стали. Сначала изделие резко охлаждают в воде до 300-200°С, затем переносят в масло или на воздух, где они медленно охлаждаются. Недостатком является трудность распределения время выдержки.

3. Ступенчатая закалка: нагретое изделие погружают в соляную ванну, температура которой больше температуры начального мартенситного превращения стали. Затем изделие выдерживают в ванне для выравнивания температуры по всему его объему и охлаждают на воздухе до нормальной температуры, что уменьшает внутреннее напряжение (для тонких стальных изделий из углеродистых сталей).

4. Закалка с самоотпуском (по цветам??????) изделие охлаждают от температуры закалки в охлаждаемой среде, только в течении времени, которое необходимо для его прокаливания на определенную глубину. Дальнейшее охлаждение идет на воздухе. При этом осуществляется отпуск за счет теплоотдачи из внутренних слоев изделия (применяют для ударного инструмента).

5. Изотермическая закалка: характерна промежуточным охлаждением в соляной ванне с заданной температурой до конца превращения аустенита, с последующим быстрым охлаждением (ударный инструмент).

6. Поверхностная закалка: нагрев поверхностного слоя до температуры закалки и охлаждения для получения мартенситной структуры в поверхностном слое при сохранении вязкой сердцевины.

4 вида нагрева при поверхностной закалке: нагрев пламенем газовой горелки, контактный электронагрев, нагрев токами высокой частоты, нагрев в электролите.

Наибольшее распространение в промышленности получил способ поверхностной закалки токами высокой частоты, а при ремонте - пламенем газовой горелки. Поверхностный слой изделия нагревают пламенем газовой горелки до температуры закалки, а затем быстро охлаждают водой - поверхностный слой быстро нагревается, а внутренние слои не успевают. Такой способ позволяет получить высокую поверхностную прочность и сохранить вязкой середину, устраняет образование закалочных трещин.

Поверхностная закалка токами высокой частоты основана на нагреве поверхности вихревыми токами. При этом используется явление поверхностного эффекта, заключающегося в неравномерном распространении плотности переменного тока по сечению проводящего тела. Чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева. Деталь нагревают в инкубаторе, по которому пропускают ток, он представляет собой медную трубку, изогнутую по контуру нагреваемого изделия. Закалочной средой служит вода, эмульсия, масло и др.

Отпуск.

Отпуск - нагрев закаленной стали до температуры ниже 727°С, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение на воздухе. Цель отпуска - повышение вязкости закаленной стали при сохранении высокого предела прочности, уменьшение внутренних напряжений после закалки и получение устойчивых структур.

В зависимости от температуры - низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий - нагрев закаленной стали до 250°С для снижения внутренних напряжений при сохранении высокой твердости (для инструментов и изделий, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, в том числе для цементированных изделий).

Средний - нагрев до 350-450°С, который приводит к понижению твердости и повышению вязкости стали по сравнению с низким отпуском. Кроме того происходит образование более устойчивой структуры троостита и троостосорбита (для пружин, штампов, рессор и др.).

Высокий - нагрев от 450-650°С, который способствует получению наибольшей вязкости при сохранении высокой прочности. Твердость снижается и образуется сорбит. Этот процесс называется улучшением. Сорбит отпуска с зернистой формой цементита имеет более высокие показатели прочности и вязкости, чем сорбит закалки с пластинчатой формой цементита.

 

Обработка холодом - отпуск при температуре ниже нуля (обработка закаленных изделий холодом при температуре порядка -80°С и ниже. Остаточный аустенит при низких температурах распадается в результате возникновения внутренних напряжений. Данный метод повышает твердость режущего инструмента.