Технология термической обработки стали
Отжиг 1 и 2 рода.
К отжигам первого рода относятся рекристаллизационный отжиг и отжиг для снятия внутренних напряжений.
Рекристаллизационный отжиг - нагрев холоднодеформированного металла выше температуры рекристаллизации, выдержка и медленное охлаждение для снятия наклепа . Используется, как предварительная обработка перед холодной пластической деформацией, как промежуточная операция между операциями холодной деформации или как конечная операция после обработки давлением. Температура отжига зависит от состава стали и для достижения рекристаллизации по всему объему превышает температурный порог рекристаллизации. Для стали, содержащей 0,08-0,20% С, чаще подогреваемой холодной пластической деформации, температура отжига 680-700°. Продолжительность нагрева 0,5-1,5 часа, время выдержки должно быть достаточным для завершения рекристаллизационных процессов.
Отжиг для снятия внутренних напряжений.
Применяется для снятия остаточных напряжении, возникших в процессе предшествующих технологических операций (литье, сварка, обработка резаньем и т.д.). Температура отжига обычно 550-680°С. Время выдержки устанавливается экспериментально, охлаждение медленное до 200-300°С. В результате термической обработки повышаются допустимые внешние нагрузки, сопротивляемость усталости и ударным нагрузкам, снижается склонность к хрупкому разрушению, стабилизируются размеры и предотвращается коробление и поводка изделий. Отжиги 2 рода различаются главным образом способами охлаждения и степенью переохлаждения аустенита, а также положением температур нагрева относительно критических точек. Это полный , изотермический , нормализационный отжиги, патентирование ( характерны для доэвтектоидных сталей). Заэвтектоидные стали подвергаются сфероидизирующему отжигу и нормализации (нормализационный отжиг). Температуры нагрева приведены – на рис .8.21.
Полный отжиг - нагрев на 30-50° выше точки Ac1, выдержка и охлаждение вместе с печью (график 2 на рис.8.21) до 200-400°, дальнейшее охлаждение на воздухе (ускоряется технологический процесс). Чрезмерное повышение температуры недопустимо т.к. вызывает рост аустенитного зерна и ухудшает свойства. Легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, следует охлаждать медленнее (10-100 град/час), чем углеродистые(150-200град/ час). Структура после отжига доэвтектоидной стали Ф + П, зерно обычно измельчается.
Неполный отжиг - нагрев на 20-50° выше Ac1, выдержка и медленное охлаждение (график 2 на рис. 8.21), для доэвтектоидных сталей применяют с целью улучшения обрабатываемости, при этом происходит только перекристаллизация перлита, для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг, который обеспечивает сфероидизацию цементита и высокие свойства, поэтому этот отжиг называют сфероидизирующим. Полный отжиг (с нагревом выше Асm) для заэвтектоидных сталей не используется, т.к. при медленном охлаждении образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства.
Изотермический отжиг - нагрев производится также как и для полного отжига, затем быстро охлаждают (переносят в другую печь) до температур лежащих на 100-150°, ниже Aс1 и делают изотермическую выдержку до полного распада аустенита после чего охлаждают на воздухе (график 5 на рис.8.21). Преимущество уменьшение длительности процесса, особенно для легированных сталей, получение более однородной структуры.
Используется для заготовок и др. изделий небольших размеров, т.к. при больших массах металла невозможно обеспечить равномерное охлаждение до температуры изотермической выдержки.
Нормализационный отжиг (нормализация) - нагрев на 30-50оС выше температуры линии GSE (рис. 8.21), выдержка и охлаждение на воздухе Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной структуры. Это повышает на 10-15% прочность и твердость средне - и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок взамен закалки и отпуска. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо полного отжига (процесс менее длителен, а свойства близки). Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализация может быть конечной термической операцией. Для заэвтектоидных сталей нормализация применяется для устранения цементитной сетки.
Патентирование - для получения канатной, пружинной и рояльной проволоки применяют изотермическую обработку, называемую патентированием. Проволоку из углеродистых сталей, содержащих от 0,45 до 0,85 % С нагревают в проходной печи до температуры на 150-200° выше Асз , пропускают через свинцовую или соляную ванну с температурой 450-550° и наматывают на приводной барабан. Распад аустенита происходит около изгиба С- образных кривых. Структура феррито-цементитная, троостит патентирования. Избыточных фаз нет. После такой термической обработки проволоку подвергают многократному холодному волочению. В результате она имеет предел прочности до 200 кг/мм 2(возможно получить до 500 кг/мм2).
Закалка стали.
Температура закалки определяется положением критических точек A1 и Аз . Доэвтектоидные стали нагревают под закалку до температуры Асз +30- 50 °С (структура после закалки М + Аост (при С > 0,5 %), заэвтектоидные до Ac1 +20 -30 °С , (структура после закалки М + Ц2 + Аост) (рис .8.22). При закалке доэвтектоидных сталей с температур, соответствующих интервалу Ac1 - Асз, в структуре закаленной стали сохраняется феррит, снижающий прочность и твердость. Перегрев заэвтектоидной стали приводит к росту зерна, что вызывает снижение прочности и сопротивления хрупкому разрушению закаленной стали. Легирующие элементы как правило повышают температуру нагрева и выдержки должны обеспечивать завершение фазовых превращений и не вызывать роста аустенитного зерна и обезуглероживания (рассчитывается по нормативным данным). Нагрев желательно производить в защитной газовой среде, предохраняющий металл окисления и обезуглероживания.
Охлаждающие (закалочные) среды должны обеспечить высокую однородность охлаждения при высокой ( выше критической ) скорости охлаждения. Однако целесообразно замедленное охлаждение в области температур мартенситного превращения (ниже 200-300°), чтобы предотвратить образование повышенных внутренних напряжений, приводящих к трещинам.
Критическая скорость охлаждения (критическая скорость закалки) это минимальная скорость, при которой аустенит еще не распадается на феррито-цементную смесь (касательная к С - кривым)(рис. 8.23).
При закалке конструкционных углеродистых и низколегированных сталей применяют воду и растворы солей в воде, которые обеспечивают скорость охлаждения в критическом интервале 650-550 оС. Однако вода создает высокую скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения Мк~20°), поэтому там, где это возможно ее заменяют менее резкими охладителями. Для закалки высокоуглеродистых (инструментальных) и легированных сталей, переохлажденный аустенит который более устойчив, в качестве охлаждающих сред часто используют минеральное масло.Оно охлаждает более медленно и равномерно во всем интервале температур, что уменьшает внутреннее направление. Высоколегированные стали могут закаливаться на спокойном или увлажненном воздухе.
Закаливаемость - способность стали повышать твердость при закалке, зависит от содержания углерода в стали, чем его больше, тем выше твердость. Легирующие элементы оказывают слабое влияние на закаливаемость. Прокаливаемость глубина проникновения закаленной зоны, (толщина закаленного слоя) в данном охладителе. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения (закалки),чем она меньше, тем выше прокаливаемость. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превьшать Vкр, то сталь получит мартенситную структуру, по всему сечению (сквозная закаливаемость), если < Vкр, то изделие прокалится только на некоторую глубину . За глубину закаленного слоя обычно принимают расстояние от поверхности до полу мартенситной зоны (50% М + 50% Т).
Известные охлаждающие среды не обеспечивают необходимый оптимальный режим охлаждения, широка, номенклатура сталей и изделий, подвергаемые закалке, разнообразные требования к физико-механическим свойствам поэтому используются разнообразные способы закалки. Некоторые из них рассмотрены ниже.
Закалка в двух средах. Используются для уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале (рис.8.23).В качестве охлаждающей среды используют сначала воду, а затем масло (через воду в масло ). Необходимо нормировать выдержку в воде. Широко используется при термической обработке режущего инструмента.
Ступенчатая закалка. Используется также для уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале. Сталь охлаждают в среде, имеющей температуру выше Мн (180-250°), дают короткую выдержку, а затем охлаждают на воздухе или в горячем масле(рис. 8.23,кр.2). Время выдержки должно быть меньше максимального времени устойчивости переохлажденного аустенита при этой температуре (выбирается по С - диаграмме). Так как скорость охлаждения в горячей среде не велика, то изделия из углеродистой стали подвергать ступенчатой закалке можно если они имеют небольшое сечение(8- 10 мм).
Изотермическая закалка. Эта термическая обработка проводится для получения трооститной или бейнитной структуры (рис.8.23,кр.3).Она производится в тех же горячих средах, что и ступенчатая закалка, только время выдержки применяют такое, чтобы успел произойти распад аустенита на троостит и бейнит. Стали ,закаленные на бейнит, обладают высокой вязкостью и твердостью близкой к мартенситу, т.е., имеют повышенную конструктивную прочность.
Обработка стали холодом. Как уже указывалось в сталях, содержащих более 0,4 - 0,5% С, после закалки сохраняется значительное количество остаточного аустенита. для уменьшения Аост сталь охлаждают до -70-80°, т.е. до температур, лежащих ниже или близко к Мк. У углеродистых сталей после обработки холодом твердость увеличивается на 1-3 HRC. Обработку надо проводить сразу после закалки для предотвращения стабилизации аустенита.
Поверхностная закалка. Местная закалка, при которой нагревается и закаливается только поверхностный слой изделия. Нагрев может производиться газовым пламенем (для очень крупных изделий), с последующим охлаждением со скоростью больше Vкр , или индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Как известно плотность индуктированного переменного тока по сечению проводника (изделия) неодинакова .Способ очень рациональный, возможна полная автоматизация процесса термообработки.
Отпуск стали.
Отпуск закаленной стали позволяет получить изделие с заданными свойствами. Основные влияния на свойства оказывает температура отпуска. По температуре нагрев отличают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск.
Отпущенный мартенсит (120-150° ) широко используется для обработки режущего инструмента, изделий после химико-термической обработки (цементации, нитроцементации) и поверхностной закалки. Основная цель - уменьшить закалочные напряжения. Выдержка 1-3 часа. Разновидность -стабилизация отпуска - длительная выдержка для стабилизации (до 150 часов).
Средний отпуск(350-450°). Используется при необходимости получить высокую прочность (высокий предел упругости) и удовлетворительную вязкость. Охлаждают обычно в воде для образования на поверхности сжимающих напряжений (повышают предел выносливости). Такой термической обработке подвергают пружины и рессоры.
Высокий отпуск.
Проводится для получения структуры сорбит (500-680°). Создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Выдержку подбирают опытным путем для получения заданного комплекса свойств. Термическую обработку состоящую из закалки и высокого отпуска называют улучшением. Улучшению обычно подвергают конструкционные стали с 0,3 - 0,5% С , такая обработка повышает конструктивную прочность, уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений, снижает температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости. Для высоких результатов необходимо обеспечить сквозную закалку во всех течениях изделия.