Превращения в закаленной стали при отпуске

Термическая обработка сталей

Предварительная термическая обработка.

Цели:

- НВ ―› min (для облегчения механической обрабатываемости);

- устранить структурную деформацию (крупное зерно, цементитная сетка).

Окончательная термическая обработка.

Цель - получить структуру и свойства, требующиеся по условиям эксплуатации:

- max НВ (инструменты, подшипники);

- сочетание (σ_U, НВ, δ, КСU).

Стали:

1) конструкционные (детали машин, < 0.7% С, маркировка 30, 35, 40);

2) инструментальные (max НВ, инструменты, (0.7 - 2.14)% С, маркировка У8, У10.

Предварительна термическая обработка

1.1. Конструкционные стали

Цели:

- НВ ―› min;

- изменить размер зерна;

1.2. Инструментальные стали

Цель:

- НВ ―› min;

Отжиг инструментальной стали сделать нельзя, т.к. получится структура, в которой нельзя получить тяжелую структурную деформационную сетку и min прочность.

Изготовление детали:

Окончательная термическая обработка

Она всегда упрочняющая, связана с получением структуры мартенсита, включает операцию закалки.

Закалка сталей

Выбор температуры нагрева.

Цель закалки – получить max твердость без излишней хрупкости.

Конструкционная сталь:

Тем-ра	Структура при нагреве	Структура после быстрого охлаждения	Результат
t₁	Ф+П	Ф+П	НВ повыситься не может
t₂	А_~0.8+Ф_~0.02	М_~0.8+Ф_~0.02	НВ повышается, но не до max из-за феррита
t₃	А_х1	М_х1	НВ max
t₄	А_х1 крупнозернистый	М_х1 крупнокристаллический	НВ почти max, но излишняя хрупкость

Полная закалка:

˚С

Инструментальная сталь:

Тем-ра	Структура при нагреве	Структура после быстрого охлаждения	Результат
t₂	А_~0.8+Ц_II	М_~0.8+Ц_II+А_ост(мало)	НВ max
t₃	А_х₂ крупное зерно	М_х₂+ А_ост(много) крупнокристаллический	Не max НВ из-за А_ост и хрупкость из-за М

Неполная закалка:

˚С

Примечание:

После закалки в инструментальной стали неизбежен остаточный аустенит, поэтому закаленный инструмент сразу подвергается обработке холодом.

Обработка холодом.

● до -40˚С – холодильные камеры;

● до -70˚С – сухой лед СО₂;

● до -196˚С – жидкий азот N₂.

Выбор условий охлаждения:

V_охл > V_крит

Для стали углеродистой:

● вода (~600˚С/сек);

● вода+NaCl (10%) (~1200˚С/сек);

● вода+NaОН (10%) (~1400˚С/сек).

I – студить быстро;

II – студить медленно.

Для стали легированной:

● масло (~60˚С/сек);

● brcox (~50÷250˚С/сек);

Проблемы:

1.При быстром охлаждении любая сталь остывает неравномерно, возникают огромные закалочные напряжения.

Закалочные напряжения:

- термическое (из-за неравномерного термического сжатия);

- структурное (из-за неравномерного протекания мартенситного превращения, идущего с увеличением объема).

Итог: если структурные напряжения накладываются на термические, то возникает коробление детали, возле концентратора напряжения возникает трещина.

Способы закалки:

(1) – закалка в одном охладителе, max закалочные напряжения; нужно только для деталей простой формы;

(2) – закалка в 2-х охладителях вода-масло;

(3) – закалка ступенчатая (выдержка короткая, для выравнивания температуры), термические напряжения ―› 0;

(4) – закалка изотермическая.

Если закалочные напряжения ―› 0, то прочность уменьшается.

Лишние концентраторы напряжения убирают.

2.В любой охлаждающей среде массивная деталь быстро не остынет.

У каждой стали есть свое значение прокаливаемости.

(1) - V_охл поверхности, М;

(2) - V_охл сердцевины, П+С+Т+Б+М.

Прокаливаемость – способность стали закаливаться на определенную глубину в конкретном охлаждении.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке, f(%C).

Закаленным считается слой, в котором мартенсита ≥ 50%.

HRC_ПМЗ – твердость полумартенситной зоны. Для определения прокаливаемости используют метод торцевой закалки.

прокаливаемость определяется как либо Δ, либо D_крит – критический диаметр (Δ+2 ~18 мм).

Прокаливаемость зависит от:

- химического состава стали;

- охлаждающей способности среды.

Чем быстрее скорость охлаждения, тем больше прокаливаемость.

среда	Δ	D_крит, мм
Вода	0.6% С
Масло	0.6% С

Закаленные стали имеют значительные закалочные напряжения, крайне неравновесную структуру Н, max HB, min δ.

Не устраивает значение закалочного напряжения и min δ, поэтому закалка – не последняя операция, сразу после нее необходим отпуск стали.

Отпуск закаленной стали

Отпуск – нагрев закаленной детали с целью понижения закалочных напряжений и получения структуры и свойств, требуемых по условиям эксплуатации.

Превращения в закаленной стали при отпуске

Нагрев до 80-100˚С, нет диффузии и никаких превращений.

Нагрев до 100-200˚С – I стадия – начинается распад мартенсита (начинается объединение мартенсита с углеродом), появляются метастабильные мелкие частицы карбидных фаз.

Структура: М_отп + ε-карбид.

Нагрев до 200-260˚С – II стадия – продолжается распад мартенсита.

Структура: М_отп + ε-карбид., в инструментальной стали А_ост―›Б.

Нагрев до 260-400˚С – III стадия – завершается распад мартенсита.

Структура: Ф+Ц – тростит отпуска (типа тростит).

Нагрев до 400-600˚С – IV стадия – укрупняются частицы Ц – коагуляция Ц.

Структура: Ф+Ц – С_отп – сорбит отпуска (типа сорбит), НВ ~ 3000 МПа.

Нагрев > 600˚С –V стадия – огрубление структуры.

Структура: перлит отпуска, равновесная структура, НВ ~ 2000 МПа.

При нагреве закаленной стали постепенно достигается равновесное состояние.

При отпуске сталь уменьшается в объеме.

I – необратимая отпускная хрупкость (250-300˚С). Отпуск в этой зоне никогда не делается.

II – обратимая отпускная хрупкость (500-600˚С), хрупкость второго рода. Есть 2 способа этого избежать:

- быстрое охлаждение после отпуска в воде;

- в сталь вводят ~0.3% Мо или 0.3% W, после этого сталь не склонна к этой сложности.

Рекомендуемые виды отпуска:

Название	t_отп, ˚С	Структура	Цель	Свойства	Применение
Низкий	160-250 (отпусков нет)	М_отп+ε	Понизить закалочное напряжение	HRC=60-64 (сохраняет твердость, полученную при закалке)	Инструменты, подшипники
Средний	350-400	Т_отп	Снять закалочные напряжения, повысить структурную стабильность	HRC=40-50 (max упругие свойства, выносливость в циклических нагрузках)	Пружины, рессоры
Высокий	500-600	С_отп	Снять закалочные напряжения, создать относительную стабильность структуры	HRC=30-35 (наилучшее сочетание прочности, пластичности, ударной вязкости)	Детали машин (валы, оси)

Закалка + высокий отпуск = улучшение

Примечание: окончательная ТО (закалка + отпуск) ―› доводка точных размеров.