4.2. Термическая обработка углеродистых сталей

Свойства сплава зависят от его структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру, а следовательно, и свойства является термическая обработка.

Основными видами термической обработки углеродистых сталей являются: отжиг, нормализации и закалка с отпуском.

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств.

Любая разновидность термической обработки состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежит стремление системы к минимуму свободной энергии.

Режимы термической обработки назначают в соответствии с диаграммой состояния и диаграммой изотермического распада аустенита.

Нагрев может осуществляться в нагревательных топливных или электрических печах, в соляных ваннах или ваннах с расплавленным металлом.

С точки зрения повышения производительности термической операции, ее надо проводить с максимальной скоростью нагрева. Кроме того, быстрый нагрев уменьшает образование окалины, замедляет обезуглероживание и рост аустенитного зерна. Однако необходимо учитывать, что перепад температур по сечению ведет к возникновению термических напряжений. Если растягивающие напряжения превысят предел прочности или предел текучести, то возможно коробление заготовки или образование трещин.

Отжиг – подготовительная термическая обработка отливок и поковок, производимая с целями: 1) измельчение зерна и уменьшение структурной неоднородности; 2) снятие внутренних напряжений; 3) повышение пластичности; 4) улучшение обрабатываемости резанием (снижение твердости).

В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды отжига.

Полный отжиг применяется для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей. Он заключается в нагреве стали на 30-50 °С выше линии GS (см. рис. 22), выдержки при этой температуре и медленном охлаждении.

Подлежащие отжигу заготовки загружаются в печь, разогретую до рабочей температуры. Время выдержки при этой температуре зависит от химического состава стали, формы и размеров заготовки. Ориентировочно время нагрева и выдержки определяется как 0,5-1,0 ч на каждые 25 мм диаметра или мини­мальной ширины заготовки.

Скорость охлаждения при отжиге должна быть такова, чтобы обеспечить распад аустенита и превращение его в перлит. Для этого легированные стали охлаждают со скоростью 70-100 °С/ч, а углеродистые – со скоростью 150-200 °С/ч. После распада аустенита, то есть от температур порядка 600-500 °С охлаждение можно проводить не в печи, а на воздухе (для снижения энергоза­трат).

В результате полного отжига доэвтектоидные стали приобретают мелкую ферритно-перлитную, а заэвтектоидные – перлитную структуры.

Неполный отжиг применяют для заэвтектоидных сталей. Он заключается в нагреве стали на 10-30 °С выше линии PSK, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении в печи со скоростью 20-60 °С/ч до температуры 650-700 °С. Дальнейшее охлаждение ведется на воздухе.

В результате неполного отжига заэвтектоидные стали приобретают струк­туру зернистого перлита. При закалке стали с такой структурой менее склонны к образованию трещин и деформации.

Нормализация (нормализованный отжиг) проводится с целью:

- устранения крупнозернистой структуры (то есть для измельчения зерна) заготовок после литья, ковки, штамповки и прокатки;

- улучшения обрабатываемости резанием;

- подготовки структуры металла к последующей окончательной термо­обработке: закалке и отпуску;

- иногда и как окончательная термообработка, формирующая структуру и свойства стали.

При нормализации детали нагревают на 50 °С выше линии GS (для доэв­тектоидных) или линии SE (для заэвтектоидных) сталей, непродолжительное время (не­сколько минут) выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе.

В результате формируется мелкодисперсная структу­ра перлита, что повышает прочность и твердость стали по сравнению с ото­жженной. Нормализация более экономична по сравнению с отжигом, поскольку время выдержки меньше и охлаждение ведется на воздухе, а не в печи.

Закалка – термическая обработка, направленная на получение требуемой твёрдости конструкционного материала.

Для сталей в зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку.

Полная закалка заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-50 °С выше линии GS, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении.

Нагрев под закалку проводят в печах различной конструкции: с электриче­ским или газовым обогревом в расплавах свинца, стекла и солей; в муфельных пе­чах; в установках с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) или лазерными лу­чами, а также другими способами.

Время выдержки в печи определяется так же, как и при отжиге.

Быстрое охлаждение достигается использованием охлаждающих сред: во­ды, растворов солей и щелочей, минеральных масел.

При прогреве заготовки по всему сечению получается объёмная закалка, в результате которой структура и твердость материала по всему сечению изделия получаются одинаковыми.

Структура стали после полной закалки состоит из мелкоигольчатого мар­тенсита и небольшого количества остаточного аустенита.

Мартенсит – твердый раствор углерода в α-железе. Мартенсит имеет структуру, состоящую из очень мелких пластин – игол. Мартенсит образуется из аустенита в результате его быстрого охлаждения. Он обладает высокой твердо­стью (55…65HRC).

Сталь, закалённая на мартенсит, находится в сильно напряжённом состоя­нии, отличается высокой хрупкостью и поэтому не пригодна для практического использования.

Неполная закалка применяется для заэвтектоидных сталей и заключается в нагреве стали до температуры на 35-60 °С выше линии PSK и последующем резком охлаждении.

Окончательно структура и свойства стали формируется в процессе отпуска.

Отпуск – окончательная операция термообработки закаленных на мартенсит сталей. Она заключается в нагреве закалённой стали до температуры ниже линии PSK, выдержке при температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью.

Цель отпуска – уменьшение внутренних напряжений и снижение хрупкости закаленной стали.

Механические свойства закаленной и отпущенной стали связаны с её твер­достью. Поэтому в качестве режима отпуска задается требуемая твердость. Нужную твердость можно получить, варьируя температуру и время отпуска. Время отпуска обычно не превышает 1,5-3 часов. Зная состав стали, требуемую твердость и задав время отпуска по специальным таблицам, определяют его температуру.

Различают три вида отпуска.

Низкий отпуск (120-250 °С) применяют для изделий, от которых требует­ся высокая твердость и износостойкость (например, режущий и измерительный инструмент). Цель – уменьшение остаточных напряжений после закалки. Структура стали – мартенсит отпуска и остаточный аустенит.

Средний отпуск (350-450 °С) проводится при необходимости сочетания высокой прочности с упругостью и достаточной вязкостью материала изделий (рессоры, торсионы, пружины). Структура стали – троостит отпуска.

Высокий отпуск (450-680 °С) широко применяют для изделий, которые должны обладать и достаточной прочностью, и хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам (валы, шатуны и так далее). Структура стали – сорбит отпуска.

В машиностроении часто требуется получить изделие, вязкое внутри, но твёрдое и износостойкое снаружи. Для этого исполь­зуют высокочастотные индукторы, обеспечивающие прогрев детали на задан­ную, обычно небольшую (до 1-1,5 мм) глубину. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева. Закалка ТВЧ называется поверхностной.

Поверхностная закалка проводится с целью упрочнения поверхности стальной детали. В результате такой закалки увеличивается твердость поверхностного слоя детали с одновременным повышением сопротивления истиранию и предела выносливости.

Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Различие заключается в методах нагрева деталей.

Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Глубина закаленного слоя может достигать 2-4 мм, твердость 50…56 HRC.

Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (коленчатые валы, косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется как в массовом, так и в единичном производстве, а также при ремонтных работах.

При нагреве крупных изделий горелки и охлаждающие устройства перемещаются вдоль изделия, а мелких деталей – наоборот.

Недостаток метода – невысокая производительность и сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).

Закалка токами высокой частоты основана на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

Обычно используются машинные генераторы с частотой 50-15000 Гц и генераторы с частотой больше 10⁶ Гц. Глубина закаленного слоя – до 2 мм.

Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо соблюдать постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия.

Схема технологического процесса закалки ТВЧ представлена на рис. 23.

Рис. 23. Схема технологического процесса закалки ТВЧ

 После нагрева в течение 3-5 секунд деталь 1 быстро перемещается из индуктора 2 в специальное охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость.

Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Температура закалки при нагреве ТВЧ должна быть выше, чем при обычном нагреве.

При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2-4 единицы по шкале HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150-200 ^oС (самоотпуск).

Наиболее целесообразно использовать закалку ТВЧ для изделий из сталей с массовой долей углерода более 0,4 %.

Преимущества метода:

- большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие;

- обеспечение более высоких механических свойств материала;

- отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали;

- снижение брака по короблению и образованию закалочных трещин;

- возможность автоматизации процесса;

- использование закалки ТВЧ позволяет заменить легированные стали на более дешевые углеродистые без ухудшения механических свойств;

- возможность проводить закалку лишь отдельных участков детали.

Основной недостаток метода – высокая стоимость индукционных установок и индукторов, поэтому его целесообразно использовать в серийном и массовом производстве.

Также к процессам термической обработки относится старение, которое проводится для ответственных деталей требующих высокую стабильность формы в процессе эксплуатации, в основном – конструктивных элементов станочного оборудования. Старение применяется к материалам, подвергнутым закалке без полиморфного превращения.

Закалка без полиморфного превращения – термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние, свойственное сплаву при более высоких температурах (пересыщенный твердый раствор).

Старение – термическая обработка, при которой главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора.

В результате старения происходит изменение свойств закаленных сплавов. В отличие от отпуска, после старения увеличиваются прочность и твердость и уменьшается пластичность. Старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсионных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.

В стареющих сплавах выделения из твердых растворов встречаются в следующих основных формах: тонкопластинчатой (дискообразной), равноосной (сферической или кубической), игольчатой.

Форма выделений определяется конкурирующими факторами: поверхностной энергией и энергией упругой деформации, стремящимися к минимуму.

Поверхностная энергия минимальна для равноосных выделений. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в виде тонких пластин.

Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств.

Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

Естественное старение – самопроизвольное повышение прочности и уменьшение пластичности закаленной детали, происходящее в процессе его выдержки при нормальной температуре.

Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.

Искусственное старение – повышение прочности в процессе выдержки детали при повышенных температурах.

Предел прочности, предел текучести и твердость стали с увеличением продолжительности старения возрастают, достигают максимума и затем снижаются (явление перестаривания)

При естественном старении перестаривания не происходит. С повышением температуры стадия перестаривания достигается раньше.

Деформационное старение – деталь из закаленной стали, имеющей структуру пересыщенного твердого раствора, подвергается пластической деформации, при этом протекают процессы старения.

Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе: процессы, подготавливающие выделение, и сами процессы выделения.

Для практики большое значение имеет инкубационный период – время, в течение которого в закаленном материале совершаются подготовительные процессы, когда сохраняется высокая пластичность. Это позволяет проводить холодную деформацию после закалки.

Если при старении происходят только процессы выделения, то явление называется дисперсионным твердением.

После старения повышается прочность и снижается пластичность низкоуглеродистых сталей в результате дисперсных выделений в феррите цементита третичного и нитридов.

Старение является основным способом упрочнения алюминиевых и медных сплавов, а также многих жаропрочных сплавов.

Обработка стали холодом.  Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру конца мартенситного превращения (М_к) ниже 0 ^oС. Поэтому в структуре стали после закалки наблюдается значительное количество остаточного аустенита, который снижает твердость изделия, а также ухудшает магнитные характеристики. Для устранения аустенита остаточного проводят дополнительное охлаждение детали в области отрицательных температур, до температуры ниже температуры превращения М_к (минус 80 ^oС). Обычно для этого используют сухой лед.

Такая обработка называется обработкой стали холодом.

Обработку холодом необходимо проводить сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет от 1 до 4 единиц по шкале HRC.

После обработки холодом сталь подвергают низкому отпуску, так как обработка холодом не снижает внутренних напряжений.

Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты.