1.12.1. Структурные классы легированных сталей

Исходя из структуры, получаемой после охлаждения на воздухе небольших образцов, нагретых до температуры 900^оС, различают следующие классы легированных сталей: перлитный, бейнитный, мартенситный, ферритный, аустенитный и карбидный (ледебуритный). Стали перлитного и бейнитного класса содержат сравнительно небольшое количество легирующих элементов; мартенситные – больше, а ферритные, аустенитные и карбидные – еще большее количество легирующих элементов.

1.12.2. Цели легирования

1. Достижение мелкозернистой структуры для повышения механических свойств (прочности, твердости, пластичности, вязкости).

2. Достижение специальных свойств (коррозионной стойкости, кислотоупорности, жаростойкости или жаропрочности, высокого электросопротивления, определенного коэффициента линейного расширения, особых магнитных свойств и т. п.).

3. Достижение лучших технологических свойств (обрабатываемости резанием, жидкотекучести, свариваемости и др.).

4. Увеличение прокаливаемости (уменьшение критической скорости закалки) с целью снижения закалочных напряжений, а, следовательно, снижения вероятности растрескивания и коробления закаливаемых деталей.

Раздел 2 управление свойствами металлов и сплавов

2.1. Термическая обработка

Термическая обработка (в дальнейшем – ТО) является самым распространенным способом управления свойствами металлических материалов; в машиностроении ей подвергается до 40% потребляемой стали. ТО состоит из трех этапов: нагрева до заданной температуры; выдержки для прогрева материала по всему объему и завершения фазовых превращений; охлаждения до комнатной температуры с определенной скоростью (решающими являются температура нагрева и скорость охлаждения). Желаемое изменение свойств материалов может быть в очень широких пределах; например, сталь становится пластичной и низкопрочной после отжига; эту же сталь можно сделать твердой, прочной и малопластичной с помощью закалки.

К основным видам ТО относятся: отжиг, закалка, отпуск и старение.

В зависимости от места в технологическом процессе ТО подразделяется на предварительную и окончательную.

Предварительная ТО, как правило, производится для улучшения технологических свойств заготовок (перед обработкой резанием, холодной штамповкой, прокаткой и т. п.). В качестве предварительной ТО для сталей, как правило, применяют различные виды отжига.

Окончательная ТО производится для придания деталям требуемых эксплуатационных свойств. В качестве окончательной ТО для сталей чаще всего применяют закалку с отпуском, а для многих высокопрочных цветных сплавов – закалку со старением.

2.1.1. Отжиг

Отжигом называется процесс ТО, состоящий в нагреве до заданной температуры, выдержки и сравнительно медленном охлаждении со скоростью 30–200С/ч, т.е. вместе с печью, а иногда – на воздухе.

В зависимости от степени происходящих при нагреве превращений различают полный отжиг, когда в сталях полностью протекают фазовые (α ↔ γ) превращения, и неполный отжиг, когда из-за недостаточной температуры указанные превращения проходят лишь частично или не проходят вовсе.

Полный отжиг позволяет создать в доэвтектоидных сталях равновесную мелкозернистую ферритно-перлитную структуру, соответствующую диаграмме состояния Fe – Fe₃C (см. рис. 1.20); для этого сталь нагревают на 30–50С выше линии А₃ – GS (рис. 2.1), выдерживают, а затем медленно охлаждают вместе с печью. Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат из стали с 0,3–0,4% С, поковки и фасонные отливки. Полный отжиг заэвтектоидных сталей не производят из-за образования хрупкой цементитной сетки на границах зерен перлита (см. рис. 1.21, в).

Рис. 2.1. Температурные интервалы нагрева при ТО

Изотермический отжиг является разновидностью полного отжига, его применяют для легированных сталей, обладающих большей устойчивостью аустенита. Сталь нагревают до требуемой температуры и сравнительно быстро охлаждают переносом в другую печь с температурой на 100–150С ниже линии А₁ – PK. В этой печи сталь выдерживают 1–6 ч до полного распада аустенита, а затем производят охлаждение на воздухе. Изотермический отжиг более экономичен чем традиционный (так как происходит быстрее); его часто используют для обработки мелких поковок и сортового проката из легированных цементуемых сталей.

Нормализация является экономичный разновидностью полного отжига и заключается в том, что после нагрева на 40–50С выше А₃ (или А_cm – SE на рис. 1.20), заготовку охлаждают на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, прокатке, ковке или штамповке; ее, в частности, широко применяют для улучшения механических свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска. Ускоренное охлаждение приводит к некоторому повышению твердости, но в ряде случаев это даже улучшает обрабатываемость резанием.

Неполный отжиг обычно производят при нагреве на 10–30С выше линии А₁ для улучшения обрабатываемости резанием доэвтектоидных легированных и заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. При этом в заэвтектоидных сталях происходит сфероидизация цементита, что позволяет существенно снизить их твердость и повысить пластичность.

Низкий отжиг обычно производят при 650–680С (т.е. ниже линии А₁) для снижения твердости углеродистых и легированных сталей перед обработкой резанием, холодной высадкой или волочением.

В зависимости от конкретного назначения различают также следующие отжиги.

Диффузионный (гомогенизационный) отжиг – применяется для слитков легированной стали с целью уменьшения неоднородности химического состава. Проводится в течение 15–150 ч при температуре 1000–1100С, охлаждение происходит вместе с печью.

Рекристаллизационный отжиг – проводится перед или между операциями холодной обработки давлением (прокатке, штамповке, волочении и др.) для снятия наклепа между операциями деформирования и повышения пластичности материала. Для сталей температура нагрева обычно составляет 650–700С.

Отжиг для снятия остаточных напряжений – применяется для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и т. п., в которых в результате технологических операций из-за неравномерного охлаждения или пластической деформации возникают остаточные напряжения. Для сталей обычно проводится при температуре 350–600С в течение нескольких часов, охлаждение проводится вместе с печью.

Отжиг в большинстве случаев является предварительной или промежуточной ТО, так как он повышает вязкость и пластичность, но снижает прочность и твердость; однако для крупных отливок и сварных конструкций отжиг зачастую становится окончательной ТО.