Технологические процессы термической обработки стали

Основой процессов термической обработки является полиморфизм Fe и его твердых растворов на базе α – Fe и γ – Fe. Полиморфическое превращения стали данного химического состава происходят в определенном интервале t⁰С, ограниченном нижней А₁ и верхними А₂ и А_m – критическими точками.

Термическая обработка заключается в нагреве сплавов до определенной t⁰С, выдержке их и последующим охлаждении с различной скоростью.

Термическая обработка, в зависимости от структурного состояния, получаемого в результате ее применения, подразделяется на отжиг (первого и второго рода), закалку и отпуск.

Отжиг стали

Отжигом называется процесс термической обработки – нагрев стали до определенной температуры, выдержка и последующие, как правило, медленное охлаждение (в печи) с целью получения более равновесной структуры.

Отжиг первого рода.

Этот отжиг, при котором, как правило, не происходит фазовых превращений (перекристаллизации), а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты, предусмотренные его целевым назначением. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекристаллизационный.

Гомогенизационный отжиг. Этот отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950⁰С (обычно при 1100 - 1200⁰С) с целью выравнивания химического состава в фасонных отливках и слитках главным образом легированной стали.

Рекристаллизационный отжиг. Этот отжиг наклепанной стали при температуре, превышающей температуру начала рекристаллизации, с целью устранения наклепа и получения определенной величины зерна.

При нагреве холоднодеформированной (наклепанной) стали до 400 - 450⁰С не наблюдаются изменения формы и размеров деформированных зерен. Механические свойства изменяются незначительно и только снимается большая часть внутренних напряжений. При нагреве до более высокой температуры механические свойства стали резко изменяются: твердость и прочность понижается, а пластичность повышается. Вместо вытянутых зерен образуются новые равновесные зерна. Рекристаллизация начинается с появления зародышей на границах деформированных зерен, в связи с чем происходит образование новых зерен до полного исчезновения деформированной структуры.

Под температурой рекристаллизации подразумевается температура, при которой в металлах, подвергнутых деформации в холодном состоянии, начинается образование новых зерен. Температура рекристаллизации железа 450⁰С. в связи с тем, что при данной температуре процесс образования новых зерен происходит очень медленно, практически холоднодеформированные металлы и сплавы нагревают до более высокой температуры, например низкоуглеродистую сталь до 600 - 700⁰С. это и есть температура рекристаллизационнго отжига.

Отжиг второго рода.

Этот отжиг при котором фазовые превращения (перекристаллизация) определяют его целевое назначение. Различают следующие разновидности отжига второго рода: полный, неполный, изотермический, нормализационный (нормализация).

Полный отжиг. Этому виду отжига подвергают доэвтектоидную сталь с целью создания мелкозернистости, понижения твердости и повышения пластичности, снятия внутренних напряжений. Сталь нагревают до температуры на 20 – 30⁰ выше точки А₃. при нагреве крупная исходная ферритно-перлитная структура превращается в мелкую структуру аустенита. При последующем медленном охлаждении из мелкозернистого аустенита образуется мелкая ферритно-перлитная структура. Заэвтектоидную сталь полному отжигу не подвергают.

Неполный отжиг. Этому отжигу подвергают заэвтектоидную и эвтектоидную сталь с целью превращения пластинчатого перлита в зернистый. Для получения зернистого перлита заэвтектоидную сталь нагревают до температуры немного выше на 20 – 30⁰ точки А₁ (до 740 – 780⁰С) при нагреве происходит превращение перлита в аустенит, а цементит остается и образуется структура цементит + аустенит. При последующем медленном охлаждении из аустенита образуется ферритно-цементитная структура с зернистой формой цементита – зернистый перлит. Доэвтектоидные стали неполному отжигу подвергают редко в связи с неполной перекристаллизацией структуры.

Изотермический отжиг. Доэвтектоидную сталь нагревают до температуры точки А₃ + (20 - 30⁰) и после выдержки быстро охлаждают до температуры немного ниже точки А₁ (до 700 - 680⁰С).при этой температуре сталь выдерживают в течении времени, необходимого для полного распада аустенита и образования ферритно-перлитной структуры. От температуры изотермической выдержки сталь охлаждают на воздухе.

Нормализационный отжиг (нормализация). Нормализацией называют процесс термической обработки – нагрев до температуры выше точки А₃ для доэвтектоидной или А_m для заэвтектоидной стали с последующим охлаждением на воздухе. Цель нормализации – исправление структуры перегретой или литой стали, измельчение зерна, смягчения стали перед обработкой резанием, общее улучшение структуры перед закалкой, устранение сетки вторичного цементита в заэвтектоидной стали. Нормализация, по сравнению с отжигом, более экономичная операция, так как не требуется охлаждения вместе с печью.

Закалка стали

Закалкой называют процесс термической обработки – нагрев стали до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с цель получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность стали. Основные параметры при закалке – температура нагрева и скорость охлаждения.

Температура закалки.

Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по левой нижней части диаграммы состояния железо-цементит.

При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 - 50⁰ выше точки А₃. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью больше критической образуется структура мартенсита.

При закалке заэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 - 50⁰ выше точки А₁. При таком нагреве перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается не растворенной и структура состоит из аустенита и цементита. После охлаждения со скоростью больше критической аустенит превращается в мартенсит. Структура закаленной стали состоит из мартенсита и цементита. Наличие в структуре закаленной заэвтектоидной стали кроме мартенсита еще и цементита повышает твердость и износостойчивость стали.

Время нагрева.

В зависимости от размеров деталей и теплопроводности стали выбирают время нагрева. Время выдержки при температуре закалки выбирают таким, чтобы завершить фазовые превращения. Практически время нагрева в электропечах принято 1,5 – 2 мин на 1 мм сечения.

Охлаждение при закалке.

Скорость охлаждения стали, нагретой до температуре закалки, оказывает решающее влияние на результат закалки. Наиболее распространенные закалочные среды – вода, водные растворы солей и щелочей, масло, воздух, расплавленные соли.

Вода охлаждается гораздо быстрее, чем масло: в 6 раз быстрее при 550 - 650⁰С и в 28 раз быстрее при 200⁰С. поэтому воду применяют для охлаждения сталей с большой критической скоростью закалки (углеродистых сталей), а в масле охлаждают стали с малой критической скоростью закалки (легированные стали). Основной недостаток воды как охладителя – высокая скорость охлаждения при пониженных температурах в области образования мартенсита, что приводит к возникновению больших структурных напряжений и создает опасность возникновения трещин. Добавления к воде солей, щелочей увеличивает ее закаливающую способность.

Масло охлаждает значительно медленнее, чем вода. Но преимущество масло как охладителя заключается также в том, что оно обладает небольшой скоростью охлаждения в области температур мартенситного превращения, поэтому при охлаждении в масле опасность образования трещин резко уменьшается. Недостаток масла – это легкая воспламеняемость, пригорание к поверхности деталей.