Основные виды термической обработки стали и их назначение

Отжиг – нагрев стали выше линии А₃ (рис. 4.5.1) доэвтектоидной или А₁ заэвтектоидной на 30–50 °С, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение вместе с печью. Весьма медленное охлаждение приводит сталь в равновесное со­стояние, снижает её твёрдость. Выполняется для исправления структуры или улучшения обрабатываемости резанием конструкционных и инструментальных сталей.

Нормализация – нагрев стали выше линии А₃ (доэвтектоидной) или А_ст (заэвтектоидной) на 30–50 °С, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение – на спокойном воздухе. Более ускоренное охлаждение при нормализации несколько повышает прочность и твёрдость стали. Выполняется для исправления структуры или придания большей прочности и повышенной вязкости конструкционным и инструментальным сталям.

Закалка – нагрев стали выше линии А₃ (доэвтектоидной) или А₁ (заэвтектоидной) на 30–50 °С, выдержка при этой температуре и последующее ускоренное охлаждение – в воде, масле или другом охладителе. Максимально повышается твёрдость и прочность конструкционных и инструментальных сталей.

Отпуск стали – это нагрев стали до температуры ниже линии А₁ (рис. 4.5.1б), вы­держка при этой температуре и последующее охлаждение на спокойном воздухе до комнатной температуры.

Процессы нагрева стали

Температура нагрева определяется положением критических точек А₁ и А₃ на диаграмме «Железо – цементит» (рис. 4.5.1а). Для правильного выполнения термической обработки сталей температуры нагрева должны соответствовать указанным областям, в которых основное фазовое состояние – аустенит.

Если же по какой-либо причине температура нагрева окажется ниже линии А₁, то исходная структура сохраняется и свойства сталей после охлаждения не изменяются.

 

а) б)

Рис. 4.5.1. Стальной участок диаграммы «Железо – цементит» (а) и температурные области
нагрева сталей (б): 1 – доэвтектоидных при отжиге, нормализации, закалке;
2 – заэвтектоидных при закалке; 3 – заэвтектоидных при нормализации;
4 – при низком отпуске; 5 – при среднем отпуске; 6 – при высоком отпуске

 

В случае нагрева доэвтектоидных сталей выше А₁, но ниже линии А₃, не весь феррит превратится в аустенит. Присутствие в структуре нерастворенного феррита, имеющего низкую твердость, обуславливает пониженную твердость стали. Такая закалка считается неполной.

У заэвтектоидных сталей при закалке растворение цементита вторичного в аустените нежелательно из-за охрупчивания стали, поэтому нагрев выполняется выше линии А₁, но ниже А_ст.

Время выдержки в печи складывается из времени прогрева изделия до заданной температуры и длительности выдержки при температуре, необходимой для превращения исходной структуры в аустенит. Время нагрева зависит от типа нагревающего устройства, способа укладки изделий, температуры нагрева, формы, размеров изделия и от других факторов. Нормы времени нагрева изделий различной формы в лабораторных печах приведены в табл. 4.5.1.

 

Таблица 4.5.1

Нормы нагрева изделий

 

Температура нагрева, ºС	Форма изделия
круг	квадрат	пластина
Продолжительность нагрева, мин
на 1 мм диаметра	на 1 мм толщины	на 1 мм толщины
	2,0	3,0	4,0
	1,5	2,2	3,0
	1,0	1,5	2,0
	0,8	1,2	1,8
	0,4	0,6	1,6

 

Процессы охлаждения стали

Охлаждающая среда обеспечивает определённую скорость охлаждения и назначается исходя из требуемых структуры и свойств стали. Получаемую структуру можно определить при наложении векторов скоростей охлаждения на термокинетическую диаграмму распада аустенита (рис. 4.5.2). В зависимости от скорости охлаждения превращение аустенита может быть диффузионным и бездиффузионным.

 

Рис. 4.5.2. Термокинетическая диаграмма распада аустенита эвтектоидной стали:
заштрихованная область – область перлитного превращения; V₁, V₂, V₃, V₄, V_КР – векторы
скоростей охлаждения; М_H – линия начала мартенситного превращения

 

Критерием превращения является критическая скорость закалки V_КР. Это наименьшая скорость охлаждения, при которой подавляется диффузия атомов углерода. Для углеродистых и низколегированных сталей V_КР = 250 ºС/с.