Классификация видов термообработки стали по А. А. Бочвару

По классификации А.А.Бочвара различают следующие виды термической обработки стали. Режимы их представлены на рис. 15.

Рис. 15. Температура нагрева углеродистых сталей при различных видах термообработки(а) и циклограммы соответствующих видов ТО (б)

I группа. Отжиг первого рода, не связанный с фазовыми превращениями в сплавах. К этой группе относится диффузионный (гомогенизирующий), рекристаллизационный, дорекристаллизационный и отжиг для снятия внутренних напряжений.

II группа. Отжиг второго рода (с фазовыми превращениями). Этот отжиг применяется для получения равновесной структуры с целью снижения твердости; повышения пластично­сти и вязкости стали; улучшения обрабатываемости; измельчения зерна. Так как все стали, кроме эвтектоидной, имеют две критические температуры[1] А ₁и A₃, то для них возможны два вида фазовых отжига (полный отжиг с температурой нагрева выше А_С3 и неполный отжиг, когда температура выше А_с1, но ниже А_с3), с учетом режимов изотермический отжиг и нормализацию.

III группа. Закалка стали. Целью закалки является полу­чение неравновесной структуры, сопровождающееся повышением твердости стали. Структура, образующаяся при закалке стали, называется мар­тенситом. Как ифазовый отжиг, закалка стали может быть полной или неполной. На рис.15,б, график 2 показывает схему режима полной, график 2а режима неполной закалки.

IV группа. Отпуск стали. Отпуском стали называется на­грев закаленной стали ниже температуры А_с1. При этом проис­ходят превращения, уменьшающие степень неравновесности структуры закаленной стали. Уменьшаются внутренние напря­жения, возникшие в процессе закалки; повышается вязкость и пластичность.

График 3 на рис. 15, б характеризует схему режима отпуска стали. Ниже более подробно рассматривается назначение и тех­нология этих видов обработки.

1.2.Отжиг стали.

Отжиг является распространенной операцией терми­ческой обработки сталей и чугунов. На рис. 15а приведены тем­пературы различных видов отжига для углеродистых сталей. В зависимости от назначения режимы отжига могут быть различны.

Рекристаллизационный и смягчающий отжиг применяется для устранения наклепа после холодной пластической деформации (обработки давлением). Для восстановления пластичности, необ­ходимой для дальнейшей обработки давлением (например, про­межуточные отжиги при волочении проволоки).

При отжиге, преследующем цель повышения деформируемо­сти (например, листовой стали в автомобилестроении), прово­дят отжиг при 650... 670°С после деформации около 20%. Такой отжиг обеспечивает при дальнейшей холодной вытяжке хорошую пластичность и гладкую поверхность. Не следует про­водить отжиг при температурах, близких к критическим, вызы­вающих рост зерна. При дальнейшей деформации такой мате­риал дает очень негладкую поверхность.

Степень предварительной деформации и режим рекристаллизационного отжига являются способом регулирования величины зерна. Этим особенно пользуются для таких сплавов, которые не имеют фазовых превращений в твердом состоянии (напри­мер, ферритные и аустенитные стали[2]).

Следует отметить, что для сталей, работающих при обычных условиях, наилучшим является мелкое зерно. Для повышения жаропрочности предпочтительными являются стали с крупным зерном. При отжиге электротехнической листовой стали также доби­ваются получения крупнокристаллической структуры, улучшаю­щей магнитные характеристики стали.

Для снятия внутренних напряжений в отливках, в сваренных деталях проводится от­жиг при температуре 650-700°С. Для устранения термических напряжений охлаждение до температуры 400-300°С должна быть медленное.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг применяется для устранения дендритной ликвации в слитках и отливках (особен­но из легированных сталей). Для этой цели проводится нагрев при 1100-1150° С с длительной (12-15 часов) выдержкой и последующим медленным охлаждением. При этом образуется крупнозернистая видманштеттовая структура, имеющая харак­терное игольчатое строение феррита. Для исправления структуры отливки после диффузионного отжига подвергают полному фазовому отжигу, после чего на­блюдается нормальная структура. У сталей, склонных к ликвации, диффузионный отжиг улуч­шает вязкость и пластичность в прокатанной или кованой стали в направлении поперек волокна.

Отжиг с фазовой перекристаллизацией. Такой отжиг приме­няется для получения равновесной ненапряженной структуры стали. Он может быть полным или неполным. Полный отжиг применяется для исправления структуры литой или кованой стали, если последняя крупнозернистая.

Полный отжиг заключается в нагреве стали выше А_С3 на З0-50°С, (рис. 15 а), выдержке при этой температуре до пол­ной перекристаллизации с последующим медленным охлажде­нием. Скорость охлаждения углеродистой стали 150-200°С/час; легированной стали — 30-100°С/час.

Полный отжиг повышает прочность, пластичность и вязкость литой стали. Прочность горячекатанной стали после отжига не­сколько понижается. Полный отжиг используется также для исправления строчеч­ной структуры, рис. 17, а, образующейся в малоуглеродистой стали при слишком низкой температуре (между точками А₁и А₃) окончания горячей обработки давлением. Нагрев выше А_С3 и последующее несколько ускоренное охлаждение устраняет или в значительной степени подавляет образование полосчатости, рис. 17, б.

а) б)

Рис.17 Структура малоуглеродистой стали: а- строчечная после прокатки; б- после отжига.

Такой отжиг также применяется для улучшения обрабаты­ваемости резанием доэвтектоидных сталей. Оптимальная струк­тура этих сталей для механической обработки — тонкопластин­чатый перлит с сеткой феррита (обеспечивается хорошее каче­ство поверхности и стойкость инструмента).

Неполный отжиг заключается в нагреве стали выше темпера­туры А_С1 нониже А_С3, выдержке ипоследующем медленном охлаждении. Такой отжиг для доэвтектоидных сталей приме­няется после правильно выполненной горячей обработки давле­нием, когда не требуется исправление всей структуры заготовки. При этом отжиге фазовое превращение испытывает только пер­литная структурная составляющая стали. Одновременно дости­гается снятие внутренних напряжений. Так как температуры не­полного отжига ниже, чем полного, то неполный отжиг более экономичен.

Неполный отжиг применяется также для получения зернис­того перлита в структуре заэвтектоидных инструментальных ста­лей. Это необходимо для улучшения их обрабатываемости ре­занием. Кроме этого в стали с исходной структурой зернистого перлита при закалке обеспечивается повышенная вязкость.

При таком сфероидизирующем отжиге сталь нагревают не­много выше точки A_С1 выдерживают при этой температуре, медленно охлаждают до температуры 620... 680 °С, а затем на воздухе. Для ускорения сфероидизации иногда проводят маят­никовый отжиг с периодическим колебанием температуры около точки А₁.В структуре заэвтектоидной стали недопустимо образование сет­ки избыточного цементита. При наличии в структуре стали цементитной сетки, перед отжигом производится нормализация стали.

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали выше температуры А_С3 или A_С1 выдержке при этой температуре до полного завершения фазовых превращений и перенесения изде­лий в соляную ванну или в печь с температурой, лежащей на 120...180 ° Сниже температуры A_г1 где осуществляется вы­держка до полного распада аустенита. Этот вид отжига эко­номичней обычного и обеспечивает получение более стабильных результатов, так как контролировать температуру легче, чем скорость охлаждения. Образование однородной феррито-цементитной смеси происходит при постоянной температуре по всему сечению изделия. Поэтому изотермический отжиг часто приме­няется особенно для легированных сталей.

Нормализация стали.

При нормализации сталь нагревают выше температуры A_С3 или A_С1на З0-50°С, рис. 15а. После выравнивания темпе­ратуры по всему сечению детали охлаждаются на спокойном воз­духе. Таким образом, по режиму нормализация является проме­жуточной операцией между отжигом и закалкой. Основной целью нормализации является получение мелкозернистой одно­родной структуры; устранение цементитной сетки в структуре заэвтектоидной стали; частично снятие внутренних напряжений и наклепа; для улучшения штампуемости и обрабатываемости резанием. Нормализация иногда является также предваритель­ной операцией перед окончательной термической обработкой. Низкоуглеродистая сталь после нормализации имеет мелкозер­нистую структуру феррита и перлита. Поэтому нормализация этих сталей обычно используется вместо отжига с фазовой пе­рекристаллизацией как более экономичная термическая обра­ботка. Структура среднеуглеродистой стали после нормализации состоит из феррита и сорбита, поэтому прочность и твердость её выше, чем после отжига этих сталей.

Таким образом, нормализация по режиму может быть предварительной, промежуточной и окончательной термической обработкой детали.

Закалка стали

Как было установлено ранее, при закалке сталь нагревается выше критической температуры и затем охлаждается со ско­ростью равной или выше критической, необходимой для полу­чения неравновесной структуры мартенсита закалки. Структура мартенсит закалки характеризуется повышенной концентрацией внутренних напряжений и высокой твердостью, значение которой зависит от количества углерода в стали. Эта опе­рация термической обработки является весьма распространен­ной и наиболее ответственной. В связи с этим необходимо уде­лить особое внимание правильному выбору основных парамет­ров технологии закалки.

Выбор температуры закалки производится в зависимости от температуры критических точек. При этом доэвтектоидные ста­ли нагреваются выше точки А_С3 на З0-40°С. Нагрев этих сталей выше точки Ас₁, но ниже А_С3недопустим, ибо при после­дующем охлаждении со скоростью больше или равной критической образуется смесь структур мартенсита закалки и феррита. Из-за низкой твердости феррита (80 НВ) твердость стали после закалки будет существенно понижена. Для заэвтектоидных сталей является оптимальной температура нагрева выше точки Ас₁ на 50-70°С. После охлаждения со скоростью больше или равной критической образуется структура мартенсита закалки и вторичного цементита. При таком сочетании структурных составляющих обеспечивается максимальная твердость стали после закалки, так как твердость цементита (750 НВ) даже выше, чем твердость мартенсита высокоуглеродистой стали (700 НВ). Необходимо учитывать, что при нагреве выше Ас₁ заэвтектоидных сталей (при непол­ной закалке) оптимальные результаты будут получены только в том случае, если вторичный цементит имеет зер­нистую (сфероидальную) форму. Выделения цементита в виде сетки по границам зерен недопустимы, так как заэвтектоидная сталь после закалки в этом случае будет хрупкой. Поэтому заэвтектоидные стали для получения качественной исходной струк­туры перед закалкой обязательно подвергаются сфероидизирующему отжигу. Твердость мартенсита закалки зависит от содержания углерода (рис. 18).

Рис. 18 Изменение твердости стали в зависимости от содержания углерода и температуры закалки: 1- нагрев выше Ас₃, 2- твердость мартенситной структуры (по А.П.Гуляеву), 3- нагрев выше Ас₁

 

Рис.19 – Оптимальный интервал закалочных температур для сталей с различным содержанием углерода на диаграмме состояния Fe-C

 

На рис. 19 приведены области оптимальных температур для закалки углеродистых сталей с разным количеством углерода.

Как видно из рис. 18 (3) твердость заэвтектоидной стали после неполной закалки с увеличением количества углерода несколь­ко повышается. Это объясняется тем, что увеличивается количе­ство очень твердого цементита в структуре после закалки.

Выбор температуры для закалки легированных сталей про­изводится по данным изсправочников. Что касается скорости нагрева и нагревательных сред при закалке, то здесь необходимо руководствоваться данными, кото­рые были рассмотрены в начале этой главы.

Скорость охлаждения при закалке. Наиболее ответственной операцией при закалке является охлаждение, которое должно осуществляться со скоростью выше критической для получения структуры мартенсита. Критическая скорость закалки V_K для данной стали опреде­ляется по термокинетической диаграмме.

При больших скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению илирастрескиванию деталей. Поэтому нужно иметь ясное пред­ставление о механизме образования внутренних напряжений, чтобы успешно их регулировать и предотвращать образование брака