Термическая обработка стали

Закалка и закалочные структуры

После механической обработки готовые изделия обычно подвергают упрочняющей термической обработке - закалке.

Закалка - процесс нагрева стали до температур выше линии фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением. Доэвтектоидные стали нагревают на 30⁰ - 50⁰ выше линии GS (полная закалка), а заэвтектоидные стали - на 30⁰ - 50⁰ выше линии SE¹ (неполная закалка).

В процессе закалки зерно измельчается и после закалки изделия приобретают высокую твердость. Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании углерода менее 0,2% сталь практически не закаливается.

Выбирая конкретный режим закалки, - температуру нагрева и скорость охлаждения,- можно получить структуру стали с различной степенью измельчения зерна, т.е. различные закалочные структуры: сорбит, троостит, мартенсит. Сорбит и троостит имеют структуру перлита, структура мартенсита особая, свойственная только этой закалочной структуре.

Сорбит - первая закалочная структура - получается при сравнительно невысокой скорости охлаждения. Сорбит представляет собой смесь феррита и цементита, отличающуюся от перлита более тонкодисперсным строением и повышенной твердостью (HRC 20). Стали с сорбитной структурой имеют высокую износостойкость и используются для изготовления нагруженных изделий.

Троостит - вторая закалочная структура - получается при более высокой скорости охлаждения и представляет собой более тонкодисперсную смесь феррита и цементита, чем сорбит. Твердость троостита составляет HRC 30. Сталь со структурой троостита отличается высокими значениями прочности и упругости. Ее используют, главным образом, для изготовления пружин и рессор.

Мартенсит получается при очень быстром охлаждении. Скорость охлаждения выбирают такой, чтобы при фазовых превращениях аустенит не успел распасться на феррит и цементит. При этом в процессе перекристаллизации -железа в -железо углерод не успевает диффундировать из кристаллической решетки -железа и образуется пересыщенный твердый раствор углерода в -железе - мартенсит.

Мартенсит имеет характерную игольчатую структуру, легко распознаваемую при микроскопическом исследовании. Это очень твердая и хрупкая структура (HRC 62...66). Высокая твердость мартенсита объясняется тем, что его элементарные кристаллические ячейки искажены растворенным в -железе избыточным углеродом. Вследствие этого пластическая деформация почти невозможна.

Для достижения комплекса высоких механических свойств стремятся получить мелкоигольчатую мартенситную структуру. Сталь с таким строением обладает высокой твердостью, не теряя при этом пластичности и вязкости, т.е. оказывается не очень хрупкой. Из стали с мартенситной структурой изготавливают инструмент.

Процесс закалки и отпуск

Для успешного проведения процесса закалки важно правильно выбрать основные параметры: время нагрева и выдержки и скорость охлаждения.

Время нагрева до нужной температуры и выдержки при этой температуре зависит от размеров и формы деталей, от их укладки в печи и от особенностей исходной структуры сплава. Чем крупнее детали, тем длительнее процесс нагрева. Существуют приближенные способы расчета времени нагрева и выдержки, но точно эти параметры устанавливается в каждом конкретном случае опытным путем. Практически установлено, что мелкие детали нагреваются за 1-2 мин., крупные детали тяжелого машиностроения необходимо нагревать в течение нескольких часов.

Скорость охлаждения оказывает решающее влияние, как на структурные изменения сплава, так и на величину внутренних напряжений, возникающих при охлаждении. Чем сложнее и ответственнее изделие, тем тщательнее следует выбирать условия охлаждения.

Управлять процессом охлаждения удается, используя различные охлаждающие среды. Наиболее распространенной и дешевой охлаждающей средой является вода. Она используется для деталей простой конфигурации, изготовленных из углеродистых или малолегированных сталей. Добавки поваренной соли и щелочей повышают охлаждающую способность воды. Для охлаждения деталей сложной конфигурации, малых размеров, а также изделий из легированных сталей используется масла, расплавы щелочей и солей. так, например, охлаждение часто производят в расплаве солей 55% KNO₃, 45% NaNO₃. Скорость охлаждения регулируют изменением количеств воды в расплаве солей.

При охлаждении важно как можно быстрее пройти диапазон температур от 650⁰ до 550⁰ для того, чтобы предотвратить распад аустенита на феррито-цементитную смесь. В интервале температур 300⁰ - 200⁰ требуется медленное охлаждение, так как именно при этих температурах образуется мартенсит, возникают внутренние напряжения и велика опасность появления закалочных трещин. Поэтому для сложных и ответственных деталей, а также инструмента из высокоуглеродистых и легированных сталей применяют закалку в двух средах. В этом случае при охлаждении изделие сначала погружают в быстроохлаждающую среду (воду), а затем переносят в масло или на воздух, где охлаждение идет медленнее.

Отпуск

В процессе закалки при резком изменении температуры существенно изменяется объем изделия, в результате чего возникают внутренние напряжения. Вследствие внутренних напряжений изделие может деформироваться (изменится его объем) или покоробиться (изменится его форма), в нем могут образоваться закалочные трещины. Для снятия внутренних напряжений детали и инструмент после закалки обязательно подвергают отпуску. Отпуск - заключительная операция термической обработки.

Отпуском называют нагрев стали до температуры ниже линии PSE¹ с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Цель отпуска - снятие закалочных напряжений, определенное снижение твердости и получение необходимых механических свойств.

Основное превращение при отпуске - частичный распад мартенсита, т.е. выделение углерода из пересыщенного твердого раствора. Углерод выделяется в виде мельчайших кристалликов карбида железа.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.

Низкий отпуск производят при температуре 120⁰ - 150⁰С. При этом твердость практически не снижается, лишь снимаются внутренние напряжения. Сталь имеет структуру мартенсита, поэтому низкий отпуск называю еще отпуском на отпущенный мартенсит. Низкий отпуск применяют после закалки инструмента, химико-термической обработки, а также после поверхностной закалки.

Средний отпуск (отпуск на троостит) происходит при нагреве до 350⁰ - 400⁰. При этом несколько снижается твердость и уменьшается хрупкость. Отпуск на троостит применяют для изделий типа пружин и рессор.

Высокий отпуск (отпуск на сорбит) производят при температуре 500⁰ - 650⁰, в результате твердость сплава снижается, а пластичность повышается. Сочетание закалки с высоким отпуском называется улучшением. Высокий отпуск применяют в машиностроении для изделий из конструкционной среднеуглеродистой стали с содержанием углерода 0,35…0,6%. Изделия приобретают прочность, вязкость и пластичность.