№42. Терм. Обработка: перечислить виды. Практика закалки. Отпуск.

Термическая обработка – это тепловое воздействие на металлы и сплавы с целью придания им желаемой структуры, а следовательно, и свойств. Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назнача­емыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливки, поковки, прокат и т. д.) и готовым изделиям, являются отжиг, улучшение, нормализация, закалка и отпуск.

В черной металлургии преобладающими процессами термической обработки металлопродукции являются отжиг, нормализация и высокий отпуск, снижающие твердость, что облегчает металлургический передел (например, калиброванной стали) и деформационную и механическую обработку резанием на машиностро­ительных заводах.

Отжиг – это термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до определённой температуры, временной выдержке при этой температуре и последующим охлаждении вместе с печью.

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3(911⁰С) на 40-50 °C, заэвтектоидной выше Ас1 (727⁰С) также на 40-50 °C, непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупно-зернистую структуру, полученную при литье или прокатке, штамповке или ковке.

Закалка заключается в нагреве стали на 30-50 °C выше Ас3 для доэвтектоидных сталей или Ас1 для заэвтектоидных сталей, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Для углеродистых сталей это охлаждение чаще проводят в воде, а для легированных – в масле или в других средах. Основными параметрами закалки являются температура нагрева, время выдержки и скорость охла­ждения. Температура нагрева и время выдержки должны быть такими, чтобы в сплаве успели произойти поли­морфные превращения и раствориться избыточные фазы, как при отжиге второго рода, а скорость охлаждения должна быть высокой, чтобы не успели пройти обратные процессы фазовых превращений (эвтектоидный распад, выделение избыточной фазы), связанные с процессами диффузии. Существует два вида закалки: без полиморф­ного превращения и с полиморфным превращением.

Закалка без полиморфного превращения характери­зуется тем, что в результате быстрого охлаждения фикси­руется состояние сплава при низкой температуре, свой­ственное ему при более высокой температуре. При этом образуются пересыщенные твердые растворы. Темпера­туру выбирают такой, чтобы возможно более полно рас­творились избыточные фазы в матричной фазе (карбиды в аустените). Время выбирают таким, чтобы полностью завершились процессы растворения избыточных фаз. Скорость охлаж­дения должна быть такова, чтобы не успел произойти распад ма­тричного раствора. Закалка с полиморфным превращением обеспечивает в резуль­тате охлаждения перестройку кристаллической решетки сплава. Главным результатом такой закалки является мартенситное превращение высокотемпературной фазы. Мартенситное превращение для углеродистых сталей и чугунов возможно только из аустенитного со­стояния при быстром охлаждении с температур выше линии GSK, когда становится невозможным диффузион­ный распад аустенита на феррит и карбиды, а образуется сразу бездиффузионным путем мартенсит. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до тем­пературы ниже Ас_1,выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоро­стью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряже­ния снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

Скорость охлаждения после отпуска также оказы­вает большое влияние на величину остаточных напря­жений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше оста­точные напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обра­тимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500— 650°С во всех случаях следует охлаждать быстро.

Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска.

Низкотемпературный (низкий) от­пуск проводят с нагревом до 250°С. При этом сни­жаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переходит в отпущенный мартенсит, повышается проч­ность и немного улучшается вязкость, без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,5—1,3 % С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах НRС 58—63, а следовательно, высокую износостой­кость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамиче­ских нагрузок.

Низкотемпературному отпуску подвергают режу­щий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпев­шие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Продолжительность отпуска обычно 1—2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов назначают более дли­тельный отпуск.

Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350—500°С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали после среднего отпуска — троостит отпуска или троосто-мартенсит; твердость стали HRС 40—50. Температуру отпуска надо выби­рать таким образом, чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500—680°С. Структура стали после высокого отпуска — сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.

Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает σв и σ0,2, δ и ψ, а также KCU. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.

Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3—0,5% С) конструкционные стали, к которым предъяв­ляются высокие требования к пределу текучести, пре­делу выносливости и ударной вязкости. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, работу развития трещины, снижает тем­пературу верхнего и нижнего порога хладноломкости.

Отпуск при 550—600°С в течение 1—2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возник­шие при закалке. В зависимости от габаритных разме­ров изделия длительность высокого отпуска состав­ляет 1,0—6 ч.

Закалке с высоким отпуском (600—700 °С) на ме­таллургических заводах подвергают низкоуглероди­стую и низколегированную толстолистовую сталь, что повышает ее сопротивление хрупкому разрушению и уменьшает склонность к старению.