Теоретическая часть

Виды термической обработки сталей. Углеродистые стали – технологичные и относительно недорогие материалы. В зависимости от условий эксплуатации и требований к деталям машин и инструменту применяют различные виды термической обработки. Для выбора режимов термической обработки пользуются стальным участком диаграммы состояния «железо – цементит» (рис. 3.1).

Перекристаллизационный отжиг – термическая обработка, в результате которой конструкционные стали приобретают структуру, близкую к равновесной. Стали нагревают до температуры выше критической точки Ас₃ на (30…50) °С и после выдержки медленно охлаждают со скоростью (100…200) °С/ч. Отжиг проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой феррито-перлитной структуры. Иногда охлаждение проводят на воздухе, тогда такая термическая обработка называется нормализацией. После нормализации в доэвтектоидных сталях получается структура перлита с ферритной сеткой. Твердость углеродистой стали в этом случае несколько выше, чем после отжига.

Представление о неравновесных превращениях при охлаждении сталей с различными скоростями дает термокинетическая диаграмма (рис. 3.2). При небольших скоростях охлаждения аустенит претерпевает диффузионное превращение с образованием структур перлитного типа (смесь пластинок феррита и цементита) – перлита (П), сорбита (С), троостита (Т). Чем больше скорость охлаждения, тем выше дисперсность структуры – меньше толщина и длина пластинок цементита и расстояние между ними. Соответственно, при увеличении скорости охлаждения возрастает твердость и прочность и уменьшается пластичность стали.

При увеличении скорости охлаждения до критической V_кр аустенит переохлаждается до температуры М_н, при которой начинается его бездиффузионное превращение в мартенсит (М). Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α–железе, имеет тетрагональную, сильно искаженную кристаллическую решетку и обладает высокой твердостью и хрупкостью. При образовании мартенсита происходит увеличение удельного объема стали.

Закалка – термическая обработка, в результате которой в сталях образуется неравновесная структура мартенсита. Температура нагрева под закалку доэвтектоидных сталей составляет Ас₃ + (30…50) °С, для заэвтектоидных сталей эта температура составляет Ас₁ + (30…50) °С.

Внутренние напряжения при закалке. При закалке поверхность стальной детали охлаждается быстрее, чем сердцевина (рис. 3.3). Перепад температур между сердцевиной и поверхностью детали сначала увеличивается, а затем уменьшается. Поэтому происходит, во-первых, неодновременное тепловое сжатие отдельных участков детали, из-за чего возникают тепловые напряжения. Во-вторых, происходит неодновременное расширение отдельных участков детали при превращении аустенита в мартенсит, и возникают структурные напряжения. Таким образом, деформация (коробление) деталей при термической обработке связана с разновременностью протекания тепловых и структурных изменений в различных сечениях деталей.

На рис. 3.4 а показана схема изменения внутренних тепловых напряжений на поверхности и в сердцевине детали с течением времени. После полного охлаждения во внешних слоях детали формируются сжимающие тепловые напряжения, а во внутренних – растягивающие.

Когда температура поверхностного слоя достигнет мартенситной точки М_н, в нем начнется мартенситное превращение, сопровождающееся увеличением объема. В поверхностном слое возникают структурные напряжения сжатия. При дальнейшем снижении температуры продолжается мартенситное превращение, и одновременно упругая деформация переходит в остаточную. Таким образом, структурные напряжения в ходе охлаждения изменяются в обратном порядке по сравнению с тепловыми (рис. 3.4 б). По окончании охлаждения на поверхности получаются растягивающие структурные напряжения, а в центре – сжимающие. Под влиянием тепловых и структурных напряжений происходит деформация деталей при закалке. Скорость закалочного охлаждения значительно влияет на деформацию. При увеличении скорости охлаждения возрастает перепад температур по сечению детали во время мартенситного превращения в поверхностном слое. Сердцевина, будучи пластичной, легко деформируется под действием поверхностного слоя. Поэтому увеличение скорости охлаждения приводит к росту структурной деформации. При снижении скорости охлаждения во время мартенситного превращения температурный перепад уменьшается. Сердцевина имеет в этот момент более низкую температуру и сопротивляется пластической деформации. В этом случае преобладает тепловая деформация.

По окончании закалочного охлаждения из-за растягивающих напряжений на поверхности детали могут возникать трещины. Для предупреждения их возникновения стремятся уменьшить растягивающие напряжения на поверхности деталей или, что более эффективно, получить на поверхности сжимающие напряжения. Для этого нужно или уменьшить структурные напряжения, или увеличить тепловые. В области высоких температур (когда преобладают тепловые напряжения) детали необходимо охлаждать с высокой скоростью. Наоборот, при охлаждении ниже мартенситной точки скорость охлаждения должна быть как можно меньшей.

Различные способы закалки позволяют снизить уровень коробления, уменьшить вероятность появления закалочных трещин. К таким способам можно отнести закалку в двух средах, ступенчатую закалку, изотермическую закалку или закалку на нижний бейнит (рис. 3.5).

Закалка в одном охладителе – самый простой способ. Величина закалочных напряжений будет зависеть от свойств закалочной среды, т.е. от того, насколько быстро или медленно среда отводит тепло от детали при разных температурах. Для закалки углеродистых сталей из-за их малой прокаливаемости используется вода, поэтому возникают большие закалочные напряжения. Этот способ применяется только для деталей малого сечения и простой формы.

Закалка в двух средах проводится следующим образом: нагретую до требуемой температуры деталь погружают сначала в воду, где происходит быстрое охлаждение до температуры на (100…150) °С выше температуры начала мартенситного превращения (М_н) данной стали. Затем деталь извлекают из воды и быстро переносят в масло, чтобы во время мартенситного превращения охлаждение происходило медленно и не возникали большие структурные напряжения. При закалке в двух средах деформации меньше, чем при закалке в одной среде, однако этот способ не находит широкого применения, т.к. очень сложно вовремя переместить деталь из одной жидкости в другую, и вероятность брака при таком способе закалки очень велика.

Ступенчатая закалка осуществляется погружением детали в расплав селитры, имеющий температуру на (100…150) °С выше температуры М_н. До этой температуры деталь охлаждается довольно быстро, в расплаве селитры делают короткую выдержку для выравнивания температуры по сечению детали, а затем деталь извлекают на спокойный воздух. Дальнейшее охлаждение детали происходит медленно, перепад температур по сечению очень мал, мартенситное превращение идет по всему объем детали одновременно, и структурные напряжения не возникают. Недостаток ступенчатой закалки – сложно сделать изотермическую выдержку нужной продолжительности (от одной до нескольких секунд).

Изотермическая закалка или закалка на нижний бейнит проводится также в расплаве селитры с температурой на (100…150) °С выше температуры М_н. Деталь выдерживают в расплаве несколько десятков минут, при этом аустенит превращается в нижний бейнит – мелкоигольчатую структуру, очень похожую по строению и свойствам на мартенсит. При образовании нижнего бейнита напряжений и деформаций практически не возникает, и последующий отпуск не требуется. Твердость после закалки на нижний бейнит ниже, чем после закалки на мартенсит. Закалка на нижний бейнит применяется для деталей сложной формы, которые при обычной закалке могут сильно деформироваться.

Применяемые для ступенчатой и изотермической закалки селитровые ванны сложны в эксплуатации, пожароопасны, выделяют вредные для человека испарения, поэтом применение этих видов закалки ограничено.

Отпуск – нагрев закаленной детали с целью понижения закалочных напряжений и получения структуры и свойств, требуемых по условиям эксплуатации детали.

Превращения в закаленной стали при отпуске. При нагреве до 80…100 °С диффузия углерода практически невозможна и никаких превращений в стали не происходит.

При нагреве до (100…200) °С (низкий отпуск) начинается распад мартенсита (обеднение мартенсита углеродом), появляются метастабильные мелкие частицы карбидных фаз (ε-карбиды Fe₂C). Формируется структура мартенсита отпуска. Твердость закаленной стали при этом практически не снижается, поэтому низкий отпуск рекомендуется для деталей из высокоуглеродистых сталей, содержащих (0,7…1,2)% С: инструмента, деталей подшипников качения и деталей после цементации.

При нагреве до (350…500) °С (средний отпуск) завершается распад мартенсита. Формируется дисперсная феррито-карбидная смесь – троостит отпуска. Средний отпуск рекомендуется для рессор, пружин и некоторых видов штампов. Для обеспечения наилучших упругих свойств эти детали изготавливают из сталей с содержанием углерода (0,45…0,75)%.

При нагреве до (550…650) °С (высокий отпуск) карбидные частицы укрупняются, образуется структура сорбита отпуска, который обеспечивает хорошее сочетание прочности, вязкости и пластичности. Закалка стали с последующим высоким отпуском называется термическим улучшением и проводится для нагруженных деталей типа валов, шестерен. Такие детали изготавливают из сталей с содержанием углерода (0,3…0,5)%, которые называются улучшаемыми сталями.