5. Основные виды термической обработки стали

Горячекатаные полуфабрикаты, поковки, штамповые заготовки и стальные отливки отжигают или нормализуют; легированные стали после нормализации подвергают высокотемпературному отпуску.

Отжиг и нормализация могут быть промежуточными видами терми­ческой обработки, если детали или инструменты после обработки резани­ем термически упрочняются, а в некоторых случаях эти виды обработки определяют и эксплуатационные свойства металла., если к специальному термическому упрочнению не прибегают.

Термическое упрочнение состоит из закалки и последующего отпуска.

1. Отжиг сталей

Существует несколько разновидностей отжига. Для конструкцион­ных сталей наибольшее применение находит перекристаллизационный от­жиг, а для инструментальных — сферой лизирующий отжиг.

Перекристаллизационный отжиг конструкционных сталей

Конструкционные стали чаще всего содержат углерод в количестве до 0,7 %, т.е. являются доэвтектоидными сталями.

Перекристаллизационный отжиг проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой струк­туры. Одновременно при отжиге полностью снимаются остаточные на­пряжения.

Полуфабрикаты из конструкционных сталей после литья или горя­чего деформирования из-за ускоренного охлаждения с высоких темпера­тур могут иметь повышенную твердость, что затруднит их обработку резанием и приведет к понижению пластичности. Кроме того, отливки и горячедеформированная сталь часто приобретают структурные дефекты, ухудшающие их свойства.

Характерный структурный дефект стальных отливок — крупнозер- нистость.

При ускоренном охлаждении крупнозернистого аустенита создают­ся условия для образования видманштеттовой структуры¹. При ее обра­зовании выполняется принцип размерного и структурного соответствия, в результате чего кристаллы доэвтектоидного феррита ориентированно прорастают относительно кристаллической решетки аустенита и имеют форму пластин.

Типичная структура литой стали и видманштеттова структура го- рячедеформированной стали показаны на рис. 6.24.

Размер зерна аустенита, образующегося после обработки давлением, как показывает опыт, определяется температурой окончания обработки: ¹⁸

а б

Рис. 6.24. Микроструктура отливки из конструкционной углеродистой ста­ли (а) и видманштеттовая структура горячедеформированной углеродистой стали (б), х 750

если эта температура намного превышает Ас$, то образуется крупнозер­нистый аустенит и после охлаждения — грубая стрктура продуктов рас­пада, если же она лежит в межкристаллическом интервале температур (между А\ и Лз), возникает другой структурный дефект — строчечность в расположении структурных составляющих — феррита и перлита, что обусловливает значительную анизотропию свойств.

Строчечная структура значительно чаще возникает из-за загрязнения стали неметаллическими включениями, обычно сульфидами, а также в результате ликвации фосфора.

При обработке давлением включения вытягиваются. Феррит, заро­ждаясь на вытянутых включениях, образует вытянутые скопления. Стро­чечность структуры, вызванная неметаллическими включениями, не ис­правляется отжигом.

Горячекатаная сталь со строчечной структурой (рис. 6.25) имеет худ­шие механические свойства (прочность, пластичность и вязкость) в попе­речном и высотном направлениях по сравнению с основным направлением деформации.

Для полной перекристаллизации структуры конструкционные стали нагревают до температуры, превышающей температуру Ас% на 30 — 50 °С. При более высоком нагреве произойдет укрупнение аустенитных зерен. После сквозного прогрева изделия следует медленно охлаждать, что­бы обеспечить в результате распада аустенита равновесную ферритно­перлитную структуру и соответственно низкую твердость и высокую пла­стичность.

Скорость охлаждения при отжиге выбирают в зависимости от сте­пени легированности стали. Углеродистые стали получаются достаточно мягкими при скорости охлаждения 100 — 200°С/ч. Легированные стали с более высокой устойчивостью переохлажденного аустенита нужно охла­ждать медленнее — со скоростью 20 — 70°С/ч. Высоколегированные ста­ли экономичнее подвергать изотермическому отжигу, т.е. дать выдержку

Р ис. 6.25. Строчечная струк­тура конструкционной углеро­дистой стали (сернистые включения - центры кристал­лизации доэвтектоидного фер­рита). х250

при температуре немного меньшей Аг\, чтобы получить продукты распа­да аустенита с низкой твердостью.

Охлаждение при отжиге чаще всего проводят вместе с печью.

Сфероидизирующий отжиг инструментальных сталей (сфероидизация)

Инструментальные стали для режущего, измерительного инструмен­та и для инструмента, деформирующего металл в холодном состоянии, содержат углерод в количестве от 0,7 до 2%. Высокое содержание угле­рода обусловливает высокую твердость инструментальных сталей, что затрудняет их обработку резанием. Для снижения твердости такие стали отжигают. Для заэвтектоидных сталей сфероидизирующий отжиг, кроме того, подготовляет структуру к закалке.

Наименьшую твердость имеют стали со структурой зернистого пер­лита, когда цементит перлита имеет округлую форму. Отсюда и название отжига — «сфероидизация».

Зернистый перлит (рис. 6.26) в инструментальных сталях обычно по­лучают путем нагрева сталей до температуры 750 — 770° С (немного вы­ше, чем Ас\) и последующего медленного охлаждения или изотермической выдержки при субкритической температуре 650 — 680 °С. При нагреве до температуры, лишь немного превышающей критическую, даже в доэвтек- тоидных сталях сохраняются нераспавшиеся мелкие карбидные частицы, которые при охлаждении или изотермической выдержке выполняют роль центров кристаллизации сфероидального цементита.

Рис. 6.26. Микроструктура эвтектоид- ной углеродистой стали после сфероиди- зирующего отжига. Зернистый перлит. х500

В заэвтектоидных сталях требуется сфероидизировать не только эв- тектоидный цементит, но и цементит вторичный (избыточный), который при нарушениях режима обработки давлением выделяется в виде сплош­ных оболочек аустенитных зерен (на шлифе — сетка). Этот заэвтектоид- ный цементит сфероидизируется труднее, чем цементит перлита, поэто­му заэвтектоидные стали предварительно нагревают выше температуры Ас_ст) для распада цементита и охлаждают на воздухе. Такая обработка вызывает измельчение цементита и разрыв сетки цементита на границах зерен, что облегчает сфероидизацию при вторичном нагреве.

Низко-, средне- и высоколегированные инструментальные стали сфе- роидизируют аналогичным образом, однако чаще вместо непрерывного охлаждения от температуры нагрева используют субкритические изотер­мические выдержки.