Закалка и отпуск стали
Термической обработкой называют технологический процесс, состоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изделий из металлов и сплавов, целью которого является изменение их структуры и свойств в заданном направлении.
Закалка стали состоит в нагреве ее выше температур фазовых превращений, выдержке для завершения всех превращений и охлаждения с высокой скоростью с целью получения при комнатной температуре неравновесных структур, обеспечивающих более высокую прочность и твердость стали. В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку.
Полная закалка заключается в нагреве стали на 30-50° выше температуры Асз, выдержке и быстром охлаждении. Применяется полная закалка для доэвтектоидных сталей.
Неполная закалка заключается в нагреве стали на 30-50° выше температуры Ас1, выдержке и быстром охлаждении. Применяется неполная закалка для зввтектоидных сталей.
Высокую скорость охлаждения при закалке получают, помещая деталь в закалочные среды. Наиболее распространенные среды: вода, минеральное масло или водные растворы NaCl, NaOH . Скорость охлаждения в масле минимальная, в водных растворах соли или щелочи - максимальная.
Критическая скорость закалки - минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения.
Толщина пластинок тем больше, чем ниже скорость охлаждения, и достигает наибольшего размера у перлита, а твердость рассматриваемых структур тем выше, чем выше скорость охлаждения и, соответственно, чем тоньше пластинки.
Нормализация - нагрев стали выше критической на 30-40°С, выдержка и охлаждение на спокойном воздухе до комнатной температуры.
Прокаливаемость - глубина проникновения закаленной зоны.
Быстрое охлаждение аустенита подавляет процесс диффузии.
Мартенсит в углеродистой стали представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе. Образуется мартенсит при перестроении решетки из гранецентрированной в объемноцентрированную, протекающем без диффузии.
Следствием искажения кристаллической решетки является высокая прочность и твердость мартенсита при минимальной пластичности и ударной вязкости.
Твердость мартенсита тем выше, чем больше содержится в нем углерода. Способность стали повышать твердость при закалке называют закаливаемостью и характеризуют величиной твердости.
Отпуск — это нагрев закаленной на мартенсит стали до Ac1, с целью снижения внутренних напряжений, повышения вязкости и пластичности металла.
В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск проводят при 150-200 ºC. Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости мартенсита при сохранении высокой твердости и износостойкости деталей. Структура стали после низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска. Основная область применения низкого отпуска – режущий и мерительный инструмент.
Средний отпуск проводят при температуре 350-450 ºC. Цель среднего отпуска состоит в снижении твердости при значительном увеличении предела упругости. Структура стали представляет собой троостит отпуска, обеспечивающий высокие пределы прочности, упругости и выносливости, а также улучшение сопротивляемости действию ударных нагрузок. Область применения – рессоры, пружины, мембраны.
Высокий отпуск проводят при 550-650 ºC. Цель высокого отпуска – достижение оптимального сочетания прочностных и вязких свойств. Структура стали представляет собой однородный сорбит отпуска с зернистым цементитом. Область применения высокого отпуска – конструкционные стали, детали из которых подвергаются воздействию высоких напряжений и ударным нагрузкам (детали типа валов).
Термическое улучшение - комплексная термическая обработка, состоящая из закалки с высоким отпуском. Термическому улучшению чаще всего подвергают углеродистые стали и легированные стали с содержанием углерода 0,3-0,4%.