8.2. Термическая обработка стали

Сталь и чугун — сплавы со сложной структурой, при изменении которой изменяются и их механические свойства. Для улучшения этих, или приобретения новых свойств, сплавы термически обрабатываются. Из диаграммы Fe-C видно, что в результате медленного охлаждения доэвтоидные стали (углерода меньше 0,8 %) приобретают структуру феррита и перлита, а заэвтектоидные (углерода больше 0,8 %) — перлита и вторичного цементита.

С помощью термической обработки могут решаться следующие задачи:

— повышение твердости материала (закалка);

— подготовка к закалке или к механической обработке (нормализация);

— подготовка слитка (выравнивание структуры) для прокатки, ковки и т. д. (глубокий отжиг);

— подготовка проката для механической обработки резанием (отжиг);

— снятие структурных внутренних напряжений (отпуск);

— снижение деформаций после сварки (отпуск).

Т

Рис. 8.3. Схема термообработки металлов и сплавов

ермической обработкой стали называется технологический процесс, состоящий из нагрева ее до определенной температуры, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения (рис. 8.3).

Вид термической обработки определяется значениями температуры нагрева и скоростью охлаждения. При термообработке изменяется структура исходного металла: происходят фазовые превращения, например, аустенит превращается в перлит и, вследствие этого, меняется размер зерен (аустенит имеет крупнозернистую структуру, а перлит — мелкозернистую). Поскольку различные фазы имеют различные механические свойства, то из-за происходящих при термообработке фазовых превращений изменяются механические свойства сплавов (твердость, прочность, вязкость, пластичность и др.).

Критическими точками термообработки называют температурные точки, при которых происходят фазовые превращения в металле, находящемся в твердом состоянии. Эти точки, находящиеся на нижеуказанных линиях диаграммы Fe-C обозначаются (см. рис. 8.1):

Ac₁, Ar₁ — линия PSK (727 С);

Ac₃, Ar₃ — линия GS (температуры снижаются с 911 С для чистого железа и с 727 С для эвтектоидной стали);

Aс_m — линия SE (температуры повышаются от 727 С до 1147 С для заэвтектоидных сталей).

Индекс «с» — для фазовых превращений при нагреве, «r» — при охлаждении.

Тот или иной вид термообработки достигается нагревом металла выше значений этих критических точек (чаще всего на 30–50 С), а для некоторых видов термообработки без фазовых превращений — ниже этих линий. Стали содержат различное содержание углерода (от 0 до 2,1 %), и для каждой конкретной марки стали будет своя критическая точка, которую как раз и можно определить из диаграммы Fe-C.

С помощью термической обработки можно придать необходимые свойства всей детали или только части ее (например: поверхностная закалка детали; закалка только режущей части инструмента; закалка с самоотпуском и др.). Основные виды и температурные режимы термической обработки (отжиг, закалка, нормализация и отпуск) наглядно представлены на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Температурные интервалы термической обработки сталей

Отжиг используется для улучшения выравнивания структуры стального слитка, подготовки к другим видам термической обработки, уменьшения твердости заготовки для облегчения последующей механической обработки или прокатки.

При отжиге деталь нагревают выше критических точек Ac₃ и Ac₁ (линия GSK) на 30…50 С и после выдержки медленно охлаждают вместе с печью. При этом крупнозернистая аустенитная структура стали изменяется на мелкозернистую струк­туру, вследствие чего улучшается обрабатываемость стали резанием, снижается ее твердость, повышается пластичность и уменьшаются внутренние напряжения.

При нормализации детали нагревают до температуры на 30…50 С выше линии GSE, после чего охлаждают на воздухе. Нормализация преследует те же цели, что и отжиг. После нормализации сталь приобретает мелкозернистую структуру и несколько большую твердость, чем при отжиге. Нормализация применяется для улучшения обрабатываемости стали резанием, исправления структуры сварного шва, подготовки к последующей термообработке (закалке).

Н ормализация от отжига отличается (рис. 8.5) более высокой температурой нагрева для эвтектоидных сталей (линия SE для нормализации, а для отжига — SK) и значительно большей скоростью хлаждения (на воздухе деталь охлаждается быстрее, чем вместе с печью при

отжиге).

Рис. 8.5. Оптимальный интервал температур закалки сталей

Закалкой называется процесс (рис. 8.5), состоящий из нагрева сталей выше критических точек Ac₃ и Ac₁ на 30…50 С, выдержки при этих температурах и последующего охлаждения со скоростью больше критической, т. е. выше минимальной скорости охлаждения, обеспечивающей превращения переохлажденного аустенита в мартенсит.

При скоростях охлаждения больше критической углерод не успевает выделиться из кристаллической решетки (из -железа в -железо), в результате получается однофазный перенасыщенный твердый раствор углерода в -железе, который получил название мартенсита. При этом происходят значительные искажения пространственной решетки, создается высокая плотность пороков дислокаций, нарушается равенство межатомных сил, накапливается значительная внутренняя потенциальная энергия. Сталь приобретает высокую твердость, но ее пластичность при этом падает.

Закалка и отжиг имеют одинаковые интервалы температур (рис. 8.3), но отличаются скоростью охлаждения. За счет очень быстрого охлаждения в металле фиксируются фазы и структуры, характерные для высоких температур. Из-за этого повышается твердость, но структура находится в неустойчивом состоянии.

Масло охлаждает металл медленнее, чем вода, поэтому в нем обычно закаливают высокоуглеродистые и легированные стали.

Закаленная деталь выдерживается некоторое время при определенной температуре, в результате чего происходят диффузионные процессы, и изменяется структура закаленной стали, повышаются ударная вязкость, предел упругости и пластичности, при этом снижаются внутренние напряжения, но и снижается твердость металла.

Закаленная сталь имеет высокую твердость, но характеризуется низкими значениями ударной вязкости, эластичности и упругости, высокими внутренними напряжениями, поэтому без отпуска стальные детали практически непригодны для использования. Следовательно, отпуск — это обязательная операция после закалки стали.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры 150…670 С, выдержке и последующем медленном охлаждении на воздухе. Отпуск в зависимости от температуры нагрева бывает низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск производится при 150…250  С и охлаждении на воздухе. Его используют для деталей из углеродистой и легированной стали после их химико-термической обработки для снятия внутренних напряжений и сохранения высокой твердости и износостойкости.

Средний отпуск производят при нагреве деталей до температуры 250…500 С. Он применяется при обработке рессорных листов, пружин.

Высокий отпуск — это нагрев стали до 500…670 С, выдержка при этой температуре и охлаждение с определенной скоростью. Цель такой обработки — повысить вязкие и пластические свойства стали (при существенном понижении ее твердости и прочности) и уменьшить внутренние напряжения. Высокий отпуск применяется при изготовлении ответственных деталей (шатунов, шатунных болтов, осей и т. п.) из улучшенной конструкционной стали.

При выборе режима нужно иметь в виду, что приобретенная в результате закалки твердость снижается в зависимости от температуры отпуска:

при нагреве до 200 С — на 15 %;

-/- до 300 С — на 40 %;

-/- до 550 С — до 90 %.

Порядок^ выполнения работы по разделу 8.2:

В пункте 2 «Содержание отчета» указать назначение и технологические особенности видов термообработки для стали своего варианта: интервал температур нагрева стали, исходя из диаграммы Fе-С, рекомендуемые охлаждающие среды и сравнительный уровень скорости охлаждения (очень быстро, медленно и очень медленно).

Произвести закалку (пункт 3) образца стали: нагреть образец до температуры, предложенной преподавателем или учебным мастером; замерить твердость после закалки и твердость образца из этой же, но незакаленной стали; построить зависимость (пункт 4) влияния температуры закалки на твердость стали, используя свои данные и результаты других групп студентов по этой же марке сталей.

Провести отпуск стали (пункт 5) при температуре, указанной преподавателем или учебным мастером, и замерить твердость образца. Аналогично п. 4, используя свои данные и результаты других групп студентов, построить зависимость (пункт 6) влияния температуры отпуска на твердость стали.