2.3 Види термічної обробки

Будь-який процес термічної обробки можна описати графіком, що показує зміну температури з часом. За графіком можна визначити температуру нагріву, швидкості нагріву і охолоджування, тривалість витримки при температурі нагріву і загальну тривалість процесу, але одержати інформацію про вид термічної обробки не є можливим. Вид термічної обробки визначається не характером зміни температури з часом, а типом фазових і структурних змін в металі. Грунтуючись на цій ознаці, А.А.Бочвар розробив класифікацію основних видів термічної обробки металів і сплавів.

Термічна обробка підрозділяється на власне термічну, хіміко-термічну і термомеханічну обробки.

Власне термічна обробка полягає тільки в термічній дії на метал або сплав. При хіміко-термічній обробці додатково виробляється дифузійне насичення металами і неметалами. Термомеханічна обробка передбачає поєднання термічної дії і пластичної деформації.

Власне термічна обробка включає наступні основні види: відпал; гарт; відпустка і старіння.

2.3.1 Відпал

Відпал – операція термічної обробки, яка включає нагрів сталі, як правило, вище температури фазових перетворень, витримку і подальше повільне охолоджування, здійснюване, найчастіше, разом з піччю.

При повільному охолоджуванні сталі за своїм станом наближаються до фазової і структурної рівноваги, а одержувані структурні складові відповідають діаграмі «залізо – цементит». Після відпалу сталь має низькі значення твердості і міцності і високу пластичність.

У більшості випадків відпал є підготовчою термічною обробкою. Відпалу піддають відливки, поковки, прокат. У деяких випадках відпал є кінцевою термічною обробкою, наприклад відпал крупних відливок.

Розрізняють відпал  і  роду.

2.3.1.1 Відпал  роду

Відпал 1-го роду частково або повністю усуває відхилення від рівноважного стану, які виникають при попередній обробці, причому його проведення не обумовлене фазовими перетвореннями. Розрізняють наступні різновиди відпалу 1-го роду: дифузійний, рекристалізаційний і релаксаційний.

Дифузійному або гомогенізуючому відпалу піддають відливки і злитки з легованих сталей для зменшення дендритної ліквації. Метал нагрівають до температур 1100…1200°С, при яких якнайповніші протікають дифузійні процеси, необхідні для вирівнювання хімічного складу за всім об'ємом деталі.

Нагрів здійснюється із швидкістю 100…150^оС/год, а тривалість витримки залежить від хімічного складу сталі і маси завантажених в піч деталей і може досягати декількох десятків годин. Надмірно тривалі витримки при гомогенізації недоцільні, оскільки вони знижують продуктивність процесу і призводять до зайвої витрати енергоресурсів.

Після гомогенізації сталь має крупне зерно, яке подрібнюється при подальшій обробці тиском або звичному повному відпалі.

Рекристалізаційному відпалу піддають холоднодеформований метал для зняття наклепу. Окрім рекристалізації фериту при відпалі можуть відбуватися коагуляція і сфероідизація цементиту, що підвищує пластичність і полегшує обробку тиском. Даний вид термічної обробки передбачає нагрів сталі вище за температуру рекристалізації. Для низьковуглецевих сталей (до 0,2%С) температуру відпалу після прокатування або штампування заготівок вибирають в межах 680…700^оС з витримкою до 10 годин. Відпал каліброваних прутків з легованих сталей після холодної протяжки проводять при 680…740^оС протягом 0,5…1,5 ч.

Релаксаційний відпал використовують для обробки литва, зварних з'єднань і деталей після механічної обробки, коли в результаті нерівномірного охолоджування або неоднорідної пластичної деформації виникають напруги, наявність яких може викликати зміну розмірів і деформацію деталей.

Відпал для зняття напруг здійснюється при температурах 160… 700^оС з подальшим повільним охолоджуванням. Наприклад, для багатьох деталей прецизійних верстатів проводять відпал при 570…600^оС протягом 2…3 годин після основної механічної обробки і при 160…180^оС такої ж тривалості після остаточної механічної обробки для зняття шліфувальних напруг. Відпал для зняття напруг після зварювання проводиться при 650…700^оС.

2.3.1.2 Відпал  роду

Відпал  роду полягає в нагріванні сталі до температур вище А_С1 або А_С3, витримці і подальшому повільному охолоджуванні. У процесі нагріву і охолоджування відбуваються фазові перетворення, які визначають структуру і властивості сталі.

Основні цілі відпалу: перекристалізація сталі, зняття внутрішніх напруг, зниження твердості і поліпшення оброблюваності.

При фазовій перекристалізації в процесі відпалу подрібнюється зерно, усувається відманштетова структура і рядковість. Характерним структурним дефектом сталевих відливань і сталей, нагрітих до температур 1100…1200^оС (явище перегріву), є наявність крупного зерна аустеніту. При прискореному охолоджуванні грубозернистого аустеніту створюються умови для утворення відманштетової структури, яка характеризується тим, що кристали доевтектоїдного фериту орієнтовано виростають щодо кристалічних граток аустеніту і мають форму пластин. Відманштетовий ферит спостерігається лише в сталях, що містять менше 0,4 % С, і найчіткіше виявляється при прискореному охолоджуванні сталі в інтервалі температур від А₁ – 50^оС до 600..550^оС.

Структура рядка виникає через забруднення неметалічними включеннями, які при обробці тиском витягуються, і ферит, зароджуючись на них, утворює витягнуті скупчення.

Ще однією важливою метою відпалу є запобігання утворенню флокенів при виробництві крупних поковок.

Відомо, що однією з головних причин утворення флокенів є підвищений вміст водню в сталі. Флокени звичайно утворюються в катаній сталі або в поковках, але іноді зустрічаються і в литій сталі. Як правило, вони розташовуються в центральній частині поковок і беруть свій початок в лікваційних ділянках, що збагачені вуглецем, фосфором, сіркою і легуючими елементами.

Причиною утворення флокенів є водень, а температура їх утворення лежить нижче 200^оС. Утворенню флокенів сприяє наявність додаткових внутрішніх напруг (структурних, термічних і механічних), які збільшують локальну концентрацію водню в твердому розчині. Тільки розтягуючи напруги при сумісній дії з воднем можуть викликати утворення флокенів, стискаючі напруги зменшують небезпеку флокеноутворення.

Усі сталі загального призначення за ступенем флокеночутливості підрозділяють на чотири групи. До першої групи відносять вуглецеві сталі 15…55. До другої групи включені низьколеговані сталі: 20Х…55Х, 10Г2, 50Г, 50Г2, 60ХГ, 15ХМ, 35ХМ, 38Х2МЮА, 20ГС, 25ГС, 20ХГСА, 35ХГСА, 08ГДНФ. Третю групу складають середньолеговані сталі: 20ХН; 40ХН; 50ХН; 60ХН; 40ХНМ; 34ХН1МА; 38ХГН; 12Х1М1Ф; 15Х1М1Ф; 5ХГМ. Високолеговані сталі 34ХН3М. 38ХН3М, 18Х2Н4МА, 5ХНМ, 5ХНМ2 за своєю флокеночутливістю віднесені до четвертої групи.

Тривалість протифлокенного відпалу поковок, залежно від флокеночутливості сталі і розмірів поковок, може досягати декілька сотень годин, що робить цей процес дорогим.

Існують наступні види відпалу 2-го роду: повний, неповний та ізотермічний (рис. 13).

При повному відпалі доевтектоїдна сталь нагрівається вище А_С3 на 30~50°С, витримується при цій температурі до повного завершення фазових перетворень і поволі охолоджується. При цьому ферито-перлітна структура перетворюється при нагріві на аустенітну, яка при подальшому повільному охолоджуванні розпадається на ферит і перліт, і, таким чином, відбувається повна перекристалізація.

На практиці швидкість нагріву близька до 100 ^оС/год, а тривалість витримки коливається від 0,5 до 1 ч на 1 т металу, що нагрівається. Повільне охолоджування з температури нагріву повинне забезпечити розпад аустеніту з утворенням перліту. Леговані сталі охолоджують значно повільніше (10…100 ^оС/год), ніж вуглецеві (150 … 200 ^оС/год).

Рисунок 13 - Схеми проведення відпалу і нормалізації

доевтектоїдної сталі

Надмірне перевищення температури нагріву вище А_С3 викликає зростання зерна аустеніту, що погіршує властивості сталі.

Неповний відпал полягає в нагріві вище А_С1 і повільному охолоджуванні. При цьому відбувається часткова перекристалізація тільки перліту, а ферит в доевтектоїдних сталях і цементит в заевтектоїдних не зазнають змін.

Неповному відпалу піддають доевтектоїдні сталі з метою зняття внутрішніх напруг і поліпшення оброблюваної різанням. Застосування його допустиме лише у тому випадку, коли нагрів в процесі попередньої обробки тиском не привів до утворення крупного зерна (інакше необхідний повний відпал з фазовою перекристалізацією).

Неповний відпал заевтектоїдних сталей називається сфероїдізуючим. У результаті одержують структуру зернистого перліту. Охолоджування при сфероїдізації повинне бути повільним, щоб забезпечити розпад аустеніту на суміш фериту і карбіду та коагуляцію карбідів, що утворилися. Метою проведення сфероїдізуючого відпалу є поліпшення оброблюваності різанням. Окрім цього, сталі із структурою зернистого перліту менш схильні до перегріву, утворенню тріщин і деформації при подальшому гартуванні.

Ізотермічний відпал часто проводять на практиці з метою економії часу. У цьому випадку деталь нагрівають, а потім швидко охолоджують (частіше перенесенням в іншу піч) до температури, що лежить нижче А_С1 на 50…100°С. При цій температурі деталь витримується до повного розпаду аустеніту (тобто здійснюється ізотермічна витримка), після чого охолоджується на повітрі (див.рис.  13).

У даний час ізотермічний відпал часто застосовують для легованих сталей, оскільки він скорочує тривалість процесу. Для прискорення відпалу температуру ізотермічної витримки бажано вибирати близькій до температури мінімальної стійкості аустеніту, що переохолоджується, в перлітній області.

Після ізотермічного відпалу виходить більш однорідна структура, що пов'язано з вирівнюванням температури за перетином деталі і перетворенням за всім об'ємом одночасно.

2.3.1.3 Нормалізація

Нормалізацією називається нагрів доевтектоїдної сталі до температури вище А_С3, а заевтектоїдної – вище А_cm на 30…50°С з подальшим охолоджуванням на повітрі. При нормалізації відбувається перекристалізація сталі і усунення грубозернистої структури, що виникає при відливанні або куванні.

У результаті охолоджування на повітрі розпад аустеніту на ферито-цементитну суміш відбувається при нижчих температурах, а отже, підвищується дисперсність її структури і твердість. Одержана структура називається сорбітом.

Нормалізації піддають низьковуглецеві сталі замість відпалу. Твердість при цьому вища, ніж при відпалі, але для низьковуглецевих сталей її значення достатньо низькі, щоб забезпечити задовільну оброблюваність. При цьому в порівнянні з відпалом поліпшується якість поверхні при різанні.

Для середньовуглецевих сталей нормалізацію застосовують замість гартування і високотемпературного відпуску. Механічні властивості при цьому знижуються, але зменшується деформація виробів у порівнянні з тією деформацією, яка виникає при проведенні гартування і високого відпуску.

Високовуглецеві (заевтектоїдні) сталі піддають нормалізації з метою усунення цементитної сітки.

Нормалізацію з подальшим високим відпуском (600 … 650°С) часто застосовують для виправлення структури легованих сталей замість відпалу.