1. Собственно термическая обработка (сто)

СТО включает в себя шесть видов обработки: отжиг 1-го и 2-года, закалку с полиморфным превращением, после которой проводится отпуск (низкий, средний или высокий), и закалку без полиморфного превращения, после которой проводят старение искусственное (при повышенных температурах) или естественное (при 20°С). Принадлежность к тому или иному виду обработки определяется типом происходящих при этом структурных изменений в материале.

1.1. Отжиг

При отжиге 1-го рода не протекают фазовые превращения. Нагрев при отжиге 1-го рода повышает подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутренние напряжения, способствует получению более равновесного состояния. Различают следующие разновидности отжига 1-го рода: диффузионный (гомогенизирующий), рекристаллизационный, дорекристаллизационный и отжиг для снятия внутренних напряжений.

Диффузионный отжиг применяется для устранения дендритной или зональной ликвации для крупных заготовок, полученных методом литья или сварки. Температура нагрева составляет 0,8 – 0,9 Т_пл (на 150 – 200°C ниже линии солидус) и при более длительных выдержках (10 – 18 ч). При этом обеспечивается более равномерное распределение химического состава и механических свойств сплава по длине и сечению заготовки.

Рекристаллизационный отжиг применяют с целью устранения наклепа и внутренних напряжений в стали после холодной обработки давлением (штамповки, ковки, прессования, волочения и др.). Проводится при температурах выше температуры рекристаллизации сплавов на 30 – 50 ºС, Т_рек = (0,6 – 0,8)·Т_пл (для углеродистых сталей – 650 – 690 ºС). В результате рекристаллизации в деформированном металле образуются новые зерна, снижаются напряжения и восстанавливается пластичность металла, заметно понижается твердость.

Дорекристаллизационный отжиг проводятся при температурах ниже температуры рекристаллизации (T_рек) и применяют его для уменьшения остаточных внутренних напряжений 2-го и 3-го рода (в зернах и элементарных ячейках соответственно).

Отжиг для снятия внутренних напряжений применяется после различных видов обработок, связанных с технологией их изготовления. Например, применяется для снятия напряжений, возникающих при ковке, сварке, литье и т.д., которые могут вызвать коробление и изменение формы. Нагрев при этом виде обработки проводят до сравнительно низких температур (200–300°C), время выдержки подбирают опытным путем для каждого вида изделий. Скорости нагрева и охлаждения при отжиге должны быть небольшими, чтобы можно было предотвратить возникновение новых внутренних термических напряжений.

Проведение отжига 1-го рода не связывают с фазовыми превращениями в сплавах, в отличие от отжига второго рода.

Отжиг 2-го рода проводят для сплавов, в которых имеются полиморфные, эвтектоидные или перитектические превращения, а также имеет место переменная растворимость компонентов в твердом состоянии. Целью этого вида отжига является приближение стали к равновесному состоянию, измельчение структуры, а также подготовка стали к последующей термической обработке.

В зависимости от температур нагрева относительно критических точек¹ Ас₁ и Ас₃, способов охлаждения и степени переохлаждения аустенита, различают основные разновидности отжига 2-го рода: полный отжиг, неполный отжиг, изотермический отжиг и нормализацию. Положение критических точек Ac₁, Ac₃ , A_cm(Ac₃ для заэвтектоидных сталей) показано на рисунке 6.

Рисунок 6 - Положение критических точек Ac1, Ac3 , Acm для сталей с различным содержанием углерода на диаграмме состояния Fe-C

При полном отжиге сталь нагревается выше точки Ac₃ на 30 – 50 ºС и выдерживается определенное время при заданной температуре, после чего медленно охлаждается вместе с печью до 500 – 600 ºС, а затем на воздухе. При нагреве выше точки Ac₃ происходит перекристаллизация. В результате полного отжига зерна измельчаются, внутренние напряжения в металле устраняются, сталь становится мягкой и пластичной. Применяется как промежуточная термическая обработка для устранения структуры перегрева, улучшения обрабатываемости резанием или пластической деформации. Полному отжигу подвергаются преимущественно доэтектоидные и эвтектоидные стали.

При неполном отжиге сталь нагревается выше критической точки Ac₁, но ниже Ac₃ , Ac_m и после выдержки медленно охлаждается с печью. Этот вид отжига чаще всего применяется для заэвтектоидных сталей. Разновидностью его является сфероидизирующий отжиг, в результате которого перлит и вторичный цементит в структуре сталей приобретают зернистое строение, устраняется цементитная сетка, что благоприятно отражается на технологических свойствах стали (описание расположения на критических точках на диаграмме).

Изотермический отжиг – вид отжига, при котором изделие прогревают до температуры, превышающей А₃ (доэвтектоидная сталь), а затем помещают в соляную ванну, нагретую до температуры, обеспечивающей получение нужной структуры.

Изотермический отжиг применяют для улучшения свойств легированных сталей. Сталь нагревают до температур выше Ас₃ и сравнительно быстро охлаждают до температур, лежащих на 100 – 150°C ниже Ас₁, перенося в другую печь, нагретую до соответствующей температуры. В этой печи сталь выдерживают до завершения изотермического распада аустенита. Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием, чистоту поверхности.

При нормализации сталь нагревают выше температуры точек Ас₃ или Ас_m на 30...50°C. После выравнивания температуры по всему сечению детали охлаждаются со скоростью, обеспечивающей структуру пластинчатого сорбита. По режиму нормализация является промежуточной операцией между отжигом и закалкой. Цель нормализации – получение мелкозернистой однородной структуры, частичное снижение внутренних напряжений, улучшение штампуемости и обрабатываемости резанием, устранение цементитной сетки в структуре заэвтектоидных сталей.