Основные виды термической обработки стали

Общие положения о термической обработке

Для выбора температурных режимов термической обработки используется диаграмма Fe-Fe₃C. Температуры нагрева стали устанавливаются по критическим точкам диаграммы и зависят от состава стали и выбранного процесса термической обработки (рис. 2.2).

Температуры фазовых превращений при термической обработке сталей (критические точки) определяются линиями PSK (А₁), GS (A₃) и SE (А_Ст) диаграммы состояния Fe-Fe₃C. Нижняя критическая точка, соответствующая превращению А↔П при температуре линии PSK, обозначается А₁. Верхняя критическая точка, соответствующая началу выделения из аустенита феррита или концу превращения феррита в аустенит (линия GS), обозначается А₃. Температура линии SE обозначается А_Ст.

Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении (поскольку они не совпадают), к обозначению критической точки при нагреве приписывают букву «с», т.е. эти точки обозначаются А_с1 и А_с3. Критические точки при охлаждении имеют индекс r и обозначаются соответственно А_r1 и A_r3.

Легирование изменяет положение критических температур, поэтому пользоваться диаграммой Fe-Fe₃C при определении режимов термической обработки без учета влияния легирующих элементов на критические температуры нельзя.

t, ⁰C

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

С, %

Высокий отпуск

Средний отпуск

Низкий отпуск

Диффузионный отжиг

Отжиг и закалка

Нормализация

А_Ст

А₁

Р

S

К

Рис.. Нижняя часть диаграммы состояния железо-цементит с указанием температуры нагрева для термической обработки

Отжиг 1-го рода. Нагрев стали до требуемой температуры с целью устранения физической или химической неоднородностей, созданных предшествующими обработками. Разновидностями его являются:

Диффузионный отжиг. Применяют для слитков и отливок из легированных сталей с целью уменьшения дендритной (внутрикристаллической) ликвации, которая повышает склонность стали к хрупкому излому. Ликвация также понижает пластичность и вязкость легированных сталей. Температура отжига составляет 1100-1200⁰С, длительность выдержки при заданной температуре 12-18 ч.

Рекристаллизационный отжиг. Применяют для устранения наклепа после холодной пластической деформации (обработки давлением), а также для восстановления пластичности, необходимой для дальнейшей обработки давлением (например, промежуточный отжиг при волочении проволоки). Температура рекристаллизационного отжига стали зависит от состава стали и находится в пределах 650-760⁰С.

Отжиг для снятия остаточных напряжений. Этот вид отжига применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и др., в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т.п., возникли остаточные напряжения. Они могут вызвать изменения размеров, коробления и поводку изделия в процессе его обработки, эксплуатации или хранения. Отжиг для стальных изделий для снятия напряжений проводят при 160-700⁰С с последующим медленным охлаждением (для снятия шлифовочных напряжений 160-180⁰С в течение 2-2,5 ч, для снятия сварочных напряжений 650-700⁰С).

Отжиг 2-го рода. Отжиг 2-го рода заключается в нагреве стали выше температуры фазовых превращений на 30-50⁰С, выдержке и последующем медленном охлаждении. Медленное охлаждение обеспечивает достижение практически равновесного структурного состояния. Углеродистые стали после отжига получают структуры, указанные на диаграмме железо-цементит.

Отжиг сталей производится для уменьшения прочности, твердости, улучшения обрабатываемости резанием, измельчения зерна, увеличения пластичности и вязкости, для полного устранения внутренних напряжений. Результат отжига зависит от температуры нагрева, времени выдержки, а в большей мере – от режима охлаждения. Углеродистые стали охлаждают со скоростью 150-200⁰С в час, а легированные 100-130⁰С в час. В зависимости от температуры нагрева для стали различают полный отжиг с нагревом до температуры выше А_С3 (для доэвтектоидных сталей) и неполный – с нагревом до температуры выше А_С1, но ниже А_С3, А_ст – для заэвтектоидных.

В зависимости от способа охлаждения отжиг делится на обычный – при непрерывном охлаждении и изотермический с выдержкой при температуре немного ниже А_r, достаточной для полного распада аустенита.

Нормализация стали. Нормализация заключается в нагреве стали до температуры, превышающей точку А_С3 или А_Ст на 30-50⁰С, выдержке при этой температуре для завершения фазовых превращений и последующего охлаждения на спокойном воздухе. Твердость и прочность нормализованной стали на 10-15% больше, чем отожженной. Целью нормализации является получение мелкозернистой, более однородной структуры, устранение внутренних напряжений и наклепа, уничтожение сетки вторичного цементита заэвтектоидной стали, снижение твердости и прочности, повышение пластичности, улучшение штампуемости и обрабатываемости.

Она проводится как предварительная термическая обработка перед штамповкой, обработкой резанием, окончательной термической обработкой.

Закалка стали. Закалкой называется термическая обработка, при которой сталь нагревается выше температуры фазовых превращений А_С3 или А_С1 на 30-50⁰С, выдерживается во времени для завершения превращений и затем охлаждается со скоростью, превышающей критическую (V_кр). Для углеродистых сталей V_кр составляет от 140 до 400⁰С/с. Охлаждение при закалке углеродистых сталей может производиться в воде, водных растворах солей (NaCl, KCl) и щелочей (NaОН, KОН). Для закалки крупных заготовок применяют водо – воздушные охлаждаемые смеси подаваемые через форсунки. Для закалки легированных сталей, обладающих большей устойчивостью переохлажденного аустенита, применяют минеральные масла.

При закалке сталь приобретает мартенситную структуру. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Чем больше в стали углерода, тем выше твердость закаленной стали. Назначение закалки – получение высокой твердости, прочности, износостойкости.

В зависимости от температуры нагрева стали различают полную (нагрев выше А_С3) и неполную закалку (нагрев выше А_С1, но ниже А_С3). Полной закалке подвергаются доэвтектоидные стали. Нагрев этих сталей ниже А_С3 недопустим, т.к. при последующем охлаждении с критической скоростью образуется смесь структур мартенсита и феррита, твердость которой будет сильно снижена. Заэвтектоидные стали подвергаются неполной закалке. После охлаждения с критической скоростью образуется смесь структур мартенсита и цементита вторичного. При таком сочетании структур обеспечивается максимальная твердость стали после закалки. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Отпуск стали. Отпуск закаленной стали состоит из нагрева ее до температуры ниже А_С1, выдержки во времени и последующего охлаждения с любой скоростью. Структура и свойства стали зависят в большей мере от температуры нагрева.

Низкий отпуск проводится при температурах 150-220⁰С и назначается для уменьшения внутренних напряжений и хрупкости без значительного снижения твердости. Этому виду отпуска подвергают мерительный и режущий инструменты, а также детали, прошедшие поверхностную закалку или цементацию, от которых требуется твердость и износостойкость. Структура закаленной и низкоотпущенной стали – отпущенный мартенсит.

Средний отпуск производится при температурах 300-450⁰С и назначается, в основном, для пружин и рессор. При среднем отпуске мартенсит превращается в тростит отпуска, который обладает хорошей упругостью при достаточно высокой твердости и прочности.

Высокий отпуск. Закаленная сталь нагревается до температуры 500-600⁰С, что обеспечивает полное снятие внутренних напряжений. Сталь приобретает хорошую прочность, пластичность и вязкость. Сочетание закалки с высоким отпуском называется улучшением.

Дата добавления: 2014-01-07