Операции термической обработки. Отжигом называется операция термической обработки, связанная с на­гревом стали, выдержкой и медленным охлаждением (с печью)

Отжигом называется операция термической обработки, связанная с на­гревом стали, выдержкой и медленным охлаждением (с печью). Скорость охлаждения при отжиге угле­родистых сталей должна быть не более 100 – 200°С/ч, легированных – 30 – 40°С/ч. Ее регулируют охлаждением печи с закрытой или открытой двер­цей, с полностью или частично выключенным обогревом.

Отжиг – операция предварительная или промежуточная. Основное назна­чение ее – снятие внутреннего напряжения и улучшение или исправление струк­туры металла (снижение твердости, повышение пластичности, измельчение зерна, устранение ликвации (неоднородности), улучшение обрабатываемости резанием). Различают семь видов отжига.

Рекристаллизационный отжиг (рис. 29, а) применяют для снятия наклепа (после холодной пластической деформации), восстановления пластич­ности и ударной вязкости.

Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой. В металле искажается кристаллическая решетка и образуется определенная ориентировка зерен – текстура. Зерна де­формируются, сплющиваются и из равноосных превращаются в неравноосные (в виде лепешки, блина).

Исправление кристаллической решетки в процессе нагрева называется возвратом, или отдыхом. Твердость и прочность металла при возврате несколько понижаются (на 20 – 30 %), а пластичность возрастает. При более высокой тем­пературе происходит рекристаллизация – рост новых равноосных зерен за счет исходных деформированных. После завершения рекристаллизации строение ме­талла и его свойства становятся прежними (которые он имел до деформации).

Рис. 29. Виды отжига стали: а – рекристаллизационный и

низкотемпе­ратурный; б – диффузионный; в – полный;

г – изотермический; д – неполный; е – циклический

Рекристаллизационный отжиг углеродистых и низколегированных сталей проводится при температуре 550 – 700°С с выдержкой после прогрева от 0,5 до 1,5 ч, в зависимости от состава стали.

Низкотемпературный отжиг (рис. 29, а) проводят для снятия внут­реннего остаточного напряжения при температуре 600 – 650°С в течение не­скольких часов. Степень снятия напряжения определяется главным образом тем­пературой нагрева, а не временем выдержки. В результате отжига уменьшается особенно опасное остаточное растягивающее напряжение. Отжиг позволяет повысить внешние нагрузки, снижает склонность к хрупкому разрушению, по­вышает сопротивление усталости, стабилизирует размеры и предотвращает короб­ление изделий.

Низкотемпературному отжигу подвергают отливки, поковки, сварные изделия и детали, в которых из-за неравномерного охлаждения и по другим причинам возникло внутреннее напряжение, которое, если его не уст­ранить, может вызвать коробление и появление трещин.

Гомогенизация (высокотемпературный, или диффузионный отжиг) (рис. 29, б) применяется для устранения дендритной ликвации (неоднородности) в фасонных отливках главным образом из легированных сталей. Ликвация усиливает анизотропию свойств, карбидную неоднородность, снижает относительное удлинение и ударную вязкость.

Для ускорения диффузии и получения однородного (гомогенного) метал­ла производят нагрев до температуры 1100 – 1200°С с выдержкой после нагрева от 8 до 20 ч. В результате такого высокотемпературного нагрева происходит интенсивный рост зерна. Перегрев устраняется дополнительным отжигом на мел­кое зерно.

Диффузионный отжиг увеличивает загрузку печного оборудования и расход топлива, сопровождается большими потерями металла на окалину и яв­ляется малопроизводительной операцией.

Полный отжиг, или отжиг на мелкое зерно (рис. 29, в), проводится только для доэвтектоидных сталей при температуре на 30 – 50°С выше точки А₃. При этом время нагрева и продолжительность выдержки зависят от состава ста­ли, типа нагревательной печи, способа укладки в печь и т. п.

Назначение полного отжига – измельчение зерна, исправление структу­ры, максимальное снижение твердости и повышение пластичности, снятие внутреннего напряжения. При этом отжиге происходит полная фазовая перекри­сталлизация. Медленное охлаждение обеспечивает распад аустенита при малых степенях переохлаждения, получение высокой пластичности и минимальной твердости. Мелкое начальное зерно аустенита способствует получению при ох­лаждении мелкозернистой структуры с равномерным распределением феррита и перлита. Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат, поковки и отливки сложной формы. Эта операция длительная и малопроизводительная.

Изотермический отжиг (рис. 29, г) имеет преимущество перед полным – сокращается время отжига и получается более однородная структура, так как распад аустенита происходит при постоянной температуре во время вы­держки, поэтому полный отжиг часто заменяют изотермическим.

Неполный отжиг (рис. 29, д) используют для снижения твердо­сти стали и улучшения обрабатываемости резанием. Заэвтектоидные стали полному от­жигу с полной перекристаллизацией подвергать нельзя, так как при медленном охлаждении (ниже линии ES) из аустенитного состояния вторичный цементит выделяется по границам зерен в виде сплошной сетки и сталь становится хрупкой. Заэвтектоидные стали подвергают только неполному отжигу с нагревом до 750 – 770°С (несколько выше А₁), выдерживают для прогрева по сечению и охлаждают. При таком нагреве в аустените остается большое число нерастворивших­ся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации при охлаж­дении во время аустенитно-перлитного превращения. В результате образуется структура зернистого перлита, твердость и прочность снижаются, а пластичность значительно увеличивается. Этот отжиг часто называют отжигом на зерни­стый перлит, или сфероидизацией.

Для сокращения времени отжиг на зернистый перлит можно произве­сти с изотермической выдержкой. После нагрева сталь быстро охлаждают до 650 – 680°С и выдерживают 1 – 3 ч. для распада переохлажденного аустенита и сфероидизации карбидов. Последующее охлаждение про­изводят на воздухе. Сталь со структурой зернистого перлита обладает наи­меньшей твердостью, наилучшей обрабатываемостью резанием и менее склонна к перегреву при закалке, поэтому инструментальные стали, как более твердые, должны поставляться со структурой зернистого перлита.

Доэвтектоидные стали отжигают на зернистый перлит для получения максимальной пластичности перед холодной обработкой давлением (штампов­кой, волочением и т. п.). Нагрев при неполном отжиге до более высокой темпе­ратуры (800°С) приводит к получению структуры пластинчатого перлита.

Циклический, или маятниковый, отжиг (рис. 29, е) применяют для полной сфероидизации цементита и сфероидизации карбидной фазы легиро­ванных сталей. Этот вид отжига рекомендуется применять для трудноотжигае­мых высоколегированных сталей. Сталь несколько раз попеременно нагревают выше А₁ на 10 – 15°С и охлаждают ниже А₁ на 10 – 15°С. Количество циклов нагрева и охлаждения зависит от химического состава стали. Пластинка карби­да при каждом нагреве частично растворяется в аустените, а при охлаждении начинает расти. Растворяясь и подрастая, кристалл карбида из пластинчатой принимает зернистую форму – происходит его сфероидизация.

Нормализацией называется операция термической обработки, при которой сталь нагревают до аустенитного состояния, выдерживают и охлажда­ют на воздухе. По сравнению с отжигом она более производительна и экономична.

Нормализация связана с полной перекристаллизацией и у горячекатаной стали измельчает структуру, повышает циклическую прочность, понижает по­рог хладноломкости.

Нормализация как промежуточная обработка аналогична отжигу, ее при­меняют для низкоуглеродистых сталей вместо полного отжига, но она не мо­жет заменить смягчающего отжига для среднеуглеродистых сталей, которые при охлаждении на воздухе имеют большую твердость и прочность. Ее часто ис­пользуют для общего измельчения структуры перед закалкой.

Исправить структуру заэвтектоидной стали можно только нормализацией. Она измельчает зерно, и при ускоренном охлаждении на воздухе цементит вто­ричный не успевает образовать грубую сетку по границам зерен аустенита, а затем – перлита.

Иногда нормализацию используют как окончательную обработку для получения структуры сорбита. Следует отметить, что скорость охлаждения на воздухе зависит от массы изделия и отношения его поверхности к объему. Эти факторы сказываются на структуре и свойствах нормализованной стали.

Закалка стали – основной упрочняющий способ термической обработки кон­струкционных и инструментальных сталей. Закалкой называется термическая операция, связанная с нагревом ста­ли выше температуры фазовых превращений, выдержкой и последующим быстрым охлаждением (в каком-либо охладителе). Цель закалки – придание стали высокой твердости и прочности путем об­разования неравновесных структур: мартенсита или бейнита (игольчатого троостита).

Основными технологическими свойствами при закалке стали являются закаливаемость и прокаливаемость. Закаливаемость – свойство стали приобре­тать высокую твердость в результате закалки. Прокаливаемость – свойство ста­ли воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности.

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 – 50°С выше кри­тической точки А₃, т. е. выше линии GS диаграммы. При таком нагреве исход­ная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит, происходит полная перекристаллизация стали. Охлаждение со скоростью больше критической приводит к мартенситному превращению (А ® М). Такая закалка называется полной.

Эвтектоидные и заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, т. е. нагревают до температуры на 30 – 50°С выше критической точки А₁ (линия PSK диаграммы на рис. 22). Эта температура постоянная, и интервал ее значений будет 760 – 780°С.

Для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, температура нагрева под закалку выбирается по справочнику в зависимости от состава стали и намного превышает критические точки.

Скорость охлаждения стали после нагрева и выдержки оказывает ре­шающее влияние на результат закалки. Режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали большие напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Эти напряжения складываются из термиче­ских и структурных.

При закалке углеродистых и некоторых низколегированных сталей в ка­честве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы. Холодная во­да – самый дешевый и интенсивный охладитель. К недостаткам воды относится образование «паровой рубашки». Кроме того, с повы­шением температуры воды резко снижается ее охлаждающая способность. Стабильность охлаждающей способности воды достигается при использовании струйного или душевого (спрейерного) охлаждения. Для крупногабаритных из­делий (рельсы, трубы и т. п.) применяется водовоздушная охлаждающая среда – смесь воды с воздухом, подаваемая в камеру под давлением через фор­сунки (водяной туман).

Для легированных сталей при закалке применяют минеральное масло. Оно не изменяет охлаждающей способности при нагреве (20 – 150°С), не обра­зует «паровой рубашки». Перепад температуры между поверхностью и цен­тром изделия при закалке в масле меньше, чем при охлаждении в воде, а следо­вательно, меньше термическое напряжение. Недостатками масла, как охладите­ля, при закалке являются образование пригара на поверхности изделия, потеря с течением времени закаливающей способности (загустевшее масло требует за­мены), легкая возгораемость. Различают четыре основных способа закалки.

Закалка в одном охладителе. Изделия из печи по конвейеру (транспортеру) поступают в закалочный бак с охлаждающей средой, где и находятся до полного охлаждения (рис. 30, а).

Рис. 30. Режимы закалки: а – в одном охладителе; б – прерывистая

в двух охладителях; в – ступенчатая; г – изотермическая

Этот способ применяется для изделий простых форм, изготовленных из углеродистых (охлаждение в воде) и легированных (охлаждение в масле) ста­лей, и является простым и наиболее распространенным способом как в единич­ном, так и в массовом производстве. Недостатком его является то, что в результате большой разницы значений температуры нагретого металла и охлаж­дающей среды в закаленной стали наряду со структурным возникает значительное термическое напряжение, вызывающее коробление детали, появление трещин и других дефектов.

Прерывистая закалка (в двух охладителях). Изделие сначала быстро охлаждают до 400 – 300°С в воде, а затем для окончательного охлаждения переносят в масло – «через воду – в масло». В мартенситном интервале температур сталь охлаждается более медленно, что способствует уменьшению закалочного напряжения (рис. 30, б).

Ступенчатая закалка. Нагретое изделие охлаждается погружением в ванну с температурой зака­лочной среды (расплавленные соли, селитры, щелочи) немного выше темпера­туры начала мартенситного превращения (на 20 – 30°С выше точки М_н) для данной стали. После выдержки, необходимой для выравнивания температуры по сечению, изделие охлаждают на воздухе. Продолжительность выдержки строго контролируется, чтобы не про­изошло промежуточного превращения аустенита (рис. 30, в). Изотермическая выдержка для выравнивания температуры по сечению способствует снижению термического напряжения, а охлаждение на воздухе – структурного. Основное достоинство ступенчатой закалки – получение мартенситной структуры при минимальном закалочном напряжении.

Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой изотермическая закалка обеспечивает образование не мартенситной, а бейнитной структуры. Ее целесообразно применять для деталей из легированных сталей, склонных к короблению и образованию трещин. Так же, как и при ступенчатой закалке, охлаждение проводится в соляных ваннах с температурой выше точки мартенситного превращения М_н (рис. 30, г). Де­тали выдерживают в ванне в течение времени, необходимого для полного рас­пада аустенита. При этом происходит превращение с образованием бейнита (игольчатого троостита). После изотермической выдержки и окончания пре­вращения детали охлаждают на воздухе. Структура стали – бейнит (игольчатый троостит), твер­дость – HRC45 – 55. Повышаются конструктивная прочность (на 25 – 30 %) и ударная вязкость.

Нагрев сталей в жидких средах, не вызывающих окисления, и охлажде­ние в расплавах щелочей позволяют получить без очистки или травления чистую поверхность изделий светло-серого цвета. Такую закалку называют светлой.

Закалка с самоотпуском. Охлаждение изделия, нагретого под закалку, ведут не до полного охлаж­дения и затем извлекают его из охладителя. За счет тепла внутренних слоев верхний охлажденный слой разогревается до 200 – 250°С, в результате чего происхо­дит самоотпуск. Закалку с самоотпуском применяют для деталей ударного слесарного и кузнечного инструмента, который должен иметь достаточно вы­сокую твердость на поверхности и сравнительно вязкую сердцевину. Темпера­туру отпуска определяют по цветам побежалости (цвет слоя окисла поверхно­сти зависит от его толщины). Старый (точнее – древний) способ закалки с са­моотпуском нашел применение в механизированном и автоматизированном производстве.

Отпуск – операция термической обработки, связанная с нагревом зака­ленной стали ниже температуры фазовых превращений, выдержкой и охлаждением. Цель отпуска – снижение или снятие внутреннего напряжения, возник­шего при закалке стали, и получение структуры с заданными свойствами (проч­ностью, твердостью, упругостью, вязкостью и пластичностью).

Закалка и отпуск неразделимы. Отпуск необходимо проводить непосредственно после закалки, так как закалочное напряжение через некоторое время может вызвать появление тре­щин. Кроме того, остаточный аустенит стабилизируется, его устойчивость к от­пуску повышается.

Температура отпуска – самый существенный фактор, который влияет на свойства закаленной стали. Твердость и прочность с повышением температуры отпуска снижаются, а пластичность и вязкость повышаются. Свойства углеродистых сталей в отличие от легированных не зависят от условий охлаждения при от­пуске.

В легированных сталях все процессы отпуска происходят, как правило, в области более высоких температур, так как легирующие элементы замедляют диффузионные процессы. Так, распад мартенсита завершается при температуре 450 – 500°С, а коагуляция специальных карбидов – при 600 – 680°С. При неко­торых условиях отпуска закаленных легированных сталей происходит их «охрупчивание» – потеря пластичности (отпускная хрупкость).

В зависимости от температуры различают несколько видов отпуска.

Низкотемпературный (низкий) отпуск. Температура нагрева – 150 – 200°С, выдержка – 1 – 1,5 ч. Снижается внутреннее напряжение. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Этот отпуск обеспечивает максимальную твердость стали и некоторое повы­шение прочности и вязкости. Твердость (HRC60 – 64) зависит от содержания углерода в стали. Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный ин­струмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали после поверхностной закалки или химико-термической обработки.

Среднетемпературный (средний) отпуск. Температура нагрева – 350 – 500°С (чаще – 380 – 420°С), выдержка – от 1 – 2 до 3 – 8 ч. Значительно снижается внутреннее напряжение, мартенсит за­калки переходит в троостит отпуска. Твердость – HRC40 – 45. Обеспечивается наилучшее сочетание предела упругости с пределом выносливости. Этот отпуск проводят в основном для пружин, рессор, мембран и подобных деталей, а также для штампового инструмента. Охлаждение после отпуска рекомендуется проводить в воде, что способствует образованию на поверхно­сти изделий сжимающего остаточного напряжения, повышающего усталостную прочность.

Высокотемпературный (высокий) отпуск. Температура нагрева – 500 – 680°С, выдержка – от 1 до 8 ч. Полностью сни­мается внутреннее напряжение. Структура стали сорбит отпуска, твердость – HRC25 – 35. Создается наилучшее соотношение проч­ности, пластичности и вязкости стали. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, на­зывают улучшением (термическим). Она проводится для деталей (в основном из среднеуглеродистых конструкционных сталей), которые должны обладать повышенной конструктивной прочностью. Сорбит отпуска и троостит отпуска отличаются от сорбита и троостита тем, что в этих структурах кристаллы цементита имеют не пластинчатую, а зернистую форму, что повышает пластичность и вязкость закаленной стали.

Искусственное старение. Закалка приводит к образованию пересыщенного твердого раствора – мартенсита. Всякий пересыщенный раствор неустойчив и будет распадаться с выделением избыточных фаз. Распад пересыщенного твердого раствора связан с фазо­выми, а следовательно, с объемными или линейными изменениями стали. Это вызовет коробление изделий или изменение их размеров в эксплуатации.

Для предупреждения коробления и изменения размеров точных инстру­ментов, деталей станков, распределительных валов и т. п. проводят искусствен­ное старение при температуре 120 – 150°С. Выдержка составляет от 2 до 20 ч. Такой режим позволяет, не снижая твердости закаленной стали, стабилизиро­вать структуру за счет выделения углерода в виде дисперсных карбидов.

Библиографический список

1. Кузьмин Б. А. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы / Б. А. Кузьмин, А. И. Самохоцкий, Т. Н. Кузнецова. М.: Высшая школа, 1977.

2. Гуляев А. П. Металловедение / А. П. Гуляев. М.: Металлургия, 1977.

3. Берлин В. И. Транспортное материаловедение / В. И. Берлин, Б. В. Захаров, П. А. Мельниченко. М.: Транспорт, 1982.

4. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов / Ю. М. Лахтин. М.: Металлургия, 1984.

5. Материаловедение / Под ред. Б. Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1986.

6. Травин О. В. Материаловедение / О. В. Травин, Н. Т. Травина. М.: Металлургия, 1989.

7. Мозберг Р. К. Материаловедение / Р. К. Мозберг. М.: Высшая школа, 1991.

8. Металловедение и технология металлов: Учебник для вузов / Г. П. Фетисов, М. Г. Кариман, В. М. Матюнин и др. М.: Высшая школа, 2002.

9. Золоторевский В. С. Механические испытания и свойства металлов / В. С. Золоторевский. М.: Металлургия, 1974.

Учебное издание

Бычков Георгий Владимирович,

РАЖКОВСКИЙ Александр Алексеевич,

Смольянинов Антон Владимирович

Дата добавления: 2014-01-07