Тема №6: Технология термообработки углеродистой стали.

6.1. Отжиг и нормализация.

Отжиг состоит в нагреве стали до определённой температуры с последующей выдержкой и медленным её охлаждением в печи, для получения равновесной структуры свободной от остаточного напряжения. Отжиг может быть первого рода или второго рода. Отжиг первого рода не связан с фазовыми превращениями в сталях и в зависимости от назначения может быть диффузионным рекристаллизованным или отжигом для снятия внутренних напряжений. Диффузионный отжиг применяют для устранений химической неоднородности слитков стали, его проводят при сравнительно больших температурах –. Рекристаллизационный отжиг проводят для снятия наклёпа холодно-деформированной стали, его проводят при температуре. Отжиг для снятия внутренних напряжений применяют с целью уменьшения напряжений образовавшихся при ковке, литье, сварке и других операциях. Для этого сталь нагревают ниже. Отжиг второго рода напротив связан с фазовыми превращениями в сталях, поэтому его обычно называютфазовой перекристаллизацией. Отжиг второго рода может быть полным или не полным.

1 – диффузионный отжиг ()

2 – рекристаллизационный отжиг

3 – для снятия внутренних напряжений

4 – полный отжиг второго рода

5 – неполный отжиг второго рода

Полный отжиг второго рода состоит в нагреве стали до температур на выше линииGSE (область 4). Неполный отжиг производится при температурах на выше линии эвтектоидного превращенияPSK (область 5). При полном отжиге аустенит превращается в мелко зернистую смесь феррита с цементитом. Данный отжиг применяется с целью измельчения зерна металла и улучшения пластических свойств. Этот отжиг приводит к улучшению обрабатываемости стали резанием и давлением. Неполный отжиг применяется для заэвтектоидных сталей в результате такого отжига исчезает сетка цементита и карбиды приобретают округлую форму, что ведёт к улучшению механических свойств стали.

Если охлаждение стали после нагрева производит не в месте с печью, а на воздухе то такую температурную операцию называют нормализацией. В результате нормализации уменьшается избыточное внутренне напряжение. Перлит приобретает более тонкое строение, а в заэвтектоидной стали устраняется цементитная сетка. Другими словами сталь приобретает более “нормальную” структуру, отсюда и название. Нормализация более дешёвая операция, чем отжиг. В то же время для низкоуглеродистых сталей нет разницы между отжигом и нормализацией. Разница проявляется только с увеличением содержания углерода в стали. Поэтому для низкоуглеродистых сталей рекомендуется нормализация. Нормализация и отжиг обычно первичные операции термообработки. Их основное назначение устранить дефекты от предыдущей обработки и подготовить сталь к обработке резанием, давлением и окончательным операциям термообработки (закалке и отпуску).

6.2. Закалка и отпуск углеродистых сталей.

Закалка состоит в нагреве углеродистых сталей до температур выше фазовых превращений с последующей выдержкой и охлаждением выше критической. Критическая скорость определяется по диаграмме изотермического распада аустенита (параграф 5.3.). Это минимальная скорость охлаждения, при которой минуется зона перлитного превращения и попадает в зону мартенситного превращения. После закалки, сталь приобретает неравновесную структуру мартенсита. В результате чего повышается твёрдость. Кроме мартенсита в структуре присутствует остаточный аустенит. Различают полную и неполную закалку. При полной закалке сталь нагревают до температур выше линииGSE (область 4). После быстрого охлаждения сталь приобретает структуру мартенсита. После неполной закалки сталь нагревают до температур выше линии эвтектоидного превращенияPSK (область 5). При этом доэвтектоидные стали имеют структуру состоящую из феррита и аустенита. При последующем быстром охлаждении, аустенит превращается в мартенсит. В результате структура доэвтектоидных сталей после неполной закалки будет состоять из зёрен мартенсита и зёрен феррита, которые снижают твёрдость закалённых сталей. Заэвтектоидная сталь, нагретая до температуры зоны 5, имеет структуру состоящую из аустенита и цементита. После быстрого охлаждения, в результате которого аустенит превращается в мартенсит – эта сталь приобретает структуру мартенсита с цементитом. Цементит не снижает твёрдость закалённой стали, а на против улучшает твёрдость. По этой причине для доэвтектоидных сталей рекомендуют полную закалку, а для заэвтектоидных не полную. Углеродистую сталь при закалке охлаждают в различных средах (в воде, в воздухе, в масле и т.д.). Наилучшими охлаждающими свойствами обладает вода, в которой достигается максимальная скорость охлаждения.

Анализ показывает, что оптимальным режимом при закалке должен быть такой режим, в начальный момент скорость охлаждения должна быть максимальная, а затем, при начале мартенситного превращения, она должна уменьшаться, чтобы снизить избыточное напряжение и избежать трещин.

Анализ показывает, что идеальной закалочной среды не существует. Вода хотя и даёт высокую охлаждающую скорость в начале, но ив конце процесса, что может привести к избыточным напряжениям и даже к трещинам. Масло напротив даёт не высокую скорость охлаждения и существует вероятность попадания в зону перлитного превращения.

Существует несколько видов закалки, самая простая в воде. Чтобы избежать этого применяют закалку в двух охлаждающих средах. Сначала в воде, а затем в масле. При этом режим охлаждения приближается к идеальному. Однако в данном случае трудно реализовать этот процесс из-за контроля температуры. Для контроля за температурой применяют так называемую ступенчатую закалку. Для этого сталь охлаждают в соляной ванне, которая имеет температуру чуть выше температуры . Выдерживают там сталь, а затем охлаждают на воздухе. При этом мартенситное превращение идёт при более мягком режиме охлаждения или не возникают повышенные избыточные напряжения. При изотермической закалке в соляной ванне до температурыи выдержке там до завершения температуры перлитного превращения. В результате сталь приобретает структуру бейнита, отличающегося большей твёрдостью чем перлит, но при этом имеющую большую пластичность. Если сталь охлаждается при комнатной температуре, то в его структуре присутствует остаточный аустенит. Это нежелательный фактор, т.к. аустенит может самопроизвольно изменяться и изменять размеры. Для устранения остаточного аустенита сталь сразу после закалки подвергают обработке холодом, т.е. охлаждают до температуры ниже. После закалки сталь имеет высокую твёрдость и в тоже время является достаточно хрупкой. Для возвращения стали пластичности всегда после закалки производятотпуск. Отпуск состоит в нагреве закалённых сталей до температур фазовых превращений. В зависимости от температуры нагрева стали различают: низкий, средний, высокий отпуск. Низкий отпуск проводят при температуре . При этом сталь приобретает структурумартенсита отпуска, в результате чего твёрдость немного снижается, а пластичность увеличивается. Низкий отпуск показан для закалённых инструментальных сталей, которые должны быть твёрдыми. Средний отпуск проводят при температуре . При этом сталь приобретает структурутроостита отпуска.

При высоком отпуске, сталь нагревают до температуры , в результате сталь приобретает структурусорбита отпуска. Этот сорбит имеет зернистую округлую форму и придаёт наилучшие пластические свойства. Т.е. сравнительно высокая твёрдость и прочность при достаточно высокой пластичности. Операцию закалки, при последующем высоком отпуске, улучшает весь комплекс механических свойств стали, называется улучшением.

37