Термическая и химико-термическая обработка стали
Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением, вызывающие изменения внутреннего строения сплава и обусловленные этим изменения физических, механических и других свойств.
Основой процессов термической обработки является полиморфизм железа и его твердых растворов на основе a- и g-Fe. В результате полиморфизма происходит изменение кристаллической структуры сплавов в твердом состоянии. Следует отметить, что нагрев или охлаждение однокомпонентного металла (железа) не оказывает значительного влияния на его структуру и свойства. Между тем термическая обработка углеродистой стали при определенных условиях позволяет изменять структуру материала и его физико-механические свойства в широких пределах.
Термической обработке с целью требуемого изменения структуры и свойств (твердости, обрабатываемости и др.) подвергают как полуфабрикаты (заготовки), так и готовые изделия (детали, инструмент). В зависимости от структурного состояния стали, получаемого в результате применения термообработки, последняя подразделяется на отжиг (первого и второго рода), нормализацию, закалку и отпуск.
Технологический процесс термообработки включает 3 последовательно выполняемые операции:
1) нагрев до определенной температуры;
2) выдержку при этой температуре;
3) охлаждение с заданной скоростью.
Для понимания особенностей фазовых превращений, происходящих при термической обработке стали, необходимо рассмотреть процесс перехода аустенита в перлит. Этот процесс включает 4 этапа.
1. При охлаждении аустенита до температуры, равной 727 °С, происходит практически мгновенный переход g-Fe в a-Fe с изменением типа кристаллической решетки с ГЦК на ОЦК. При этом выделяется избыточный углерод, который не успевает диффундировать и остается в решетке железа. В результате образуется сплав – пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe, который носит название мартенсит (твердость – 62 – 65 НВ).
2. Углерод начинает диффундировать к центрам кристаллизации, и образуется смесь кристаллов a-Fe+C и цементита Fe3C. Линейный размер кристаллов цементита составляет ~10-5мм. Такой сплав называется трооститом (твердость – 40 НВ).
3. Зерна Fe3C увеличиваются до ~10-4мм, и образуется смесь кристаллов a-Fe+C и Fe3C, которая называется сорбитом (твердость – 30 НВ).
4. Зерна Fe3C вырастают до размера, превышающего 10-3 мм, и образуется перлит (твердость – 15–20 НВ).
Структуры аустенита и перлита являются стабильными (равновесными), а мартенсита, троостита и сорбита – неравновесными.
Известно, что если аустенит охлаждать со скоростью 50 град/с, образуется сорбит; 100 град/с – троостит; 150–200 град/с – мартенсит. При термообработке, вызывающей переход аустенита в мартенсит, плотность стали уменьшается [плотность аустенита – (8,0–8,1) г/см3, мартенсита – 7,8 г/см3], а линейные размеры и объем увеличиваются. Поэтому после термообработки в материале возникают внутренние механические напряжения.
Отжигом называется процесс термической обработки, включающий нагрев до определенной температуры, выдержку и последующее, как правило медленное, охлаждение (в печи) с целью получения более равновесной структуры стали. В результате отжига устраняются внутренние напряжения, измельчается зерно, повышается пластичность стали.
Отжиг первого рода – это термическая обработка, при которой, как правило, не происходит фазовых превращений (перекристаллизации), а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты, предусмотренные целевым назначением. В зависимости от температурного режима отжиг первого рода устраняет неоднородности химического состава или физических свойств, созданные предшествующими обработками. Разновидностями отжига первого рода являются диффузионный и рекристаллизационный.
Целью диффузионного отжига (гомогенизации) являются выравнивание химического состава и удаление дендритной структуры кристаллов в фасонных отливках и слитках легированной стали. Неоднородность химического состава заготовок повышает анизотропию их свойств и склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому разрушению. Диффузионный отжиг производится при температурах 1100 – 1200 °С в течение 30 – 50 ч. Только при таких условиях наиболее эффективно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания состава стали по всему объему. Общая продолжительность процесса, включающая нагрев, выдержку и медленное охлаждение со скоростью 30 – 100 град/ч (обычно вместе с печью), может превышать 100 ч.
Рекристаллизационный отжиг (разновидность низкого отжига) – термическая обработка холоднодеформированной стали, включающая нагрев выше температуры рекристаллизации, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение. Целью рекристаллизационного отжига является устранение наклепа и получение определенной величины зерна. Наклеп возникает в результате весьма высоких давлений, применяемых при обработке давлением, резанием и пр. Зерна поверхностных слоев приобретают вытянутую форму. Создаются относительные смещения (сдвиги) частей кристаллической решетки.
Рекристаллизационный отжиг применяют как до, так и после холодной обработки давлением для снятия созданных наклепом внутренних напряжений в материале.
Для достижения рекристаллизации по всему объему и сокращения времени процесса температура отжига должна превышать температуру порога рекристаллизации. Для углеродистых сталей (содержащих 0,08 – 0,2 % углерода), чаще подвергаемых холодной деформации (прокатке, штамповке, волочению), температура отжига составляет 680 – 700 °С, продолжительность – от 0,5 до 1,5 ч.
После отжига зерна поверхностных слоев материала, деформированные и сплющенные после наклепа, восстанавливают нормальную форму. Сталь приобретает мелкозернистое строение, пониженную твердость, повышаются пластичность и обрабатываемость в холодном состоянии.
Целью отжига второго рода являются фазовые превращения – перекристаллизация стали с достижением практически равновесного структурного (фазового) состояния. Различают следующие разновидности отжига второго рода: полный, неполный, изотермический.
Полному отжигу подвергают доэвтектоидную сталь с целью создания мелкозернистости, понижения твердости и повышения пластичности, снятия внутренних напряжений. Сталь нагревают до температуры на 30 – 50 °С выше точки Ас3. При нагреве исходная крупнозернистая ферритно-перлитная структура превращается в мелкозернистую структуру аустенита, обеспечивающую высокие вязкость и пластичность стали. Продолжительность выдержки должна быть достаточной для полного прогрева всего объема материала и завершения фазовых превращений. Чрезмерное повышение температуры выше точки Ас3 вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали.
При последующем медленном охлаждении из мелкозернистого аустенита образуется мелкая ферритно-перлитная структура. Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита при малых степенях переохлаждения, чтобы избежать образования излишне дисперсной ферритно-карбидной структуры и свойственной ей высокой твердости.
Скорость охлаждения, необходимая для полного отжига, зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, следовательно, от состава стали. В связи с этим легированные стали, отличающиеся высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждаются значительно медленнее (10 –100 °С/ч), чем углеродистые (200 – 250 °С/ч).
Заэвтектоидную сталь полному отжигу не подвергают.
Неполному отжигу подвергают заэвтектоидную и эвтектоидную сталь с целью превращения пластинчатого перлита в зернистый. Для получения зернистого перлита заэвтектоидную сталь нагревают до температуры немного выше точки Ас1 (до 740 – 780 °С). При нагреве происходит превращение перлита в аустенит, а цементит остается и образуется структура цементит+аустенит.
При последующем медленном охлаждении из аустенита образуется ферритоцементитная структура с зернистой формой цементита – зернистый перлит. Заэвтектоидные (инструментальные) стали подвергают только неполному отжигу для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием, а также подготовки структуры к закалке.
Доэвтектоидные стали неполному отжигу подвергают редко в связи с неполной перекристаллизацией структуры.
Изотермический отжиг обычно применяют для легированных сталей с целью полного распада аустенита и образования ферритно-перлитной структуры. Нагрев осуществляется при температуре, применяемой для полного отжига. Затем производят сравнительно быстрое охлаждение (переносом в другую печь) до температуры, лежащей ниже точки Ас1 (~650 °С), и начинают изотермическую выдержку, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.
Преимущество изотермического отжига состоит в снижении продолжительности процесса по сравнению с полным отжигом. При выборе температуры выдержки изотермического отжига, близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области, достигается минимальное время процесса. Другим преимуществом отжига является получение более однородной структуры материала.
Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость стали резанием и чистоту поверхности, уменьшает склонность к деформации при последующих термической и (или) химико-термической обработках.
Нормализация – это термическая обработка, включающая нагрев до температуры на 30 – 50 градусов выше критических точек Ас3 для доэвтектоидной стали и Аст для эвтектоидной стали, выдержку при этой температуре и охлаждение на воздухе.
Вследствие более быстрого охлаждения, чем при полном отжиге, структура перлита после нормализации является такой же, как после полного отжига, но более дисперсной (тоньше пластинки ферритоцементитной смеси).
Цель нормализации доэвтектоидных и эвтектоидных сталей та же, что и полного отжига. Однако после нормализации твердость и прочность стали выше, чем после полного отжига. Нормализация применяется обычно для исправления структуры перегретой и литой стали, измельчения зерна, смягчения стали перед обработкой и резанием, подготовки к закалке, устранения сетки вторичного цементита в заэвтектоидной стали [7]. Нормализация, по сравнению с отжигом, – более экономичная операция, так как не требует длительного охлаждения вместе с печью.
Закалка стали применяется для значительного повышения прочности и твердости материала. Закалка производится нагреванием на 30 – 50 градусов выше температур, соответствующих линии аустенитного превращения (GSK) диаграммы состояния Fe – C (рис. 3.12); затем осуществляется выдержка в течение необходимого времени. Охлаждение после закалки проводится с высокой скоростью 100 – 500 град/с. Основным и решающим фактором, определяющим структуру и физико-механические свойства закаленной стали, является именно скорость охлаждения.
Особое значение для закалки имеет скорость охлаждения в интервале температур, где аустенит менее всего устойчив (650 – 550 °С). Обычно этот интервал температур при закалке необходимо пройти быстро. Важное значение имеет скорость охлаждения и в интервале температур 300 – 200 °С, когда во многих сталях происходит образование мартенсита. В этом интервале требуется более медленное охлаждение во избежание возникновения напряжений и закалочных трещин.
На практике применяют следующие охлаждающие среды: вода, 10 %-е растворы NaCl, H2SO3, Na2CO3 в воде, машинное масло, трансформаторное масло, эмульсия масла в воде, мыльная вода, керосин, воздух.
Углеродистые стали, имеющие высокую критическую скорость закалки, охлаждают (закаливают) в воде, а легированные стали, имеющие более низкую критическую скорость закалки, охлаждают в масле, где охлаждение происходит медленнее. Недостатком масла как охлаждающей среды являются его легкая воспламеняемость и относительно высокая стоимость. С понижением температуры охлаждающей среды закалка стали становится более резкой.
Существуют следующие способы закалки: в одном охладителе; в двух средах; с подстуживанием (перед погружением в охладитель материал некоторое время выдерживают на воздухе); ступенчатая; изотермическая закалка и др.
Существует метод поверхностной закалки – нагревание за счет теплового действия тока, индуцируемого в поверхностных слоях материала при помещении его в электромагнитное поле высокой частоты.
Кроме высоких прочности и твердости, закаленная сталь приобретает и повышенную хрупкость.
Отпуском называют нагрев закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас1 с выдержкой при этой температуре и с последующим сравнительно медленным охлаждением на воздухе. Целью отпуска являются частичное или полное устранение внутренних напряжений, снижение твердости и повышение вязкости.
Отпуск является заключительной операцией термической обработки стали. Основными факторами, влияющими на свойства стали после отпуска, являются температура нагрева и продолжительность выдержки. В зависимости от значения температуры отпуск разделяют на низко- и высокотемпературный.
Цель низкотемпературного отпуска, проводимого при 150 – 250 °С, – уменьшение внутренних напряжений в закаленной детали без снижения твердости. Отпуск проводят в масляных или солевых ваннах. Низкотемпературный (низкий) отпуск называют также отпуском на мартенсит.
Среднетемпературный (средний) отпуск – отпуск на троостит – происходит при нагреве до температур 350 – 450 °С. При этом снижается твердость стали.
Высокотемпературный (высокий) отпуск – отпуск на сорбит – производится при температуре 500 – 650 °С. Применяют в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластичности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением стали. Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0,35 – 0,60 % С).