Термическая обработка стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технология термической обработки стали. Особенности отжига и нормализации сталей

Термическая обработка состоит в изменении структуры металлов и сплавов при нагревании, выдержке и охлаждении с соблюдением установленных режимов. При этом достигается существенное изменение свойств при неизменном химическом составе.

Если термическая обработка производиться с целью подготовки к последующим технологическим операциям, то ее называют промежуточной. Окончательная термическая обработка имеет целью получить свойства, которые требуются при эксплуатации изделий.

Видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение; распространяется новый вид - термоциклическая обработка металлов.

Термической обработке подвергаются как металлы и сплавы, имеющие структурные превращения, так и не имеющие таких превращений; при этом для первых могут производиться все названные виды термической обработки, для вторых - лишь рекристаллизационный отжиг и закалка с последующим старением.

Обработка холодом это метод разработан и предложен А. П. Гуляевым в 1937-- 1939 гг. Если мартенситное превращение заканчивается в области отрицательных температур, то в закаленной стали при комнатных температурах содержится значительное количество остаточного аустенита. Благодаря обработки холодом уменьшается твердость закаленного изделия, ухудшаются магнитные характеристики, не сохраняются размеры в процессе эксплуатации и т. п. Субструктура остаточного аустенита -- большая плотность несовершенств по сравнению с исходным аустенитом (дислокаций, дислокационных сплетений и дефектов упаковки). При обработке холодом охлаждается изделия ниже температуры конца мартенситного превращения (точки М) можно добиться полного или почти полного превращения остаточного аустенита в мартенсит. Обычно изделие охлаждают до температуры порядка -80 °С. Чтобы избежать стабилизации аустенита, обработку холодом рекомендуется проводить сразу же после закалки. Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительный инструмент и т. д. Обработка холодом не уменьшает внутренних напряжений, поэтому после такой обработки необходим отпуск.

Термин отпуск принято применять только к тем сплавам, которые были подвергнуты закалке с полиморфным превращением, а термин старение -- в случае закалки без полиморфного превращения (после такой закалки фиксируется пересыщенный твердый раствор).

Как отпуск, так и старение -- это разновидности термической обработки, в результате которой происходит изменение свойств закаленных сплавов. В отличие от отпуска, после старения увеличиваются прочность, твердость, уменьшается пластичность.

Главным процессом при старении является распад пересыщенного твердого раствора, полученного в результате закалки. Таким образом, старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.В стареющих сплавах выделения из пересыщенных твердых растворов встречаются в следующих основных формах: тонкопластинчатой (дискообразной), равноосной (обычно сферической или кубической) и игольчатой. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в форме тонких пластин -- линз.

Основное назначение старения -- повышение прочности и стабилизация свойств.

Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации. Естественным старением называют самопроизвольное повышение прочности (и уменьшение пластичности) закаленного сплав а, про и сходящее в процессе его выдержки при нормальной температуре.

Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс. Повышение прочности, происходящее в процессе выдержки при повышенных температурах, называется искусственным старением.

Если закаленный сплав, имеющий структуру пересыщенного твердого раствора, подвергнуть пластической деформации, то это также ускоряет протекающие при старении процессы.Этот вид старения носит название деформационного.

Если при старении происходят только процессы выделения, без сложных подготовительных процессов, то такое явление называют дисперсионным твердением.

Практическое значение явления старения сплавов очень велико. Так, после старения увеличивается прочность и уменьшается пластичность низкоуглеродистой стали в результате дисперсных выделений в феррите цементита третичного и нитридов. Старение является основным способом упрочнения алюминиевых сплавов, некоторых сплавов меди, а также многих жаропрочных и других сплавов. В настоящее время все более широко используют мартенситностареющие сплавы.

Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур ниже критической точки Ас1 выдержка при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе) . Отпуск является окончательной термической обработкой. Целью отпуска является изменение строения и свойств закаленной стали: повышение вязкости и пластичности, уменьшение твердости, снижение внутренних напряжений.
С повышением температуры нагрева прочность обычно уменьшается, а удлинение, сужение, а также ударная вязкость растут (рис. 1). Температуру отпуска выбирают, конкретной детали.

Рис 1. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали с 0,4 % С

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный. При низкотемпературном отпуске закаленную сталь нагревают до 150--250 °С. После выдержки при этой температуре (обычно 1--3 ч) в детали получают структуру отпущенного (кубического) мартенсита При низком отпуске частично снимаются закалочные напряжения. Если в стали было значительное количество остаточного аустенита, то в результате его превращения в кубический мартенсит твердость после низкого отпуска может увеличиться на 2--3 единицы и HRC..

Рис. 2. Структура закаленной стали после различных видов отпуска, Х500: a -- среднетемпературного (350-400 °С, бейнит); б -- высокотемпературного (450 -- 600 °С, сорбит); в -- 650--700 °С

Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей после цементации, поверхностной закалки и т.д. При среднетемпературном отпуске закаленную сталь нагревают до 350--400 °С. В результате получается структура троостита (бейнит). После такого отпуска в изделиях получается сочетание сравнительно высокой твердости (НRС 40-- 45) и прочности с хорошей упругостью и достаточной вязкостью поэтому среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.

При высокотемпературном отпуске закаленные изделия нагревают до 450--650 °С. После такого нагрева и соответствующей выдержки в изделиях получается структура сорбита. В отличие от сорбита, образующегося после нормализации, когда цементит пластинчатый, после высокого отпуска цементит приобретает зернистую форму (рис. 8, б). Это существенно повышает ударную вязкость при одинаковой (или даже более высокой) твердости по сравнению с нормализованной сталью. Поэтому такой отпуск применяют для деталей машин, испытывающих при эксплуатации ударные нагрузки. Закалку с высоким отпуском часто называют улучшением. . При нагреве 650--700 °С получают структуру зернистого перлита (рис. 8, в).Поскольку в легированных сталях все диффузионные процессы протекают медленнее, время выдержки при отпуске таких сталей больше по сравнению с углеродистыми. Кроме того, карбидообразующие элементы замедляют коагуляцию карбидов, в результате чего они сохраняются мелкодисперсными до более высоких температур. Это одна из причин наблюдающегося явления так называемой вторичной твердости, т.е. увеличения твердости после отпуска в интервале 500-- 600 °С (наблюдается в сталях, легированных хромом, молибденом, ванадием и некоторыми другими элементами).

Рис. 3. Влияние температуры отпуска на ударную вязкость стали с высокой восприимчивостью к отпускной хрупкости:1 -- быстрое охлаждение в воде или масле; 2 -- медленное охлаждение.

Поэтому в результате высокотемпературного отпуска при одной и той же температуре, а следовательно, при одной и той же структуре, легированные конструкционные стали имеют более высокую прочность и пластичность, чем углеродистые. Это и является одной из основных причин применения легированных сталей для изготовления деталей ответственного назначения, испытывающих сложные напряжения при эксплуатации.

Обычно ударная вязкость с температурой отпуска увеличивается, а скорость охлаждения после отпуска не влияет на свойства. Но для некоторых конструкционных сталей наблюдается уменьшение ударной вязкости (рис. 9). Этот дефект называется отпускной хрупкостью. Различают отпускную хрупкость I и II рода.

Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске в области 300 °С у легированных, а также углеродистых сталей. Не зависит от скорости охлаждения. Это явление связывают с неравномерностью превращений отпущенного мартенсита. Процесс протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри зерна. Благодаря этому вблизи границ создаются концентрации напряжений, границы становятся хрупкими. Отпускная хрупкость I рода “необратима”, т. е. при повторных нагревах тех же деталей она в них не наблюдается.

Отпускная хрупкость II рода Наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области 450-- 650 °С (штриховая линия на рис. 9). Существует несколько объяснений природы этого дефекта. Рассмотрим наиболее распространенное. При высоком отпуске по границам зерен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Приграничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит восходящая диффузия фосфора из внутренних объемов зерна к границам. Приграничные зоны зерна обогащаются фосфором, прочность границ понижается, ударная вязкость падает. Этому дефекту способствуют хром, марганец и фосфор (>0,001 %). Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам (до 0,5 %) и быстрое охлаждение после отпуска (сплошная линия на рис. 9). Отпускная хрупкость II рода “обратима”, т. е. при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур этот дефект может повториться. Поэтому стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650 °С без последующего быстрого охлаждения (например, штампы для горячей штамповки).

Основные параметры при закалке -- температура нагрева и скорость охлаждения. Температуру нагрева для сталей определяют по диаграммам состояния, скорость охлаждения -- по диаграммам изотермического распада аустенита .

Температура закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры выше критической точки Ас3 на 30--50 °С. Если такие стали нагреть до температуры между критическими точками Ас1 и Ас3 и охладить, то в структуре закаленной стали, кроме мартенсита, будет присутствовать феррит, что существенно ухудшает свойства. Такая закалка называется неполной. Заэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры Ас1+ (40,60 °С). После охлаждения с таких температур получают структуру мартенсита с включением вторичного цементита, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше критической точки Аст, то после закалки получится дефектная структура грубоигольчатого мартенсита. Время нагрева зависит от размеров детали и теплопроводности стали, и его обычно определяют экспериментально. Для определения времени нагрева в справочниках приведены также полуэмпирические формулы.

Таблица 1. Скорость охлаждения стали в различных средах

Продолжительность выдержки при температуре закалки выбирают такой, чтобы полностью произошла гомогенизация образовавшегося аустенита.

Охлаждение при закалке. Для получения нужной структуры детали охлаждают с различной скоростью, которая зависит от охлаждающей среды, формы изделия и теплопроводности стали.Режим охлаждения при закалке должен исключать по возможности возникновение больших остаточных закалочных напряжений, но в то же время он должен обеспечить необходимую глубину закаленного слоя. Охлаждающую способность различных сред (табл. 1) оценивают скоростью охлаждения в области температур наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита (650--550 °С) и в области мартенситного превращения (300--200 °С). В последнем интервале желательно замедленное охлаждение, так как в этом случае уменьшаются и термические, и структурные напряжения.Выбирая охлаждающие среды, следует учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.

Закаливаемость -- способность стали принимать закалку, т.е. приобретать при закалке детали высокую твердость. Закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Низкоуглеродистые стали (до 0,20 % С) практически не закаливаются, так как при закалке их твердость не повышается. Под прокаливаемостью понимают глубину прокаливания закаленной зоны. За глубину прокаленной зоны принято считать расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будут примерно одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем медленнее происходит превращение аустенита в перлит, т.е. чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, чем меньше критическая скорость закалки, тем большепрокаливаемость. На рис. 4 приведены схемы, показывающие изменение скорости охлаждения по сечению изделия. Укрупнение зерен аустенита при нагреве под закалку такжеспособствует увеличению прокаливаемости. Факторы, которые уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита (нерастворимые частицы, неоднородность аустенита и др.), уменьшают прокаливаемость.

Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр--максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.

Рис.4 Схемы, показывающие различную скорость охлаждения по сечению изделия

В этом случае и на поверхности изделия, и в его центре скорость охлаждения больше критической (рис. 5). Изделия, имеющие размеры меньше критического диаметра, прокаливаются в данном охладителе насквозь. Зная критический диаметр, можно правильно выбрать сталь для деталей определенных размеров и назначения.Прокаливаемость каждой стали определяют экспериментально. Наиболее простой способ --стандартный метод торцовой закалки. Прокаливаемость углеродистых сталей находится в прямой зависимости от содержания углерода. Для сталей с 0,8 % С это примерно 5--6 мм. Легирующие элементы, увеличивая устойчивость переохлажденного аустенита, уменьшают критическую скорость Vкр закалки (исключение составляет кобальт). Поэтому некоторые легированные стали в результате охлаждения на воздухе приобретают структуру мартенсита. С уменьшением Vкр снижаются внутренние напряжения и вероятность появления брака. Однако понижение температуры мартенситного превращения способствует увеличению количества остаточного аустенита в стали после закалки.

С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость возрастают. Особенно сильно увеличивают прокаливаемость молибден и бор (кобальт и в этом случае действует противоположно). Карбидообразующие элементы повышают прокаливаемость только в том случае, если они при нагреве растворились в аустените. В противном случае указанные элементы являются центрами распада аустенита и прокаливаемость будет даже ухудшаться. Температура нагрева легированных сталей под закалку по сравнению с углеродистыми сталями выше. Это объясняется, во-первых, тем, что большинство легирующих элементов повышает температуру критических точек А1 и A3. Во-вторых, диффузионные процессы в легированных сталях протекают значительно медленнее, так как легирующие элементы образуют твердые растворы замещения, а углерод -- внедрения.

Рис.5 . Закаленный слой (заштрихован) в цилиндрических образцах различных сечений (Dкр -- критический диаметр).

Рис. 6. Различные способы термической обработки; V1 -- изотермический отжиг; V2 -- нормализация; Vкр -- критическая скорость охлаждения; V3 -- закалка в одной среде; V4 -- закалка в двух средах; V5 -- ступенчатая закалка; V6 -- изотермическая закалка; V7 -- неполная закалка

термический обработка сталь отжиг

Поэтому температуру закалки обычно выбирают на 50--60 °С выше точки Ас3 этих сталей и увеличивают продолжительность выдержки при температуре закалки. Такой нагрев способствует также диссоциации карбидов и лучшей растворимости легирующих элементов в аустените. В результате закалки легированных сталей получают структуру легированного мартенсита, который содержит не только углерод, но и легирующие элементы. Это оказывает существенное влияние на превращения, протекающие при отпуске. Нагрев легированных сталей при закалке до более высоких температур не приводит к росту зерна, так как все легирующие элементы (кроме марганца и бора) уменьшают склонность к росту зерна. Элементы, образующие слабо диссоциирующие при нагреве карбиды, способствуют измельчению зерна аустенита.

Легированные стали обладают пониженной теплопроводностью, поэтому для уменьшения перепада температуры по сечению их следует нагревать медленно. Это уменьшает внутренние напряжения, которые могут вызвать коробление или образование трещин при нагреве. Вследствие низкой теплопроводности увеличивается и продолжительность выдержки при заданной температуре.

В процессе отливки, прокатки и ковки, а также по завершении этих операций стальные заготовки охлаждаются неравномерно, результатом чего является неоднородность структуры и свойств в различных местах заготовки и наличие внутренних напряжений. При затвердевании отливки, кроме того, получают неоднородный состав по причине ликвации.

Отжиг стали заключается в нагреве ее до температуры выше критической, выдержке при этой температуре и относительно медленном охлаждении. Температурный режим отжига определяется той целью, с которой он производится.

Целью отжига может быть получение мелкого зерна, приведение структуры стали к равновесному состоянию, уничтожение внутрикристаллической ликвации, снятие внутренних напряжений.

Акад. А.А. Бочвар дал определение двух родов отжига: отжиг первого рода - приведение структуры из неравновесного состояния в более равновесное; отжиг второго рода - изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур.

Виды отжига применительно к стали

Возврат стали - нагрев до температуры 200-400єС для уменьшения или снятия наклепа. При возврате наблюдается уменьшение искажений в кристаллических решетках у кристаллов и частичное восстановление физико-химических свойств.

Рекристаллизационный отжиг происходит при температуре 500-550єС; отжиг для снятия внутренних напряжений - при температуре 600-700єС. Эти виды отжига применяют для заготовок, обработанных давлением. При рекристаллизационном отжиге деформированные вытянутые зерна становяться равноосными, в результате твердость снижается, а пластичнгость и ударная вязкость повышаются.

Диффузионный отжиг применяют в тех случаях, когда в стальных заготовках имеется внутрикристаллическая ликвация. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других компонентов наряду с самодиффузией железа. В результате сталь становиться однородной по составу, поэтому этот отжиг называется гомогенизацией.

Отжиг на равновесное состояние: эвтектоидная сталь в равновесном состоянии содержит перлит, а доэвтектоидная и заэвтектоидная сталь содержит, кроме того, соответственно избыточный феррит или цементит. В равновесном состоянии сталь наиболее мягка и пластична и поэтому легче, чем в других состояниях, поддается обработке режущим инструментом.

Отжиг на пластинчатый перлит производится путем нагрева стали до состояния аустенита (выше точек Ач> Апст) и последующего весьма медленного охлаждения с тем, чтобы все процессы распадения аустенита в точках АГз, АГст и особеннов точке Лг, успели полностью завершиться. Для этого охлаждение стали производят вместе с печью, искусственно замедляя его до 10--; в час. В результате такого отжига получаются структуры стали, знакомые нам по диаграмме состояния системы железо - цементит.

Отжиг с полной перекристаллизацией, когда нагрев стали производится выше точек АСз и Аст, называется полным. Отжиг называется неполным, когда нагрев стали производится лишь выше первой критической точки АС1; перекристаллизация при этом будет неполной. Неполный отжиг применяют в основном для заэвтектоидной стали, в связи с тем, что при высоких температурах наблюдается быстрый рост зерна аустенита, а нам известно, что крупное зерно отрицательно влияет на механические свойства стали.

Отжиг на зернистый (глобулярный) перлит производится следующим образом.

После обычного нагрева стали производят ее медленное охлаждение до температуры, несколько меньшей Аг выдерживают при этой температуре, затем вновь нагревают до температуры немного выше ACl, выдерживают, опять охлаждают ниже точки АГ1 и т. д. Так нагрев и охлаждение около точки At повторяют несколько раз.

В зернистом перлите цементит находится в виде зернышек или глобулей, равномерно рассеянных по полю феррита.

Свойства зернистого перлита существенно отличаются от свойств пластинчатого перлита в сторону уменьшения твердости и повышения пластичности и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоидной стали, в которой весь цементит (как эвтектоидный, так и избыточный) получается в виде глобулей.

Нормализацией называют термическую обработку стали, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния (на 30--50 град. выше Ас3, или Аст) и охлаждают на спокойном воздухе. Следовательно, отличие нормализации от полного отжига для доэвтектоидных сталей заключается только в скорости охлаждения. В результате нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются многие пороки, возникшие в процессе предшествующих обработок изделий. Твердость и прочность выше, чем после отжига. Поэтому, несмотря на значительную экономию времени, нормализация не всегда может заменить отжиг. В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. Нормализацию чаще применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Но иногда ее применяют и как окончательную, например, при изготовлении сортового проката (рельсы, швеллеры и т.п.).

Превращения в сплавах, происходящие на линии эвтектоидного превращения на диаграмме «железо - цементит»

Превращения в твердом состоянии -- вторичная кристаллизация.

Линии GSE, PSK и GPQ показывают, что в сплавах системы в твердом состоянии происходят изменения структуры. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной модификации в другую, а также в связи с изменением растворимости углерода в железе.

В области диаграммы AGSE находится аустенит (А). При охлаждении сплава аустенит распадается с выделением по линии GS феррита (Ф) -- твердого раствора углерода в

б-железе, а по линии SE -- цементита. Этот цементит, выпадающий из твердого раствора, называется вторичным (ЦП) в отличие от первичного цементита (Ц1), выпадающего из жидкого раствора. В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз -- феррита (Ф) и распадающегося аустенита (А), а в области SEe1 -- смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита. В точке S при массовом содержании углерода 0,8 % и при температуре 727 °С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита--эвтектоид (т.е. подобный эвтектике), который в этой системе называется перлитом (П). Сталь, содержащая 0,8 % С, называется эвтектоидной, менее 0,8 % -- доэвтектоидной, от 0,8 до 2,14% С -- заэвтектоидной.

При охлаждении сплавов по линии PSK происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита; поэтому линия PSK называется линией перлитного (эвтектоидного) превращения.

Размещено на Allbest.ru