Термическая и термохимическая обработка сталей и чугуна

Термическая и термохимическая обработка является распространенным способом улучшения свойств стали. Различают следующие ее виды: закалку и отжиг. В основе лежит то, что при одном и том же составе при разных температурах устойчивыми оказываются различные кристаллические модификации и, меняя режим нагрева и охлаждения, можно фиксировать ту или иную структуру стали.

Закалка

Закалка предусматривает улучшение прочностных и пластично-вязких свойств стали, снижение порога хладноломкости и чувствительности к концентраторам напряжений.

Закалка заключается в нагреве стали на 30 — 50 °С выше точки Ас3 для доэвтектоидных или Ad для заэвтектоидных сталей, в выдержке до полной аустенизации стали и охлаждении ее (в воде или масле) со скоростью, обеспечивающей переход аустенита в мартенсит. Последний представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe. Перестройка кристаллической решетки y-Fe в a-Fe происходит без выделения избыточных атомов углерода из аустенита. Поэтому кристаллическая решетка мартенсита сильно искажена и испытывает напряжения, обусловленные особенностями строения и увеличением удельного объема мартенсита по сравнению с аустенитом на 4,00 — 4,25 %.

Мартенсит хрупок, тверд и прочен (прочность 2600—2700 МПа при количестве углерода 0,6—0,8%). Однако достаточно полное мартенситное превращение возможно только для высокоуглеродистых и легированных сталей, обладающих повышенной устойчивостью охлажденного аустенита. При быстром охлаждении низкоуглеродистых строительных сталей (С < 0,25 %) происходит распад аустенита и образование высокодисперсной ферритно-цементитной структуры перлита-сорбита и троостита или низкоуглеродистого мартенсита и цементита (карбидов). Такая структура получила название — бейнит.

Он имеет повышенные прочность, твердость и выносливость по сравнению с продуктами распада аустенита в перлитной области — сорбитом и трооститом — при сохранении высокой пластичности, вязкости и пониженном пороге хладноломкости. Упрочнение стали закалкой с прокатного нагрева обусловлено тем, что динамическая рекристаллизация при прокатном нагреве проходит неполно и бейнит унаследует высокую плотность дислокаций, образовавшихся в деформированном аустените.

Сочетание пластической деформации стали в аустенитном состоянии с закалкой и отпуском позволяет значительно увеличить ее прочность (2200 — 3000 МПа), пластичность (6 — 8%) и вязкость (50 — 60%); устранить склонность к отпускной хрупкости, которая наблюдается при среднетемпературном отпуске легированной стали при температуре 300 —400 °С. Закалка может быть прерывистой в двух средах: быстро в воде до температуры начала мартенситного превращения и в масле или на воздухе для уменьшения внутренних напряжений; и может быть ступенчатой с выдержкой изделия в закалочной среде, в результате остается больше аустенита и уменьшаются объемные изменения и возможность образования трещин.

Отпуск

Отпуск является заключительной операцией термической обработки стали, после которой она приобретает требуемые свойства. Он заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже точки Асl, , в выдержке при заданной температуре и охлаждении с определенной скоростью. Обычно это медленный нагрев, выдержка при этой температуре и медленное охлаждение на воздухе. Цель отпуска — снижение уровня внутренних напряжений и повышение сопротивления разрушению. Мартенсит и остаточный аустенит — неравновесные фазы. Они распадаются при переходе стали в устойчивое состояние с образованием ферритно-цементитной структуры. Распад носит диффузионный характер и поэтому зависит от температуры отпуска. Различают три его вида: низкотемпературный (низкий) с нагревом до температуры 250 °С; среднетемпературный (средний) с нагревом в интервале 350 — 500 °С и высокотемпературный (высокий) с нагревом при температуре 500 — 600 °С.

Отпуск влияет на свойства стали. Карбиды в троостите и сорбите отпуска имеют зернистую, а не пластинчатую, как при распаде переохлажденного аустенита, форму. Это повышает дефор-мативные свойства и ударную вязкость, а при одинаковой пластичности и прочность.

Отжиг

Отжигом называют термическую обработку стали, получившей неустойчивое состояние в предыдущей обработке, путем нагревания выше критических точек Асl, и Асз и медленного охлаждения вместе с печью, что приводит ее в более устойчивое состояние. Часто отжиг является окончательной термической операцией и называется отжиг I и II рода.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа деформированного металла нагревом его до температуры плавления (0,4 — 0,5 Тпл), выдерживанием при этой температуре и охлаждением. Различают холодную и горячую деформации. Холодную проводят при температуре ниже порога рекристаллизации, а горячую — выше, обычно при 0,7 — 0,75 Тпл (Т^ — температура плавления по абсолютной шкале температур). Рекристаллизация при холодном деформировании называется статической, а при горячем — динамической, характеризующейся остаточным «горячим наклепом», полезно используемым для закатки с прокатного нагрева. При статической рекристаллизации происходит резкое снижение прочности и твердости наклепанного материала и повышение деформативности, что необходимо для холодной деформации (прокатки, штамповки, волочения). Помимо рекристаллизации феррита при отжиге может происходить коагуляция и сфероидизация цементита, повышающая пластичность стали.

Отжиг I рода осуществляют для снятия остаточных напряжений при температуре 550 — 650 °С в течение нескольких часов. Он предотвращает коробление сварных изделий после резания, правки и т.д.

Отжиг II рода предусматривает нагрев стали выше критических точек Ас, и Асз, выдержку и медленное охлаждение. Фазовые превращения a<->y-Fe имеют при этом решающее значение. Различают полный, изотермический и неполный отжиг.

Полному отжигу подвергают отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат из 0,3 — 0,4 % доэвтектоидной стали при температуре на 30 — 50 °С выше точки Асз. После завершения фазовых превращений изделия медленно охлаждают до полного распада аустенита и образования мелкозернистой ферритно-цементитной структуры, обеспечивающей высокую пластичность и изотропность свойств. Для защиты металла от окисления и его обезуглероживания отжиг ведут в защитной атмосфере, состоящей из 2 % СО; 2 % Н2 и 96 % N2.

Изотермическому отжигу подвергают штампованные детали, сортовой и фасонный прокат из обычной и легированной стали. Он отличается от полного отжига наличием изотермической выдержки в течение 3 —6 ч при температуре 660 —680 °С, сокращением длительности процесса и получением более однородной фер-ритно-перлитной структуры стали с заданными свойствами.

Неполный отжиг применяют для улучшения обрабатываемости углеродистых и легированных сталей резанием и для повышения пластичности перед холодным деформированием. Нагрев сталей производят до температуры на 10 — 30 °С выше точки АС1 с последующей изотермической выдержкой 4 —6 ч при температуре 660 — 680 °С при охлаждением на воздухе. При этом происходит неполная перекристаллизация перлита и феррита, в результате которой образуется зернистая (сфероидальная) форма перлита вместо пластинчатой, и отжиг называют сфероидизацией.

Сталь с зернистым перлитом (цементитом) имеет более низкую прочность и твердость по сравнению с пластинчатым, но повышенную пластичность.

Нормализация

Нормализация предусматривает нагрев сортового проката из до- и заэвтектоидной конструкционной стали до температуры на 40 — 50 °С выше точек Асз и АС1, непродолжительную выдержку и охлаждение на воздухе. Она вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали, снимает внутренние напряжения, повышает пластичность и ударную вязкость. Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, частичному образованию мартенсита или бейнита (в легированных сталях) и высокодисперсного перлита-сорбита или троостита.

Нормализация широко применяется для улучшения свойств низкоуглеродистых строительных сталей, заменяя отжиг. Для сред-неуглеродистых и легированных сталей она сочетается с высоким отпуском при температурах ниже порога рекристаллизации, обычно производится на изделиях полученных прокаткой, ковкой или отливкой.

Обработка строительных сталей и чугуна, их виды Металлические материалы Химико-термическая обработка стали