Отжиг
Отжигом называется операция термической обработки, связанная с нагревом стали, выдержкой и медленным охлаждением (с печью).
Отжиг – операция предварительная или промежуточная. Основное назначение – снятие внутренних напряжений и улучшение или исправление структуры металла (измельчение зерна, устранение ликвации, снижение твердости, повышение пластичности, улучшение обрабатываемости).
Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа (после холодной пластической деформации), восстановления пластичности и ударной вязкости стали.
Рекристаллизационный отжиг углеродистых и низколегированных сталей проводится при температуре 550 – 700С с выдержкой после прогрева от 30 до 60 мин в зависимости от состава стали.
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). При отжиге 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).
Низкотемпературный отжиг проводят для снятия внутренних остаточных напряжений при температуре 650 – 700С в течение нескольких часов.
Этому отжигу подвергают отливки, поковки, сварные изделия и детали, в которых из-за неравномерного охлаждения и по другим причинам возникли внутренние напряжения. Эти напряжения, если их не устранить, могут вызвать коробление и появление трещин.
Полный отжиг, или отжиг на мелкое зерно, проводится только для доэвтектодных сталей при температуре на 30 – 50С точки Ас3.
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 фасонные отливки.
Неполный отжиг используют для снижения твердости стали и улучшения обрабатываемости резанием. Заэвтектоидные стали полному отжигу с полной перекристаллизацией подвергать нельзя, так как при медленном охлаждении из аустенитного состояния вторичный цементит выделяется по границам зерен в виде сетки и сталь становится хрупкой (теряет пластичность). Заэвтектоидные стали подвергают только неполному отжигу с нагревом до 750 – 770С (несколько выше Ас1), выдерживают до прогрева по сечению и охлаждают.
В результате образуется структура зернистого перлита. Этот отжиг часто называют отжигом на зернистый перлит, или сфероидизацией.
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.
Нормализация
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 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. Иногда нормализацию используют как окончательную обработку для получения структуры сорбита.
Закалка сталей, параметры закалки
Закалка— распространенный процесс термической обработки стальных деталей.
Она осуществляется путем нагрева деталей выше критической точки Ас3(доэвтектоидной стали). Эвтектоидные и заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, т. е. нагревают до температуры на 30 – 50С выше критической точки А1 (линия РSК диаграммы). Эта температура постоянная, интервал температуры для закалки – 760 – 780С. Скорость охлаждения после нагрева и выдержки оказывает решающее влияние на результат закалки.
Основная цель закалки стали:
— получение высокой твердости, износостойкости и физико-механических свойств.
Резкое увеличение твердости и прочности в процессе закалки происходит из-за фазовых превращений структуры в процессе нагрева и охлаждения и образования неравновесных твердых структур—мартенсита, троостита и сорбита.
Качество закалки зависит от правильного выбора режима закалки (температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения). Температура нагрева под закалку зависит от химического состава стали. Для углеродистых сталей ее выбирают, пользуясь диаграммой состояния сплавов.
Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов.
Материал, подвергшийся закалке приобретает большую твердость, но становится хрупким, менее пластичными менее вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала.
В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают на 30 – 50 С линии GS для доэвтектоидной и эвтектоидной стали, заэвтектоидная линия PSK, в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки.
Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей.
Прокаливаемость, закаливаемость
Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны, т. е. свойство стали закаливаться на определенную глубину от поверхности.
Если, например, сверло диаметром 50 мм, изготовленное из инструментальной углеродистой стали, закалить в воде, а затем замерить твердость его в поперечном сечении, то окажется, что во внутренней зоне, расположенной вдоль оси сверла (сердцевине), твердость будет почти такой же, как до закалки, в то время как в наружной зоне, расположенной у поверхности, твердость резко повысится.
Углерод имеет двойственный эффект для упрочняемых легированных сталей. С помощью углерода можно регулировать максимально допустимый параметр твердости и значительно повысить прокаливаемость. Это самый недорогой метод улучшения прокаливаемости.
Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать высокую твердость после закалки. Такая способность зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Объясняется это тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов, насильственно
удерживаемых при закалке в атомной решетке железа. Иными словами, увеличивается степень перенасыщения твердого раствора углерода в железе. В результате возрастают
внутренние напряжения, что, в свою очередь, способствует увеличению числа дислокаций и возникновению блочной структуры.
Режимы закалки
· Закалка в одной среде
Нагретое изделие опускают в охлаждающую среду, где оно остается до полного остывания. Это самый простой по исполнению метод закалки, но его можно применять только для сталей с небольшим (до 0,8%) содержанием углерода либо для деталей простой формы. Эти ограничения связаны с термическими напряжениями, которые возникают при быстром охлаждении — детали сложной формы могут покоробиться или даже получить трещины..
· Ступенчатая закалка
При таком способе закалки изделие охлаждают до 250-300С в соляном растворе с выдержкой 2-3 минуты для снятия термических напряжений, а затем завершают охлаждение на воздухе. Это позволяет не допускать появления трещин или коробления деталей. Минус этого метода в сравнительно небольшой скорости охлаждения, поэтому его применяют для мелких (до 10 мм в поперечнике) деталей из углеродистых или более крупных — из легированных сталей, для которых скорость закалки не столь критична.
Нагретое изделие охлаждается погружением в ванну с температурой закалочной среды (расплавленные соли, селитры, щелочи) немного выше температуры начала мартенситного превращения (на 20 – 30С выше точки Мн) 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.
Изотермическая выдержка для выравнивания температуры по сечению способствует снижению термических напряжений, а охлаждение на воздухе – структурных. Основное достоинство ступенчатой закалки – получение мартенситной структуры при минимальных закалочных напряжениях
· Закалка в двух средах
Изделие сначала охлаждают до 400 – 300С в воде, а затем для окончательного охлаждения переносят в масло – «через воду – в масло». В мартенситном интервале (300 – 100С) сталь охлаждается более медленно, что способствует уменьшению закалочных напряжений
· Закалка с самоотпуском.
Охлаждение изделия, нагретого под закалку, ведут не до конца и извлекают из охладителя. За счет тепла внутренних слоев верхний охлажденный слой разогревается до 200 – 250С, 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 с самоотпуском нашел применение в механизированном поточном производстве.
· Поверхностная закалка (лазерная, токами высокой частоты)
Применяется для деталей, которые должны быть твердыми на поверхности, но иметь при этом вязкую сердцевину, например, зубья шестеренок. При поверхностной закалке внешний слой металла разогревается до закритических значений, а затем охлаждается либо в процессе теплоотвода (при лазерной закалке), либо жидкостью, циркулирующей в специальном контуре индуктора (при закалке током высокой частоты мость, закаливаемость).
Отпуск закаленной стали
Закаленная сталь становится чрезмерно хрупкой, что является главным недостатком этого метода упрочнения. Для нормализации конструкционных свойств производят отпуск — нагрев до температуры ниже фазового превращения, выдержку и медленное охлаждение. При отпуске происходит частичная «отмена» закалки, сталь становится чуть менее твердой, но более пластичной
Отпуск – операция термической обработки, связанная с нагревом закаленной стали ниже температуры фазовых превращений, выдержкой и охлаждением.
Цель отпуска – снятие или снижение внутренних напряжений, возникших при закалке, и получение структуры с заданными свойствами (прочностью, твердостью, пластичностью и вязкостью).
Отпуск необходимо проводить непосредственно после закалки, так как закалочные напряжения через некоторое время могут вызвать появление трещин. Низкая пластичность и значительные внутренние напряжения при закалке стали на мартенсит не позволяют использовать ее без проведения отпуска. При нагреве вследствие диффузионных процессов в структуре закаленной стали происходят фазовые превращения, которые зависят от температуры отпуска и определяют его назначение.
Твердость и прочность стали с повышением температуры отпуска снижаются, а пластичность и вязкость – повышаются. При некоторых условиях отпуска закаленных сталей происходит их «охрупчивание» – потеря пластичности (отпускная хрупкость).
Отпускная хрупкость появляется при температуре 300С у всех сталей независимо от их состава и скорости охлаждения при отпуске. Для предупреждения охрупчивания необходимо избегать интервал температуры отпускной хрупкости 250 – 350С.
Низкотемпературный (низкий) отпуск. Температура нагрева – 150 – 200С, выдержка – 1 – 1,5 ч. Снижаются внутренние напряжения. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Этот отпуск обеспечивает максимальную твердость стали и некоторое повышение прочности и вязкости. Твердость (60 – 65 НRС) 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 и закалки (цементация, нитроцементация).
Среднетемпературный (средний) отпуск. Температура нагрева – 350 – 500С (чаще 380 – 420С), выдержка – от 1 – 2 до 3 – 5 ч. Значительно снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переходит в троостит отпуска, твердость – 40 – 45 НRС. Обеспечивается наилучшее сочетание предела упругости с пределом выносливости (усталостной прочностью).
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 сжимающих остаточных напряжений, повышающих усталостную прочность.
Высокотемпературный (высокий) отпуск. Температура нагрева – 500 – 680С, выдержка – 1 – 8 ч. Полностью снимаются внутренние напряжения. Структура стали – сорбит отпуска, твердость – 25 – 35 НRС. Создается наилучшее соотношение прочности, пластичности и вязкости стали.
Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением (термическим). Проводится она для деталей, которые должны обладать повышенной конструктивной прочностью. Улучшению подвергаются детали, выполненные в основном из среднеуглеродистых конструкционных сталей.