Термическая обработка стали. Основная информация

Назначение термической обработки стали – изменение структуры сплава, а следовательно, и его свойств, например, придание изделию твердости и хрупкости или, наоборот, мягкости и пластичности.

Суть процессов заключается в нагревании стальной заготовки, ее выдержке и охлаждении. Все это происходит при строгом соблюдении определенных параметров:

· температура нагрева, т.е. максимальная температура, до которой был нагрет сплав при термической обработке (tmax);

· время выдержки сплава при температуре нагрева(τв);

· скорость нагрева (Vнагр);

· скорость охлаждения (Vохл).На режимы влияет и классификация сталей.

Термическая обработка сталей определенных видов требует разных условий для достижения одного и того же результата.особо высококачественные.

Упрощенно структурные изменения стали при нагревании можно отобразить в таблице.

Температура нагрева	Тип решетки	Свойства
до 910ºС	объемноцентрированный куб	железо растворяет до 0,04% углерода (феррит)
910-1400ºС	гранецентрированный куб	железо растворяет до 2% углерода (аустенит)
более 1400ºС	объемноцентрированный куб	на практике практически не применяется

При любой температуре ниже 910° атомы в ячейках кристаллов располагаются в виде куба, образуя так называемую кристаллическую решетку альфа-железа. В этом кубе восемь атомов расположены в углах решетки и один в центре.

При нагреве свыше 910° происходит перегруппировка атомов и кристаллическая решетка представляет собою форму куба с четырнадцатью атомами; условно ее называют решеткой гамма-железа. При температуре 1390° решетка гамма-железа перестраивается в решетку с девятью атомами, носящую название дельта-железо. Эта решетка отличается от решетки альфа-железа несколько большим расстоянием между центрами атомов и сохраняется до момента расплавления железа, т. е. до 1535° (Рис. 1).

Перестройка кристаллической решетки при медленном охлаждении происходит в обратном порядке: дельта-железо при 1390° превращается в гамма-железо, а гамма-железо при 898° превращается в альфа-железо.

Твердость аустенита в 2-2,5 раза выше таковой феррита. Последний более пластичен. При охлаждении структура сплава изменяется в обратной последовательности.

Основные виды термической обработки стали – закалка, нормализация, отпуск, отжиг.

Отжиг I рода

Данный вид термообработки подразделяют на 4 группы:

- Гомогенизация. Сплавам после кристаллизации присущ неравномерный состав химических компонентов как для одного зерна, так и для всего объема слитка, что обуславливается разными температурами плавления элементов. Такие неравновесные структуры в большей степени характерны для легированных сталей. Поскольку уравновешивание химического состава происходит благодаря диффузии, для его осуществления требуются высокие температуры. До 1100-1200 ºС заготовки стали нагреваются в специальных печах, в которых выдерживаются от 8 до 15 часов, после чего происходит медленное охлаждение в печи (6-8 часов) до 800-850 ºС. После достижения необходимой температуры заготовки доохлаждаются на воздухе. Такая термическая обработка легированных сталей обеспечивает их пластичность, что значительно облегчает их обработку деформацией.

- Рекристаллизационный отжиг. Его применяют для снятия эффекта упрочнения стали, связанного с холодной пластической деформацией, в результате которой образуются дефекты кристаллической решетки, называемые дислокациями и вакансиями. При образовании такой структуры происходит сплющивание и вытягивание зерен металла, из-за чего возникает наклеп и уменьшается пластичность сплава.

Данная технология термической обработки стали подразумевает нагрев до температур выше на 100-200 ºС начала кристаллизации (приблизительно 500-550 ºС).

Продолжительность выдержки варьируется от 0,5 до 2 часов, затем производится медленное охлаждение. Изменение структуры происходит за счет образования новых зерен и постепенного исчезновения деформированных. Таким образом, происходит уменьшение дефектов кристаллической решетки.

- Отжиг для снятия остаточных напряжений. Внутренние напряжения в стальных деталях возникают в результате таких процессов, как сварка, литье, резание, шлифовка, горячая деформация. Они достигают достаточно больших величин. В итоге вкупе с рабочими впоследствии вызывают разрушение металла.

Для устранения данного явления осуществляют отжиг при температуре ниже кристаллизационной (727 ºС). При проведении процесса продолжительностью в 20 часов при 600 ºС напряжения практически полностью ликвидируются. Для уменьшения длительности процесса температуру увеличивают до 680-700 ºС.

Отжиг II рода

С помощью этого процесса равновесная структура материала достигается при фазовых превращениях. Структура стали после термической обработки частично или полностью изменяется. Кардинальное изменение строения сплава происходит благодаря двойной перекристаллизации, в результате которой происходит уменьшение размеров зерен, устранение внутренних напряжений, снятие наклепа. Виды термической обработки стали – полный (смягчающий) и неполный отжиг.

Полный отжиг

В результате данного процесса происходит превращение крупной ферритно-перлитной структуры в мелкую аустенитную, которая при медленном охлаждении (30-50 ºС) преобразуется в мелкую ферритно-перлитную. Таким способом обрабатывается конструкционная сталь с целью повышения пластичности и снижения твердости.микроструктура стали после термической обработки

Неполный отжиг

В результате неполного отжига пластинчатый перлит превращается в зернистый ферритоцементит, проходя через стадию аустенита (около 780 ºС). Такой процесс используется для инструментальных сталей.

Поскольку отжиг является достаточно продолжительной операцией (до 20 часов), в качестве альтернативы применяется нормализация вещества. Это термическая обработка стали, в результате которой улучшается ее обрабатываемость резанием, исправляется структура сварных швов, а также происходит подготовка сплава к закалке. Температура процесса превышает точки Асз или Аст в зависимости от вида стали на 30-50 ºС.

Нормализация – это, как правило, термическая обработка углеродистых сталей. В результате не требуется дальнейшая закалка среднеуглеродистых сталей и некоторых специальных, поскольку необходимая для использования деталей прочность достигается благодаря нормализации. Структура нормализованной стали – сорбит.

Закалка

Это термическая обработка стали, благодаря которой происходит повышение ее прочности, износостойкости, твердости, предела упругости, а также снижение пластичных свойств. Технология закалки состоит из нагрева до определенной температуры (примерно 850-900 ºС), выдержки и резкого охлаждения, благодаря которому эти свойства и достигаются. Закалка является самым распространенным способом улучшения физико-механических свойств сплава. Виды термической обработки стали: с полиморфным превращением и без такового.

Сплав нагревается до температуры изменения кристаллической решетки полиморфного элемента. В результате нагревания увеличивается растворимость легирующего компонента. При понижении температуры тип решетки изменяется в обратную сторону, но поскольку оно происходит с большой скоростью, в сплаве остается избыточная концентрация элемента с измененной решеткой. Так возникает неравновесная структура, являющаяся термодинамически неустойчивой. Игольчатая микроструктура стали, после термической обработки образовавшаяся в сплаве, называется мартенситом. Для снятия остаточных напряжений металл далее подвергают отпуску.

Скорость охлаждения стали водой в 6 раз выше при температуре 600 ºС и в 28 раз при 200 ºС (в сравнении с техническим маслом). Ее применяют для охлаждения углеродистых сплавов с высокой критической скоростью закалки. Недостатком воды является достаточно большая скорость охлаждения в областях возникновения мартенсита (200-300 ºС), что может привести к образованию трещин. Соли добавляют в воду для увеличения ее закаливающей способности. Таким образом происходит, например, термическая обработка стали 45.

Сплавы с незначительной критической скоростью закалки, которыми являются легированные, охлаждают с помощью масла. Его использование ограничивается легкой воспламеняемостью и способностью пригорать к поверхности деталей. Ответственные детали из углеродистой стали охлаждают в двух средах: воде и масле.

Мартенситные стали, на которых не должно быть оксидной пленки, например, используемые для медицинского оборудования, охлаждают в разряженной атмосфере или на воздухе.

Для того чтобы превратить остаточный аустенит, придающий стали хрупкость, в мартенсит, применяют дополнительное охлаждение.

Отпуск

Это термическая обработка стали, направленная на ослабление внутренних напряжений, которые возникают при закалке, а также на повышение вязкости. Такая обработка применяется к сталям, которые претерпели полиморфные превращения. Режимы термической обработки стали включают: нагрев до температуры 150-650 ºС, выдержку и охлаждение, скорость которого роли не играет. В процессе отпуска более твердые, но неустойчивые структуры преобразуются в более пластичные и стабильные. Отпуск бывает высоким, средним и низким.

При низком отпуске, происходит нагрев до 150-250 ºС, последующая выдержка до 1,5 часов и охлаждение на воздухе либо в масле. Изменяется кристаллическая решетка мартенсита, которая не оказывает влияния на твердость, повышает вязкость и снимает внутренние напряжения. Таким способом обрабатывают режущий иизмерительный инструмент.

При среднем отпуске, происходит нагрев до 300-500 ºС. Структура стали представлена трооститом отпуска. Стальные деталям после обработки присущи высокие упругие свойства и прочностные характеристики. Так происходит обработка пружин, мембран, рессор.

Для высокого отпуска характерна температура нагрева в 450-650 ºС, что приводит к образованию сорбита. Изделия становятся менее твердыми, пластичными, имеют высокую ударную вязкость. Ему подвергаются зубчатые передачи, оси, валки и другие ответственные детали механизмов.