Рисунок 6.1 – График термической обработки стали

Рисунок 6. 2 – Схема различных видов отжигов

Диффузионный отжиг(гомогенизация) производится при тем­пературах 1100... 1200° С в течение 30... 50 ч для устране­ния дендритной ликвации.

 Конструкционные стали подвергаются полному отжигу — нагреву до температуры на 30... 50 ⁰С выше точки А_С3, с последующим медленным охлаждением, обес­печивающим превращение аустенита в ферритоцементитную смесь в области температур, близких к А_С1. Инструментальные (заэвтектоидные) стали нагрева­ют на 30... 50 ⁰С выше точки А_С1 — неполный отжиг. Этот отжиг на зернистый перлит производится с целью снижения твердости для лучшей обрабатываемости ре­занием и подготовки структуры к закалке.

При изотермическом отжиге конструкцион­ную сталь нагревают до температуры на 30... 50 ⁰С выше точки Ас3, а инструментальную – выше А_С1 на 50... 100 ⁰С, затем следует выдержка и медленное охлаждение в рас­плавленной соли до температуры несколько ниже точки Ас1, (680.. 700 ⁰С). При этой температуре сталь подверга­ют изотермической выдержке, при которой происходит полное превращение аустенита в перлит, с последующим охлаждением на воздухе.

Нормализацией стали называют нагрев доэвтектоидных сталей выше критической точки Ас₃, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей – выше критической точки А_ст на 30... 50 ⁰С с непродолжительной выдержкой и последующим ох­лаждением на воздухе. После нормализации углеродистые стали имеют ту же структуру, что и при отжиге, но перлит­ные смеси получаются более мелкодисперсными, так как распад аустенита происходит при больших степенях переох­лаждения. Цель нормализации – перекристаллизация зерна стали, снятие внутренних напряжений, подготовка стали к дальнейшей пластической деформации, механи­ческой или термической обработке. Нормализация – де­шевый и простой вид термической обработки углероди­стых сталей, содержащих менее 0, 5... 0, 6 % С, при подго­товке их к обработке резанием и может заменять отжиг. В заэвтектоидных сталях нормализация с температуры выше А_стпредназначена для устранения цементитной сетки.

Наиболее распространенным видом упрочняющей термической обработки углеродистых сталей, содержащих углерода более 0, 3%, является закалка.

3акалкой называется термообработка, состоя­щая из нагрева доэвтектоидных сталей выше критичес­кой точки Ас₃, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей выше Ас₁на 30... 50 ⁰С (рис. 6. 3), выдержки при данной темпе­ратуре с целью полного превращения ά –Fe в γ -Fe  и последующего охлаждения со скоростью боль­ше критической (минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая превращение переохлажденного аусте­нита в мартенсит).

Рисунок 6. 3 - Диаграмма интервалов закалочных температур

При скорости охлаж­дения больше критической углерод не успевает выде­литься из кристаллической решетки (в соответствии с ее перестройкой из γ -железа в ά -железо), в резуль­тате чего образуется однофазный перенасыщенный твердый раствор углерода в ά -железе, который полу­чил название мартенсита. Пресыщение углеродом приводит к зна­чительным искажениям пространственной решетки железа, создается высокая плотность порогов дислокации, нарушается равенство межатомных сил и в стали накапливается значительная внутренняя потенциальная энергия. Сталь приобретает высокую твердость, но ее плас­тичность при этом падает.

При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для закалки существенное значение имеет скорость охлаждения в интервале температур, где аустенит менее устойчив(650…5500 ⁰С). Этот интервал температур при закалке нужно пройти быстро. Важное значение имеет скорость охлаждения  в интервале температур 300…200 ^ОС, когда во многих сталях происходит образование мартенсита. В этом районе температур требуется медленное охлаждение (на воздухе), во избежание возникновения напряжений и закалочных трещин. В зависимости от способа охлаждения стали различают следующие виды зака­лок: закалка в одном охладителе, закалка в двух средах, ступенчатая закалка, изотермическая закалка и закалка с обработкой холодом.

Закалка в одном охладителе заключается в том, что нагретую под закалку деталь погружают в закалочную среду, в которой она находится до полного охлаждения. Применяют для несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.

При закалке в двух средах (прерывистая закалка) деталь сначала погружают в быстроохлаждающую среду (вода), а затем быстро переносят в другую среду (масло или на воздух), где она охлаждается до комнатной температуры. Такую закалку применяют обычно для обработки инструмента из высоколегированной стали.

При ступенчатой закалке нагретая деталь охлаждается в среде температурой  200... 250 ⁰С (например, в горячем масле), а затем после небольшой выдержки охлаждается на воздухе.

Изотермическая закалка производится так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная, до полных фазовых превращений.

Закалка с обработкой холодом заключается в охлаждении закаленной стали, содержащей остаточный аустенит, до температур ниже нуля. Обработка холодом производится после закалки, после чего весь остаточный аустенит может переходить в мартенсит. Применяется для высокоуглеродистых сталей (выше 0, 6 % С) и инструментальных сталей.

Дефекты закалки: недогрев, перегрев, пережог, обезуглероживание, коробление, трещины и т. д.

Если нагрев стали был ниже критической точки, то говорят о закалке с недогревом. Этот дефект исправи­мый, для чего сталь подвергают отжигу, а затем прово­дят закалку в соответствии с технологическими рекомен­дациями.

Перегрев имеет место тогда, когда сталь нагревают до температуры значительно превышающей критическую. Перегрев стали перед закалкой ведет к крупнозернистому, резко – игольчатому хрупкому мартенситу. Пе­регрев также можно исправить отжигом с последующей закалкой.

При пережоге стали, кислородпроникаетна границы зерен, хрупкость становится еще большей.  Сожженная сталь окончательно испорчена, и вторичной термической обработкой ее исправить нельзя.

Обезуглероживание и окисление поверхности проис­ходит при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемых атмосфер. Чтобы избежать этих де­фектов, надо нагрев вести в специальных печах с защит­ной (инертной и контролируемой) атмосферой.

Закалка стали сопровождается увеличением внутренних напряжений                     (вследствие искажения кристаллической решетки), которые являются причиной образования трещин и коробления. Трещины являются неисправимым дефек­том, а коробления можно устранить последующей рих­товкой или правкой. По указанным выше причинам, за­каленные изделия и инструмент подвергают отпуску.

Отпуском называют нагрев закаленной стали до температуры ни­же точки А_с1 с выдержкой при данной температуре и по­следующим охлаждением на воздухе). Цель отпуска — уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости и увеличения пластичности и ударной вязкости. Основное пре­вращение при отпуске – распад мартенсита, т. е. выде­ление углерода из пересыщенного твердого раствора в виде мельчайших кристалликов карбида железа – вторичного цементита.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.

Низкий отпуск производится при 120... 150 °С (отпуск на отпущенный мартенсит). Его применяют пос­ле закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий, а также после поверхностной закалки. При низком отпуске выделяются карбиды железа из участков мартенсита, которые снижают концентрацию углерода и тем самым закалочные напряжения, при этом твердость стали не уменьшается.  

Средний отпуск (отпуск на троостит) происхо­дит при нагреве до температур 350... 450° С после закалки. При этом снижается твердость. Средний отпуск рекомендуется для пружин и рессор.

Высокий отпуск ' (отпуск на сорбит) производит­ся при температуре                 500... 650° С. Применяют в машино­строении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, одновременно вязкости и пластич­ности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением . Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0, 35... 0, 6 %С).