Превращения в стали при нагреве.

Нагрев стали при термической обработке используют для получения аустенита. Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критической точки Ac₁ состоит из зерен перлита и феррита. В точ­ке Ac ₁ происходит превращение перлита в мелко­зернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ac₁ до Ас₃ избыточный феррит растворяет­ся в аустените и в точке Ас₃ (линия GS) превра­щения заканчиваются. Выше точки Ас₃ структу­ра стали состоит из аустенита.

Таким же образом происходят превращения при нагреве заэвтектоидной стали, но с той лишь разницей, что при дальнейшем повышении темпе­ратуры от точки Ac₁ до точки А _cm в аустените начинает растворяться избыточный цементит (вторичный). Выше точки А _cm (линия SE) струк­тура состоит только из аустенита. Вновь образовавшийся аустенит неоднороден даже в объеме одного зерна. В тех местах, где раньше были пла­стинки цементита, содержание углерода значи­тельно больше, чем в тех местах, где находились пластинки феррита.

Для выравнивания химического состава и по­лучения однородного аустенита доэвтектоидную сталь нагревают немного выше верхней критической точки Ас₃ и выдерживают некоторое время при этой температуре для завершения диффузнойных процессов.

По окончании процесса превращения перлита в аустенит образуется большое количество мел­ких аустенитных зерен. Эти зерна называют начальными зернами аустенита.

Дальнейший нагрев стали или увеличение вы­держки приводит к росту аустенитного зерна. Размер зерна, полученный в стали в результате той или иной термической обработки, называют действительным зерном. Величина та­кого зерна зависит не только от термической об­работки, но и от способа выплавки стали. Одна­ко склонность к росту аустенитных зерен с повы­шением температуры нагрева различная. Стали, раскисленные в процессе плавки кремнием и мар­ганцем, обладают большой склонностью к непре­рывному росту зерен аустенита при повышении температуры. Такие стали называют наследственно крупнозернистыми. К ним от­носят кипящие стали.

Стали, раскисляемые в процессе выплавки дополнительно алюминием и в особенности легированные титаном или ванадием, мало склонны к росту зерна аустенита при нагреве до 950 - 1000°С. Такие стали называют наследствен­но мелкозернистыми. К ним относят спо­койные стали.

Размер наследственного зерна не оказывает влияния на свойства стали. От размера действи­тельного зерна зависят механические свойства стали, главным образом ударная вязкость, она значительно понижается с увеличением размера зерна. Размер действительного зерна в стали за­висит от размера зерна аустенита. Как правило, чем крупнее зерна аустенита, тем крупнее дейст­вительные зерна.

Размер наследственного зерна оказывает влияние на технологические свойства стали. Ес­ли сталь наследственно мелкозернистая, то ее можно нагревать до более высокой температуры и выдерживать при ней более длительное время, не опасаясь чрезмерного роста зерна по сравнению с наследственно крупнозернистой сталью. Горячую обработку давлением — прокатку, ковку, объемную штамповку наследственно мелкозернистой стали — можно начинать и оканчи­вать при более высокой температуре, не опасаясь получения крупнозернистой структуры.

Для определения размера наследственного (аустенитного) зерна применяют различные методы. Например, для низкоуглеродистых цементуемых сталей применяют метод цементации, т.е. науглероживание поверхности стали. При нагре­ве стали до 930 ±10°C в углеродсодержащей смеси и выдержке при данной температуре в течение 8 ч поверхностный слой ее насыщается углеродом до заэвтектоидного состава. При охлаж­дении из аустенита выделяется избыточный це­ментит, который располагается по границам зе­рен аустенита в виде сетки. После полного ох­лаждения эта цементитная сетка окружает зерна перлита и показывает размер бывшего при на­греве аустенитного зерна. Подготовленную таким образом структуру стали рассматривают в мик­роскоп при 100^х увеличении, видимые под микро­скопом зерна сравнивают с эталонными, предус­мотренными стандартной шкалой размеров зерна (рис. 32). Зерна от № 1 до № 4 считают крупны­ми, а с № 5 — мелкими.

Рис. 32. Шкала для определения размера зерна: 1-10- номера зерен при 100^х увеличении

Превращения в стали при охлаждении. Аустенит является устойчивым только при температу­ре выше 727°С (точка Ar ₁). При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния (ниже точки, Аr₁), аустснит становится неустойчивым — начинается его превращение. Такое превращение может начаться только лишь при некотором переохлаждении аустенита. Для случая эвтектоидной углеродистой стали аустенит превратится в перлит, т. е. в механическую смесь феррита и цементита. При этом, с одной стороны, чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение и тем быстрее будет происходить превращение аустенита в перлит. С другой стороны, это превращение сопровождает­ся диффузионным перераспределением углерода и чем ниже температура переохлаждения, тем медленнее протекает процесс диффузии, что в свою очередь замедляет превращение аустенита в перлит. Такое противоположное действие обо­их названных факторов (переохлаждения и диф­фузии) приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигая при определенной величине переохлаждения максимума, а затем убывает.

Процесс превращения аустенита в перлит экспериментально проводят при постоянной тем­пературе, т. е. в изотермических условиях. Для этого образцы из стали нагревают до температу­ры, при которой ее структура состоит из одно­родного аустенита, а затем быстро переносят в термостаты с заданной температурой.

ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ

Отжиг. Это процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной тем­пературы, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение.

В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига (рис. 39): 1 — диффузионный; 2 -— пол­ный; 3 — изотермический; 4 — неполный; 5 — сфероидизирующий; 6 — рекристаллизационный.

Рис. 39. Режимы различных видов отжига

Диффузионный отжиг (гомогенизи­рующий) - применяют для уменьшения химиче­ской неоднородности стальных слитков и фасонных отливок. Слитки (отливки), особенно из легированной стали, имеют неоднородное строение. Неоднородность строения обусловлена карбид­ной и дендритной ликвациями, так как в местах образования карбидов или в средней части дендритов возникают скопления легирующих элемен­тов. Для выравнивания химического состава слиток или отливку нагревают до высокой темпе­ратуры, при которой атомы элементов приобрета­ют большую подвижность. Благодаря этому происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией химических элементов в места с меньшей концентрацией. В результате такой диф­фузии обеспечивается выравнивание химического состава слитка или отливки по объему.

Для обеспечения необходимой скорости диф­фузии атомов отжиг стали проводят при высокой температуре (1100—1200°С) с выдержкой 10— 20 ч (рис. 39, кривая 1).

Полный отжиг (рис. 39, кривая 2) при­меняют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Это достигается нагре­вом стали на 30 - 50°С выше верхней критиче­ской точки Ас₃ и медленным охлаждением.

При нагреве стали выше температуры Ас₃ пер­лит превращается в аустенит. Это происходит пу­тем образования в начальной стадии мельчайших зародышей кристалликов аустенита и постепен­ного их роста по мере повышения температуры. При небольшом превышении температуры Ас₃ (на 30 - 50°С) образовавшиеся кристаллики аус­тенита остаются еще мелкими. В дальнейшем, при охлаждении ниже температуры Ac₁, образу­ется однородная мелкозернистая структура ферритно-перлитного типа. При этом в пределах од­ного аустенитного зерна возникает несколько перлитных зерен, которые значительно мельче, чем аустенитное зерно, из которого они образова­лись.

Температуру нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, определяют по диаграм­ме состояния, а для легированных ста­лей - по положению их критической точки Ас₃, имеющейся в справочных таблицах.

Время выдержки при отжиге складывается из времени, необходимого для полного прогрева де­тали, и времени, нужного для окончания струк­турных превращений.

Неполный отжиг (рис. 39, кривая 4) обеспечивается при нагреве изделий из заэвтектоидной стали выше температуры Ас ₁ на 30 - 50°С, выдержке и последующем медленном охлажде­нии.

При неполном отжиге происходит снятие внутренних напряжений, снижение твердости, повы­шение пластичности, улучшение обрабатывае­мости резанием. Поскольку температура нагрева требуется меньшая, чем при полном отжиге, то на обработку тратится меньше времени и тепло­ты, что обеспечивает экономичность процесса.

Неполному отжигу подвергают высокоуглеро­дистые заэвтектоидные стали и стали инструмен­тальные, шарикоподшипниковые и др.

Изотермический отжиг (рис. 39. кривая 3) от­личается от других видов отжига тем, что распад аустенита на ферритно-цементитную-смесь происходит при постоянной температуре. При других видах отжига такой распад происходит в период охлаждения в условиях непрерывного снижения температуры. После того как уже произошел рас­пад аустенита, скорость охлаждения не имеет существенного значения, и поэтому охлаждение после изотермической выдержки можно прово­дить на воздухе.

Изотермический отжиг заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30 - 50°С вы­ше точки Ас₃ (конструкционные стали) и выше точки Ac₁ на 50 - 100°С (инструментальные ста­ли). После выдержки сталь медленно охлаждают в расплавленной соли до температуры несколько ниже точки Ar₁ (680—700°С). При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита в перлит, а затем охлаждают на спокойном воздухе. Изотермический отжиг сокращает продолжительность термической обработки неболь­ших по размерам изделий из легированных ста­лей в 2 - 3 раза по сравнению с полным отжи­гом. Для крупных изделий такого выигрыша по времени не получается, так как требуется боль­шое время для выравнивания температуры по объему изделия. Изотермический отжиг является лучшим способом снижения твердости и улучше­ния обрабатываемости резанием сложнолегированных сталей, например 18Х2НЧВА.

Сфероидизирующий отжиг (рис. 39, кривая 5) обеспечивает превращение пластинча­того перлита в зернистый, сфероидизированный. Это улучшает обрабатывамость сталей резанием.

Отжиг на зернистый перлит производят по режи­му: нагрев стали немного выше точки Ac₁ с по­следующим охлаждением сначала до 700°С. за­тем до 550—600°С и далее на воздухе. Сфероидизирующий отжиг применяют для сталей, содер­жащих более 0,65 % углерода, например шарико­подшипниковые стали типа ШХ15.

Рекристаллизационный отжиг (рис. 39, кривая 6) применяют для снятия накле­па, вызванного пластической деформацией ме­талла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Наклепом называют упрочне­ние металла, появляющееся в результате холод­ной пластической деформации металла.

При холодной прокатке, штамповке, волоче­нии зерна металла деформируются, дробятся. Это повышает твердость металла, снижает его пластичность и вызывает хрупкость. В этом и заключается сущность наклепа.

Рекристаллизационный отжиг выполняют пу­тем нагрева до температуры ниже Ас ₁ (650 - 700°С), выдержки и последующего замедленного охлаждения. При нагреве металла до 650 - 700°С (рекристаллизационный отжиг) возрастает диффузионная подвижность атомов и в твердом состоянии происходят вторичные кристаллиза­ционные процессы (рекристаллизация). На грани­цах деформированных зерен возникают новые центры кристаллизации, вокруг которых заново строится решетка. Вместо старых деформирован­ных зерен вырастают новые равноосные зерна и деформированная структура полностью исчезает. При этом восстанавливаются первоначальная структура и свойства металла.

Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры на 30—50°С выше верхних критических точек Ас₃ к А _см, затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией). При нормализации уменьшаются внутренние напряжения, происхо­дит перекристаллизация стали, измельчающая крупнозернистую структуру металла сварных швов, отливок или поковок.

Нормализация стали по сравнению с отжи­гом является более коротким процессом термиче­ской обработки, а следовательно, и более произ­водительным. Поэтому углеродистые и низколе­гированные стали подвергают, как правило, не отжигу, а нормализации.

С повышением содержания углерода в стали увеличивается различие в свойствах между отож­женной и нормализованной сталью. Для сталей, содержащих до 0,2 % углерода, предпочтительнее нормализация. Для сталей, содержащих 0,3 - 0,4 % углерода, при нормализации по сравнению с отжигом существенно увеличивается твердость, что необходимо учитывать. Поэтому нормализа­ция не всегда может заменить отжиг.

Сплавы после нормализации приобретают мелкозернистую структуру и несколько большую прочность и твердость, чем при отжиге. Норма­лизацию применяют для исправления крупнозер­нистой структуры, улучшения обрабатываемости стали резанием, улучшения структуры перед за­калкой. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет сетку вторичного цементита.

ЗАКАЛКА И ОТПУСК

Закалка. Это процесс термической обработ­ки, при которой сталь нагревают до оптималь­ной температуры, выдерживают при этой темпе­ратуре и затем быстро охлаждают с целью по­лучения неравновесной структуры. В результате закалки- повышается прочность и твердость и понижается пластичность конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Качество за­калки зависит от температуры и скорости на­грева, времени выдержки и охлаждения. Основ­ными параметрами закалки являются темпера­тура нагрева и скорость охлаждения.

Скорость нагрева и время вы­держки зависят от химического состава ста­ли, размеров, массы и конфигурации закаливае­мых деталей, типа нагревательных печей и на­гревательной среды. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей, тем медленнее происходит нагрев. Детали из вы­сокоуглеродистых и легированных сталей, име­ющих пониженную теплопроводность, нагревают медленно и с более длительной выдержкой при нагреве по сравнению с деталями из низкоугле­родистых сталей. Это делается для того, чтобы уменьшить деформацию деталей при нагреве.

Скорость нагрева и продолжительность вы­держки определяют экспериментально или по технологическим картам, в которых указывают температуру, время нагрева для каждого вида деталей или инструмента. Ориентировочно вре­мя нагрева в электрических печах принимают 1,5—2 мин на 1 мм сечения изделия.

Оборудованием для нагрева стали служат на­гревательные термические печи и печи-ванны, которые подразделяют на электрические и топ­ливные, обогреваемые за счет сгорания топлива (газа, мазута, угля и др.).

Средой, в которой нагревают сталь, являют­ся в печах - газовая среда (воздух, продукты сгорания топлива), нейтральный газ; в печах - ваннах - минеральные масла, расплавленные соли и металлы.

Закалочные среды (вода, масло) действуют следующим образом. На первом этапе, в момент погружения изделия в закалочную среду, вокруг изделия образуется пленка перегретого пара (паровая рубашка).Через слой паровой рубашки охлаждение изделия происходит относительно медленно. Это этап пленочного кипения. Затем паровая рубашка разрывается и охлаж­дающая жидкость начинает кипеть на поверхности изделия. Это этап пузырчатого кипения. На этом втором этапе охлаждение изделия происходит быстро. Когда температура поверхности изделия станет ниже температуры кипения жидкости, жидкость не кипит и охлаждение изделия замедлится. Это третий этап — этап конвективного теплообмена. Чем шире интервал этапа пузырчатого кипения, тем интенсивнее охлаждает сталь закалочная жидкость.