4 вида термической обработки стали

Термическая обработка стали — это процесс, включающий нагрев, выдержку и охлаждение стали в твёрдом состоянии для изменения её внутренней микроструктуры и достижения желаемых свойств. Термическая обработка позволяет устранить дефекты в заготовках, таких как отливки и поковки, улучшить технологические свойства стали, такие как обрабатываемость, формуемость и механические свойства. Раскрывая потенциал стали, термическая обработка способствует снижению производственных затрат, повышению эксплуатационных характеристик деталей и продлению срока службы изделий.

I. Закалка

Закалка стали — это процесс термической обработки, при котором сталь нагревают до температуры выше критической температуры Ac3 для доэвтектоидной стали или Ac1 для гиперэвтектоидной стали, выдерживают в течение определенного времени для достижения полной или частичной аустенитизации, а затем быстро охлаждают со скоростью, превышающей критическую скорость охлаждения, до температуры ниже Ms или изотермически выдерживают вблизи Ms для ускорения мартенситного превращения.

Термин «закалка» также широко используется для обозначения обработки на твердый раствор или любой термической обработки, включающей быстрое охлаждение других материалов, таких как алюминиевые сплавы, медные сплавы и титановые сплавы.

Цель тушения

• Улучшить механические свойства металлических полуфабрикатов и деталей. Например, для повышения твёрдости и износостойкости инструментов и подшипников, повышения предела упругости пружин и улучшения общих механических свойств деталей валов.
• Улучшить свойства материала или химические свойства некоторых специальных сталей. Например, повысить коррозионная стойкость нержавеющей стали или усиление постоянного намагничивания магнитной стали.

При закалке, помимо выбора подходящей закалочной среды, необходимо использовать правильный метод закалки. К распространённым методам закалки относятся: закалка в одной ванне, закалка в двух ванне, закалка под давлением, аустэмперинг и локальная закалка.

Характеристики стали после закалки

• Образование нестабильных или неравновесных микроструктур, таких как мартенсит, бейнит и остаточный аустенит.
• Наличие высоких внутренних напряжений или остаточных напряжений.
• Полученные механические свойства, как правило, недостаточны для использования. Поэтому стальные заготовки, как правило, требуют последующего отпуска после закалки.

II. Закалка

Отпуск — это процесс термической обработки, включающий нагрев закаленного металлического изделия или детали до определённой температуры, выдержку при ней в течение определённого времени и последующее охлаждение с контролируемой скоростью. Отпуск производится сразу после закалки и обычно является заключительным этапом термической обработки. Совмещённый процесс закалки и отпуска часто называют окончательной обработкой или процессом закалки с отпуском.

Цели закалки

• Снижают внутренние напряжения и уменьшают хрупкость. Закалённые детали обладают высокой напряжённостью и хрупкостью, и без своевременного отпуска склонны к деформации и даже растрескиванию.
• Регулировка механических свойств заготовки. После закалки деталь приобретает высокую твёрдость и хрупкость. Отпуск используется для регулирования сочетания твёрдости, прочности, пластичности и вязкости в соответствии с разнообразными эксплуатационными требованиями к различным деталям.
• Стабилизация размеров заготовки. Отпуск способствует стабилизации микроструктуры, гарантируя отсутствие дальнейших изменений размеров при последующей эксплуатации.
• Улучшить обрабатываемость некоторых легированных сталей.
• Повышает микроструктурную стабильность, предотвращая микроструктурные изменения в течение срока службы заготовки и, таким образом, сохраняя стабильную геометрию и производительность.
• Устраняют внутренние напряжения, что повышает эксплуатационные характеристики и стабилизирует геометрию детали.
• Отрегулируйте механические свойства стали в соответствии с требованиями эксплуатации.

Эти эффекты возникают вследствие того, что при повышенных температурах увеличивается подвижность атомов, что позволяет атомам железа, углерода и других легирующих элементов диффундировать быстрее. Это облегчает перегруппировку и рекомбинацию атомов, постепенно преобразуя нестабильную, неравновесную микроструктуру в стабильную, равновесную. Устранение внутренних напряжений также связано со снижением прочности металла при повышенных температурах.

Как правило, отпуск стали приводит к снижению твёрдости и прочности и повышению пластичности. Чем выше температура отпуска, тем сильнее изменяются эти механические свойства. Однако некоторые высоколегированные стали при отпуске в определённом диапазоне температур выделяют мелкодисперсные металлические соединения, что приводит к повышению прочности и твёрдости. Это явление известно как вторичная закалка.

Требования к отпуску: Детали с различным назначением должны быть подвергнуты отпуску при разных температурах, чтобы удовлетворить требованиям к их эксплуатации.

• Низкотемпературный отпуск (150–250 °C): применяется для инструментов, подшипников, цементированных и закаленных деталей, а также деталей с поверхностной закалкой. Низкотемпературный отпуск приводит к незначительному изменению твёрдости, снижению внутренних напряжений и небольшому повышению вязкости.
• Среднетемпературный отпуск (350–500 °C): применяется для пружин с целью придания им высокой эластичности и необходимой прочности.
• Высокий отпуск (500-600 °C): применяется к деталям из среднеуглеродистой конструкционной стали для достижения благоприятного сочетания прочности и вязкости.

При отпуске стали при температуре около 300 °C её хрупкость часто увеличивается. Это явление известно как отпускная хрупкость I типа. Отпуска в этом диапазоне температур, как правило, следует избегать. Некоторые среднеуглеродистые конструкционные стали также склонны к хрупкости при медленном охлаждении до комнатной температуры после высокотемпературного отпуска. Это явление называется отпускной хрупкостью I типа.

Добавление молибдена в сталь или быстрое охлаждение в масле или воде во время отпуска может предотвратить отпускную хрупкость II типа. Повторный нагрев стали, склонной к отпускной хрупкости II типа, до исходной высокой температуры отпуска может устранить эту хрупкость.

В производстве отпуск часто классифицируют по температуре нагрева, в зависимости от требуемых свойств:

• Низкотемпературный отпуск (150–250 °C): Микроструктура представляет собой отпущенный мартенсит. Снижает внутренние напряжения и хрупкость, повышает пластичность и вязкость, сохраняет высокую твёрдость и износостойкость. Используется для изготовления калибров, режущих инструментов и подшипников качения.
• Средний отпуск (350–500 °C): микроструктура – ​​троостит. Обладает высокой упругостью при определённой пластичности и твёрдости. Используется для изготовления пружин и штампов.
• Высокотемпературный отпуск (500–650 °C): микроструктура – ​​сорбит. Обеспечивает превосходные механические свойства. Используется для изготовления шестерён и коленчатых валов.

Сочетание закалки с последующим высокотемпературным отпуском называется закалкой и отпуском, что обеспечивает высокую прочность в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью.

III. Нормализация

Нормализация — это термическая обработка, предназначенная для повышения вязкости стали. Она включает нагрев стальной детали до температуры на 30–50 °C выше температуры Ac3, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение на воздухе вне печи. Главной особенностью является более высокая скорость охлаждения по сравнению с отжигом, но более медленная, чем закалка. При нормализации это несколько более быстрое охлаждение используется для измельчения зернистой структуры стали. Это не только обеспечивает удовлетворительную прочность, но и значительно повышает вязкость (измеряемую значением AKV) и снижает склонность детали к растрескиванию. Общие механические свойства некоторых видов горячекатаных листов, поковок и отливок из низколегированной стали могут быть значительно улучшены после нормализации, что также повышает их обрабатываемость.

Применение нормализации

Доэвтектоидная сталь: нормализация применяется для устранения крупнозернистой перегретой структуры и видманштеттовой структуры в отливках, поковках и сварных швах, а также для удаления полосчатости в прокате. Она измельчает зерно и может служить предварительной термической обработкой перед закалкой.

Заэвтектоидная сталь: нормализация позволяет устранить сетку или пленку на границах зерен вторичного цементита и измельчить перлит, что не только улучшает механические свойства, но и облегчает последующий сфероидизирующий отжиг.

Низкоуглеродистая сталь: нормализация приводит к образованию большего количества мелкопластинчатого перлита, повышая твёрдость до HB 140–190. Это предотвращает «прилипание» при резке и улучшает обрабатываемость. Для среднеуглеродистой стали нормализация часто более экономична и удобна, когда возможны как нормализация, так и отжиг.

Среднеуглеродистая конструкционная сталь: при невысоких требованиях к механическим свойствам нормализацию можно заменить закалкой и высокотемпературным отпуском. Это упрощает процесс и стабилизирует микроструктуру и размеры стали.

Высокотемпературная нормализация (на 150–200 °C выше температуры Ac3): Благодаря высокой скорости диффузии при повышенных температурах этот процесс может снизить ликвацию компонентов в отливках и поковках. Крупное зерно, полученное в результате высокотемпературной нормализации, может быть измельчено последующим вторым этапом нормализации при более низкой температуре.

Для некоторых низко- и среднеуглеродистых легированных сталей, используемых в паровых турбинах и котлах, часто применяется нормализация для получения бейнитной структуры с последующим высокотемпературным отпуском, обеспечивающим хорошее сопротивление ползучести при температурах от 400 до 550 °C.

Помимо стальных деталей и материалов нормализацию широко применяют при термической обработке высокопрочного (шарнирного) чугуна для получения перлитной матрицы, тем самым повышая его прочность.

Поскольку охлаждение на воздухе является характерной особенностью нормализации, температура окружающего воздуха, способ укладки, поток воздуха и размер заготовки влияют на получаемую микроструктуру и свойства. Микроструктура после нормализации также может быть использована в качестве метода классификации легированных сталей. Легированные стали обычно подразделяются на перлитные, бейнитные, мартенситные и аустенитные на основе микроструктуры, полученной при нагреве образца диаметром 25 мм до 900 °C и охлаждении на воздухе.

IV. Отжиг

Отжиг Отжиг — это процесс термической обработки металла, включающий медленный нагрев металла до определённой температуры, выдержку при ней в течение достаточного времени и последующее охлаждение с заданной скоростью. Отжиг подразделяется на полный отжиг, неполный отжиг и отжиг для снятия напряжений. Механические свойства отожжённых материалов можно проверить с помощью испытаний на растяжение или испытаний на твёрдость. Многие стали поставляются в отожжённом состоянии. Для испытания твёрдости стали можно использовать твёрдомер Роквелла, а для более тонких листов, полос и тонкостенных труб — поверхностный твёрдомер Роквелла.

Цели отжига

• Улучшить или устранить различные микроструктурные дефекты и остаточные напряжения, возникающие при литье, ковке, прокатке и сварке, тем самым предотвращая деформацию и растрескивание заготовок.
• Размягчите заготовку для облегчения обработка.
• Измельчают зернистую структуру и улучшают микроструктуру для повышения механических свойств заготовки.
• Подготовка микроструктуры для окончательной термической обработки.

Распространенные процессы отжига

Полный отжиг или гомогенизирующий отжиг: применяется для измельчения грубой, перегретой микроструктуры с низкими механическими свойствами, образующейся при литье, ковке и сварке средне- и низкоуглеродистых сталей. Заготовку нагревают на 30–50 °C выше температуры, при которой весь феррит превращается в аустенит, выдерживают в течение некоторого времени, а затем медленно охлаждают в печи. В процессе охлаждения аустенит снова преобразуется, что приводит к измельчению микроструктуры стали.

Сфероидизирующий отжиг: применяется для снижения высокой твёрдости инструментальной и подшипниковой стали после ковки. Заготовку нагревают на 20–40 °C выше температуры начала образования аустенита, выдерживают при этой температуре, а затем медленно охлаждают. В процессе охлаждения пластинчатый цементит в перлите преобразуется в глобулярные или сферические частицы, что снижает твёрдость.

Изотермический отжиг: применяется для снижения высокой твёрдости некоторых конструкционных сталей с высоким содержанием никеля и хрома, предназначенных для механической обработки. Детали обычно охлаждают относительно быстро до температуры, при которой аустенит наиболее нестабилен, выдерживают в течение определённого времени, после чего аустенит превращается в троостит или сорбит, что снижает твёрдость.

Рекристаллизационный отжиг: применяется для устранения эффекта наклепа (повышенной твёрдости, сниженной пластичности) металлической проволоки и листов, возникающего при холодном волочении и прокатке. Температура нагрева обычно на 50–150 °C ниже температуры начала образования аустенита в стали. Этот диапазон необходим для устранения эффекта наклепа и размягчения металла.

Графитизирующий отжиг: используется для превращения чугуна с высоким содержанием цементита в ковкий или пластичный чугун с высокой пластичностью. Процесс включает нагрев отливки до температуры около 950°C, выдержку при этой температуре в течение определённого времени и последующее охлаждение до необходимого уровня, что приводит к разложению цементита и образованию хлопьевидного графита.

Диффузионный отжиг или гомогенизация: используется для гомогенизации химического состава отливок из сплавов и повышения их эксплуатационных характеристик. Метод включает нагрев отливки до максимально возможной температуры, не допускающей плавления, и длительную выдержку при этой температуре. Это позволяет различным элементам сплава равномерно распределиться перед медленным охлаждением отливки.

Отжиг для снятия напряжений: применяется для снятия внутренних напряжений в стальных отливках и сварных деталях. Для стальных изделий нагрев на 100–200 °C ниже температуры начала образования аустенита, выдержка при этом и последующее охлаждение на воздухе позволяют снять внутренние напряжения.