Мартенсит имеет характерное игольчатое строение

Рис. 1.41 Микроструктура мартенсита

а – после полной закалки; б- после неполной закалки

Чем мельче зерна аустенита, тем мельче получаются иглы мартенсита (рис. 1.41); Такая структура характерна для правильно закаленной стали. ,

При аустенитно-мартенситном превращении изменяется объем образующихся структур. Максимальный объем имеет структура мартенсита, меньший объем - структура троостита, ещё меньший - сорбита и перлита и самый минимальный объем имеет структура аустенита.

Бейнитное (промежуточное) превращение при изотермической выдержке углеродистых сталей происходит в интервале температур ~500—250°С с образованием структуры, называемой бейнитом. Это превращение характеризуется сочетанием как перлитного (диффузионного), так и мартенситного (бездиффузионного) превращения. Начинается бейнитное превращение с перераспределения углерода в аустените. Благодаря этому в аустените образуются обогащенные и обедненные углеродом участки. Цементит выделяется в участках, обогащенных углеродом, в результате чего образуются участки аустенита, обедненные углеродом. В этих участках, а также в уже имеющихся участках, обедненных углеродом, идет мартенситное превращение, а затем распад цементита, в результате чего образуется ферритоцементитная смесь.

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. 1.42: Интервалы температур нагрева стали при закалке

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.

Полный отжиг 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 и медленным охлаждением.

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

Неполный отжиг обеспечивается при нагреве изделий из заэвтек-тоидной стали выше температуры 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 заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30—50°С (конструкционные стали), 50-100°С (инструментальные стали). После выдержки сталь медленно охлаждают в расплавленной соли до температуры 680—700°С..

Рис. 1.43 Микроструктура мартенсита при увеличении 1000^х

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.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа, вызванного пластической деформацией металла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Наклепомназывают упрочнение металла, появляющееся в результате холодиной 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.

Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры на 30—50°С выше верхних критических точек, 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 не отжигу, а нормализации.

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. Это процесс термической обработки, при которой сталь нагревают до оптимальной температуры, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают с целью получения неравновесной структуры.

Рис. 1.44 График режима закалки

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.

Температуру нагрева для закалки определяют по положению критических точек Ac₁ и Ас_3. Доэвтектоидные углеродистые стали при закалке нагревают на 30—50°С выше верхней критической точки Ас₃. а заэвтектоидные — на 30—50°С выше точки Ac₁

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.

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

При нагреве в электрических печах в среде атмосферного воздуха, а также в печах с газовой средой сталь, взаимодействуя со средой, окисляется и на ее поверхности образуется окалина. Кроме того, происходит обезуглероживание - частичное выгорание углерода в поверхностных слоях стали, что снижает прочностные свойства материала после закалки. Наиболее благоприятен нагрев в печах с нейтральной или защитной атмосферой, обеспечивающей предохранение деталей от окисления.

Нагрев стали до требуемой температуры и выдерживание при этой температуре необходимо проводить как можно быстрее. Чем меньше. сталь будет находиться в условиях высоких температур, тем выше ее свойства после закалки. Однако время нагрева должно быть достаточным, чтобы сталь равномерно прогревалась по всему объему и получила аустенитную структуру. Поэтому наиболее эффективным по скорости нагрева и предупреждению окисления стали является нагрев в печах-ваннах, наполненных расплавленным металлом (свинец) или расплавленными солями: NaOH, ВаС1₂ или 50% КС1 + +50% NaC0₃. Нагрев в печах-ваннах с использованием расплавленного металла или солей происходит в 4- 5 раз быстрее, чем в печах с газовой средой.

В качестве закалочных сред используют воду, водные растворы солей, щелочей, масло и расплавленные соли, имеющие различную охлаждающую способность. Воду применяют в основном для охлаждения углеродистых сталей. В масле охлаждают легированные стали.

Ступенчатая закалказаключайся в том, что нагретые детали сначала охлаждаются до температуры выше мартенситой в горячем масле или расплавленной соли, а затем после короткой изотермической выдержки, необходимой для выравнивания температуры по всему сечению изделия, охлаждают на воздухе. Длительность изотермической выдержки по времени должна быть меньше времени устойчивости аустёнита при этой температуре. На второй стадии охлаждения сталь закаливается. При таком виде закалки уменьшаются термические напряжения, коробление и предотвращается образование трещин.

Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчтая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная. При такой выдержке происходит изотермический распад аустёнита с образованием бейнита. В качестве закалочной среды используют расплавленные соли или щелочи (20% NaOH и 80% КОН) с добавками 5—10% воды для увеличения скорости охлаждения. Изотермической закалке подвергают детали и инструмент из легированных сталей марок 6ХС, 9ХС, ХВГ и др.

Закалка с обработкой холодом заключается в продолжении охлаждения закаленной стали до температур ниже комнатной, но в интервале окончания мартенситного превращения, для дополнительного более полного превращения остаточного аустёнита в мартенсит и повышения твердости. Высокоуглеродистые и легированные стали после закалки при комнатной температуре содержат до 12% остаточного аустёнита, а быстрорежущие - более 35%. В результате обработки холодом повышается твердость и стабилизируются размеры деталей. Наиболее распространенной охлаждающей средой служит смесь ацетона и твердой углекислоты (-78°С).

Закаливаемость - это способность стали приобретать максимально высокую твердость после закалки. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Это объясняется тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов углерода, удерживаемых в атомной решетке железа при закалке, т. е. увеличивается степень пересыщения твердого раствора углерода в железе.

Прокаливаемость — это глубина, проникновения закаленной зоны, т. способность стали закаливаться на определенную глубину. За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будет примерно одинаковое количество мартенсита и троостита. Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров деталей и условий охлаждения. С увеличением содержания углерода до 0,8% прокаливаемость стали увеличивается. При дальнейшем увеличении уг­лерода прокаливаемость несколько снижается. Увеличению прокаливаемости также способствует укрупнение зерен аустенита при нагреве под закалку. Нерастворимые частицы, неоднородность аустенита и другие факторы. которые уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита, уменьшают прокаливаемость. Все легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают прокаливаемость. При комплексном легировании полезное влияние отдельных элементов на прокаливаемость взаимно усиливается.

Отпуск — процесс термической обработки, состоящий в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении (обычно на воздухе). Цель отпуска - получение более устойчивого структурного состояния, устранение или уменьшение напряжений, повышение вязкости и пластичности, а также понижение твердости и уменьшение хрупкости закаленной стали. Правильное выполнение отпуска в значительной степени определяет качество закаленной детали. Температура отпуска варьируется в широких пределах - от 150 до 700°С в зависимости от его цели. Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск характеризуется нагревом в интервале 150—250°С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей, после цементации и т. д.

Средний отпуск производится при температурах 300—500°С для получения структуры троостита отпуска. Твердость сталей заметно по­нижается, вязкость увеличивается. Этот отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при достаточной вязкости.

Высокий отпуск выполняется при температурах 500—650°С. В процессе высокого отпуска мартенсит распадается с образованием структуры сорбита отпуска. Эта структура обеспечивает лучшее сочетание прочности и пластичности стали. В сорбите отпуска цементит приобретает зернистую форму в отличие от сорбита, полученного после нормализации, в котором цементит имеет пластинчатое строение. Благодаря этому существенно повышается ударная вязкость при одинаковой или даже более высокой твёрдости, по сравнению с нормализованной сталью. Применяется этот вид отпуска для деталей из конструкционных сталей, работающих при ударных нагрузках.

Закалку стали с последующим высоким отпуском называют улучшением. Конструкционные стали 35, 45, 40Х в результате улучшения получают более высокие механические свойства.

Отпуск закаленных деталей проводят непосредственно после закалки, так как возникшие в них внутренние напряжения могут вызвать образование трещин.

Различают искусственное и естественное старение. Отпуск, выполняемый при невысоком нагреве, называют искусственным старением. Процесс искусственного старения состоит в том, что закаленные детали нагревают до 120—150°С и выдерживают при этой температуре в течение 18—35 ч. Искусственное старение осуществляют в масляных ваннах с автоматическим регулированием температуры. При старении закаленных деталей и инструмента стабилизируются размеры, а твердость и структура стали практически не изменяются.

Отпуск, если он происходит при комнатной температуре, называют естественным старением. При естественном старении детали и инструмент выдерживают при комнатной температуре три и более месяцев, так как процесс, вызывающий изменение размеров детали, протекает значительно медленнее, чем при искусственном старении.

Дефекты при отжиге и нормализации. В процессе отжига и нормализации могут возникнуть следующие дефекты: окисление, обезуглероживание, перегрев и пережог металла.

При нагреве стали выше определенных температур и длительных выдержках в ней происходит быстрый рост зерен, ведущий к возникновению крупнокристаллической структуры. Это явление называют перегревом. Перегрев ведет к понижению пластических свойств стали. В перегретой стали при закалке образуются трещины. Перегрев металла может быть исправлен последующей термической обработкой - отжигом или нормализацией.

Пережог получается в результате длительного пребывания металла в печи при высокой температуре, близкой к температуре плавления. Физическая сущность пережога состоит в том, что кислород из окружающей атмосферы при высокой температуре проникает в глубь на­греваемого металла и окисляет границы зерен. В результате окисления границ зерен механическая связь между зернами ослабевает, металл теряет пластичность и становится хрупким. Пережог является неисправимым браком.

Дефекты при закалке. В процессе нагрева под закалку и при закалке могут появляться следующие дефекты: трещины, деформация и коробление, обезуглероживание, мягкие пятна и низкая твердость.

Закалочные трещины - это неисправимый брак, образующийся в процессе термической обработки. Они являются следствием воз­никновения больших внутренних напряжений. В штампах крупных размеров закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому штампы целесообразно охлаждать до 150—200°С с быстрым последующим отпуском.

Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве) и большой скорости охлаждения в деталях, конструкция которых имеет резкие переходы поверхностей, грубые риски, оставшиеся после механической обработки, ост­рые углы, тонкие стенки и т д.

Закалочные трещины, обычно расположенные в углах деталей или инструмента, имеют дугообразный или извилистый вид.

Деформация и коробление деталей происходят в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений, обусловливающих возникновение внутренних напряжений в металле при нагреве и охлаждении.

При погружении деталей и инструмента в закалочную среду надо учитывать их форму и размеры. Детали, имеющие толстые и тонкие части, погружают в закалочную среду сначала толстой частью, длинные детали (штоки, протяжки, сверла, метчики и т. д.) опускают в строго вертикальном положении, а тонкие плоские (диски, отрезные фрезы, пластинки и др.) - ребром.

Окисление и обезуглероживание происходит в основном при нагреве под закалку от взаимодействия печных газов или расплавленных солей с поверхностными слоями детали. Этот дефект особенно опасен на режущем инструменте, так как он в несколько раз снижает его стойкость.

Окисление и обезуглероживание поверхности изделия предупреждается строгим соблюдением установленного режима термической обработки, а также нагревом в среде нейтральных газов (азоте, аргоне).

Мягкие пятна -это участки на поверхности детали или инструмента с пониженной твердостью. Такие дефекты образуются при закалке в процессе охлаждения в закалочной среде, когда на поверхности детали имелась окалина, следы загрязнений и участки с обезуглероженной поверхностью, а также в случае недостаточно быстрого движения детали в закалочлой среде и образования на поверхности детали паровой рубашки.

Перегрев деталей под закалку увеличивает зернистость металла и, следовательно, ухудшает его механические свойства. Металл приобретает повышенную хрупкость. Для повторной закалки деталей их следует подвергнуть отжигу для измельчения зерна.