Основи термічної і хіміко-термічної обробки сталі
Майстри ще задовго до нашого часу застосовували найрізноманітніші методи гартування: занурювали нагріту металеву смужку у вино, олію, в просту чи підсолену воду.
Згадується і такий спосіб: коваль нагрівав булатний кинджал, а потім сідав на коня і швидко мчався, охолоджуючи виріб у повітрі.
У першій половині XIX ст. твердий і крихкий чавун клали в кригу посудину, пересипали його шарами цукру. Після цього нагрівали посудину протягом 20 год і чавун перетворювався на м'яке і ковке залізо.
Колишні рецепти доповнюються новими, удосконаленими на основі наукових досліджень термічної обробки. Наприклад, бельгійські спеціалісти запропонували гартувати заготовки інструментів вакуумом.
Термічною обробкою називають сукупність операцій нагрівання, витримування і наступного охолодження заготовок або готових виробів за певними режимами для зміни їхньої структури і надання їм потрібних механічних, фізичних або хімічних властивостей. Основою термічної обробки сталей є структурні перетворення при нагріванні й охолодженні.
Щоб правильно зрозуміти всі видозміни термічної обробки, потрібно добре уявляти собі, які процеси відбуваються в сталі при нагріванні й охолодженні.
Призначення ί види термічної обробки сталі
Термічна обробка сталі (ТО) е дуже важливою заключною операцією при виготовленні деталей та інструментів. Вона надає їм потрібних механічних властивостей і забезпечує нормальну роботу.
Основними чинниками, які впливають на результати термічної обробки, є швидкість і температура нагрівання, час витримування в нагрітому стані і швидкість охолодження.
Залежно від температури нагрівання і швидкості охолодження розрізняють такі основні види термічної обробки: відпалювання, нормалізація, гартування і відпускання.
Відпалювання сталі. Для зниження твердості і підвищення в'язкості сталі, досягнення хімічної і структурної однорідності, зняття внутрішніх напружень проводять відпалювання.
Процес відпалювання складається з нагрівання сталі вище від критичних точок (за винятком рекристалізаційного відпалювання, рис. 2.38) і відповідно витримування за температури нагрівання з наступним повільним (переважно разом із піччю) охолодженням.
Залежно від призначення розрізняють такі види відпалювання: дифузійне, повне, неповне, ізотермічне, відпалювання на зернистий перліт, рекристалізаційне (див. рис. 2.38).
Дифузійне відпалювання (гомогенізацію) застосовують для великих сталевих виливків з метою зменшення хімічної неоднорідності (ліквації). їх нагрівають до температури 1050... 1150 °С, витримують протягом 10... 15 год і потім повільно охолоджують.
Повне відпалювання застосовують для утворення дрібнозернистої структури сталевих виробів, виготовлених гарячим штампуванням, куванням і виливанням.
Після повного відпалювання сталь буде пластичною, м'якою, без внутрішніх напружень; структура її стає однорідною і складається з фериту і перліту; сталь стає дрібнозернистою.
Повним відпалюванням сталь підготовляють для обробки різанням і до наступного гартування. Так обробляють переважно доевтектоїдні сталі.
Для повного відпалювання сталь нагрівають до температури на 30...50 °С вище від критичної точки Ас3 (див. рис. 2.38) з наступним повільним охолодженням. Охолодження до температури 500...550 °С відбувається зі швидкістю: для вуглецевих сталей 150…200 °С, для легованих — 50...75 °С за годину.
Неповне відпалювання застосовують для доевтектоїдних і заевтектощних сталей з метою зниження твердості, зняття внутрішніх напружень і одержання однорідної структури. Неповного відпалювання зазнають поковки і штамповки, оброблені за температур, що не спричинюють значного росту зерен.
Сталь нагрівають за температури, вищої від точки Ас1 (740...750 °С), витримують за цієї температури і повільно охолоджують.
Ізотермічне відпалювання застосовують для виробів із легованих сталей при нагріванні їх на 20...ЗО °С вище від точки Ас3з
Втримування і швидкого охолодження до температури 630...700 °С. За цієї температури сталь витримують до повного розпаду аустеніту, потім охолоджують на повітрі. Після ізотермічного відпалювання сталі мають такі самі механічні властивості, як і після повного відпалювання.
Перевагою ізотермічного відпалювання легованих сталей е значне скорочення часу на цей процес.
Відпалювання На Зернистий перліт застосовують для обробки евтектоїдних і заевтектоїдних вуглецевих і легованих інструментальних сталей перед обробкою різанням. Сталь нагрівають на 25...30 °С вище від критичної точки АсІ5 витримують за цієї температури. До температури 600 °С охолоджують дуже повільно (25...30 °С за годину) разом з піччю, а потім охолоджують на повітрі.
У результаті такого відпалювання карбіди набирають зернистої (заокругленої) форми, а твердість знижується.
Рекристалізаційне відпалювання (низьке відпалювання) застосовують для зняття наклепу і внутрішніх напружень у виробах, виготовлених методом холодного прокатування, холодного штампування, волочіння і калібрування (листів, прутків, трубок, дроту). При цьому сталь нагрівають до температури рекристалізації на 50... 100 °С нижче від точки Ас\ (630...680 °С), витримують за цієї температури з наступним повільним охолодженням на повітрі.
Після рекристалізаційного відпалювання утворюється однорідна позирни ста структура з невеликою твердістю.
Нормалізація полягає в нагріванні сталі на 30...50 °С вище від точок Ас3 або Аст (див. ), витримуванні за цієї температури і наступному охолодженні на спокійному повітрі.
Процес нормалізації застосовують для утворення дрібнозернистої структури, підвищення міцності і в'язкості, а також для зменшення твердості перед обробкою різанням і вирівнювання структури перед наступною термообробкою.
Структура нормалізованої сталі може бути феритно-перлітною (низьковуглецеві сталі) і сорбітоподібною за наявності структурно-вільного фериту (середньовуглецеві і низьколеговані сталі). Твердість перліту залежить від того, має він тонку або грубу будову. При нормалізації, коли охолодження проходить швидше, перліт має тоншу будову, ніж при відпалюванні, і вищу твердість. Тому нормалізована сталь твердіша, ніж відпалена (150...300 НВ, залежить від хімічного складу сталі). Нормалізація гарячекатаної сталі (порівняно з відпалюванням) підвищує її опір крихкому руйнуванню і забезпечує високу продуктивність при обробці різанням і одержання меншої шорсткості обробленої поверхні.
Відпускання сталі застосовують з метою зменшення внутрішніх напружень і твердості, а також для підвищення ударної в'язкості загартованих виробів.
Залежно від температури нагрівання розрізняють три види відпускання: низьке, середнє і високе.
Низьке відпускання характеризується нагріванням в інтервалі температур 150...250 °С, витримуванням за цієї температури і наступним охолодженням на повітрі.
При цьому утворюється структура відпущеного мартенситу. Тому внутрішні напруження у виробі зменшуються, дещо підвищується в'язкість і зникає гартівна крихкість, а твердість практично не змінюється. Низьке відпускання застосовують для різальних, а також вимірювальних інструментів, які повинні бути твердими і не крихкими, мати високу зносостійкість, у тому числі для цементованих виробів.
Середнє відпускання проводять за температури 350...450 °С, витримують за цієї температури і далі охолоджують на повітрі. При такому відпусканні мартенсит перетворюється на троостит, твердість сталі зменшується приблизно до 400 НВ, а в'язкість значно підвищується.
Це відпускання застосовують (після гартування) для обробки пружин, ресор, штампів та інших виробів, які працюють при помірних ударних навантаженнях.
Високе відпускання здійснюють за температури 500...650 °С з наступним охолодженням на повітрі. При цьому сталь набуває структури сорбіту, а це забезпечує повне усунення внутрішніх напружень. Після високого відпускання сталь має досить велику міцність, пластичність і в'язкість при достатній її твердості. Високого відпускання зазнають конструкційні, вуглецеві і леговані сталі, з яких виготовляють вали, шестерні та ін.
Характерною особливістю феритно-цементитних структур відпускання (трооститу і сорбіту) є їхня зерниста будова на відміну від пластинчастої, яку вони мають при розпаданні аустеніту. Утворення зернистої будови зумовлює комплекс високих механічних властивостей у відпущеній сталі. Гартування з наступним високим відпусканням називають поліпшенням сталі.
Старіння буває природним і штучним. Природне старіння відбувається за температур повітря протягом тривалого часу (до двох років). Штучне старіння здійснюють за температури 150...200 °С у масляних ваннах протягом 8... 16 год із наступним повільним охолодженням разом із ванною. У процесі старіння закінчується перетворення залишкового аустеніту на мартенсит. При цьому внаслідок зміни структури відбуваються зміни механічних властивостей.
Обробку холодом застосовують для загартованих деталей (вимірювальних інструментів, підшипників та ін.), виготовлених із високовуглецевих і легованих сталей. Вона прискорює перетворення залишкового аустеніту на мартенсит, унаслідок чого деталі та інструменти мають більшу твердість. Під час обробки холодом розміри деталі не змінюються, що має істотне значення при виготовленні точних вимірювальних інструментів. Обробку холодом слід проводити відразу після гартування. Деталі, які підлягають обробці, охолоджують до температури близько мінус 80 °С і нижче. В промисловості застосовують охолодники — рідкий кисень (-183 °С), рідкий азот (-1)
