5.6. Основные виды термической обработки стали

Г орячекатаные полуфабрикаты, поковки, штамповые заготовки и стальные отливки отжигают или нормализуют; легированные стали после нормализации подвергают высокотемпературному отпуску.

Отжиг и нормализация могут быть промежуточными видами термической обработки, если детали или инструменты после обработки резанием термически упрочняются, а в некоторых случаях эти виды обработки определяют и эксплуатационные свойства металла, если к специальному термическому упрочнению не прибегают.

Термическое упрочнение состоит из закалки и последующего отпуска.

Отжиг сталей.

Существует несколько разновидностей отжига, из них для конструкционных сталей наибольшее применение находит перекристаллизационный отжиг, а для инструментальных сталей сфероидизирующий отжиг.

Перекристаллизационный отжиг конструкционных сталей. Конструкционные стали чаще всего содержат углерод в количестве до 0,7 %, т. е. являются доэвтектоидными сталями.

Перекристаллизационный отжиг проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры. Одновременно при отжиге полностью снимаются остаточные напряжения.

Полуфабрикаты из конструкционных сталей после литья или горячего деформирования из-за ускоренного охлаждения с высоких температур могут иметь повышенную твердость, что затруднит их обработку резанием и приведет к понижению пластичности. Кроме того, отливки и горячедеформированная сталь часто приобретают структурные дефекты, ухудшающие свойства.

Характерный структурный дефект стальных отливок - крупнозернистость.

При ускоренном охлаждении крупнозернистого аустенита создаются условия для образования видманштеттовой структуры. При ее образовании

Рис. 5.20. Микроструктура отливки из конструкционнной углеродистой стали (а), х 200 и вид - манштеттовая структура горячедеформированной углеродистой стали (б), х 250

выполняется принцип размерного и структурного соответствия, в результате чего кристаллы доэвтектоидного феррита ориентированно прорастают относительно кристаллической решетки аустенита и имеют форму пластин.

Типичная структура литой стали и видманштеттовая структура горячедеформированной стали показаны на рис. 5.20.

Размер зерна аустенита, образующегося после обработки давлением, как показывает опыт, определяется температурой окончания обработки: если температура окончания обработки давлением намного превышает то образуется крупнозернистый аустенит и после охлаждения-грубая структура продуктов распада. Если температура конца обработки давлением лежит в межкристаллическом интервале температур, между А, и возникает другой структурный дефект - строчечность в расположении структурных составляющих — феррита и перлита, что обусловливает значительную анизотропию свойств.

Строчечная структура стали значительно чаще возникает из-за загрязнения стали неметаллическими включениями, обычно сульфидами, а также в результате ликвации фосфора.

При обработке давлением включения вытягиваются. Феррит, зарождаясь на вытянутых включениях, образует вытянутые скопления. Строчечность структуры, вызванная неметаллическими включениями, не исправляется отжигом.

Горячекатаная сталь со строчечной структурой (рис. 5.21) имеет худшие механические свойства (прочность, пластичность и вязкость) в поперечном и высотном направлениях по сравнению с основным направлением деформации.

Для полной перекристаллизации структуры конструкционные стали нагревают до температуры, превышающей температуру на 30 — 50 °С. При более высоком нагреве произойдет укрупнение аустенитных зерен. После сквозного прогрева изделия следует медленно охлаждать, чтобы обеспечить в результате распада аустенита равновесную ферритно-перлитную структуру и, соответственно, низкую твердость и высокую пластичность.

Скорость охлаждения при отжиге выбирают в зависимости от степени

Рис. 5.21. Строчечная структура конструкционной углеродистой стали (сернистые включения — центры кристаллизации доэвтектоидного феррита), х 250

легированности стали. Углеродистые стали получаются достаточно мягкими при скорости охлаждения 100-200 °С/ч. Легированные стали с более высокой устойчивостью переохлажденного аустенита нужно охлаждать медленнее, со скоростью Высоколегированные стали экономичнее подвергать изотермическому отжигу, т. е. дать выдержку при температуре немного меньшей чтобы получить продукты распада аустенита с низкой твердостью.

Охлаждение при отжиге чаше всего проводят вместе с печью.

Сфероидизирующий отжиг инструментальных сталей (сфероидизация). Инструментальные стали для режущего, измерительного инструмента и для инструмента, деформирующего металл в холодном состоянии, содержат углерод в количестве от 0,7 до 2 %. Высокое содержание углерода обусловливает высокую твердость инструментальных сталей, что затрудняет их обработку резанием. Для снижения твердости такие стали отжигают. Для заэвтектоидных сталей сфероидизирующий отжиг, кроме того, подготовляет структуру к закалке.

Наименьшую твердость имеют стали со структурой зернистого перлита, когда цементит перлита имеет округлую форму. Отсюда и название отжига - «сфероидизация».

Зернистый перлит (рис. 5.22) в инструментальных сталях обычно получают путем нагрева сталей до температуры немного выше, чем и последующего медленного охлаждения или изотермической выдержки при субкритической температуре 650-680 °С. При нагреве до температуры, лишь немного превышающей критическую, даже в доэвтектоидных сталях сохраняются нераспавшиеся мелкие карбидные частицы, которые при охлаждении или изотермической выдержке выполняют роль центров кристаллизации сфероидального цементита.

Рис. 5.22. Микроструктура эвтектоидной углеродистой стали после сфероидизирующего отжига. Зернистый перлит,

В заэвтектоидных сталях требуется сфероидизировать не только эвтектоидный цементит, но и цементит вторичный (избыточный), который при нарушениях режима обработки давлением выделяется в виде сплошных оболочек аустенитных зерен (на шлифе-сетка). Этот заэвтектоидный цементит сфероидизируется труднее, чем цементит перлита, поэтому заэвтектоидные стали предварительно нагревают выше температуры для распада цементита и охлаждают на воздухе. Такая обработка вызывает измельчение цементита и разрыв сетки цементита на границах зерен, что облегчает сфероидизацию при вторичном нагреве.

Низко-, средне- и высоколегированные инструментальные стали сфероидизируют аналогичным образом, однако чаще вместо непрерывного охлаждения от температуры нагрева используют субкритические изотермические выдержки.