Технологія термічної обробки сталей
Термічною називають обробку, пов'язану з нагріванням та охолодженням металу з метою зміни його структури та властивостей. Ця дія може поєднуватися з хімічним, деформаційним, магнітним та іншими видами впливу. Термообробка одна із найважливіших ланок технологічного процесу виробництва напівфабрикатів, деталей машин; застосовується як проміжна стадія для покращення технологічних властивостей (оброблюваності тиском, різанням тощо) і як остаточна операція для надання металу (сплаву) комплексу механічних, фізичних, хімічних властивостей, що забезпечує необхідні експлуатаційні характеристики виробу. Чим відповідальніша конструкція, тим, як правило, більше в ній термічно оброблених деталей.
Температурні режими термообробки сталей пов'язані з діаграмою Fе-Fе3С. Рівноважні температури, що відповідають положенню ліній РSК, GS та SЕ діаграми, позначають А1 А3 та Аm відповідно. При нагріванні нерівноважні температури перетворень позначають: перліту аустеніт-Аc1 (лінія РSК) перетворень, пов'язаних з отриманням однофазної аустенітної структури, -Аc3 (для доевтектоїдних сталей) (лінія GS), Аcm - (для заевтектоїдних сталей. При звичайних швидкостях нагріву нерівноважні температури на 30...50 °С вище відповідних рівноважних.
Залежно від схильності аустенітного зерна при нагріванні до зростання розрізняють спадково крупнозернисті (зерно схильне до зростання) та спадково дрібнозернисті (зерно не схильне до зростання) сталі. Властивості сталі, що виникли в результаті тієї чи іншої обробки, визначаються зерном, що реально утворилося - дійсним зерном. Спадкова зернистість повинна враховуватися при призначенні режимів обробки, що впливає на розмір одержуваного дійсного зерна, наприклад, при загартуванні,відпал.
Серед видів термічної обробки сталей виділяють відпал (першого та другого роду), нормалізацію, загартування, відпустку.
Відпал полягає в нагріванні металу, витримці та подальшому повільному охолодженні (разом з піччю). Відпал наближає метал до рівноваги.
Відпал першого роду проводять для отримання більш рівноважної, ніж вихідна структури, не пов'язуючи цю мету з наявністю або відсутністю фазової перекристалізації. Прикладами відпалу першого роду є рекристалізаційний відпал, дифузійний відпал.
При рекристалізації відпалу деформаційно зміцнений метал нагрівають трохи вище температурного порога рекристалізації. В результаті відпалу матеріал набуває таких же механічних властивостей, які він мав до деформації.
Дифузійний (гомогенізуючий) відпал проводять при нагріванні до високих температур (стосовно сталей - значно вище Аc3 або Аcm), що передбачають інтенсивну дифузію атомів. Такого відпалу піддають, наприклад, виливки для усунення дендритної ліквації (гомогенізації сплаву).
При отжиге другого роду обов'язково протікає, хоча б часткова, фазова перекристалізація. До відпалу другого роду належать неповний відпал, повний відпал.
При неповному відпалюванні нагрівання ведуть до температури Аc1 (нижче Аc3 або Аcm). Відбувається часткова перекристалізація металу (змінюється перлітна складова). Найчастіше неповний відпал застосовують для заевтектоїдних сталей (сфероідизуючий відпал).
При повному відпалюванні сталь нагрівають до Аc3 або Аcm. Відбувається повна перекристалізація металу.
Гартування полягає в нагріванні сплавів вище температур фазових перетворень, витримці при високій температурі і подальшому швидкому охолодженні, що фіксує їх високотемпературний стан (справжнє загартування)або стан, проміжний між високотемпературним і рівноважним, характерним для нормальної температури.
Теоретична можливість здійснення гарту визначається видом діаграми стану системи, якій належить сплав. Необхідно, щоб під час нагрівання він відчував, хоча б часткову, твердофазову перекристалізацію. При загартованих швидкостях охолодження дифузійні процеси в металі значною мірою пригнічені, і, отже, фазові перетворення не можуть не відрізнятися від рівноважних. (Відставання дифузійних процесів у твердій фазі при нерівноважному охолодженні навіть при кристалізації з рідкого розплаву призводить до різнорідності складу кристалів у центрі та на периферії).
Стосовно сталей нагрівання при загартуванні зазвичай ведуть до температури Ас3 (доевтектоїдні сталі) і Ас1 (заевтектоїдні сталі). Якщо нагрівання ведеться до температур Аc3 або Аcm, то таке загартування називається повним, якщо до Аc1 – неповним.
Якщо при повному загартуванні (повному відпалу) охолодження нагрітої заготовки ведуть на спокійному повітрі, то така термічна обробка називається нормалізацією.
Мартенсит - найтвердіша структура, що утворюється при термообробці сталей. Чим більше в ньому вуглецю, тим він твердіший.
Мартенсит – термодинамічно нестійка структура. Нагрівання, підвищуючи рухливість атомів, призводить до утворення більш стійких структур (троостит, сорбіт, перліт). З підвищенням температури знижується твердість та зростає пластичність сплаву.
Термічна обробка, що полягає в нагріванні загартованої сталі до температури нижче А1, витримці та подальшому охолодженні з довільною швидкістю, називається відпуском. Чим вище нагрівання, тим більшою мірою структура наближається до рівноважної. Розрізняють три види відпустки: низька (t =150 . 250 ° С), середній (t = 350 ... 500 ° С) і високий (t = 500 ... 680 ° С).
Поєднання гарту та високої відпустки називаютьпокращенням, а сталі, призначені для такої обробки (середньовуглецеві сталі) - поліпшуються.
У деяких випадках нагрівання при відпустці замінюють тривалою витримкою за нормальної температури. Така обробка називається старінням. Якщо старіння проводять з невеликим нагріванням, його називають штучним.
Зазвичай при середній відпустці утворюється трооститна структура, при високій - сорбітна. Від однойменних структур загартування троостить і сорбіт відпустки відрізняється тим, що цементитні частки в них має зернисту форму (у структурах загартування - пластинчасту).