Понятие качества стали и методы его повышения. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества и качественные

Рекристаллизационный отжиг стали (рекристаллизация) - нагрев до температур 500 – 550o; отжиг для снятия внутренних напряжений – нагрев до температур 600 – 700o. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения металла отливок от неравномерного охлаждения их частей, также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) с использованием температур ниже критических. Вследствиии рекристаллизационного отжига из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, поэтому твердость стали снижается, а пластичность, ударная вязкость увеличиваются. Чтобы полностью снять внутренние напряжения стали нужна температура не менее 600o . Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: вследствии ускоренного охлаждения металла вновь возникают внутренние напряжения.

Диффузионный  отжиг стали (гомогенизация) применяется тогда, когда сталь имеет внутрикристаллическую ликвацию. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. По результатам отжига, сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией. Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, однако нельзя допускать пережога, оплавления зерен. Если допустить пережог, то кислород воздуха окисляет железо, проникая в толщу его, образуются кристаллиты, разобщенные окисными оболочками. Пережог устранить нельзя, поэтому пережженные заготовки являются окончательным браком. Диффузионный отжиг стали обычно приводит к слишком сильному укрупнению зерна, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).

Полный отжиг  стали связан с фазовой перекристаллизацией, измельчением зерна при температурах точек АС1 и АС2. Назначение его – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30-50 o выше температуры линии GSK и медленно охлаждают. Рис. 5. Крупнозернистая структура доэвтектоидной стали.

После отжига избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоидный цементит имеют форму пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатым.

При отжиге стали на пластинчатый перлит заготовки оставляют в  печи до охлаждения, чаще всего при  частичном подогреве печи топливом, чтобы скорость охлаждения была не больше 10-20o в час.

 Отжигом также достигается  измельчение зерна. Крупнозернистая  структура, например, доэвтектоидной стали (рис. 5), получается при затвердевании вследствие свободного роста зерен (если охлаждение отливок медленное), а также в результате перегрева стали. Эта структура называется видманштетовой (по имени австрийского астронома А. Видманштеттена, открывшего в 1808 г. такую структуру на метеорном железе). Такая структура придает низкую прочность заготовке.Структура характерна тем, что включения феррита (светлые участки) и перлита (темные участки) располагаются в виде вытянутых пластин под различными углами друг к другу. В заэвтектоидный сталях видманштетова структура характеризуется штрихообразным расположением избыточного цементита. (Рис. 6. Микроструктура зернистого перлита)

 Размельчение зерна  связано с перекристаллизацией  альфа-железа в гамма-железо; вследствии охлаждения и обратного переходе гамма-железа в aльфа-железо мелкозернистая структура сохраняется. Таким образом, одним из результатов отжига на пластинчатый перлит является мелкозернистая структура.

Неполный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки А С1; неполный отжиг применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура. Отжиг стали на зернистый перлит применяют обычно для эвтектоидных, заэвтектоидных сталей, для повышения пластичности, вязкости стали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита сталь нагревают выше точки АС1, затем выдерживают недолго, чтобы цементит растворился в аустените не полностью. Затем сталь охлаждают до температуры несколько ниже  Ar1, выдерживают при такой температуре несколько часов. При этом частицы оставшегося цементита служат зародышами кристаллизации для всего выделяющегося цементита, который нарастает округлыми (глобулярными) кристаллитами, рассеянными в феррите (рис. 6). Свойство зернистого перлита существенно отличаются от свойств пластинчатого в сторону меньшей твердости, но большей пластинчатости и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоидной стали, где весь цементит (как эвтектоидный, так избыточный) получается в виде глобулей. Рис. 7. Схема изотермического отжига и изотермической закалки.

Изотермический  отжиг - после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки А 1 (рис. 7), затем выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время, а также повышает производительность.

Закалка

Цель закалки стали – улучшение свойств стали. Процесс закалки необходим очень многим деталям, изделиям. Эта термообработка основана на перекристаллизации стали, нагретой до температуры выше критической; после достаточной выдержки - следует быстрое охлаждение. Таким путем предотвращают превращение аустенита до перлита.

Закаленная сталь имеет  неравновесную структуру мартенсита, троостита или сорбита. Чаще всего, при закалке, сталь резко охлаждают на мартенсит. Смягчают действие закалки процессом отпуска. Отпуск - нагрев стали до температуры ниже точки А1.(см. Физико-химические основы термообработки. При отпуске структура стали из мартенсита закалки переходит в мартенсит отпуска, тростит отпуска или сорбит отпуска.

Стали, подвергающиеся закалке, характеризуются закаливаемостью  и прокаливаемостью.

Закаливаемость  и прокаливаемость стали.

Закаливаемость - способность стали повышать твердость в результате закалки.

Прокаливаемость - способность стали образовывать закаленный слой со структурой мартенсита и высокой твердостью. Прокаливаемость образца характеризуется максимально получаемой твердостью по сечению изделия (образца). При неполной прокаливаемости ее конкретная величина определяет возможность получения при закалке материала с установленным значением твердости на определенной глубине. Полная прокаливаемость, то есть наличие мартенситной структуры по всему сечению изделия, называется сквозной.

Стали с малым содержанием  углерода закалить на мартенсит очень  трудно, так как начало и конец  процесса образования мартенсита происходит в области высоких температур, соответствующих образованию других, более устойчивых структур (троостит, сорбит). Прокаливаемость обыкновенной углеродистой стали распространяется на 5...7 мм.

 Микроструктура закаленной  стали зависит от ее химического  состава и условий закалки  (температуры нагрева и режима  охлаждения). Закалка стали с содержанием  углерода до 0,025...0,03% задерживает  выделение третичного цементита  по границам зерен и не меняет  структуру феррита. Такая закалка  повышает пластичность и почти  не изменяет прочностных характеристик.

Микроструктура стали  с 0,08...0,15% С (с нагревом выше верхних критических точек и охлаждением в воде) представляет собой низкоуглеродистый мартенсит с выделениями феррита. Дальнейшее увеличение содержания углерода (0,15...0,25%) при тех же условиях закалки приводит к повышению твердости с 110...130 НВ до 140...180 НВ, а предел текучести возрастает на 30...50%. Наиболее значительное изменение свойств происходит при содержании углерода более 0,30...0,35%.

Микроструктура доэвтектоидных сталей представляет собой мартенсит, кристаллы которого имеют характерную форму пластин (игл). При содержании углерода более 0,5...0,6% в микроструктуре сталей наблюдается незначительное (2...3%) количество аустенита.

Микроструктура заэвтектоидных сталей состоит из мартенсита, зерен вторичного цементита (не растворившегося при нагреве) и остаточного аустенита. Кристаллы (иглы) мартенсита очень небольших размеров. Повышение температуры закалки вызывает растворение вторичного цементита и способствует росту зерна.

 В тех случаях, когда  требуются высокая твердость  и повышенная износостойкость  поверхности при сохранении вязкой  и достаточно прочной сердцевины  изделия, применяется поверхностная  закалка, то есть закалка не  на полную глубину. Поверхностной  закалке подвергаются стали при  содержании углерода более 0,3%. Выбор оптимальной толщины упрочняемого  слоя определяется условиями  работы детали и составляет  от 1,5 до 15 мм (и выше). Площадь сечения  закаленного слоя не должна  превышать 20% площади всего сечения.  В практике наиболее часто  используют поверхностную закалку  с индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ).

 Охлаждение деталей. Процесс закалки заканчивается охлаждением деталей. Скорость охлаждения деталей должна быть такой, чтобы деталь получилась заданной структуры. обеспечивающая мартенситную структуру (с остаточным аустенитом, не без троостита), называется критической скоростью закалки.

 Так как С-образные  кривые доэвтектоидной, заэвтектоидной сталей смещены влево по сравнению с кривыми эвтектоидной стали, критическая скорость закалки их выше, следовательно получение структуры мартенсита достигается труднее, а для некоторых марок структура мартенсита даже недостижима.

 Легирующие компоненты  стали облегчают закалку, так  как при этом С-образные кривые  смещаются вправо, следовательно критическая скорость понижается.

 Если скорость охлаждения  меньше критической, то в структуре  закаленной стали, наряду с  мартенситом, будет троостит, а  если скорость уменьшается дальше, то получаются структуры троостита  или сорбита без мартенсита.

 Резкость закалки (получение  мартенсита без троостита) зависит  от природы температуры охлаждающей  среды. Охлаждение струей воздуха  или холодными металлическими  плитами дает закалку на сорбит. Наиболее распространено охлаждение  деталей погружением в воду, щелочные, кислые растворы, масло, расплавленный  свинец и др. При этом получается  резкая или умеренная закалка  (на мартенсит или троостит).

Охлаждающая способность  воды резко изменяется в зависимости  от температуры воды; если эту способность  при 18 ° принять за единицу, то при 74 ° охлаждающая способность будет  иметь коэффициент 0,05.

К наиболее резким охладителям  относится 10%-ный раствор NaOH в воде. Если температура 18 ° его коэффициент – 2,0. К умеренным охладителям относятся минеральные масла с коэффициентом 0,2-0,25.

 Для закалки применяют  различные приемы охлаждения  в зависимости от марки стали,  формы, размеров детали, технических  требований к ним. Простая закалка в одном охладителе (чаще всего в воде, в водных растворах) выполняется путем погружения детали до полного охлаждения. При охлаждении необходимо освобождать деталь от слоя пара хороший теплоизолятор. Такой способ закалки самый распространенный. Для получения высокой твердости, наибольшей глубины закаленного слоя для углеродистой стали применяют охлаждение деталей при интенсивном обрызгивании. Прерывистая закалка -  процесс охлаждения в последовательно в двух средах: первая среда – охлаждающая жидкость (обычно вода); вторая – воздух или масло. Резкость такой закалки меньше, чем предыдущей. Ступенчая закалка - процесс охлажденидеталь быстро погружают в соляной расплав и охлаждают до температуры несколько выше М Н (см. рис. 3), короткое время выдерживают, затем охлаждают на воздухе. Выдержка обеспечивает выравнивание температуры от поверхности к сердцевине детали, что уменьшает напряжения, возникающие при мартенситном превращении.

Способ погружения деталей  в закалочную ванну должен быть таким, чтобы при закалке они как  можно меньше коробились. Детали с  большим отношением длины к диаметру или ширине (напильники, сверла и  др.) следует погружать в охладитель вертикально.

 Изотермическая  закалка.

Изотермическая закалка (закалка в горячих средах) основана на изотермическом распадении аустенита; охлаждение ведется не до комнатной температуры, а до температуры несколько выше начала мартенситного превращения (200-300 ° , зависит от марки стали). Как охладитель используют соляные расплавы или нагретое до 200-250 ° масло. При температуре горячей ванны деталь выдерживается продолжительное время, пока пойдут инкубационный период и распадение аустенита. В результате получается структура игольчатого троостита, по твердости близкого к мартенситу, но более вязкого, прочного. Последующее охлаждение производится на воздухе.

Чтобы провести процесс изотермической закалки, вначале требуется быстрое  охлаждение со скоростью не менее  критической, чтобы избежать распадения аустенита в условиях, отвечающих перегибу С-образной кривой.Отжиг, нормализация. Следовательно, по этому методу можно закаливать только небольшие (примерно, диаметром до 8 мм) детали из углеродистой стали, так как запас энергии в более тяжелых деталях не позволит достаточно быстро их охладить. Это не относится, однако, к легированным сталям, большинство марок которых имеет значительно меньшие критические скорости закалки. Большим преимуществом изотермической закалки является возможность рихтовки (исправление искривлений) изделий во время инкубационного периода распадения аустенита (который длится несколько минут), когда сталь еще мягка и пластична. После изотермической закалки детали свободны от внутренних напряжений и не имеют трещин.

Дефекты закалки  стали.

 К дефектам закалки  относятся: трещины, поводки, или  коробление и обезуглероживание.  Главная причина трещин и поводки  – неравномерное изменение объема  детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая  причина – увеличение объема  при закалке на мартенсит.  Трещины возникают потому, что  напряжения при неравномерном  изменении объема в отдельных  местах детали превышают прочность  металла в этих местах.  Лучшим  способом уменьшения напряжений  является медленное охлаждение  около температуры мартенситного  превращения (точка М Н). При  конструировании деталей необходимо  учитывать, что наличие острых  углов и резких изменений сечения  увеличивает внутреннее напряжение при закалке.  Коробление (или поводка) возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием.