4. Вплив термічної та хіміко-термічної обробки на властивості та структуру сталей

Термічною обробкою називають процес, що складається з на­гріву металу до відповідної температури, витримки його при цій температурі і охолодження з певною швидкістю. При тер­мічній обробці змінюється структура сталі, що веде до зміни її властивостей. Таким чином, шляхом термічної обробки сталі одного и того ж складу можна змінювати її властивості.

Термічна обробка сталі грунтується на здатності заліза з­мінювати будову кристалічної решітки при з­міні температури, а також на різній розчинності вуглецю в кристалічних решітках різної будови.

Існують такі види термічної обробки: гартування, відпуск, відпал, нормалізація і хіміко-термічна обробка (цементація, азотування, ціанування).

Найбільші структурні перетворення сталі відбуваються при гартуванні. Від усіх інших видів термічної обробки гартування відрізняється високою швидкістю охолодження. Залежно від швидкості охолодження загартована сталь має різну структуру: сорбітну, троститну або мартенситну.

Сорбітна структура складається з суміші фериту і цементиту високого ступеня дисперсності, що приводить до підвищення твердо­сті й крихкості сталі. Під мікроскопом сорбітна структура має вид феритно-цементитної структури, одначе розмір зерен в ній значно менший.

Трооститна структура cкладається також із суміші фериту й цементиту високого ступеня дисперсності. У металографічному мікроскопі трооститна структура проявляється у вигляді дуже темних ділянок. Сталь трооститної структури значно твердіша і більш крихка, ніж сорбітна.

Мартенситна структура сталі значно відрізняється від сорбітної й трооститної структур. Мартенсит є перенасиченим твердим розчином вуглецю в -залізі. Його кристалічна решіт­ка має значні зміни, що обумовлюють найвищу твердість і крихкість сталі. Під мікроскопом загартована на мар­тенсит сталь має голчасту структуру.

Цементація (вид хіміко-термічної обробки) полягає в навуглецьовуванні поверхні конструкційної сталі. Завдяки цьому твердість і зносостійкість поверхневого шару деталей значно підвищується. Структура поверхневого шару навуглецьованої сталі набуває структуру перліту, пронизаного тон­кими голками вторинного цементиту (під мікроскопом – суцільні сірі ділянки з хаотично розташованими голками цементиту).

Термічна обробка — це штучна теплова дія, що скла­дається з нагрівання та охолодження сталі з метою зміни структури і властивостей металу. Процес термообробки включає нагрівання або охолодження металу до необхід­них температур, витримування за цієї температури та охо­лодження або нагрівання до кімнатної температури. За­вдяки цьому досягають підвищення міцності, твердості, стійкості до спрацювання та оброблюваності сталі.

У залізовуглецевих сплавах під час нагрівання та охо­лодження відбуваються фазові і структурні перетворення. В процесі нагрівання сталі до температури на 30...50 °С вище критичних точок Ас₁ чи Ас₃ відбувається перекри­сталізація — перехід перліту в аустеніт. Витримка сталі за цих температур унаслідок дифузії сприяє одержанню однорідного складу — аустеніту, охолодження сталі сприяє перетворенню аустеніту в метастабільні структури. Причому повільне охолодження надає сталі м'якості, пластичності, а швидке охолодження сприяє утворенню твердих і міцних структур.

Широко застосовують зміцнювальну і знеміцнювальну термічні обробки деталей. Зміцнювальна термічна оброб­ка призначена для формування властивостей деталей з підвищенням міцності в 2...3 рази, що дає змогу знизити витрати металу. Знеміцнювальна термічна обробка дає змогу поліпшити властивості металів і полегшити наступні види обробки деталей, що веде до ефективнішої меха­нічної обробки.

Класифікація видів термічної обробки враховує фазові та структурні перетворення, що відбуваються в металі в процесі нагрівання та охолодження, і ділить їх на власне термічну, хіміко-термічну та термомеханічну обробку. Кожен із вказаних видів має кілька різновидів. Перший вид — це обробка, в результаті якої змінюються структура та фізико-механічні властивості. До неї належать відпал І і II роду, нормалізація, гартування, відпускання та старіння. Другий вид — це обробка, в результаті якої відбувається насичення поверхні деталі речовинами, що підвищують твердість, стійкість до спрацювання, корозії тощо. Це — цементація, азотування, ціанування, дифузійна металізація. Третій вид поєднує пластичну деформацію з термічною обробкою.

Широке застосування під час виготовлення деталей мають знеміцнювальні види термічної обробки. До них належить відпал — це нагрівання до критичної темпера­тури, витримка та повільне охолодження. Під час повіль­ного охолодження деталі стають більш м'якими, пластич­ними, але міцність у них невелика.

Відпалювання виконують для усунення внутрішніх на­пружень, які виникають у процесі обробки прокатуван­ням, куванням, литтям; внутрішньої структурної неодно­рідності; ліквації в деталях-виливках; зниження твердості та підвищення в'язкості; покращання оброблюваності; зміни будь-яких властивостей, наприклад, магнітних у трансформаторних сталей. Відпал, який засновано на процесах повернення рекристалізації та гомогенізації, називають відпалом І роду. Він має такі різновиди: дифу­зійний (гомогенізуючий), низькотемпературний рекриста­лізаційний і зменшуючий напруження. Відпал, коли метали та сплави набувають фазових перетворень, тобто звичайної перекристалізації, називають відпалом II роду. Відпал II роду може мати такі різновиди: повний, не­повний відпал на зернистий цементит, ізотермічний тощо.

Дифузійний відпал — це нагрівання сталі вище критич­ної точки Ас₃ (1050...1150 °С), тривала витримка (10... 15 год) і охолодження в печі до температури 200...250 °С, а потім на повітрі. Його використовують для усунення хімічної неоднорідності (ліквації легованої сталі) та тієї, що виникає в процесі кристалізації дендритної ліквації. Рекристалізаційний відпал — вид термічної обробки, що відновлює первинні властивості деформованого металу під час холодної обробки тиском. Таким способом усува­ють зміцнення (наклеп). Його використовують для зни­ження твердості та підвищення пластичності холоднооб-робленої чи штампованої сталі.

Найбільш загальним є відпал, який зменшує напру­ження, тому його застосовують для обробки деталей, що одержали внутрішні напруження. Його використовують для зменшення або зняття залишкових напружень, що виникають під час обробки тиском, литтям, зварюванням, термічною обробкою, шліфуванням, різанням.

Особливістю відпалу II роду є використання фазових перетворень у твердому стані. Доцільність застосування визначається впливом зміни структури металу на його властивості. Повний відпал застосовують для створення дрібнозернистої структури, зменшення твердості та підвищення пластичності і в'язкості, покращання оброб­люваності різанням, усунення смугастої структури, знят­тям внутрішніх напружень. Для повного відпалу нагріва­ють доевтектоїдну сталь до температури на 20...50 °С вище від критичної точки Ас₃, витримують за цієї температури та послідовно поступово охолоджують до температури, нижчої за інтервал критичних точок. Інколи відпал вико­нують у контрольному захисному середовищі для обме­ження вигоряння вуглецю та окислення сталі. Такий відпал називають світлим.

Неповний відпал застосовують для покращання оброб­люваності деталі різанням чи холодною обробкою. Засто­совують його замість повного відпалу для пом'якшення заевтектоїдної інструментальної сталі, зняття залишкових напружень, створення дрібнозернистої структури перед обробкою різанням. Неповний відпал полягає в нагріван­ні сталі до температури, вищої на 20...50 °С за критичну точку Ас, витримуванні за цієї температури та повільному охолодженні разом з піччю.

Відпал на зернистий цементит застосовують для зни­ження твердості та покращання оброблюваності інстру­ментальних і підшипникових сталей. Він полягає в на­гріванні сталі до температури, дещо вищої за критичну точку Ас₁, тривалому витримуванні, повільному охоло­дженні до 650 °С з наступним охолодженням на повітрі.

Ізотермічний відпал застосовують для покращання об­роблюваності різанням легованої сталі, скорочення три­валості відпалювання та усунення внутрішніх напружень. Технологія такого відпалу складається з нагрівання сталі до температури, дещо вищої за критичну точку Ас₃ чи Ас₁, витримуванні та швидкому охолодженні до температури, дещо нижчої за критичну точку Ас₁, ізотермічного витри­мування, достатнього для перетворення аустеніту на пер­літ, і охолодження на повітрі.

Більш доцільним видом обробки є нормалізація, яку застосовують з тією метою, що й відпал. Обробка норма­лізацією відрізняється від відпалювання тим, що охолод­ження після нагрівання виконують на повітрі, внаслідок чого збільшується коефіцієнт використання печей і під­вищується економічність такого прискореного відпалу.

Для підвищення твердості, міцності та стійкості до спрацювання деталей використовують зміцнюючий спосіб термічної обробки — гартування. Гартування характери­зується нагріванням доевтектоїдних сталей до темпера­тури, вищої за критичну точку Ас₃, або евтектоїдних і заевтектоїдних сталей вище Ас₁ на5 20...30 °С, витриму­ванням і охолодженням зі швидкістю, більшою за кри­тичну. Під час термічної обробки сталі застосовують гартування в одному охолоджувачі, переривчасте в двох, ступінчасте, ізотермічне, з самовідпусканням тощо.

Охолодження стальних деталей є найвідповідальнішою операцією гартування. Швидкість охолодження повинна забезпечити утворення потрібної структури відповідно до технічних умов. Під час гартування зовнішня поверхня деталі охолоджується швидше за серцевину, тому в дета­лях з більшою товщиною серцевина може залишитися незагартованою. Завдяки цьому для характеристики гли­бини загартованого шару вводиться поняття прогарто-ваність сталі. Глибину гартування вимірюють від поверхні деталі до шару з напівмартенситною структурою (50 % мартенситу на 50 % трооститу).

Характеристика прогартованості сталі є важливим показником вибору сталі. Якісним показником прогарто­ваності сталі є критичний діаметр — діаметр зразка, коли він загартовується повністю. Наприклад, для сталі 40 критичний діаметр під час охолодження у воді становить 10 мм, в маслі — 8 мм. На прогартованість впливають швидкість охолодження та хімічний склад сталі. Леговані сталі характеризуються більш високою прогартованістю, ніж вуглецеві.

Особливий інтерес викликають швидкорізальні сталі, які загартовуються в процесі охолодження в маслі, в гарячих середовищах або у випадку невеликих перетинів інструмента, на повітрі. Для одержання якісного інстру­менту з швидкорізальних сталей після гартування їх піддають багаторазовому відпусканню.

Важливе значення для гартування має вибір темпера­тури нагрівання та способу охолодження. Вид гартування залежить від сталі, форми та розмірів деталі. Для гарту­вання простих за формою деталей із вуглецевих сталей застосовують гартування у воді або маслі. Гартування здійснюють занурюванням нагрітої деталі з середньо-вуглецевої сталі у воду, а із високовуглецевої та спеціальної сталей — у масло до повного охолодження.

У випадку переривчастого гартування деталь занурю­ють у воду, що забезпечує більш високу швидкість охоло­дження, а потім переносять у менш інтенсивний охоло­джувач — масло або повітря. Гартування цим способом за­стосовують під час виготовлення інструментів з високо-вуглецевих і спеціальних сталей. Незручність полягає в складності визначення часу витримування в першому охо­лоджувачі. Струменеве гартування застосовують для виго­товлення деталей з високою твердістю та найбільшою гли­биною гартування, а також для гартування ділянок деталі.

Для гартування тонких деталей з вуглецевих сталей застосовують ступінчасте гартування — цей спосіб забез­печує найменші внутрішні напруження. Гартування вико­нують у двох охолоджувачах: спочатку деталь швидко охолоджують у соляній ванні з температурою, вищою за точку мартенситного перетворення (240...250 °С), потім витримують до вирівнювання температур по всьому пере­тину деталі з наступним охолодженням її на повітрі або в маслі до кімнатної температури.

Ізотермічне гартування виконують так, як ступінчасте, але деталі охолоджують у рідкій солі з температурою, вищою за початок мартенситного перетворення, що ста­новить 300...400 °С, і витримують до повного розпаду аустеніту. Внаслідок гартування з аустеніту утворюється нестійка метастабільна структура — мартенсит. Тому під гартуванням розуміють процес термічної обробки сталі, який полягає в мартенситному перетворенні високотем­пературної фази. Таку обробку називають гартуванням на мартенсит. Перетворення аустеніту на мартенсит відбу­вається миттєво, бездифузійним шляхом. Миттєве пере­творення всередині кристала аустеніту викликає зміну кристалічної решітки, що супроводжується збільшенням об'єму сталі. Гартування викликає збільшення внутрішніх напружень, які можуть перейти границю міцності сталі. Внаслідок цього інколи відразу після гартування або через деякий час утворюються тріщини. Позитивними заходами для пом'якшення впливу гартування та усунення вну­трішніх напружень є відпускання сталі. Після такого виду термічної обробки мартенсит загартованої сталі перехо­дить у структуру мартенситу відпускання, трооститу від­пускання або сорбіту відпускання.

Гартування з самовідпусканням застосовують під час термічної обробки інструментів. Деталі охолоджують до температури, достатньої для здійснення відпускання. Відпусканням усувають надмірну крихкість загартованої сталі та одержують структуру, найстійкішу за звичайної температури, з найкращими механічними властивостями. Відпускання полягає у тому, що загартовані деталі нагрі­вають до температури, нижчої за межу структурних пере­творень (727 °С), витримують і потім охолоджують з до­вільною швидкістю.

Загартування з самовідпусканням застосовують для обробки слюсарного інструменту, який сприймає удари в процесі різання металу — зубил, молотків, ковальського інструменту, умови роботи якого вимагають, щоб серце­вина була м'якшою за зовнішні шари, а твердість знижу­валась поступово від зовнішньої поверхні до середини. Гартування з самовідпусканням виконують в такій послі­довності: нагрівання деталі до температури гартування, охолодження у воді до стану, коли в деталі ще буде тепло, потрібне для відпускання, виймання деталі з охолоджую­чого середовища, зачищення поверхні деталі, витримуван­ня на повітрі до появи на зачищеній поверхні необхідного кольору мінливості, занурювання деталі в воду до повного охолодження.

Залежно від температури та структури металу, що утво­рилася, розрізняють низьке, середнє та високе відпускання. Низьке відпускання здійснюється нагріванням до 150...250 °С і охолодженням з будь-якою швидкістю. Цей вид відпускання застосову­ють для виготовлення різноманітного різального та вимі­рювального інструменту. Середнє відпускання здійсню­ється нагріванням до 300...450 °С, коли мартенсит пере­творюється в троостит. Середнє відпускання застосовують для виготовлення пружин, ресор тощо. Високе відпускан­ня здійснюється нагріванням до 500...650 °С, коли мар­тенсит перетворюється на сорбіт. При цьому одержують однорідну структуру. Деякі сталі охолоджують у воді або в маслі. Високе відпускання застосовують для конструкцій­них сталей, щоб вони були міцними, пластичними, з ударною в'язкістю.

Старінням металів і сплавів називають процеси, які протікають довільно, тобто без взаємодії зовнішнього се­редовища, з бігом часу і ведуть до зміни властивостей. Розрізняють термічні та деформаційні види старіння. Перший вид протікає в загарто­ваному сплаві внаслідок зміни розчинності вуглецю в а-залізі, коли розчинність знижується залежно від темпе­ратури. Деформаційне старіння може проявлятися в сплавах, які раніше пластично деформувалися за температури, нижчої за рекристалізаційну. В сплавах на залізній основі та в багатьох сплавах кольорових металів унаслідок ста­ріння відбувається зміцнення загартованих алюмінієвих сплавів, зниження в'язкості низьковуглецевої сталі, зміна розмірів загартованих стальних деталей, магнітних власти­востей стальних магнітів і т. д.