Термообработка стали

Термообработка стали — это совокупность технологических процессов нагрева, выдержки и охлаждения изделий из стали с заданной скоростью, проводимых с целью изменения её структуры и, как следствие, физико-механических свойств. Основными целями термообработки являются повышение твёрдости и прочности, улучшение пластичности и вязкости, снятие внутренних напряжений, а также придание стали необходимой обрабатываемости резанием или давлением. В отличие от химико-термической обработки, термообработка не изменяет химический состав поверхностных слоёв металла.

История

Первые сведения о целенаправленной термообработке железа относятся к глубокой древности. Археологические находки свидетельствуют, что кузнецы Древнего Египта, Месопотамии и Индии около 3000 лет назад умели закаливать железные и стальные изделия, нагревая их в горне и резко охлаждая в воде или масле. Однако научное понимание процессов, происходящих при нагреве и охлаждении стали, сформировалось лишь в XIX—XX веках.

В 1868 году русский металлург Дмитрий Константинович Чернов, работая на Обуховском сталелитейном заводе в Санкт-Петербурге, открыл критические точки фазовых превращений в стали (точки Чернова). Он установил, что для получения качественной закалки сталь необходимо нагревать строго выше определённой температуры, зависящей от содержания углерода. Это открытие заложило основы современной теории термической обработки стали. В XX веке развитие металлографии и физики твёрдого тела позволило детально описать фазовые и структурные превращения, что привело к созданию множества технологических режимов термообработки.

Основные виды термообработки

Термообработка стали классифицируется по режиму нагрева и охлаждения, а также по конечной цели. Выделяют четыре основных вида: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг

Отжиг — это вид термообработки, заключающийся в нагреве стали до определённой температуры, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении (обычно вместе с печью). Цель отжига — снижение твёрдости для улучшения обрабатываемости резанием, снятие внутренних напряжений, выравнивание химического состава, а также подготовка структуры к последующей закалке.

Различают несколько разновидностей отжига:

• Полный отжиг — нагрев до температуры на 30—50 °C выше верхней критической точки (Aс3), выдержка и медленное охлаждение. Применяется для доэвтектоидных сталей.
• Неполный отжиг — нагрев до температуры между Aс1 и Aс3. Используется для заэвтектоидных сталей, чтобы снять напряжения и снизить твёрдость.
• Низкий отжиг (отпуск для снятия напряжений) — нагрев до 150—250 °C, применяется для снятия остаточных напряжений после сварки или литья без изменения структуры.
• Рекристаллизационный отжиг — нагрев до 600—700 °C для устранения наклёпа после холодной пластической деформации.

Нормализация

Нормализация — это вид термообработки, при котором сталь нагревают до температуры на 30—50 °C выше верхней критической точки (Aс3), выдерживают и затем охлаждают на спокойном воздухе. Скорость охлаждения при нормализации выше, чем при отжиге, но ниже, чем при закалке. В результате получается более мелкозернистая и однородная структура (сорбит или троостит), а твёрдость и прочность стали несколько выше, чем после отжига. Нормализация часто применяется как окончательная термообработка для малоуглеродистых сталей, а также как подготовительная операция перед закалкой для улучшения структуры.

Закалка

Закалка — это вид термообработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критических точек (обычно на 30—50 °C выше Aс3 для доэвтектоидных сталей или выше Aс1 для заэвтектоидных), выдержке и последующем быстром охлаждении со скоростью, превышающей критическую скорость закалки. Цель закалки — получение неравновесной структуры, обладающей высокой твёрдостью и прочностью. Основной структурой, образующейся при закалке углеродистых сталей, является мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе.

Основные параметры закалки:

• Температура нагрева — зависит от содержания углерода в стали.
• Время выдержки — должно обеспечить полное прогревание детали и завершение фазовых превращений.
• Скорость охлаждения — выбирается в зависимости от марки стали и требуемых свойств. Для охлаждения используют воду (наиболее резкое охлаждение), масло, водные растворы солей или полимеров, а также воздух (для легированных сталей с высокой прокаливаемостью).

Различают следующие способы закалки:

• Закалка в одном охладителе — деталь полностью погружается в охлаждающую среду.
• Закалка в двух средах — сначала быстрое охлаждение в воде до температуры около 300—400 °C, затем перенос в масло для замедленного охлаждения, что снижает риск образования трещин.
• Ступенчатая закалка — охлаждение в среде с температурой выше точки начала мартенситного превращения (150—250 °C), выдержка для выравнивания температуры, затем медленное охлаждение на воздухе.
• Изотермическая закалка — охлаждение в среде с температурой около 300—400 °C (для получения бейнитной структуры), выдержка до полного изотермического превращения.

Отпуск

Отпуск — это заключительная операция термообработки, которая проводится после закалки. Заключается в нагреве закалённой стали до температуры ниже критической точки Aс1 (обычно от 150 до 650 °C), выдержке и последующем охлаждении (часто на воздухе). Цель отпуска — снижение хрупкости, уменьшение внутренних напряжений, а также регулирование твёрдости и прочности в соответствии с эксплуатационными требованиями.

По температуре нагрева различают:

• Низкий отпуск (150—250 °C) — применяется для режущего и измерительного инструмента, деталей, требующих высокой твёрдости и износостойкости. Структура — мартенсит отпуска.
• Средний отпуск (300—450 °C) — используется для пружин, рессор, штампов. Структура — троостит отпуска. Обеспечивает высокий предел упругости и достаточную вязкость.
• Высокий отпуск (500—650 °C) — применяется для ответственных деталей машин (валов, шестерён, коленчатых валов), работающих в условиях динамических нагрузок. Структура — сорбит отпуска. Обеспечивает оптимальное сочетание прочности и вязкости. Комбинация закалки с высоким отпуском называется улучшением.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) — это процесс, сочетающий термическое воздействие с изменением химического состава поверхностного слоя стали. Цель ХТО — повышение твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Основные виды ХТО:

• Цементация — насыщение поверхностного слоя углеродом (до 0,8—1,2%) при нагреве в среде, содержащей углерод (древесный уголь, газ, карбюризатор). После цементации проводится закалка и низкий отпуск.
• Азотирование — насыщение поверхности азотом при нагреве в среде аммиака. Обеспечивает очень высокую твёрдость и износостойкость без последующей закалки.
• Цианирование и нитроцементация — одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом.
• Диффузионная металлизация — насыщение поверхности алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование) и другими элементами для придания специальных свойств (жаростойкость, коррозионная стойкость).

Оборудование для термообработки

Для проведения термообработки используются различные типы печей и установок:

• Камерные печи — наиболее распространённые, с электрическим или газовым нагревом, периодического действия.
• Шахтные печи — вертикальные печи для обработки длинномерных изделий (валов, труб).
• Печи-ванны — с жидкой средой (расплавленные соли, масло) для быстрого и равномерного нагрева.
• Индукционные установки — для нагрева токами высокой частоты (ТВЧ), применяются для поверхностной закалки.
• Печи с защитной атмосферой — для предотвращения окисления и обезуглероживания поверхности стали.
• Вакуумные печи — для термообработки в вакууме, исключают любые химические взаимодействия с газами.

Контроль качества

Контроль результатов термообработки включает:

• Измерение твёрдости — методами Бринелля, Роквелла, Виккерса.
• Металлографический анализ — исследование микроструктуры под микроскопом.
• Механические испытания — на растяжение, ударную вязкость, изгиб.
• Контроль глубины закалённого слоя — при поверхностной закалке или ХТО.
• Неразрушающий контроль — магнитный, ультразвуковой, капиллярный методы для выявления трещин и других дефектов.

Дефекты термообработки

При нарушении режимов термообработки могут возникать следующие дефекты:

• Перегрев — образование крупнозернистой структуры, снижающей механические свойства.
• Пережог — окисление границ зёрен, приводящее к необратимому разрушению металла (брак).
• Обезуглероживание — выгорание углерода из поверхностного слоя, снижающее твёрдость.
• Закалочные трещины — возникают из-за высоких внутренних напряжений при резком охлаждении.
• Деформация и коробление — изменение формы и размеров детали вследствие неравномерного нагрева или охлаждения.
• Недостаточная твёрдость — результат недогрева, слишком медленного охлаждения или неправильного выбора марки стали.

Источники

1. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990.
2. Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986.
3. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1978.
4. Чернов Д. К. О критических точках стали. — СПб., 1868.
5. ГОСТ 5632-2014. Стали легированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.
6. ГОСТ 8233-56. Сталь. Эталоны микроструктуры.