Термообработка стали

Нагретая до 800—900°С и охлажденная до комнатной температуры деталь на первый взгляд ничем не отличается (кроме, может быть, цвета) от всех других стальных деталей. Однако это не так. При температуре 723°С сталь претерпевает любопытные превращения, незаметные для глаза, но очень серьезные для ее структуры и свойств.
При обычной температуре сталь представляет собою смесь мелких кристалликов чистого железа, имеющего в своих «контейнерах» не более 0,006% углерода, и кристаллов химического соединения железа с улеродом (карбида железа), вмещающего в своих «блоках» 6,67% углерода.

Чистое железо очень пластично, а прочность и твердость у него невысокие. Наоборот, карбид железа обладает самой высокой твердостью, да и прочность у него немалая, но он чрезвычайно хрупок. При термообработке стали под действием тепла кристаллы железа приобретают подвижность, а кристаллы карбида железа начинают понемногу распадаться. Вновь возникающие кристаллы железа обладают свойством растворять в себе углерод; при этом углерод стремится не к химическому соединению с железом, а к растворению в нем. При температуре 723°С этот процесс начинается во всех сталях. Тепловая энергия вызывает распад карбида железа (разрушение одного из видов «контейнеров») и образование раствора углерода в железе (построение «контейнеров» другого типа). Процесс перестройки кристаллов в металле называется перекристаллизацией. Перекристаллизация сталей, начинающаяся при 723°С, идет до тех пор, пока не прекращен нагрев, а завершается где-то в районе 820°С — выше или ниже, зависит от содержания углерода в стали.

Интересно то, что перекристаллизация происходит в твердом состоянии: кусок стали не расплавляется, лежит в печи неподвижно, а в это время в нем энергично идет растворение углерода железом. В результате получается однородный, «усредненный» раствор — твердый раствор,— называемый аустенитом. Свое название он получил в честь английского металлурга  В.  Робертса-Аустена.

Температура нагрева стали при ее закалке (температура закалки) зависит от марки стали, то есть от содержания углерода, и различна для разных сталей. Чтобы добиться большей однородности зерен аустенита, сталь при закалке либо нагревают еще на 30—50°С выше, либо выдерживают при температуре закалки более длительное время. Зерна аустенита при этом растут и становятся однородными. Но сталь с крупным зерном кристаллов хуже, чем с мелким. Поэтому при термической обработке всегда стремятся к тому, чтобы получить мелкое зерно стали.

• Закалка стали

Рост зерна в углеродистых сталях зависит не только от температуры и времени нагрева, но и от содержания углерода и примесей. Введение в сталь легирующих элементов — титана, ванадия, вольфрама, молибдена и хрома (но не марганца) — тормозит рост зерна аустенита при нагреве. Легирующие элементы расширяют интервал закалочных температур и облегчают получение качественной структуры; в этом и состоит преимущество легированных сталей перед углеродистыми: они лучше поддаются закалке. Большинство сталей, имеющих при комнатной температуре аустенит-ную структуру,— легированные стали.

Размеры зерна, получаемого при закалке, существенно зависят и от скорости охлаждения: чем выше скорость, тем мельче закаленное зерно, мельче кристаллы, тем лучше качество и свойства стали. Если охлаждение стали вести на воздухе, аустенит, естественно, распадается, но высокая скорость охлаждения (например, в холодильнике или при обдуве детали холодным воздухом) позволяет получить мелкие кристаллы. Хотя в этих кристаллах не аустенит, а уже знакомые нам железо и его карбиды, все же структура эта значительно лучше по свойствам: при высокой довольно-таки твердости она обладает замечательной вязкостью и износостойкостью.   Такая   структура закаленной стали в честь английского ученого Генри Сорби была названа сорбитом. Образование сорбита начинается при 600 °С и заканчивается при 500°С, а сам процесс называется сорбитизацией.

Раскаленная сталь при охлаждении в масле приобретает еще более мелкозернистую структуру, обладающую высокой твердостью, прочностью и упругостью, — тростит (названа так в честь французского химика Л. Троста). Тростит образуется из аустенита в интервале температур от 500 до 200°С.

При резком охлаждении в воде аустенит обыкновенной углеродистой стали сохраняется до температуры 240°С и затем мгновенно перестраивается. Но углерод при этой перекристаллизации уже не выбрасывается из «контейнеров»: образовавшиеся мельчайшие зерна представляют собой пересыщенный твердый раствор углерода в обычной для комнатной температуры кристаллической решетке («контейнере») железа. Это не аустенит, но и не смесь железа с его карбидами. Такая новая структура твердого раствора называется мартенситом, по имени немецкого металловеда А. Мартенса. Кристаллики мартенсита по виду даже не зернистые, а игольчатые. Мартенсит имеет наивысшую из всех структур твердость, близкую к твердости карбида железа, высокую упругость и хрупкость.

В легированных сталях мартенситная структура образуется при меньшей скорости охлаждения, чем в углеродистых, поэтому закалку таких сталей на мартенсит можно проводить не в воде, а в масле или даже на воздухе.

Структура стали меняется не только при закалке. Если закаленную на мартенсит сталь — например, сталь марки У7 — нагреть до температуры 200°С и выше, то мартенсит и остаточный аустенит начнут разлагаться: при 300°С — на тростит, при 500°С — на сорбит. Дальнейший нагрев вызовет рост зерен карбида железа и чистого железа; поэтому сталь постепенно будет терять закалочную твердость и прочность, одновременно приобретая все большую пластичность. При 700°С и выше начнется переход всех структур в аустенит.

Эту способность закаленной стали используют в технике для исправления ошибок закалки. При быстрой закалке металл застывает в напряженном состоянии, это приводит к короблению деталей или даже к возникновению в них трещин. Чтобы устранить недостатки закалки, повысить вязкость металла и снять внутренние напряжения в детали, применяют отпуск стали. При отпуске, разумеется, возможна перестройка структуры, но в целом отпуск улучшает эксплуатационные свойства стали. Он применяется как заключительная операция термообработки стали. Нагрев деталей, подвергаемых отпуску, производят не позднее чем через 24 часа после закалки, а температуры при этом выбирают значительно более низкие.

• Отпуск стали

Наконец, желая вернуть стали ее «обычные», дозакалочные свойства, применяют отжиг. После отжига сталь становится тем, чем была: в ней снимаются все напряжения, устраняется структурная неоднородность, повышается пластичность и обрабатываемость. Нагрев сталей при отжиге производят до высоких температур, а затем дают сталям спокойно остыть. Отжиг позволяет пустить в дело, например, старый негодный инструмент: лишившись прежней твердости и прочности, он может быть после отжига обработан механическим путем без особых затруднений, а затем вновь закален для нормальной «инструментальной службы».

Закаленную или отпущенную деталь обрабатывают лишь абразивным инструментом, другим его попросту обработать невозможно. Но если деталь подвергнуть отжигу, металл «забудет» о том, что проходил закалку,— его свойства станут подобны свойствам первоначальной, «сырой», заготовки. Сущность отжига заключается в разогреве стальной закаленной детали до определенной температуры (см. рис. 42 и табл. 10) и последующем охлаждении ее вместе с печью.

Нагрев детали ведут постепенно за 20—30 мин., затем вместе с печью охлаждают до 500°С, после чего переносят деталь для охлаждения на открытый воздух.

Детали, нагретые под закалку, выдерживают в печи при данной температуре от 3 до 20 мин. (в зависимости от размеров их) и опускают в охлажденную среду. Температуры закалки и отжига для углеродистых сталей почти совпадают, поэтому по графику на рис. 42 определить эти температуры для каждого вида стали нетрудно: достаточно знать процентное содержание углерода в стали.

Для некоторых марок легированных сталей в табл. 10 приведены основные данные термообработки. Они различны для разных сталей.

Большую скорость охлаждения стали для закалки ее под мартенсит можно получить, опуская детали в воду с температурой ниже +18°С или в 10-процентный раствор поваренной соли (едкого натра). На мартенсит закаливают режущий инструмент, детали, испытывающие в работе трение (оси, зубчатые колеса и т. п.), часть пружин.

Закалка стали в воде с температурой около +65°С или в масле позволяет получить более крупную структуру — тростит. В то же время тростит в стали можно получить, отпуская деталь с мартен-ситной структурой. На тростит закаливают ударный инструмент, которому нужна высокая твердость в сочетании с упругостью, а также рессоры и пружины.

Охлаждая разогретую для закалки деталь в горячей (90°С) или мыльной воде или же отпуская деталь с мартенситной структурой, получают в стали сорбитную структуру. Ей присуща наибольшая вязкость и износостойкость, поэтому на сорбит закаливают рельсы, бандажи и прочий инструмент, работающий при самых тяжелых ударных нагрузках.

Легированные стали охлаждают в машинном (трансформаторном, веретенном) масле. Все параметры термообработки таких сталей приведены в табл. 10.

Таблица 10.