Термическая обработка стали: нагрев

Сталь отличается большим разнообразием структур и свойств, которые можно получать в ней путем управления ее химическим составом, температурой обработки на твердый раствор и режимов ее охлаждения из аустенитного состояния обратно к комнатной температуре. Для начала представим кратко особенности нагрева стали для различных целей.

Отпуск стали

Отпуск называют процесс нагрева стали до температуры в интервале от 425 до 650 °С в основном для снятия внутренних напряжений без существенного изменения микроструктуры или свойств детали. При температуре нагрева ниже 260 °С происходит лишь незначительное снижение остаточных напряжений или они практически не изменяются. При температуре 540 °С внутренние напряжения могут снижаться на величину до 90 %. Иногда деталь или изделие подвергают термической обработки, а затем отпуску после таких обработок как сварка, или индукционное упрочнение. Максимальная температура для отпуска для снятия остаточных напряжений ограничена температурой на 30 °С ниже температуры отпуска, который применялся после закалки. Отпуск при более высоких температурах называют умягчением.

Обработка стали на твердый раствор

Обработка стали на твердый раствор или аустенитизация – это процесс, направленный на получение однородного распределения углерода в аустените. Целью этой термической обработки является растворить вторичные фазы, такие как карбиды, и достичь гомогенной структуры с однородно распределенным углеродом.

Гомогенизация стали

Гомогенизацией стали обычно называют ту же термическую обработку, что и обработка на твердый раствор и она также предназначена для получения гомогенного распределения всех элементов в аустените. Температуры гомогенизации могут быть от 1095 до 1260 °С или даже выше, чтобы достичь однородного распределения в железной матрице не только углерода, но также никеля, хрома и молибдена. Однако коэффициенты диффузии этих элементов значительно ниже, чем у углерода и процесс гомогенизации требует длительного времени. Поэтому часто длительность процесса гомогенизации определяется не из технических, а из экономических соображений.

Отжиг стали

Отжигом называют операции нагрева и охлаждения, предназначенные для смягчения стали, повышения ее пластических свойств. При отжиге изделия обычно сначала подвергают обработке на твердый раствор – аустенитизации, а затем медленно охлаждают, обычно с печью, для получения мягких микроструктурных структурных составляющих.  Цель отжига – сделать металл более мягким, повысить его пластичность, снять остаточные напряжения от предыдущих обработок, а также повысить обрабатываемость режущим инструментом.

Полный отжиг стали

При полном отжиге сталь нагревают по крайней мере на 50 °С выше верхней критической температуры, как это показано на рисунке, и выдерживают при этой температуре время, достаточное для того, чтобы получить однородный раствор углерода в аустените. Затем следует медленное охлаждение, обычно с печью. Когда изделия охладились ниже нижней критической температуры, то превращения аустенита обычно уже завершены. Тогда изделия извлекают из печи и охлаждают на воздухе. Охлаждение с печью до более низких температур обычно экономически нецелесообразно, так как остывшая печь требует большого количества энергии и времени для ее повторного разогрева.

diagramma-sostojanija-zhelezo-uglerodРисунок – Упрощенная диаграмма состояния железо-углерод. Заштрихованная полоса – интервал температур для обработки на твердый раствор, гомогенизации и полного отжига.

Отожженные изделия имеют низкую прочность, но высокую пластичность. Некоторые низколегированные стали отжигают для улучшения обрабатываемости резанием, подвергают грубой механической обработке и затем окончательно термически упрочняют. Операцию отжига могут применять с такой специфической целью, как получение сфероидизированной перлитной структуры. Сфероидизированный перлит имеет отличную обрабатываемость резанием, но термический цикл его получения очень длительный и дорогостоящий, а поэтому его применяют только, если это действительно экономически обосновано.