EN
Основные методы термообработки углеродистой стали: цели, процедура и эффективность
Отжиг: восстановление пластичности и модификация микроструктуры холоднодеформированной углеродистой стали
Сильная холодная обработка стали может привести к чрезмерному упрочнению металла, что можно устранить с помощью термической обработки, называемой отжигом. При этом процессе металл нагревают до температуры, как правило, в диапазоне примерно 600–700 °C в течение примерно 1–2 часов, после чего металл медленно охлаждают внутри печи. В результате этого процесса внутренние напряжения, накопившиеся в структуре материала, снимаются, а формируются новые кристаллические структуры, не содержащие остаточных деформаций. После отжига материал обычно восстанавливает около 30 % утраченной пластичности и может подвергаться значительно более интенсивным изменениям формы до наступления разрушения. Для инженеров автомобильной промышленности наличие однородной структуры феррита и перлита имеет решающее значение, особенно при производстве кузовных панелей и элементов силовой конструкции, которые должны сохранять свою форму под нагрузкой и, при необходимости, способны деформироваться и изгибаться.
Нормализация обеспечивает однородную зернистую структуру и повышает обрабатываемость углеродистой стали, полученной ковкой или прокаткой.
Нормализация начинается с нагрева стали до температур в диапазоне от 800 до 900 градусов Цельсия с последующим медленным охлаждением на спокойном воздухе. Этот процесс удаляет крупные и неоднородные зерна, оставшиеся после предыдущей горячей обработки, и формирует менее грубую, более однородную матрицу микроконституентов феррита/перлита. По сравнению с ненормализованной сталью нормализация повышает лёгкость механической обработки на 15–20 %. Снижение износа инструмента и улучшение качества поверхности значительно увеличивают срок службы инструмента и повышают качество деталей. Именно поэтому нормализация стали широко применяется при производстве и механической обработке прецизионных компонентов, таких как шестерни и валы.
Закалка и отпуск: критическая последовательность операций для оптимизации соотношения прочности и ударной вязкости в среднеуглеродистой стали
Для начала процесса закалки стали её сначала необходимо нагреть до температуры от 800 до 900 градусов Цельсия — это так называемая аустенизация. Немедленно после этого этапа нагрева сталь подвергается быстрому или мгновенному охлаждению (закалке) в воде или масле, в результате чего аустенитная структура превращается в мартенсит — очень твёрдую, но в то же время чрезвычайно хрупкую структуру. Такой процесс может обеспечить образование мартенситной структуры с твёрдостью по шкале Роквелла C до 65 и пределом прочности при растяжении 1000 мегапаскалей. Проблема заключается в том, что сразу после закалки мартенситная структура слишком хрупка для выдерживания реальных эксплуатационных нагрузок. Решением этой проблемы является отпуск — процесс нагрева стали до температуры от 400 до 700 градусов Цельсия в течение примерно одного часа или более. При этом нагрев снижает внутренние напряжения — что крайне важно — и повышает вязкость структуры за счёт образования мелких карбидов, тем самым улучшая как вязкость, так и прочность. Двухстадийная термообработка остаётся обязательной в современном производстве для компонентов, которые должны выдерживать значительные нагрузки, например, автомобильные оси, коленчатые валы двигателей и различные промышленные зубчатые передачи.
Содержание углерода как определяющий фактор при выборе термической обработки углеродистой стали
<0,3 % C: проблемы прокаливаемости — почему отжиг и нормализация являются предпочтительными вариантами
Низкоуглеродистые стали содержат недостаточное количество углерода для образования значительного количества мартенсита при закалке, поэтому к таким сталям нельзя применять традиционные методы упрочнения. Вместо этого наиболее распространённым вариантом является отжиг, который обеспечивает полную реконструкцию микроструктуры, изменённой холодной пластической деформацией, и восстановление пластичности. Нормализация также способствует гомогенизации распределения размеров зёрен в металле, подвергшемся ковке или прокатке. Оба метода облегчают последующие операции формообразования и механической обработки стали, а также снижают риск возникновения деформаций или трещин, вызванных закалкой. Такие термические обработки применяются при изготовлении простых компонентов, например, панелей кузова автомобиля, кронштейнов и конструкционных элементов в автомобильной промышленности. Для этих применений инженеры отдают предпочтение таким свойствам, как хорошая свариваемость, высокая способность к глубокой вытяжке и стабильность геометрических размеров, а не максимальной прочности, достижимой при термообработке.
Сталь средней углеродистости (0,3–0,5 % C): закалка и отпуск — соответствует ожидаемым эксплуатационным характеристикам
Стали средней углеродистости — это стали с содержанием углерода от 0,3 до 0,5 %. Они идеально подходят для процессов упрочнения, поскольку содержание углерода достаточно для образования некоторого количества мартенсита при закалке, но недостаточно для того, чтобы сталь стала склонной к образованию трещин в ходе термообработки. Отпущенная сталь сохраняет высокий уровень вязкости; например, сталь марки AISI 1045 может достигать предела прочности свыше 800 МПа. Кроме того, сталь марки AISI 1045 обладает хорошей усталостной прочностью и износостойкостью. Благодаря этим свойствам данная марка стали широко применяется инженерами для изготовления сильно нагруженных деталей, включая автомобильные оси, шатуны двигателей и промышленные шестерни трансмиссий.
Выбор закалочной среды и контроль охлаждения для надёжной закалки углеродистой стали
Закалка в воде или масле: баланс между образованием мартенсита и риском образования трещин при закалке углеродистой стали
Выбранный тип закалочной среды напрямую влияет на скорость отвода тепла, на то, происходят ли фазовые превращения, а также на величину остаточных напряжений в металле. Скорости охлаждения порядка 130 °C/с приводят к образованию значительного количества мартенсита, что обеспечивает очень высокую твёрдость структуры. Например, закалка водой весьма эффективна для простых по форме изделий, требующих высокой износостойкости, таких как сельскохозяйственные орудия или штампы для инструментов. Напротив, закалка маслом характеризуется умеренной скоростью охлаждения — примерно 80 °C/с. В этом случае более медленная скорость охлаждения является преимуществом, поскольку снижает риск термического удара и деформации формы, одновременно обеспечивая необходимое образование мартенсита в сталях среднего содержания углерода. Большинство цехов предпочитают закалку маслом при работе с тонкостенными конструкциями, сложными геометрическими формами или высокоуглеродистыми сталями, где риск образования трещин значительно выше по сравнению с незначительным приростом твёрдости.
Хотя воздушное охлаждение не приводит к закалке металлов, оно способствует процессу нормализации, обеспечивая безнапряженное формирование ферритной и перлитной микроструктурных фаз.
Воздушное охлаждение при нормализации: достижение равномерного распределения феррит–перлитной структуры без остаточных напряжений
Процесс нормализации отличается от закалки тем, что в нем используется охлаждение на воздухе, а не другие, более быстрые методы. Такой более медленный подход способствует непрерывному превращению материала из аустенитной фазы в ферритную и перлитную фазы. При скорости охлаждения примерно 5 °C в секунду скорость достаточно мала, чтобы избежать возникновения термических градиентов, которые, как минимум, вызывают коробление материала и оставляют после себя остаточные напряжения. Кроме того, более низкая скорость охлаждения обеспечивает однородность размера зёрен по всему поперечному сечению — вплоть до самой внешней поверхности. Это достигает желаемого эффекта для всего поперечного сечения. При работе с деталями из низкоуглеродистой стали данный метод особенно важен для обеспечения размерной стабильности компонента, например, в сварных строительных балках или корпусах, подвергшихся прецизионной механической обработке. Такие случаи требуют, чтобы материал не проявлял никакого непредсказуемого поведения в процессе эксплуатации.
Наиболее распространенные вопросы
Какова цель отжига углеродистых сталей?
Цель отжига углеродистых сталей — восстановление пластичности и микроструктуры, чтобы сталь можно было легче обрабатывать и формовать после холодной обработки.
Как нормализация улучшает свойства углеродистой стали?
Нормализация улучшает свойства углеродистой стали, обеспечивая однородную зернистую структуру, что облегчает механическую обработку стали и снижает внутренние напряжения, что особенно важно для малых и точных деталей машин.
Какова польза закалки и отпуска для сталей среднего содержания углерода?
Польза закалки и отпуска сталей среднего содержания углерода заключается в повышении как прочности, так и ударной вязкости стали, что позволяет использовать её для изготовления крупногабаритных и более прочных конструкций.
В чём проблема закалки углеродистой стали водой?
Быстрое охлаждение при закалке углеродистой стали водой вызывает деформацию и образование трещин; однако при этом повышается твёрдость стали.
По какой причине в некоторых областях применения предпочтение отдаётся низкоуглеродистой стали?
Причина предпочтения низкоуглеродистой стали в некоторых областях применения заключается в том, что низкоуглеродистая сталь легче поддаётся сварке и формовке в таких приложениях, как панели, образующие кузова автомобилей, и детали, обеспечивающие конструкционную жёсткость транспортного средства, требования к несущей способности которых невысоки.