Термическая обработка стали: закалка, отпуск, нормализация и отжиг | Процесс термообработки металла

Термическая обработка — это важнейший производственный процесс, используемый для изменения микроструктуры и механических свойств металлов, включая сталь, алюминиевые сплавы, медные сплавы, титановые сплавы и ковкий чугун. Четыре основных метода термообработки стали — это закалка, отпуск, нормализация и отжиг.

1. Закалка

Что такое закалка?

Закалка – это процесс термообработки с быстрым охлаждением. Для стали: Нагрейте доэвтектоидную сталь выше температуры Ac₃ или заэвтектоидную сталь выше температуры Ac₁. Удерживайте температуру достаточно долго для полной или частичной аустенизации. Охладите заготовку со скоростью, превышающей критическую скорость охлаждения, быстро охлаждая ниже температуры Ms (или изотермически охлаждая около Ms), чтобы вызвать мартенситное или бейнитное превращение.

Термин «закалка» также охватывает обработку твердым раствором с быстрым охлаждением алюминия, меди, титановых сплавов и закаленного стекла.

Цели закалки

• Улучшите механические характеристики металлических компонентов. Повышение твердости и износостойкости режущего инструмента и подшипников; повысить предел упругости пружин; улучшить комплексные механические свойства деталей вала.
• Оптимизируйте химические характеристики и характеристики материалов специальных марок стали, например, улучшайте коррозионную стойкость нержавеющей стали и постоянный магнетизм магнитной стали.

Распространенные способы закалки: одножидкостная закалка, двухжидкостная закалка, маркировка (ступенчатая закалка), изотермическая закалка, локальная закалка.

Особенности стали после закалки

1. Образуют нестабильные микроструктуры: мартенсит, бейнит и остаточный аустенит.
2. Создание высоких внутренних остаточных напряжений.
3. Механические свойства не могут соответствовать окончательным требованиям эксплуатации.

По этой причине детали из закаленной стали почти всегда требуют последующего отпуска.

2. Закалка

Что такое темперирование?

Отпуск проводится сразу после закалки, обычно это последний этап термической обработки стальных заготовок. Процесс: Нагрейте закаленные металлические детали до заданной температуры, выдержите заданное время, затем охладите в контролируемых условиях. Комбинированный процесс закалки и высокотемпературного отпуска известен как закалка и отпуск (Q&T).

Ключевые цели закалки

• Уменьшить внутреннее напряжение и хрупкость. Незакаленные детали склонны к деформации и растрескиванию.
• Регулируйте механические свойства: твердость, прочность, пластичность и ударную вязкость для удовлетворения различных требований применения.
• Стабилизируйте размеры и металлургическую структуру заготовки, чтобы предотвратить деформацию при длительном использовании.
• Улучшение обрабатываемости некоторых легированных сталей.

Как работает закалка

Повышенная температура увеличивает подвижность атомов. Железо, углерод и легирующие элементы диффундируют и перестраивают атомы, превращая нестабильные закаленные микроструктуры в стабильные равновесные структуры. Внутреннее напряжение снимается, поскольку предел текучести металла падает при более высоких температурах.

Для большинства сталей: твердость и прочность уменьшаются, а пластичность повышается с повышением температуры отпуска. Некоторые высоколегированные стали подвергаются вторичной закалке: в определенном диапазоне температур образуются мелкие металлические выделения, повышающие прочность и твердость.

Три категории закалки по температуре

• Низкотемпературный отпуск (150–250°C). Незначительное снижение твердости, снижение остаточных напряжений и незначительное улучшение ударной вязкости. Применение: измерительные инструменты, режущие ножи, подшипники качения.
• Среднетемпературный отпуск (350–500°C). Обеспечивает высокую эластичность, а также сбалансированную пластичность и твердость. Применение: пружины, ковочные штампы.
• Высокотемпературный отпуск (500–650°C). Превосходные механические свойства (высокая прочность + хорошая ударная вязкость). Применение: шестерни, коленчатые валы.

Хрупкость закалки

• 1-й тип отпускной хрупкости: сталь становится хрупкой при температуре около 300°C. Избегайте отпуска в этом температурном диапазоне.
• 2-й тип отпускной хрупкости: некоторые конструкционные стали из среднеуглеродистых сплавов становятся хрупкими при медленном охлаждении после высокотемпературного отпуска. Добавляйте молибден в сталь или используйте масляно-водяное охлаждение после отпуска, чтобы предотвратить хрупкость. Устранить ее можно повторным нагревом до исходной температуры отпуска.

3. Нормализация

Что такое нормализация?

Нормализация — это процесс термообработки с воздушным охлаждением, предназначенный для измельчения зерен и повышения ударной вязкости стали. Нагрейте стальные детали до температуры на 30–50°C выше температуры Ac₃, выдержите, а затем свободно охладите на открытом воздухе. Скорость охлаждения: быстрее, чем отжиг, медленнее, чем закалка. Умеренно быстрое охлаждение улучшает зернистую структуру, повышает ударную вязкость (значение AKV) и снижает риск растрескивания. Отливки, поковки и горячекатаные листы из низколегированной стали после нормализации приобретают лучшие механические свойства и обрабатываемость.

Применение и преимущества нормализации

• Доэвтектоидная сталь: Удалите перегретые крупные зерна, видманштеттенову структуру и полосчатую структуру в отливках, поковках и сварных изделиях. Очистка зерна; используется в качестве предварительной термической обработки перед закалкой.
• Заэвтектоидная сталь: Устраните сетчатый вторичный цементит и очистите перлит. Улучшите механические характеристики и подготовьте материал для последующего сфероидизирующего отжига.
• Низкоуглеродистый стальной лист для глубокой вытяжки: удалите свободный цементит по границам зерен, чтобы улучшить способность к глубокой вытяжке.
• Низкоуглеродистая/низколегированная сталь: получение тонкого пластинчатого перлита, повышение твердости до HB 140–190, предотвращение наростов (застревания ножа) во время обработки. Более рентабельно, чем отжиг среднеуглеродистой стали, когда работает любой процесс.
• Среднеуглеродистая конструкционная сталь: замените Q&T для сценариев с низкими механическими требованиями, более простой эксплуатации и стабильной структуры и размеров.
• Высокотемпературная нормализация (на 150–200°C выше Ac₃): Уменьшает химическую сегрегацию в отливках и поковках. Крупные зерна, полученные в результате высокотемпературной нормализации, можно измельчить путем вторичной низкотемпературной нормализации.
• Низко/среднеуглеродистая легированная сталь для котлов и турбин: создание бейнитной микроструктуры с последующим высокотемпературным отпуском, обеспечивающим хорошее сопротивление ползучести при 400–550°C.
• Ковкий чугун: широко применяется для получения перлитной матрицы и повышения прочности на разрыв.

На результаты нормализации влияют температура окружающей среды, способ штабелирования, поток воздуха и размер заготовки. Легированные стали можно классифицировать по микроструктуре после нормализации (образец диаметром 25 мм, нагретый до 900°С, затем охлаждаемый на воздухе): перлитная сталь, бейнитная сталь, мартенситная сталь и аустенитная сталь.

4. Отжиг

Что такое отжиг?

Отжиг – это смягчающая термическая обработка. Медленно нагрейте металл до заданной температуры, выдержите достаточно долго, затем охладите с контролируемой низкой скоростью. Распространенные виды отжига: полный отжиг, сфероидизирующий отжиг, изотермический отжиг, рекристаллизационный отжиг, графитизационный отжиг, диффузионный отжиг, отжиг для снятия напряжений. Механические свойства можно проверить испытанием на растяжение или испытанием на твердость. Многие изделия из стали поставляются в отожженном состоянии. Для проверки твердости используются твердомер Роквелла и поверхностный измеритель Роквелла (HRT).

Цели отжига

• Устраните структурные дефекты и остаточные напряжения, возникающие во время литья, ковки, прокатки и сварки, чтобы избежать деформации и растрескивания заготовок.
• Смягчение сырья для облегчения обработки.
• Уточните зерно и оптимизируйте микроструктуру для улучшения механических характеристик.
• Подготовьте идеальную металлургическую структуру для последующей окончательной термообработки (закалки и отпуска).

Общие процессы отжига

• Полный отжиг Улучшает грубую перегретую микроструктуру в отливках, поковках и сварных изделиях из низко- и среднеуглеродистой стали. Нагрейте до температуры на 30–50°C выше полной температуры превращения феррита в аустенит, выдержите, затем медленно охладите печь. Аустенит повторно преобразуется во время охлаждения, измельчая стальные зерна.
• Сфероидизирующий отжиг. Уменьшает высокую твердость кованой инструментальной и подшипниковой стали. Нагрейте на 20–40°C выше температуры зарождения аустенита, выдержите, затем медленно охладите. Пластинчатый цементит внутри перлита становится сферическим, что снижает твердость.
• Изотермический отжиг Пониженная твердость конструкционной стали из сплава Ni-Cr для механической обработки. Быстро охладить аустенит до нестабильной температуры, выдержать до превращения аустенита в троостит или сорбит.
• Рекристаллизация Отжиг Удаление наклепа (повышение твердости, снижение пластичности) у холоднотянутой проволоки и холоднокатаных тонких листов. Нагрейте на 50–150°C ниже температуры начала образования аустенита, чтобы восстановить пластичность металла.
• Графитизационный отжиг Преобразование высокоцементитного чугуна в ковкий чугун с хорошей пластичностью. Нагрейте отливку до ~950°C, выдержите и охладите как следует, чтобы цементит разложился на хлопьевидный графит.
• Диффузионный отжиг (гомогенизационный отжиг) Гомогенизирует химический состав отливок из сплава. Нагрейте около точки плавления, не плавя, длительное время выдержки для диффузии элементов, затем медленное охлаждение.
• Отжиг для снятия напряжений. Удалите остаточные напряжения в стальных отливках и сварных деталях. Нагрейте стальные детали на 100–200°C ниже температуры начала образования аустенита, затем охладите их на воздухе, чтобы снять внутренние напряжения.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: В чем разница между отжигом и нормализацией?

Ответ: При отжиге используется медленное охлаждение в печи, а при нормализации используется воздушное охлаждение. Нормализация имеет более высокую скорость охлаждения, более мелкие зерна и более высокую твердость по сравнению с отжигом.

Вопрос: Для чего используются закалка и отпуск?

Ответ: Закалка и отпуск (Q&T) обеспечивают сбалансированную прочность и ударную вязкость, широко используются для зубчатых колес, коленчатых валов и механических компонентов, работающих при тяжелых нагрузках.

Вопрос: Что такое отжиг для снятия напряжения?

Ответ: Отжиг для снятия напряжений — это процесс термообработки, позволяющий устранить остаточное напряжение, возникающее при литье, ковке и сварке, предотвращая деформацию и растрескивание деталей.