Особенности термической обработки легированной стали

Различие в термической обработке легированной и углеродистой сталей состоит в выборе различных температур и скорости нагрева, длительности выдержки при этих температурах и способе охлаж­дения.

Легированные  стали  менее  теплопро­водны  по сравнению с углеродистыми. Это необходимо учитывать и особенно осторожно нагревать детали из стали, содержащей такие элементы, как вольфрам.

Критические температуры у одних легированных сталей выше, у других — ниже; выбор температур термической обработки про­изводится в зависимости от содержания в стали легирующих эле­ментов.

Все легирующие элементы можно разбить на две группы: эле­менты, повышающие критические точки А_С1 и А _С3,а следователь­но, и температуры нагрева при термической обработке и элементы, понижающие критические точки. К первой группе от­носятся Сu, V, W, Si, Mo, Ti, Nb и др. В связи с этим от­жиг, нормализация и закалка сталей, содержащих перечис­ленные элементы, производят­ся при более высоких тем­пературах, чем отжиг, нор­мализация и закалка углеро­дистых сталей. Ко второй группе элементов относятся Mn, Niи др. При выборе тем­пературы термической обра­ботки имеет значение склон­ность аустенитного зерна к росту.

Все легирующие элементы, за исключением Μn, препятствуют росту аустенитного зерна при нагреве. Особенно сильное влияние на уменьшение роста аустенитного зерна оказывают элементы, обра­зующие в сталях карбиды (Сr, Mo, W, V, Ti): карбиды располагают­ся по границам зерна и затрудняют его рост при нагреве. Таким образом, легированные стали (за исключением марганцевистых) при термической обработке не склонны к перегреву; нагревать их можно до более высоких температур, чем углеродистые стали.

Время  выдержки  устанавливается несколько большее, чем для углеродистых сталей, так как легированная сталь обладает худшей теплопроводностью и полный прогрев изделия требует боль­шего времени. Кроме того, для получения лучших механических свойств необходима выдержка, чтобы полностью растворились леги­рованные карбиды в аустените.

Скорость  охлаждения при термической обработке устанавливается в соответствии с устойчивостью переохлажденного аустенита и величиной критической скорости закалки. Практически это приводит к тому, что многие легированные стали закаливаются на мартенсит в масле, т. е. при меньшей скорости охлаждения, чем углеродистая сталь.

Легированная  сталь  обладает  большей  прокаливаемостью, чем выше степень легированности сталей, тем более глубокой прокаливаемостью они обладают (рис. 1). Легирующие элементы в стали влияют на устойчивость мар­тенсита при отпуске

Рис. 1.   Зависимость    прокаливае­мости от содержания в стали   леги­рующих элементов:

1— стали низкой прокаливаемости (углеро­дистые),

2 — стали средней прокаливаемости (например, хромистые),

3 — стали повышен­ной прокаливаемости (например, хромоникелевые),

4 — стали высокой прокаливаемости (хромомарганцевокремниевые и другие сложнолегированные); закаленный слой заштрихован

Например, в инструментальных быстрорежущих сталях карбидообразующие элементы W, Mo, V, Сг способствуют образованию красностойкого мартенсита. Благодаря этому высокая твердость стали сохраняется до температур 560—600° С, тогда как мартенсит углеродистой стали начинает распадаться при 200—240° С, что снижает твердость стали. Высокая красностойкость — весьма цен­ное свойство инструментальной стали. Инструмент в процессе реза­ния нагревается, и, если сталь не красностойка, она теряет твер­дость и режущие свойства.

Кроме перечисленных особенностей, при отпуске легированной стали можно наблюдать явление отпускной хрупкости, т. е. пони­жение ударной вязкости, происходящее несмотря на уменьшение твердости. Причиной отпускной хрупкости является выделение хрупких фаз по границам зерен у таких широко распространенных сталей, как хромистые, хромоникелевые и др. Можно полностью избежать отпускной хрупкости, охлаждая такую сталь после отпус­ка не на воздухе, а в масле (крупные детали — даже в воде), а также применяя хорошо раскисленную сталь или другие марки стали, содержащие молибден или вольфрам, препятствующие выделению хрупких фаз.

Отметим, наконец, еще одну важную особенность термической обработки легированной стали. При закалке большинства сталей часть зерен высоколегированного аустенита мартенситного превра­щения не претерпевает, и в структуре стали сохраняется некоторое количество остаточного аустенита. Так как аустенит имеет невысо­кую твердость (НВ 170 - 220), закаленная сталь обладает несколь­ко меньшей твердостью и пониженной износоустойчивостью. Значи­тельного превращения остаточного аустенита в мартенсит отпуском у не удается добиться. Исследования, проведенные советскими уче­ными, показали, что превращения остаточного аустенита в мартенсит можно достигнуть глубоким охлаждением до минус 65 —минус 70° С. После выдержки изделий при низких температурах в течение 1—2 часов в их структуре происходит полное превращение остаточ­ного аустенита в мартенсит, и твердость, а вместе с ней и износоус­тойчивость изделий повышаются.