Термообробка сталі – це один із ключових етапів у виробництві металевих виробів, який дозволяє змінювати механічні властивості матеріалу, такі як міцність, твердість, пластичність та зносостійкість. Однак кінцевий результат термообробки багато в чому залежить від хімічного складу сталі. Різні легуючі елементи істотно впливають на фазові перетворення, теплопровідність і швидкість дифузійних процесів. У цій статті розглянемо, як хімічний склад сталі впливає на ефективність та особливості термообробки.
Основні елементи у складі сталі та їх вплив
Вуглець (C)
Вуглець – головний елемент, що впливає на властивості сталі. Його зміст визначає твердість та міцність матеріалу після термообробки. Чим вище вміст вуглецю, тим твердіше і міцніше сталь після загартування. Однак при цьому знижується пластичність та ударна в’язкість.
- До 0,3% C — низьковуглецеві сталі, які добре піддаються холодній деформації та зварюванню, але мають низьку твердість після термообробки.
- 0,3–0,6% C — середньовуглецеві сталі, які після термообробки набувають високої міцності та твердості при задовільній пластичності.
- Більше 0,6% C – високовуглецеві сталі, застосовуються там, де потрібна максимальна твердість і зносостійкість.
Марганець (Mn)
Марганець покращує гартування сталі і сприяє усуненню шкідливих сірчистих сполук. Він також підвищує міцність без суттєвого зниження пластичності. Марганець збільшує стійкість до абразивного зношування, особливо після термічної обробки.
хром (Cr)
Хром підвищує корозійну стійкість та збільшує твердість та міцність сталі. Хромовмісні сталі (наприклад, нержавіючі) після термообробки можуть зберігати свої властивості при високих температурах та в агресивних середовищах. Хром також підвищує гартування сталі, збільшуючи глибину гарту.
Нікель (Ni)
Нікель покращує пластичність та ударну в’язкість сталі, а також підвищує стійкість до корозії. Нікелеві сталі застосовуються в умовах низьких температур, оскільки нікель знижує температуру холодноламкості. У термообробці нікель покращує здатність сталі до рівномірного зміцнення.
Молібден (Mo)
Молібден підвищує міцність сталі при високих температурах і збільшує загартування. Він також сприяє зменшенню схильності до утворення тендітних структур при термообробці. Молібденозмістні сталі зберігають свої механічні властивості при температурних коливаннях і під навантаженнями.
Ванадий (V)
Ванадій покращує структуру сталі, підвищуючи її міцність та твердість за рахунок утворення дрібнодисперсних карбідів. Він також сприяє стабілізації зерен сталі при термообробці, перешкоджаючи їх укрупненню, що особливо важливо для отримання високоякісної дрібнозернистої структури.
Кобальт (Co)
Кобальт використовується для покращення жаростійкості сталі. Він підвищує характеристики міцності при високих температурах, що робить такі стали затребуваними в авіаційній та енергетичній промисловості. Кобальт також посилює гартує ефект інших легуючих елементів.
Кремній (Si)
Кремній збільшує міцність сталі і покращує її прожарювання. У процесі термообробки кремній сприяє покращенню механічних властивостей, зокрема, ударної в’язкості та твердості. Однак підвищений вміст кремнію може зробити сталь крихкою.
Титан (Ti)
Титан використовується для покращення корозійної стійкості та механічних властивостей сталі. У термообробці титановмісні сталі краще протистоять утворенню тріщин і втомним руйнуванням.
Вплив хімічного складу на процеси термообробки
Загартування
Загартування – процес, при якому сталь нагрівається до високої температури, а потім різко охолоджується. Хімічний склад сильно впливає на швидкість охолодження та типи структур, які утворюються у сталі після загартування. Наприклад, сталі з високим вмістом вуглецю і легуючих елементів, таких як хром і молібден, мають кращу гартацію, що дозволяє отримати більш міцну і тверду структуру.
Відпуск
Відпуск – це процес нагрівання загартованої сталі до проміжної температури з метою зниження внутрішніх напруг і підвищення пластичності. Хімічний склад сталі впливає на температурний діапазон відпуску та швидкість зміни властивостей. Наприклад, додавання ванадію і молібдену уповільнює процеси розпаду мартенситу, дозволяючи досягти рівномірного зміцнення при відпуску.
Нормалізація
Нормалізація сталі застосовується для поліпшення її механічних властивостей та отримання більш однорідної структури. Сталі з високим вмістом вуглецю та легуючих елементів можуть вимагати більш високих температур нормалізації для повного розчинення карбідних фаз.
Відпал
Відпал – це процес поступового нагрівання сталі та повільного охолодження для зняття внутрішніх напруг та покращення пластичності. Леговані сталі можуть вимагати більш тривалого відпалу через присутність тугоплавких карбідів та нітридів.
Вибір хімічного складу стали залежно від застосування
Хімічний склад сталі підбирається в залежності від необхідних властивостей кінцевого виробу та умов його експлуатації. Для виготовлення різальних інструментів та деталей з високою зносостійкістю використовуються сталі з високим вмістом вуглецю, хрому та ванадію. Для виробів, що працюють при високих температурах або агресивних середовищах, переважні сталі з добавками нікелю, молібдену і титану.
Хімічний склад сталі відіграє вирішальну роль у процесі термообробки. Правильно підібрані легуючі елементи дозволяють значно покращити механічні властивості матеріалу, підвищити його міцність, твердість, жаростійкість та корозійну стійкість. Успіх термообробки залежить від того, як елементи складу стали взаємодіють із тепловими процесами, визначаючи кінцеві характеристики виробу.