Основы термической обработки металлических изделий

1. Понятие термической обработки

Термической обработкой называют технологические процессы теплового воздействия, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий по определенным режимам с целью изменения структуры и свойств сплава.

Любой процесс термической обработки может быть описан графиком в координатах «температура — время». Параметрами процесса термической обработки являются:

1. максимальная температура нагрева (t_max) сплава;
2. время выдержки (τ_max) сплава при температуре нагрева;
3. скорость нагрева (v_н) и охлаждения (v_о).

Термическая обработка изменяет в нужном направлении прочностные, пластические и другие свойства материала изделий. В основе теории термической обработки лежат фазовые и структурные превращения, протекающие при нагреве и охлаждении металлов и сплавов. Эти превращения характеризуются определенными критическими точками. При медленном нагреве от комнатной температуры до 727°С в сплаве I фазовых изменений не происходит (рис. 1).

При температуре 727°С перлит превращается в аустенит (точка а). Точку а на диаграмме называют нижней критической точкой и обозначают Aс1 (при охлаждении — Аr1). Буквы c и r указывают на то, что превращение происходит соответственно при нагреве или охлаждении стали, а индекс единица внизу этих букв — на точки, образующие линию PSK. При дальнейшем нагреве сплава I зёрна феррита растворяются в аустените. Растворение аустенита заканчивается в точке а (линия GS), которую называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве Ас3, охлаждении — Аr3.

Если нагревать эвтектоидный сплав II, то перлит в точке S (линия PSK) при 727°С превращается в аустенит. Критические точки Ac1 и Ас3 при этом совпадают. Перлит сплава III при 727°С превращается в аустенит (точка b).

Дальнейший нагрев сплава III вызывает растворение цементита (вторичного) в аустените. В точке b1, лежащей на линии SE, процесс растворения заканчивается. Эту точку обозначают Аcm. Таким образом, на диаграмме «железо — цементит» критические точки, образующие линию PSK, обозначают Ac1 (при нагреве) и Ar1 (при охлаждении), точки по линии GS — Ас3 и Аr3, по линии SE — Acm. Знание критических точек облегчает изучение процессов термической обработки сталей.

2. Превращения в стали при нагреве

Нагрев стали при термической обработке используют для получения аустенита.

Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до нижней критической точки при охлаждении (Ас1) состоит из зерен перлита и феррита (см. рис. 9). В точке Ас1 происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. Образовавшийся аустенит неоднороден даже в объеме одного зерна. В тех местах, где раньше были пластинки цементита, содержание углерода значительно больше, чем в тех местах, где находились пластинки феррита. Для выравнивания химического состава и получения однородного аустенита доэвтектоидную сталь нагревают немного выше верхней критической точки Ас3 и выдерживают некоторое время при этой температуре для завершения диффузионных процессов. По окончании процесса превращения перлита в аустенит образуется большое количество мелких аустенитных зерен. Эти зерна называют начальными зернами аустенита.

Дальнейший нагрев стали или увеличение выдержки приводят к росту аустенитного зерна. Зерно, полученное в стали в результате той или иной термической обработки, называют действительным зерном.

Но склонность к росту аустенитных зерен с повышением температуры нагрева различна. Стали, раскисленные кремнием и марганцем в процессе плавки, обладают большой склонностью к непрерывному росту зерен аустенита при повышении температуры. Такие стали называют наследственно крупнозернистыми. К ним относят кипящие стали. Стали, раскисляемые в процессе выплавки дополнительно алюминием и, в особенности, легированные титаном или ванадием, мало склонны к росту зерна аустенита при нагреве до 950…1000°С. Такие стали называют наследственно мелкозернистыми. К ним относят спокойные стали.

От размера действительного зерна зависят механические свойства стали, главным образом — ударная вязкость. Она значительно понижается с увеличением размера зерна. Размер действительного зерна стали зависит от размера зерна аустенита. Размер наследственного зерна оказывает влияние на технологические свойства стали. Если сталь наследственно мелкозернистая, то ее можно нагревать до более высокой температуры. Горячую обработку давлением — прокатку, ковку, объемную штамповку — наследственно мелкозернистой стали начинают и оканчивают при более высокой температуре, не опасаясь получения крупнозернистой структуры. Для определения размера наследственного (аустенитного) зерна применяют различные методы.

3. Превращения в стали при охлаждении

Аустенит устойчив только при температуре выше 727°С. При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния, аустенит становится неустойчивым — начинается его превращение. Такое превращение может начаться только при некотором переохлаждении аустенита. В случае использования эвтектоидной углеродистой стали аустенит превратится в перлит, т.е. в механическую смесь феррита и цементита. При этом чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение и тем быстрее будет происходить превращение аустенита в перлит. Это превращение сопровождается диффузионным перераспределением углерода, и чем ниже температура переохлаждения, тем медленнее протекает процесс диффузии, что, в свою очередь, замедляет превращение аустенита в перлит.

Противоположное действие обоих факторов (переохлаждения и диффузии) приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, а затем убывает. Процесс превращения аустенита в перлит экспериментально проводят при постоянной температуре, т.е. в изотермических условиях. Для этого образцы из стали нагревают до температуры, при которой она состоит из однородного аустенита, а затем быстро переносят в термостаты с заданной температурой.

Превращение аустенита при постоянной температуре обобщается и изображается наглядно в виде диаграммы изотермического превращения (рис. 2).

Эта диаграмма строится на основе исследований при постоянных температурах (700, 650, 550°С и т.д.). По горизонтальной оси диаграммы наносят время в логарифмической шкале: 1, 10, 100, 1000, 10 000 и 100 000°С. По вертикальной оси откладывают температуру. Далее на диаграмме проводят утолщенные С-образные линии, отвечающие полученным экспериментальным путем точкам изотермического превращения аустенита. На диаграмме изотермического превращения в зависимости от степени переохлаждения различают три температурные области превращения: перлитную, бейнитную и мартенситную.

Мартенситное превращение, в отличие от перлитного, имеет бездиффузионный характер. Мартенсит является основной структурой закаленной стали. Он имеет высокую твердость, зависящую от содержания углерода в стали. Чем больше содержится углерода в мартенсите, тем выше твердость стали.

4. Аустенитно-мартенситное превращение

Аустенитно-мартенситное превращение происходит в некотором интервале температур. Начинается превращение при температуре Мн (температуре начала мартенситного превращения), а заканчивается при более низкой температуре Мк. Чем больше в стали углерода, тем ниже температура точек Мн и Мк. При содержании углерода более 0,6% мартенситное превращение оканчивается при температурах ниже нуля. Поэтому для того чтобы в высокоуглеродистых сталях получить большее количество мартенсита, их следует охлаждать до температур ниже 0°С.

Но при температуре конца мартенситного превращения (точка Мк) не происходит полное образование мартенсита. Аустенит частично остается не превращенным в мартенсит и называется остаточным аустенитом. В конструкционных углеродистых сталях остаточный аустенит составляет приблизительно 5%. Закаленные высокоуглеродистые стали содержат большее количество остаточного аустенита — до 12%. При аустенитно-мартенситном превращении изменяется объем образующихся структур. Максимальный объем имеет структура мартенсита, меньший объем — структура троостита, еще меньший — сорбита и перлита и минимальный объем имеет структура аустенита.

Бейнитное (промежуточное) превращение при изотермической выдержке углеродистых сталей происходит в интервале температур 500…250°С с образованием структуры, называемой бейнитом. Это превращение характеризуется сочетанием как перлитного (диффузионного), так и мартенситного (бездиффузионного) превращения. Начинается бейнитное превращение с перераспределения углерода в аустените. Благодаря этому в аустените образуются обогащенные и обедненные углеродом участки. Цементит выделяется в участках, обогащенных углеродом, в результате чего образуются участки аустенита, обедненные углеродом. В этих участках, а также в уже имеющихся участках, обедненных углеродом, идут мартенситное превращение, а затем — распад цементита, в результате чего образуется ферритоцементитная смесь. При температуре изотермической выдержки более 350°С образуется верхний бейнит (НВ 450) с перистым строением, напоминающим строение перлита. При температуре изотермической выдержки менее 350°С образуется нижний бейнит (НВ 550), имеющий игольчатое строение, похожее на строение мартенсита.

5. Отжиг

Отжиг — процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение. В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига:

1. диффузионный;
2. полный;
3. изотермический;
4. неполный;
5. сфероидизирующий;
6. рекристаллизационный.

Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) применяют для уменьшения химической неоднородности стальных слитков и фасонных отливок. Слитки (отливки), особенно из легированной стали, имеют неоднородное строение. Неоднородность строения обусловлена карбидной и дендритной ликвациями, так как в местах образования карбидов или в средней части дендритов возникают скопления легирующих элементов. Для выравнивания химического состава слиток или отливку нагревают до высокой температуры, при которой атомы элементов приобретают большую подвижность. При этом происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией химических элементов в места с меньшей концентрацией. В результате такой диффузии обеспечивается выравнивание химического состава слитка или отливки по объему.

Полный отжиг применяют для доэвтектоидной стали, в основном — после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Время выдержки при отжиге складывается из времени, необходимого для полного прогрева детали, и времени, нужного для окончания структурных превращений.

Неполный отжиг обеспечивается при нагреве изделий из заэвтектоидной стали выше нижней критической температуры при нагревании на 30…50°С, выдержке и последующем медленном охлаждении. При неполном отжиге происходят снятие внутренних напряжений, снижение твердости, повышение пластичности, улучшение обрабатываемости резанием.

Поскольку требуется меньшая температура нагрева, чем при полном отжиге, то на обработку тратится меньше времени и теплоты, что обеспечивает экономичность процесса. Неполному отжигу подвергают высокоуглеродистые заэвтектоидные стали и стали инструментальные, шарикоподшипниковые и др.

Изотермический отжиг отличается тем, что распад аустенита на ферритоцементитную смесь происходит при постоянной температуре. После того как уже произошел распад аустенита, скорость охлаждения не имеет существенного значения, и поэтому охлаждение после изотермической выдержки можно проводить на воздухе. Изотермический отжиг заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30– 50°С выше нижней критической точки при нагревании (конструкционные стали) и выше нижней критической точки при нагревании на 50–100°С (инструментальные стали). После выдержки сталь медленно охлаждают в расплавленной соли до температуры несколько ниже нижней критической точки при охлаждении (680…700°С). При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита в перлит, а затем охлаждают на спокойном воздухе.

Изотермический отжиг сокращает продолжительность термической обработки небольших по размерам изделий из легированных сталей в 2–3 раза по сравнению с полным отжигом. Для крупных изделий такого выигрыша по времени не получается, так как требуется большое время для выравнивания температуры по объему изделия. Изотермический отжиг является лучшим способом снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием сложнолегированных сталей, например 18Х2НЧВА.

Сфероидизирующий отжиг обеспечивает превращение пластинчатого перлита в зернистый, сфероидизированный. Это улучшает обрабатываемость сталей резанием. Отжиг на зернистый перлит производят по режиму: нагрев стали немного выше нижней критической точки при нагревании с последующим охлаждением сначала до 700°С, затем до 550—600°С и далее на воздухе. Сфероидизирующий отжиг применяют для сталей, содержащих более 0,65% C, например шарикоподшипниковые стали типа ЩХ15.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа, вызванного пластической деформацией металла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Рекристаллизационный отжиг выполняют путем нагрева до температуры ниже нижней критической точки при нагревании (650…700°С), выдержки и последующего замедленного охлаждения. При нагреве металла до 650—700°С (рекристаллизационный отжиг) возрастает диффузионная подвижность атомов и в твердом состоянии происходят вторичные кристаллизационные процессы (рекристаллизация). На границах деформированных зерен возникают новые центры кристаллизации, вокруг которых заново строится решетка. Вместо старых деформированных зерен вырастают новые равноосные зерна, и деформированная структура полностью исчезает. При этом восстанавливаются первоначальная структура и свойства металла.

Наклепом называют упрочнение металла, появляющееся в результате холодной пластической его деформации.

При холодной прокатке, штамповке, волочении зерна металла деформируются, дробятся. Это повышает его твердость, снижает пластичность и вызывает хрупкость металла.

6. Закалка

Закалка — это процесс термической обработки, при которой сталь нагревают до оптимальной температуры, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышаются прочность и твердость и понижается пластичность конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и охлаждения.

Основными параметрами закалки являются скорость нагрева и скорость охлаждения. Скорость нагрева и время выдержки зависят от химического состава стали, размеров, массы и конфигурации закаливаемых деталей, типа нагревательных печей и нагревательной среды. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей, тем медленнее происходит нагрев. Детали из высокоуглеродистых и легированных сталей, имеющих пониженную теплопроводность, нагревают медленно и с более длительной выдержкой при нагреве по сравнению с деталями из низкоуглеродистых сталей. Это делается для того, чтобы уменьшить деформацию деталей при нагреве. Скорость нагрева и продолжительность выдержки определяют экспериментально или по технологическим картам, в которых указывают температуру, время нагрева для каждого вида деталей или инструмента. Ориентировочно время нагрева в электрических печах принимают 1,5…2 мин на 1 мм сечения изделия. Оборудованием для нагрева стали служат нагревательные термические печи и печи-ванны, которые подразделяют на электрические и топливные, обогреваемые сжиганием топлива (газа, мазута, угля и др.). Средой, в которой нагревают сталь, являются в печах — газовая среда (воздух, продукты сгорания топлива), нейтральный газ; в печах-ваннах — минеральные масла, расплавленные соли и металлы. При нагреве в электрических печах в среде атмосферного воздуха, а также в печах с газовой средой сталь, взаимодействуя со средой, окисляется и на ее поверхности образуется окалина. Кроме того, происходит обезуглероживание— частичное выгорание углерода в поверхностных слоях стали, что снижает прочностные свойства материала после закалки. Наиболее благоприятен нагрев в печах с нейтральной или защитной атмосферой, обеспечивающей предохранение деталей от окисления. Нагрев стали до требуемой температуры и выдерживание при этой температуре необходимо проводить как можно быстрее. Чем меньше сталь будет находиться в условиях высоких температур, тем выше будут ее свойства после закалки.

7. Виды закалки

Закалка в одной среде — наиболее простой и распространенный способ. Деталь или инструмент, нагретые до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость, в которой она находится до полного охлаждения. Его используют при ручной и механизированной закалке, когда детали автоматически поступают из печи после нагрева в закалочную жидкость, в воду или масло. Недостатком этого способа закалки является то, что деталь охлаждается по сечению неравномерно и в ней возникают большие термические напряжения.

При закалке в двух средах, или прерывистой закалке, деталь, нагретую до заданной температуры, сначала погружают в быстро охлаждающую среду — воду, а затем переносят деталь в медленно охлаждающую среду — масло. Такую закалку применяют для обработки инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали.

Ступенчатая закалка заключается в том, что нагретые детали сначала охлаждают до температуры несколько выше мартенситной точки в горячем масле или расплавленной соли, а затем, после короткой изотермической выдержки, охлаждают на воздухе.

Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита.

Закалку с подстуживанием применяют для уменьшения разницы в температурах металла и закалочной среды, если деталь нагрета до температуры, значительно превышающей температуру закалки данной стали. Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду выдерживают (подстуживают) на спокойном воздухе.

Закалка с самоотпуском состоит в том, что нагретую деталь рабочей частью погружают в закалочную среду и выдерживают в ней не до полного охлаждения. За счет тепла нерабочей части детали, которая не погружалась в закалочную жидкость, рабочая часть детали или инструмента нагревается. Температуру отпуска при этом способе закалки определяют по цветам побежалости, возникающим на поверхности детали при температурах 220…300°С. Закалку с самоотпуском применяют для обработки зубил, кернеров, бородков и других ударных инструментов, у которых твердость должна плавно понижаться от рабочей части к нерабочей.

Закалка с обработкой холодом заключается в продолжении охлаждения закаленной стали до температуры ниже комнатной для дополнительного более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит и повышения твердости.

8. Отпуск

Отпуск — процесс термической обработки, состоящий в нагреве закаленной стали до температуры ниже нижней критической точки при нагревании, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении (обычно на воздухе).

Цели отпуска:

1. получение более устойчивого структурного состояния;
2. устранение или уменьшение напряжений;
3. повышение вязкости и пластичности;
4. понижение твердости и уменьшение хрупкости закаленной стали.

Правильное выполнение отпуска в значительной степени определяет качество закаленной детали. Температура отпуска варьируется в широких пределах — от 150 до 700°С в зависимости от его цели (рис. 3). На этом рисунке σ_в— предел прочности при растяжении; δ — относительное удлинение; Ψ — относительное сужение. Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск характеризуется нагревом в интервале 150…250°С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей, после цементации и т.д.

Средний отпуск производится при температурах 300…500°С для получения структуры троостита отпуска. Твердость сталей заметно понижается, вязкость увеличивается. Этот отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при достаточной вязкости.

Высокий отпуск выполняется при температурах 500…650°С. В процессе высокого отпуска мартенсит распадается с образованием структуры сорбита отпуска. Эта структура обеспечивает лучшее сочетание прочности и пластичности стали. Применяется этот вид отпуска для деталей из конструкционных сталей, работающих при ударных нагрузках. Закалку стали с последующим высоким отпуском называют улучшением. Конструкционные стали 35, 45, 40Х в результате улучшения получают более высокие механические свойства. Отпуск закаленных деталей проводят непосредственно после закалки, так как возникшие в них внутренние напряжения могут вызвать образование трещин. Недогрев, ведущий к недоотпуску, получается при заниженных температурах отпуска или недостаточном времени выдержки.

9. Нормализация. Дефекты при обжиге и нормализации

Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры на 30—50°С выше верхних критических точек при нагревании и охлаждении, выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией. При нормализации уменьшаются внутренние напряжения, происходит перекристаллизация стали, измельчающая крупнозернистую структуру металла сварных швов, отливок или поковок. Нормализация стали по сравнению с отжигом является более коротким процессом термической обработки. Сплавы после нормализации приобретают мелкозернистую структуру и несколько большую прочность и твердость, чем при отжиге. Нормализацию применяют для исправления крупнозернистой структуры, улучшения обрабатываемости стали резанием, улучшения структуры перед закалкой. В процессе отжига и нормализации могут возникнуть следующие дефекты: окисление, обезуглероживание, перегрев и пережог металла. Металл окисляется при взаимодействии поверхностей стальных деталей с печными газами. В результате на деталях образуется окалина — химическое соединение металла с кислородом. Образование окалины не только вызывает угар металла на окалину, но и повреждает поверхность деталей. Поверхность стали под окалиной получается разъеденной и неровной. Обезуглероживание, т.е. выгорание углерода с поверхности деталей, происходит при окислении стали. Обезуглероживание резко снижает прочностные свойства конструкционной стали. Обезуглероживание поверхности может вызвать образование закалочных трещин и коробление. Для предохранения деталей от окисления и от обезуглероживания при отжиге, нормализации и закалке используют безокислительные газы, которые вводят в рабочее пространство печи.

При нагреве стали выше определенных температур и длительных выдержках в ней происходит быстрый рост зерен, ведущий к возникновению крупнокристаллической структуры. Это явление называют перегревом. Перегрев ведет к понижению пластических свойств стали. Он может быть исправлен последующей термической обработкой — отжигом или нормализацией. Пережог получается в результате длительного пребывания металла в печи при высокой температуре, близкой к температуре плавления. Физическая сущность пережога состоит в том, что кислород при высокой температуре проникает вглубь нагреваемого металла и окисляет границы зерен. В результате связь между зернами ослабевает, металл теряет пластичность и становится хрупким.

10. Дефекты при закалке

В процессе нагрева под закалку и при закалке могут появляться следующие дефекты: трещины, деформация и коробление, обезуглероживание, мягкие пятна и низкая твердость. Закалочные трещины — это неисправимый брак, образующийся в процессе термической обработки. Они являются следствием возникновения больших внутренних напряжений. В штампах крупных размеров закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому штампы целесообразно охлаждать до 150—200°С с быстрым последующим отпуском. Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве) и большой скорости охлаждения в деталях, конструкция которых имеет резкие переходы поверхностей, грубые риски, оставшиеся после механической обработки, острые углы, тонкие стенки и т.д.

Деформация и коробление деталей происходят в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений, обусловливающих возникновение внутренних напряжений в металле при нагреве и охлаждении. При закалке стали коробление деталей может происходить и без значительных объемных изменений в результате неравномерного нагрева и охлаждения.

Окисление и обезуглероживание происходят, в основном, от взаимодействия печных газов или расплавленных солей с поверхностными слоями детали при нагреве под закалку. Этот дефект особенно опасен на режущем инструменте, в несколько раз снижая его стойкость.

Мягкие пятна — это участки с пониженной твердостью на поверхности детали или инструмента. Такие дефекты образуются при закалке в процессе охлаждения в закалочной среде, когда на поверхности детали отмечены окалина, следы загрязнений и участки с обезуглероженной поверхностью, а также в случае недостаточно быстрого движения детали в закалочной среде и образования на поверхности детали паровой рубашки. Низкая твердость чаще всего наблюдается при закалке инструмента. Причинами низкой твердости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной среде, низкая температура закалки, а также недостаточная выдержка при нагреве под закалку. Для исправления этого дефекта деталь следует подвергнуть высокому отпуску и снова закалить.

Перегрев деталей под закалку увеличивает зернистость металла и, следовательно, ухудшает его механические свойства. Металл приобретает повышенную хрупкость. Для повторной закалки деталей их следует подвергнуть отжигу с целью измельчения зерна.

Недогрев получается, если температура закалки была ниже критической точки. Недогрев исправляют отжигом, после которого деталь снова закаливают.

11. Термомеханическая обработка стали

Термомеханическая обработка — метод упрочнения стали при сохранении достаточной пластичности, совмещающий пластическое деформирование и упрочняющую термическую обработку (закалку и отпуск). При термомеханической обработке деформации подвергают сталь в аустенитном состоянии, а при последующем быстром охлаждении формирование структуры закаленной стали (мартенсита) происходит в условиях наклепа аустенита, в связи с чем и повышаются механические свойства стали. Пластическое деформирование при термомеханической обработке возможно прокаткой, ковкой, штамповкой и другими способами обработки металлов давлением. Различают следующие способы термомеханической обработки — высокотемпературную и низкотемпературную обработки (рис. 4).

При высокотемпературной термомеханической обработке сталь нагревают выше точки Ас3, пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 20…30%) и закаливают.

При низкотемпературной термомеханической обработке сталь нагревают выше точки Ас3, охлаждают до температуры относительной устойчивости аустенита, но ниже температуры рекристаллизации, пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 75…95%) и закаливают. В обоих случаях после закалки следует низкий отпуск.

Высокотемпературной термомеханической обработке можно подвергать любые стали, а низкотемпературной — только стали с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита (легированные стали). По сравнению с обычной закалкой после термомеханической обработки механические свойства получаются более высокими. Наибольшее упрочнение достигается после низкотемпературной термомеханической обработки (σ_в= 2800…3300 МПа, δ = 6%), после обычной закалки и низкого отпуска предел прочности σ_в не превышает 2000…2200 МПа и δ = 3…4%, где δ — относительное удлинение.

При термомеханической обработке стали повышение прочности объясняется тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен. При последующей закалке из такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, что положительно сказывается на пластических свойствах и вязкости стали.

12. Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка — процесс химического и термического воздействия на поверхностный слой стали с целью изменения его состава, структуры и свойств.

Химико-термическую обработку применяют для повышения:

1. твердости поверхности стали;
2. износостойкости;
3. коррозионной стойкости;
4. кислотоустойчивости и других свойств.

Химико-термическая обработка широко применяется в машиностроении, так как является одним из наиболее эффективных методов упрочнения стальных деталей для повышения их долговечности.

Химико-термической обработке можно подвергать различные по размерам и форме детали и получать обработанный слой одинаковой толщины. При химико-термической обработке за счет изменения химического состава поверхностного слоя достигается большое различие свойств поверхности и сердцевины детали. Недостатком процессов химико-термической обработки является их малая производительность.

Химико-термическая обработка основана на диффузии атомов различных химических элементов в кристаллическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы. Химико-термическая обработка состоит из следующих процессов:

1. диссоциация — получение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии: 2NH₃ ↔ 2N + 3H₂; CH₄ ↔ C + 2H₂ и т.д.;

1. абсорбция — поглощение активных атомов насыщающего элемента поверхностью металла;

1. диффузия — перемещение атомов насыщающего элемента с поверхности вглубь металла.

Необходимо, чтобы скорости всех трех процессов были обязательно согласованы, а для абсорбции и диффузии требуется, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя либо твердые растворы, либо химические соединения. Химико-термическая обработка невозможна, если основной металл и насыщающий элемент образуют механические смеси.

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки являются цементация, борирование, алитирование и др. Цементация — процесс химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя углеродом при нагреве в соответствующей среде. Борирование — процесс химико-термической обработки, состоящий в насыщении поверхностного слоя бором при нагревании в борсодержащей среде (буре, треххлористом боре и др.). Диффузионная металлизация — процесс химико-термической обработки, при котором происходит насыщение поверхностного слоя стали различными металлами (алюминием, хромом, цинком и др.) и их комплексами.

13. Азотирование

Азотирование — процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя азотом для придания этому слою высокой твердости, износостойкости или устойчивости против коррозии.

Твердость азотированного слоя выше, чем цементованного, и сохраняется до высоких температур (400–600°С), тогда как твердость цементованного слоя с мартенситной структурой сохраняется лишь до 200–250°С. Азотированию подвергают легированные стали, содержащие алюминий, хром, титан, например 35ХМЮА, 40Х, 18ХГТ, 40ХНМА и др. Механические свойства деталей перед азотированием улучшают, подвергая их закалке и высокому отпуску. Толщина азотированного слоя составляет 0,2…0,6 мм. Азотированный слой хорошо шлифуется и полируется. Азотированию подвергают детали автомобилей, а также штампы, пресс-формы и др.

Азотирование приводит к небольшому увеличению размеров. Поэтому после азотирования детали подвергают окончательному шлифованию со снятием слоя 0,02…0,03 мм. Азотирование обычно проводят в среде аммиака при температуре 500…600°С. Аммиак разлагается с выделением активного азота в атомарном состоянии: 2NH3 2N + 6H. При этих температурах в герметически закрытом муфеле, вставленном в печь, азот внедряется в поверхностный слой стали и вступает в химическое взаимодействие с легирующими элементами, образуя нитриды хрома, молибдена, вольфрама и др. Нитриды легирующих элементов повышают твердость стали до HRC 70. Углеродистые стали подвергают только антикоррозионному азотированию.

Процесс азотирования длительный: до 24–60 ч при 500…520°С. Сначала температуру поддерживают на уровне 500…520°С, а заканчивают процесс при 560…600°С. Для сокращения длительности азотирования в 2–3 раза используют ионное азотирование. Процесс проводят в разреженной азотосодержащей атмосфере (NH3 или N2) при подключении обрабатываемой детали к отрицательному электроду — катоду. Анодом служит контейнер установки. Между деталью и контейнером возбуждается тлеющий разряд, в котором ионы газа бомбардируют поверхность детали. Продолжительность ионного азотирования составляет от 1 до 24 ч. Азотирование в жидких средах проводят при 540…590°С в расплавленных цианистых солях в течение 0,5…3 ч. При общей толщине азотированного слоя 0,15…0,5 мм на поверхности образуется тонкий (7…15 мкм) карбонитридный слой, обладающий высоким сопротивлением износу.

14. Поверхностное упрочнение стали

Для повышения твердости поверхностных слоев, предела выносливости и сопротивляемости истиранию многие детали машин подвергают поверхностному упрочнению. Существуют три основных метода поверхностного упрочнения:

1. поверхностная закалка;
2. пластическое деформирование;
3. химико-термическая обработка.

Основное назначение поверхностной закалки — повышение твердости, износостойкости и предела выносливости разнообразных деталей. Сердцевина детали после поверхностной закалки остается вязкой и хорошо воспринимает ударные и другие нагрузки. В промышленности применяют следующие способы поверхностной закалки:

1. газопламенная закалка;
2. закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты;
3. закалка в электролите.

Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры выше критической точки, с последующим быстрым охлаждением для получения мартенсита.

Газопламенная закалка состоит из нагрева поверхности стальных деталей ацетиленокислородным пламенем и быстрого охлаждения их водяным душем. Поверхностный слой детали нагревают ацетиленокислородным пламенем до температуры закалки за очень короткий промежуток времени, в течение которого сердцевина металла не успевает прогреться до критической точки и поэтому остается при охлаждении незакаленной и мягкой.

Индукционный нагрев — наиболее распространенный, производительный и прогрессивный способ закалки деталей разнообразной конфигурации. К преимуществам этого способа относят возможность полной автоматизации процесса закалки; отсутствие выгорания углерода и других элементов, а также заметного окисления и образования окалины; достаточно точное регулирование глубины закаленного слоя.

Закалка в электролите основана на том, что при пропускании постоянного тока через электролит (5…10%-ный водный раствор кальцинированной соды) на катоде (детали) образуется тонкий слой (газовая оболочка) из мельчайших пузырьков водорода. Из-за плохой электропроводимости пузырьков водорода ток сильно возрастает и катод (деталь) нагревается до заданной температуры, после чего закаливается при отключении тока в том же электролите.

Упрочнение пластическим деформированием — прогрессивный технологический процесс, приводящий к изменению свойств поверхностных слоев металлического изделия.

15. Особенности термической обработки легированных сталей

Термическая обработка легированных сталей по сравнению с обработкой углеродистых сталей имеет ряд технологических особенностей. Эти особенности заключаются в различии температур и скорости нагрева, длительности выдержки при этих температурах и способе охлаждения. Критические температуры у одних легированных сталей выше, у других — ниже, чем у углеродистой стали. Для легированных сталей требуется несколько большее время выдержки, так как они обладают худшей теплопроводностью. Длительная выдержка необходима также для получения лучших механических свойств. Скорость охлаждения при термической обработке устанавливают в соответствии с устойчивостью переохлажденного аустенита и значением критической скорости закалки. Практически многие легированные стали закаливаются на мартенсит в масле, т.е. при меньшей скорости охлаждения, чем углеродистая сталь. У высоколегированных сталей, если они содержат большое количество углерода, способность к самозакаливанию выражена очень сильно, у низколегированных и малоуглеродистых сталей — слабее.

Легированная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем углеродистая. Чем выше степень легированности сталей, тем более глубокой прокаливаемостью они обладают. Из легированных инструментальных сталей особый интерес представляют быстрорежущие стали, широко используемые для изготовления режущего инструмента. Изделия из быстрорежущей стали до температуры закалки необходимо нагревать ступенчато: вначале медленно до 800–850°С; затем более быстро до установленной температуры закалки (1230…1300°С). Такой способ нагрева позволяет избежать тепловых напряжений за счет уменьшения разности между температурами поверхности изделия и сердцевины металла. В качестве охлаждающей среды используют минеральное масло.

Структура закаленной быстрорежущей стали представляет собой сочетание мартенсита, остаточного аустенита и сложных карбидов. Изделия из быстрорежущей стали обязательно подвергают после закалки отпуску. Отпуск таких сталей имеет свои особенности: изделия подвергают многократному отпуску (2–3 раза) при температуре 560°С для стали Р9 и 580°С для стали Р18 с выдержкой 1 ч. Если после закалки применяют обработку холодом при температуре –80°С, то выполняют только один отпуск. Таким образом, после термической обработки структура быстрорежущей стали представляет собой отпущенный мартенсит и карбиды.

16. Термообработка серого и белого чугуна

Серый литейный чугун подвергают отжигу, нормализации, закалке, отпуску, поверхностному упрочнению.

Отжиг чугунных отливок производят для уменьшения внутренних напряжений и устранения отбела. В первом случае отжиг осуществляют медленным нагревом со скоростью 75…100°С в час до температуры 500…550°С. При этой температуре изделия выдерживают от 2 до 5 ч и медленно охлаждают вместе с печью до температуры 250°С, затем — на воздухе. Отбел — это твердая поверхностная корка, состоящая из цементита, обращавшегося при литье серого чугуна в металлические формы. Для устранения отбела при отжиге изделия нагревают до температуры 850…870°С, выдерживают при этой температуре 1…5 ч, после чего охлаждают вместе с печью до температуры 500°С, а затем — на воздухе. В результате твердость поверхностного слоя уменьшается.

Нормализации подвергают отливки простой формы и небольших сечений путем нагрева их до температуры 850…900°С, при этой температуре выдерживают 2…3 ч, а затем охлаждают на воздухе. Нормализацию применяют редко, более часто используют закалку с отпуском. В результате закалки прочность чугунных отливок повышается. Закалку производят нагревом до температуры 850…900°С с последующим охлаждением в воде. Твердость чугуна при этом составляет 450…550 НВ. Для деталей, работающих на истирание, применяют низкий отпуск при температуре 550…600°С.

Белый чугун ввиду высокой твердости и хрупкости практически не поддается обработке резанием. Поэтому его подвергают специальной термообработке с целью повысить прочность и пластичность. В результате этой термообработки образуется ковкий чугун. Его получают длительным отжигом отливок из белого чугуна в нейтральной или окислительной среде при температурах 950…1000°С. Графитизирующий отжиг ведут в нейтральной среде (речной песок). При этом цементит разлагается с образованием графита и феррита. Такой чугун называется ферритным. Длительность процесса составляет 20…25 ч, иногда — несколько суток. При отжиге в окислительной среде чугун обезуглероживается. Полученная структура становится перлитной.

Нормализацию производят при температуре 850…900°С с выдержкой при этой температуре в течение 1…1,5 ч с последующим охлаждением на воздухе. Если после этого отливки имеют повышенную твердость, их подвергают высокому отпуску при температуре 650…680°С с выдержкой в течение 1…2 ч. В ряде случаев изделия из ковкого чугуна закаливают с целью дальнейшего повышения твердости и износоустойчивости посредством снижения пластичности.