Термическая обработка металлов и сплавов – это технологический способ воздействия на структурное и фазовое состояние материала с помощью различных режимов нагрева и охлаждения. Понятие режимов нагрева и охлаждения включает скорость этих процессов, температуру, среду, продолжительность изотермических выдержек. Режимы термической обработки подбирают с учетом фазовых и структурных превращений в материале с целью получения необходимого комплекса свойств.
Термическая обработка может быть предварительной или окончательной. Предварительную термообработку применяют для подготовки структуры и свойств материала к последующим технологическим операциям (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием). При окончательной термообработке формируются свойства готового изделия.
Термическую обработку применяют на стадии производства различных материалов и изделий, а также для снятия напряжения в них. Основные виды термообработки: закалка объемная или поверхностная, отжиг (1-го и 2-го рода) и отпуск.
Объёмная закалка – основной вид упрочняющей термической обработки конструкционных и инструментальных сталей. Поскольку в процессе закалки стали её структура становится неравновесной и возникают большие остаточные напряжения, то после закалки обычно следует отпуск стали, позволяющий улучшить её свойства. Главным отличием закалки от других операций термической обработки является высокая скорость охлаждения, достигаемая применением специальных закалочных сред.
Выбор закалочной среды – один из главных факторов правильной закалки. Он осложняется тем, что для получения идеальной кривой охлаждения, которая имеет участки различной крутизны, закалочная среда должна обеспечивать неодинаковые скорости охлаждения при различных температурах. Наиболее высокая скорость
охлаждения должна быть в интервале температур 650…400 °С. В интервале температур мартенситного превращения скорость охлаждения должна быть невысокой, что предотвращает возникновение термических напряжений, способствующих образованию трещин, и в то же время не слишком низкой, чтобы не произошли отпуск мартенсита и стабилизация остаточного аустенита.
В качестве закалочных сред обычно используют кипящие жидкости, но для некоторых легированных сталей достаточная скорость охлаждения обеспечивается применением спокойного или сжатого воздуха. В связи с особенностями теплообмена при контакте нагретого металла с жидкостью интенсивность теплоотвода, а значит, и скорость охлаждения зависят от температуры металла. Это связано с тем, что при очень высоких температурах на поверхности образуется сплошная паровая рубашка, которая препятствует отводу тепла. По мере снижения температуры эта рубашка прорывается, и теплоотвод идёт очень интенсивно (стадия пузырькового кипения). Ниже температуры кипения теплота отводится за счёт конвекции жидкости, и интенсивность этого процесса снова резко снижается. Интервалы наиболее интенсивного теплоотвода различных жидкостей различны, поэтому выбор конкретной закалочной среды определяется видом изделия. В частности, воду с температурой 18…25 °С используют в основном при закалке деталей простой формы и небольших размеров, выполненных из углеродистой стали. Детали наиболее сложной формы из углеродистых и легированных сталей закаляют в маслах. Для закалки легированных сталей наряду с маслами часто используют водные растворы NaCl и NaOH c наиболее высокой охлаждающей способностью. Кроме того, для этих целей все более широко применяют водные растворы поверхностно-активных веществ и синтетических полимеров. Объёмная закалка повышает прочность сталей: углеродистых – в 1,5…2 раза, легированных – в 2…3 раза, повышает твёрдость до 40…55 HRC. Её используют для упрочнения отливок, поковок, штамповок, проката, сварных элементов.
Поверхностная закалка. Её особенность состоит в том, что упрочняется только неглубокий (толщиной от 0,2 до 15 мм) поверхностный слой материала деталей, а сердцевина остаётся вязкой и пластичной. Такое сочетание обеспечивает повышение износостойкости (в 2 раза) и стойкость к динамическим нагрузкам. Если детали испытывают усталостное изнашивание, ограничиваются толщиной закаленного слоя до 3 мм, при высоких контактных нагрузках – до 10…15 мм.
Поверхностную закалку с индукционным нагревом (нагревом ТВЧ) используют при массовой обработке стальных изделий. Она основана на выделении теплоты при прохождении переменного тока высокой частоты в поверхностном слое металлического изделия. Этот ток индуцируется окружающим изделие контуром, создающим переменное электромагнитное поле. Поверхностный нагрев при индукционном нагреве обеспечивается действием скин-эффекта.
Глубина закалки обычно определяется условиями работы детали и составляет от 1,5 до 15 мм. Источником ТВЧ служат специальные генераторы различной мощности. Поскольку закалка с индукционным нагревом экономически эффективна только при обработке больших партий изделий, обычно эту операцию выполняют на автоматизированных установках. В зависимости от размеров изделий применяют режимы обработки, основанные на различных сочетаниях нагрева и охлаждения. Закалку с индукционным нагревом используют в основном для сталей, содержащих 0,4…0,5 % углерода (Ст40, Ст45, Ст40Х, Ст45Х, Ст40ХН). Закалка с индукционным нагревом позволяет получить мелкозернистую структуру стали с твёрдостью на 3…5 HRC выше, чем при обычной закалке. Возникающие в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия резко повышают сопротивление усталостному разрушению, которое обычно инициируется образованием поверхностных трещин под действием растягивающих напряжений. При закалке с индукционным нагревом отсутствуют окисление и обезуглероживание поверхности стальных деталей (по сравнению с печной термической обработкой), снижаются термические деформации, что позволяет упрочнять ряд деталей без последующей шлифовки.
Газопламенную поверхностную закалку применяют для крупных единичных изделий или их малых партий (коленчатые валы особо мощных двигателей, прокатные валки и т. д.). Её осуществляют при нагреве поверхностного слоя пламенем сгорающего газа, имеющим температуру 2400…3000 °С. При этом виде закалки в крупном изделии создаются меньшие напряжения, чем при обычной объёмной закалке.
Закалка в электролите основана на том, что при пропускании тока через электролит (5…10 %-ный раствор кальцинированной соды) на катоде (деталь) образуется газовая рубашка водорода. Ток при этом сильно возрастает, и деталь нагревается, после чего, отключив ток, можно сразу закалить её в том же электролите. Способ применяется для закалки небольших деталей массового производства.
При лазерной закалке осуществляется высокоскоростной разогрев поверхностного слоя металла под действием лазерного луча. Этот новый вид поверхностного упрочнения имеет ряд достоинств по сравнению с традиционными методами, особенно в случаях, когда нужно повысить износостойкость поверхностного слоя изделия. Лазерной закалкой можно упрочнять в различных режимах и тонкие (до 0,2 мм), и сравнительно толстые (до 3 мм) слои как на небольших участках изделий, так и на поверхностях большой площади. При этом наряду с упрочнением можно изменять шероховатость изделий, обрабатывать лучом лазера труднодоступные полости, режущие кромки инструмента и т. д.
В процессе лазерной обработки не требуется применение закалочных сред, поскольку их роль выполняет сам металл, отводя тепло, что обеспечивает высокую скорость охлаждения (до 106…108 °С/с) после кратковременного нагрева. Длительность нагрева у различных лазеров не превышает 10–9…10–6 с, что позволяет широко варьировать глубину прогрева и степень фазовых превращений в стали. В ряде случаев при лазерной обработке добиваются полного проплавления поверхностного слоя, а скоростная кристаллизация и фазовые превращения приводят к образованию мелкозернистой мартенситной структуры с микротвёрдостью, значительно превышающей достигаемую другими методами поверхностной закалки.
Отжиг – это нагрев стали до температуры, определяемой целью отжига, выдержка при этой температуре и последующее медленное охлаждение. Цель отжига – устранение химической неоднородности сталей, понижение твердости для облегчения механической обработки и др.
Отжиг первого рода
- Возврат (отдых) стали – нагрев до 200…400°, применяется для уменьшения или снятия наклепа. По результатам отжига наблюдается уменьшение искажений кристаллических решеток у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств стали.
- Рекристаллизационный отжиг стали (рекристаллизация) агрев до температур 500…550 °С. Отжиг для снятия внутренних напряжений – нагрев до температур 600…700 °С. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения металла отливок от неравномерного охлаждения их частей, также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) с использованием температур ниже критических. Вследствие рекристаллизационного отжига из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, поэтому твердость стали снижается, а пластичность, ударная вязкость увеличиваются. Чтобы полностью снять внутренние напряжения стали, нужна температура не менее 600 °С. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным.
Отжиг второго рода
- Полный отжиг заключается в нагреве стали на 30…50 °C выше верхней критической точки для полного превращения структуры стали в аустенит и последующем медленном охлаждении до 500…600 °C для образования феррита и перлита. Скорость охлаждения для углеродистых сталей около 50…100 °C/ч.
- Неполный отжиг заключается в нагреве до температур между нижней и верхней критическими точками (в интервале температур Ac1 Ас3 по диаграмме состояния «железо – углерод») и последующем медленном охлаждении.
Отпуск закаленных углеродистых сталей
Отпуском называют термическую операцию, заключающуюся в нагреве закалённой стали до температур, не превышающих точку Аc1 (т. е. не выше линии PSK диаграммы состояния) [26], выдержке и последующем охлаждении чаще всего на воздухе (рис. 5.1). Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск частично или полностью устраняет внутренние напряжения, возникшие при закалке.
Рис. 5.1. Температура точек линии PSK на диаграмме «железо – цементит»
Образующийся при закалке стали мартенсит представляет собой неустойчивую структуру, характеризующуюся высокой твердостью, хрупкостью и высоким уровнем внутренних напряжений. По этой причине закалённую сталь следует обязательно подвергать отпуску. Окончательные свойства стали в большей степени зависят от температуры отпуска. Различают три вида отпуска стали в зависимости от температуры нагрева.
1. Низкий (низкотемпературный отпуск) проводят при температурах не выше 250…300 °С. При таких температурах происходит частичное обезуглероживание мартенсита и выделение из него некоторого количества избыточного углерода в виде частиц карбида железа. Образующаяся структура, состоящая из частичного обезуглероженного мартенсита и карбидов, называется отпущенным мартенситом. Выход некоторого количества углерода из решетки мартенсита способствует уменьшению ее искажения и снижению внутренних напряжений. При таком отпуске несколько повышается прочность и вязкость без заметного снижения твердости. В целом изменение свойств при низком отпуске незначительно. Так, закаленная сталь с содержанием углерода 0,5…1,3 % после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах 58…63 HRC, следовательно, обладает высокой износостойкостью. Однако такая сталь не выдерживает значительных динамических нагрузок. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, работающий без значительного разогрева рабочей части, а также детали, прошедшие поверхностную закалку или цементацию. Цель такого отпуска некоторое снижение внутренних напряжений.
2. Средний (среднетемпературный) отпуск (рис. 1) выполняют при температурах 350…500 °С и применяют преимущественно для рессор, пружин, некоторых видов штампов. При таких температурах происходит дальнейшее обезуглероживание мартенсита, приводящее к его превращению в обычный -раствор, т. е. в феррит. В результате образуется феррито-цементитная смесь, называемая троститом отпуска. Наблюдается снижение твердости до величины 40…50 HRC, а также снижение внутренних напряжений. Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости и предел выносливости, что позволяет применять его для различных упругих элементов.
Рис. 1. Температура нагрева стали при различных видах термообработки
3. Высокий (высокотемпературный) отпуск проводят при 500… 600 °С. Структурные изменения при таких температурах заключаются в укрупнении (коагуляции) частиц цементита. В результате этого образуется феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом отпуска. Так же, как и тростит отпуска, эта структура характеризуется зернистым строением в отличие от пластинчатых структур тростита и сорбита закалки. Твердость стали после высокого отпуска снижается до 25…35 HRC, однако уровень прочности при этом еще достаточно высок. В то же время обеспечивается повышенная пластичность и особенно ударная вязкость, практически полностью снимаются внутренние напряжения, возникшие при закалке. Таким образом, высокий отпуск на сорбит обеспечивает наилучший комплекс механических свойств, позволяющий применять его для деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. Такой же отпуск рекомендуется для деталей машин из легированных сталей, работающих при повышенных температурах.
Термическую обработку, состоящую из закалки на мартенсит и последующего высокого отпуска на сорбит, называют термическим улучшением. Вообще термическому улучшению подвергают детали из среднеуглеродистых (0,3…0,5 % углерода) конструкционных сталей, к которым предъявляют высокие требования по пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие ее пониженной твердости невысока. Скорость охлаждения после отпуска оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Так, охлаждение на воздухе дает напряжения в 7 раз меньше, а охлаждение в масле в 2,5 раза меньше по сравнению с охлаждением в воде. По этой причине изделия сложной формы во избежание их деформации после отпуска следует охлаждать медленно (на воздухе), а детали из некоторых легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости, рекомендуется охлаждать в масле. Легирующие элементы, входящие в состав легированных сталей, особенно такие как Мо, W, Cr, Ti, V, сильно тормозят диффузионные процессы, происходящие при отпуске закаленной стали. Поэтому после отпуска при одинаковой температуре легированная сталь сохраняет более высокую твердость и прочность. Это делает легированные стали более теплостойкими, способными работать при повышенных температурах.