Тема 3. Термическая и химико-термическая обработка металлов

                                  и сплавов.

Цель термической обработки — получение в заготовке или детали необходимого комплекса свойств (механических, физических, химических) за счет образования необходимой структуры металла. Таким образом, цель -изменение свойства материала, а не размеров и формы заготовки - в отличие от других технологий (литье, сварка, обработка давлением и резанием).

В основе термической обработки стали лежат полиморфное пре-^:. ращение , а также фиксация состояний разной степени равновесности.

Возможность влияния термической обработки на структуру и свойства сталей и сплавов определяется вторичной кристаллизацией (перестройкой кристаллического состояния в твердом виде).

Вторичная кристаллизация при медленном охлаждении протекает в три этапа:

1) превращение аустенита в феррит;

2) выделение из аустенита мельчайших частиц цементита;

3) укрупнение частиц цементита, размеры которых меняются от долей
микрона до нескольких микрон.

После реализации всех трех этапов образуется структурная составляю­щая — перлит.

Существенное значение для протекания вторичной кристаллизации имеют условия охлаждения. Незначительная степень переохлаждения или весьма медленное охлаждение обеспечивают получение равновесных структур. Чем больше степень переохлаждения аустенита или скорость его охлаждения, тем более неравновесной будет структура получаемой стали. Изменяя условия охлаждения, можно получить различные моди­фикации структур, а именно сорбит, троостит или мартенсит, что су­щественно влияет на свойства сталей и сплавов.

Сорбит получают при скорости охлаждения около 50°С/с. При об­разовании этой структуры протекание всех перечисленных выше этапов происходит, но достаточно ограниченно. Толщина образовавшихся при этом пластинок цементита составляет 0,1...0,5 • 10~⁸ м. Твердость сорбита 250...350 НВ.

Троостит образуется при скорости охлаждения 50...100°С/с. При та­кой скорости охлаждения возможны только первый и второй этапы вторичной кристаллизации. Пластинки цементита в троостите не пре­вышают по толщине 1 • 10~¹⁰ м. Твердость троостита 350...450 НВ.

Мартенсит стали — пересыщенный метастабильный твердый раствор внедрения углерода в -Fе с искаженной кристаллической решеткой, получаемый при скорости охлаждения 150...200°С/с. Минимальную скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается и превращается в мартенсит, называют критической скоростью закалки. При нагреве мартенсит переходит в более устойчивые структуры: троостит, сорбит и перлит. При образовании мартенсита получают максимальное значение твердости НВ 180 – 650 и хрупкости при миииальных значениях плотности и вязкости.

Термическая обработка может быть разупрочняющей или уп-рочняющей. Разупрочняющая — для придания заготовке необходимых технологических свойств (например, обрабатываемость резанием выше, если твердость и прочность материала низкие). Упрочняющая - для получения необходимых эксплуатационных свойств детали.

Термическая обработка состоит из нагрева до определенной тем-пературы, выдержке при этой температуре и охлаждения.

Основные виды термической обработки – отжиг , нормализация, закалка, отпуск.

Отжиг — разупрочняющая обработка. Основные цели отжига: пе­рекристаллизация стали (измельчение зерна), снятие внутренне напряжений, снижение твердости и улучшение обрабатываемости.

В большинстве случаев отжиг является подготовительной терми-хкой обработкой. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат. 3 некоторых случаях отжиг является конечной термической обра-5 зткой, например отжиг крупных отливок.

Отжиг — это нагрев стали выше температуры фазовых превра-ений с последующим медленным охлаждением (обычно вместе

печью).

При медленном охлаждении стали приближаются к фазовому и -:руктурному равновесию. Структуры, полученные после отжига, <азаны на диаграмме «железо — цементит». После отжига сталь мест низкие твердость и прочность.

Виды отжига. Различают отжиг 1-го и 2-го рода. Отжиг 1-го рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния, возникшие при предыдущей обработке, причем его проведение не обусловлено фазовыми превращениями. Различают следующие разновидности отжига 1-го рода: диффузионный (отжиг гомогенизации), низкий и рекристаллизации.

Диффузионный отжиг. Этому виду отжига подвергают отливки и слитки из легированных сталей для уменьшения денд­ритной ликвации. Металл нагревают до температуры 1100— 1200ºС, так как при этом более полно протекают диффузионные процес­сы, необходимые для выравнивания химического состава в отдель­ных объемах стали.

Нагрев осуществляется со скоростью 100—150 град/ч, а продол­жительность выдержки зависит от состава стали и массы садки. Ох­лаждение после диффузионного отжига медленное.

Чрезмерно длительные выдержки при гомогенизации нецелесо­образны, так как они снижают производительность процесса и приводят к излишнему расходу электроэнергии (топлива). Повы­шение температуры отжига дает больший эффект, чем увеличение времени выдержки. Время выдержки при диффузионном отжиге колеблется от нескольких до десятков часов (не считая вре­мени прогрева). Повышением температуры можно сократить длительность процесса.

После гомогенизации сталь имеет крупное зерно, которое измельчается при последующей обработке давлением или обыч­ном полном отжиге.

Низкий отжиг. Если струк­тура стали после горячей меха­нической обработки хорошая и нет необходимости в перекри­сталлизации, а требуется толь ко снять внутренние напряжения, то нагревают сталь несколько ниже Ас_г Нагрев осуществляют со скоростью 100—150 град/ч до температуры 650—680°С, а после выдержки — охлаждение на воз­духе. Выдержка при температуре отжига составляет 0,5—1,0 ч на тонну садки. Углеродистые и легированные стали подвергают низ­кому отжигу перед обработкой резанием, волочением и т. д. Ско­рости нагрева и особенно охлаждения при низком отжиге долж­ны быть небольшими, чтобы не возникли новые внутренние тер­мические напряжения.

Рекристаллизационный отжиг — это термическая обработка де­формированного металла. Данный вид термической обработки при­меняют после холодной деформации для снятия наклепа.

Отжиг 2-го рода основан на использовании фазовых превраще­ний. Существуют следующие виды отжига 2-го рода: полный от­жиг, неполный отжиг, изотермический отжиг.

Полный отжиг. При полном отжиге доэвтектоидная сталь нагре­вается выше Ас₃ на 30—50°С, выдерживается при этой температуре до полного прогрева и медленно охлаждается. В этом случае ферритно-перлитная структура переходит при нагреве в аустенитную. а затем при медленном охлаждении превращается обратно в фер­рит и перлит. Происходит полная перекристаллизация.

Основные цели полного отжига: устранение пороков структу­ры, возникших при предыдущей обработке металла (литье, горя­чей деформации, сварке и термообработке), разупрочнение стали перед обработкой резанием и снятие внутренних напряжений.

На практике скорость нагрева обычно близка к 100 град/ч, а про­должительность выдержки колеблется от 0,5 до 1 ч на 1 т нагревае­мого металла. Чрезмерное превышение температуры нагрева над точ­кой Ас₃ вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита. Леги­рованные стали охлаждают значительно медленнее (10—100 град/ч), чем углеродистые (150—200 град/ч).

Неполный отжиг заключается в нагреве выше Ас₁ и медлен­ном охлаждении. При этом происходит частичная перекристал­лизация — только перлита.

Неполному отжигу подвергают доэвтектоидные стали с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости ре­занием в том случае, если предварительная горячая механическая обработка не привела к образованию крупного зерна (иначе необ­ходим полный отжиг).

Неполный отжиг заэвтектоидных сталей называется сферои-дизирующим. В результате получают структуру зернистого перлита. Охлаждение при сфероидизации должно быть медленным, что­бы обеспечить распад аустенита на ферритно-карбидную смесь и коагуляцию образовавшихся карбидов.

Этот отжиг может осуществляться также путем нагрева с пери­одическим изменением температуры около точки Ас.

Стали со структурой зернистого перлита менее склонны к пе­регреву, образованию трещин и деформации при последующей закалке, а также хорошо обрабатываются резанием.

Изотермический отжиг часто доводят на практике с целью экономии времени. В этом случае сталь нагревают, а затем быстро охлаждают (чаще перено­сом в другую печь) до темпера­туры, лежащей ниже Ас1 на 50— 10°С. При этой температуре сталь выдерживается до полного распа­да аустенита (т. е. осуществляется изотермическая выдержка), пос­ле чего охлаждается на воздухе.

В настоящее время изотерми­ческий отжиг часто применяют для легированных сталей, так как он сокращает продолжительность процесса.

Для ускоренного отжига тем­пературу изотермической выдер­жки желательно выбирать близ­кой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области.

После изотермического отжига получается более однородная структура, что связано с выравниванием температуры по сечению детали и превращением по всему объему одновременно. В том слу­чае, если не допускаются окисление и обезуглероживание поверх­ностных слоев металла (холоднотянутый прокат — лента, проволо­ка, прутки, детали под гальванопокрытия и т.п.), выполняется свет­лый отжиг (он может быть и 1-го и 2-го рода). Он осуществляется в печах с защитной атмосферой или вакуумных.

Нормализацией называется нагрев доэвтектоидной стали до тем­пературы выше Ас_у а заэвтектоидной — выше Ас_т на 50—60°С с последующим охлаждением на воздухе. При нормализации проис­ходит перекристаллизация стали, устраняющая крупнозернистую структуру, полученную при литье или ковке.

В результате охлаждения на воздухе распад аустенита на ферритно-цементитную смесь происходит при более низких температу­рах, а следовательно, повышается дисперсность смеси, получен­ная структура — сорбит.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали Низкоуглеродистые стали подвергают нормализации вместо отжига. Твердость при этом выше, чем при отжиге, но для низкоуглеродис­тых сталей ее значения достаточно низкие. При этом по сравнению с отжигом улучшается качество поверхности при резании.

Для среднеуглеродистых сталей нормализацию применяют вме­сто закалки и высокого отпуска (улучшения). Механические свой­ства при этом понижаются, но уменьшается деформация изделий по сравнению с получаемой при закалке и высоком отпуске.

Высокоуглеродистые (заэвтектоидные) стали подвергают нор­мализации с целью устранения цементитной сетки.

Нормализацию с последующим высоким отпуском (600—650°С) часто применяют для исправления структуры легированных сталей вместо отжига.

Дефекты отжига и нормализации. Дефекты при отжиге могут воз­никать вследствие несоблюдения режимов нагрева и охлаждения, применения слишком высоких или слишком низких температур, чрезмерной продолжительности нагрева, из-за неподходящей ат­мосферы.

При слишком быстром нагреве, особенно изделий крупных раз­меров, в результате теплового расширения наружных слоев в сере­дине изделия могут возникнуть большие растягивающие напряже­ния, вызывающие образование трещин. На опасность возникнове­ния трещин необходимо обращать особое внимание при нагреве сталей с плохой теплопроводностью и высоким коэффициентом теплового расширения, например аустенитных.

До достижения температуры отжига необходимо обеспечить вы­равнивание температуры, особенно для крупных изделий. Нерав­номерный нагрев приводит к неравномерной структуре и тем са­мым к получению различных механических свойств в разных сече­ниях изделия.

При слишком высоких температурах отжига и чрезмерно дли­тельных выдержках происходит образование крупнозернистой струк­туры, называемой структурой перегрева. Перегрев стали возможен при нагреве слитков и заготовок для горячей деформации.

Перегрев характеризуется крупнокристаллическим блестящим изломом. Он может быть устранен отжигом с фазовой перекристал­лизацией, нормализацией или улучшением (закалка с высокотем­пературным отпуском).

Очень большой перегрев, кроме сильного роста зерна, может вызвать повреждения границ зерен. Такой дефект называется пере­жогом. Пережог характеризуется оплавлением и в связи с этим окис­лением металла по границам зерен и не может быть исправлен тер­мической обработкой. Пережог является неисправимым браком.

Большее значение имеет атмосфера печи. Избыток окислитель­ных газов в атмосфере (кислорода, водяного пара, углекислого газа и др.) вызывает окалинообразование и обезуглероживание. Наличие таких газов, как окись углерода, углеводорода и т.п., вызывает науглероживание поверхности.

На практике печная атмосфера всегда более или менее окисли­тельная. Наблюдаемое в этих случаях обезуглероживание наружных слоев оказывается иногда более вредным, чем окалинообразование.

Обезуглероживание связано с тем, что кислород окисляет угле­род раньше, чем железо. Для того чтобы обезуглероживание не про­изошло, газовая атмосфера должна оказывать не очень сильное окис­лительное действие. Если скорость окисления больше скорости диф­фузии притекающего изнутри углерода, то происходит окалинообразование, так как в этом случае кислород окисляет и углерод и железо.

Существенное влияние на обезуглероживание оказывает содер­жание водорода в печной атмосфере. В то время как сухой водород практически не вызывает обезуглероживания, влажный водород приводит к очень сильному обезуглероживанию.

Обезуглероживание поверхности металла обусловливает нерав­номерную и неполную восприимчивость к закалке, например, ин­струментальных сталей. Кроме того, обезуглероживание способствует снижению усталостной прочности, ухудшению химических свойств поверхности.

С целью защиты изделия от обезуглероживания и окалинообразования при отсутствии печей с защитной атмосферой отжиг осу­ществляют в ящиках или трубах, замазанных глиной, а также в ящиках с засыпкой древесным углем или чугунной стружкой.

Закалка — упрочняющая термическая обработка. Повышение твердости и прочности обеспечивается за счет получения структу­ры мартенсита. Закалка не является окончательной операцией. Пос­ле нее выполняют отпуск.

 

Закалка — это нагрев стали до температуры выше фазовых пре­вращений, выдержка при этой темпе­ратуре и быстрое охлаждение со скоростью больше критической.

Минимальная скорость охлажде­ния, при которой аустенит превраща­ется в мартенсит без образования структур перлитного типа, называет­ся критической скоростью закалки. В результате закалки из аустенита образуется неустойчивая, метастабильная структура мартенсит .Он представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в - железе, имеет высокую твердость. При мартенситном превращении происходит лишь перестройка кубической гранецентрированной решетки аустенита в кубическую объёмноцентрированную решетку  - железа без выделения углерода , что приводит к искажеию кубической решетки до тетрагональной. Для того, чтобы мартенситное превращение шло, необходимо непрерывное охлаждение аустенита ниже температуры начала мартенситного превращения Мн .

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: