10162

ской обработки черных и цветных металлов и сплавов (рис. 5.1).

Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металлов и сплавов. Термическая обработка применяется либо в качестве промежуточ-

ной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др.,

либо как окончательная операция для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который смог бы обеспечить заданные эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее изделие (конструкция), тем, как правило, в ней больше тер-

мически обработанных деталей.

Поскольку основными факторами любого вида термической обработки являются температура и время, любой процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во вре-

мени (рис. 5.2).

Постоянная скорость нагрева или охлаждения изображается на графике прямой линией с определенным углом наклона, при этом угол наклона характеризует скорость нагрева или охлаждения (соответственно α, β). Об-

щая длительность термической обработки металла складывается из времени

η1 собственно нагрева до заданной температуры t2, времени выдержки при температуре η1 - η1 и времени охлаждения до комнатной температуры t0 η2 –

η3, η3 – η4, η4 – η5.

100

Рис. 5.1. Классификация основных видов термической обработки ста-

лей и сплавов

В результате термической обработки в сплавах происходят структур-

ные изменения. После термической обработки металлы и сплавы могут находиться в равновесном (стабильном) и неравновесном (нестабильном)

состоянии. При охлаждении деталей (изделий) вместе с печью в них прак-

тически полностью проходят процессы вторичной кристаллизации и свя-

занные с ними диффузионные превращения в металле и сплаве.

101

Рис. 5.2. График термической обработки сплавов

В результате металл оказывается в состоянии, близком к равновесному

(стабильному). При охлаждении на воздухе в металле происходят превра-

щения, близкие к равновесным. При быстром охлаждении (например, в

масле, воде) в металле не успевают проходить диффузионные процессы и связанные с ними превращения, поэтому он оказывается в неравновесном

(частично неравновесном) состоянии.

5.2. Термическая и термомеханическая обработка

Термическая и термомеханическая обработка является распространен-

ным способом улучшения свойств стали. Различают следующие ее виды:

закалку и отжиг. В основе лежит то, что при одном и том же составе при разных температурах устойчивыми оказываются различные кристалличе-

ские модификации и, меняя режим нагрева и охлаждения, можно фиксиро-

вать ту или иную структуру стали (рис. 5.3).

Закалка предусматривает улучшение прочностных и пластично - вязких свойств стали, снижение порога хладноломкости и чувствительности к концентраторам напряжений.

Закалка заключается в нагреве стали на 30 – 50°С выше точки АС3

для доэвтектоидных (выше линии GS диаграммы железо цементит) или

102

AС1 для заэвтектоидных сталей (выше линии SK), в выдержке и охлажде-

нии ее (в воде или масле) со скоростью, обеспечивающей переход аусте-

нита в мартенсит. Последний представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe. Перестройка кристаллической решетки γ-Fe в α-Fe

происходит без выделения избыточных атомов углерода из аустенита.

Поэтому кристаллическая решетка мартенсита сильно искажена и испыты-

вает напряжения, обусловленные особенностями строения и увеличением удельного объема мартенсита по сравнению с аустенитом на 4,0 – 4,25 %.

Рис. 5.3. Температурные интервалы различных видов термообработки: 1 – гомогенизация, 2 – низкотемпературный рекристаллизационный от-

жиг; 2 – (высокий отпуск) для снижения твердости; 3 – отжиг (отпуск) для снятия напряжений; 4 – полный отпуск с фазовой перекристаллизацией; 5 –

неполный отжиг; 5 – сфероидизация; 6 – нормализация, до- и заэвтектоид-

ной стали Мартенсит хрупок, тверд и прочен (прочность 2600 – 2700 МПа при

количестве углерода 0,6 – 0,8 %). Однако достаточно полное мартенситное превращение возможно только для высокоуглеродистых и легированных сталей, обладающих повышенной устойчивостью охлажденного аустенита.

При быстром охлаждении низкоуглеродистых строительных сталей (С < 0,25 %) происходит распад аустенита и образование высокодисперсной

103

ферритно-цементитной структуры перлита-сорбита и троостита или низко-

углеродистого мартенсита и цементита (карбидов). Такая структура полу-

чила название – бейнит.

Он имеет повышенную прочность, твердость и выносливость по срав-

нению с продуктами распада аустенита в перлитной области сорбитом и трооститом при сохранении высокой пластичности, вязкости и пониженном пороге хладноломкости. Упрочнение стали закалкой с прокатного нагрева обусловлено тем, что динамическая рекристаллизация при прокатном на-

греве проходит неполно и бейнит унаследует высокую плотность дислока-

ций, образовавшихся в деформированном аустените.

Сочетание пластической деформации стали в аустенитном состоянии с закалкой и отпуском позволяет значительно увеличить ее прочность (2200

– 3000 МПа), пластичность (6 – 8 %) и вязкость (50 – 60 %); устранить склонность к отпускной хрупкости, которая наблюдается при среднетем-

пературном отпуске легированной стали при температуре 300 –400 °С.

Закалка может быть прерывистой в двух средах: быстро в воде до темпера-

туры начала мартенситного превращения и в масле или на воздухе для уменьшения внутренних напряжений; и может быть ступенчатой с выдерж-

кой изделия в закалочной среде, в результате остается больше аустенита и уменьшаются объемные изменения и возможность образования трещин.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки стали, после которой она приобретает требуемые свойства. Он заключает-

ся в нагреве закаленной стали до температуры не выше точки AC1 (см.

рис. 5.2), в выдержке при заданной температуре и охлаждении с определен-

ной скоростью. Обычно это медленный нагрев, выдержка при этой темпе-

ратуре и медленное охлаждение на воздухе. Цель отпуска – снижение уровня внутренних напряжений и повышение сопротивления разрушению.

Мартенсит и остаточный аустенит – неравновесные фазы. Они распадаются при переходе стали в устойчивое состояние с образованием ферритно-

цементитной структуры. Распад носит диффузионный характер и поэтому

104

зависит от температуры отпуска. Различают три его вида: низкотемпера-

турный (низкий) с нагревом до температуры 250°С; среднетемпературный

(средний) с нагревом в интервале 350 – 450°С и высокотемпературный

(высокий) с нагревом при температуре 500 – 680°С.

Отпуск влияет на свойства стали. Карбиды в троостите и сорбите от-

пуска имеют зернистую, а не пластинчатую, как при распаде переохлаж-

денного аустенита, форму. Это повышает деформативные свойства и ударную вязкость, а при одинаковой пластичности и прочность.

Отжигом называют термическую обработку стали, получившей неус-

тойчивое состояние в предыдущей обработке, путем нагревания выше критических точек АС1 и АСЗ и медленного охлаждения вместе с печью,

что приводит ее в более устойчивое состояние. Часто отжиг является окон-

чательной термической операцией и называется отжиг I и II рода.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа дефор-

мированного металла нагревом его до температуры 650 – 760º С, выдер-

живанием при этой температуре и охлаждением. Различают холодную и горячую деформации. Холодную проводят при температуре ниже порога рекристаллизации. Рекристаллизация при холодном деформировании назы-

вается статической, а при горячем – динамической, характеризующейся остаточным «горячим наклепом», полезно используемым для закатки с прокатного нагрева. При статической рекристаллизации происходит резкое снижение прочности и твердости наклепанного материала и повышение деформативности, что необходимо для холодной деформации (прокатки,

штамповки, волочения). Помимо рекристаллизации феррита при отжиге может происходить коагуляция и сфероидизация цементита, повышающая пластичность стали.

Отжиг I рода осуществляют для снятия остаточных напряжений при температуре 550 – 650 °С в течение нескольких часов. Он предотвращает коробление сварных изделий после резания, правки и т.д.

Отжиг II рода предусматривает нагрев стали выше критических точек

105

АС1 и АСЗ, выдержку и медленное охлаждение. Фазовые превращения γ- Fe имеют при этом решающее значение. Различают полный, изотермиче-

ский и неполный отжиг.

Полному отжигу подвергают отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат из доэвтектоидной стали при температуре на 30 – 50°С выше точки АС3. После завершения фазовых превращений изделия медленно охлажда-

ют до полного распада аустенита и образования мелкозернистой ферритно-

цементитной структуры, обеспечивающей высокую пластичность и изо-

тропность свойств. Для защиты металла от окисления и его обезуглерожи-

вания отжиг ведут в защитной атмосфере, состоящей из 2 % СО; 2% Н2 и 96% N2.

Изотермическому отжигу подвергают штампованные детали, сорто-

вой и фасонный прокат из обычной и легированной стали. Он отличается от полного отжига наличием изотермической выдержки в течение 3 – 6 ч при температуре 660 – 680°С, сокращением длительности процесса и получени-

ем более однородной ферритно-перлитной структуры стали с заданными свойствами.

Неполный отжиг применяют для улучшения обрабатываемости угле-

родистых и легированных сталей резанием и для повышения пластично-

сти перед холодным деформированием. Нагрев сталей производят до темпе-

ратуры на 10 – 30°С выше точки АС1 с последующей изотермической выдержкой 4 – 6 ч при температуре 660 – 680°С при охлаждением на воз-

духе. При этом происходит неполная перекристаллизация перлита и фер-

рита, в результате которой образуется зернистая (сфероидальная) форма перлита вместо пластинчатой, и отжиг называют сфероидизацией.

Сталь с зернистым перлитом (цементитом) имеет более низкую проч-

ность и твердость по сравнению с пластинчатым, но повышенную пла-

стичность.

Нормализация предусматривает нагрев сортового проката из до- и за-

106

эвтектоидной конструкционной стали до температуры на 40 – 50°С выше точек АС3 и АСТ непродолжительную выдержку и охлаждение на воздухе.

Она вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали, снимает внут-

ренние напряжения, повышает пластичность и ударную вязкость. Ускорен-

ное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, частичному образованию мартенсита или бейнита (в легиро-

ванных сталях) и высокодисперсного перлита-сорбита или троостита.

Нормализация широко применяется для улучшения свойств низко уг-

лерод истых сталей, заменяя отжиг. Для среднеуглеродистых и легирован-

ных сталей она сочетается с высоким отпуском при температурах ниже порога рекристаллизации, обычно производится на изделиях полученных прокаткой, ковкой или отливкой.

5.3. Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка стали заключается в изменении не только структуры, но и состава поверхностных слоев. Химический состав поверхностных слоев изменяется в результате насыщения их углеродом,

азотом, хромом, бором и другими элементами. Наиболее распространены цементация, азотирование, диффузионная металлизация.

Цементация – насыщение поверхностных слоев углеродом. Она при-

меняется для получения высокой поверхностной твердости, износостойко-

сти при сохранении мягкой и вязкой сердцевины детали.

В зависимости от назначения детали применяют различные варианты термической обработки (рис. 5.4). Менее ответственные детали подверга-

ют закалке непосредственно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском (рис 5.4,а). Крупное зерно аустенита, выросшее в резуль-

тате длительной цементации, дает грубокристаллический мартенсит от-

пуска в поверхностном слое и крупнозернистую ферритно – перлитную структуру в сердцевине детали. Эти недостатки в определенной мере уст-

107

раняются при использовании наследственно мелкозернистых сталей и применении газовой цементации, сокращающей время пребывания стали при высокой температуре. Подстуживание при закалке до температуры

750…800ºС снижает внутренние напряжения, а обработка холодом умень-

шает количество остаточного аустенита в цементованном слое.

Рис. 5.4. Режимы термической обработки стали после цементации: а –

менее ответственных деталей; б – ответственных деталей; в – особо ответ-

ственных деталей При более высоких требованиях к структуре после цементации детали

подвергают охлаждению на воздухе, однократной закалке с нагрева выше температуры точки Ас3 и низкому отпуску (рис. 5.4,б). При этом в сердце-

вине и на поверхности детали происходят перекристаллизация и измельче-

ние зерна.

Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рис. 5.4,в). При первой закалке с температуры на 30…50ºС выше температуры точки Ас3 происходит перекристаллизация сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, обеспечи-

вающего мелкозернистость продуктов распада. Одновременно при этом цементитная сетка в поверхностном слое растворяется. При нагреве под

108

вторую закалку мартенсит, полученный после первой закалки, претерпева-

ет отпуск, при этом образуются глобулярные карбиды, увеличивающие твердость поверхностного заэвтектоидного слоя. Кроме того, при второй закалке с температуры выше точки Ас1 на 30…50ºС обеспечивается мелкое зерно в поверхностном слое. После такой термической обработки поверх-

ностный заэвтектоидный слой имеет структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины определяется химическим составом стали. При цементации углеродистой стали из–за низкой прокаливаемости сердцевина имеет ферритно – перлитную струк-

туру.

Легированная сталь при цементации позволяет получать в сердцевине структуру сорбита, троостита или даже мартенсита, но благодаря низкой концентрации углерода сердцевина будет иметь высокую ударную вяз-

кость.

Азотирование – процесс насыщения стали азотом в атмосфере распа-

дающегося аммиака при температуре 500 – 700°С, в результате повышает-

ся твердость поверхностного слоя, износостойкость, сопротивляемость коррозии.

Процесс азотирования заключается в выдержке в течении довольно длительного времени (до 60 часов) деталей в атмосфере аммиака. Азотиро-

вание проводят в стальных герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак. Реторту помещают в нагревательную печь. Поступаю-

щий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород. Ак-

тивные атомы азота проникают в решетку α – железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа ещѐ не обеспечивают доста-

точно высокой твѐрдости. Высокую твердость азотированному слою при-

дают нитриды легирующих элементов, прежде всего, хрома, молибдена и алюминия.

Благодаря высокой твѐрдости нитридов легирующих элементов азо-

тированию, как правило, подвергают легированные среднеуглеродистые

109