7. Термическая и химико-термическая обработка стали

Термическая (тепловая) обработка состоит в изменении структуры металлов и сплавов при нагревании, выдержке и охлаждении с соблюдением установленных режимов. При этом достигается существенное изменение свойств при неизменном химическом составе.

Видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение; в последнее время распространяется новый вид — термоциклическая обработка металлов.

Термической обработке подвергаются как металлы и сплавы, имеющие структурные превращения (вторичную кристаллизацию), так и не имеющие таких превращений; при этом для первых могут производиться все названные виды термической обработки, для вторых — лишь рекристаллизационный отжиг и закалка с последующим старением.

При химико-термической обработке изменяется химический состав поверхностного слоя деталей.

7.1.Теоретические основы термической обработки

Термическая обработка заключается в нагреве детали до определенных температур, выдержке при этой температуре и охлаждении с той или иной скоростью. При этом происходит изменение структуры, а, следовательно, механических и технологических свойств обрабатываемой детали.

При нагревании и охлаждении в железоуглеродистых сплавах происходят превращения при определенных температурах, называемых критическими точками. При нагревании их принято условно обозначать A_c1, A_c3, А_сm (рис. 28). Превращения в сталях при нагревании носят кристаллизационный характер, т. е. при этом происходит образование центров зародышей и последовательный их рост. Исходная структура всех сталей представляет собой смесь двух фаз — феррита и цементита.

При медленном нагревании до температуры A_c1 (727°C) никаких превращений в стали не происходит. При достижении критической точки А_С3 перлит переходит в аустенит. При дальнейшем нагреве в доэвтектоидных сталях происходит постепенное растворение феррита в аустените. При температуре выше линии GSE стали будут иметь однородную структуру — аустенит.

Рис. 28. Закалочная часть диаграммы

При медленном охлаждении эвтектоидной стали аустенит превращается в перлит (смесь феррита и цементита). Превращение аустенита в перлит происходит диффузионно; углерод, выделяясь из аустенита, образует зародыши цементитовых включений, число которых и последовательный рост зависят от степени переохлаждения.

Регулируя степень охлаждения аустенита, можно получить следующие продукты его распада:

перлит — крупнозерную смесь феррита и цементита;

сорбит — мелкозерную смесь феррита и цементита;

троостит — мелкозерную (высокодисперсную) смесь феррита и цементита.

При больших степенях переохлаждения аустенита (охлаждение в воде) диффузионное перераспределение углерода практически прекращается и образование цементита становится невозможным. Образуется структура мартенсит — перенасыщенный твердый раствор углерода в -Fe

Как в сталях, так и в чугунах всегда присутствуют кремний, марганец, фосфор, сера, а в легированных сплавах — никель, хром, молибден, медь, ванадий, титан и др. Легирующие элемент и примеси изменяют положение линий диаграммы, на которых отложены критиче­ские точки структурных превращений. Одни элементы снижают температуру превращений, а другие — повышают. Без учета влияния этих элементов невозможно правильно, пользуясь только лишь диаграммой, разработать режимы термической обработки.

Фазовые превращения при термической обработке в сталях и чугунах одинаковые, но наличие в чугунах графитовой фазы (свободных выделений углерода) вносит некоторые дополнительные изменения. Поэтому теоретические основы термической обработки сталей применимы к термической обработке чугунов.

В процессе нагрева, так же как и в процессе охлаждения, железоуглеродистые сплавы претерпевают фазовые и структурные превращения.

Рассмотрим эти превращения.

Превращения при нагреве. Структура доэвтектоидных (С < 0,8 %), эвтектоидных (С = 0,8 %) и заэвтектоидных (С > 0,8 %) сталей соответственно состоит из феррита и перлита, перлита, перлита и цементита.

При нагреве выше 727 °С (линия PSK на диаграмме) доэвтектоидные стали имеют структуру аустенит + феррит, а заэвтектоидные — аустенит +цементит. Эвтоктоидные стали имеют аустенитную структуру.

При нагреве доэвтектоидных сталей выше температур, отложенных на линии GS, и заэвтектоидных выше температур, отложенных на линии SE, их структура становится чисто аустенитной. Следовательно, все структурные составляющие — феррит, перлит и цементит — в процессе нагрева превращаются в аустенит.

Согласно нижней левой части диаграммы состояния железо—цементит, при нагреве стали перлит превращается в аустенит при температуре критической точки (линия PSK, температура 727°С). В действительности превращение перлита в аустенит (а также и обратное превращение аустенита в перлит) не может происходить при 727°С, так как при этой температуре свободная энергия перлита равна свободной энергии аустенита. Поэтому для превращения перлита в аустенит температура нагрева должна быть обязательно немного выше равновесной температуры 727°С, т. е. должен быть так называемый перенагрев, так же как для превращения аустенита в перлит должно быть обязательно некоторое переохлаждение.

Процесс превращения перлита в аустенит при нагреве (0,8 %С) происходит следующим образом (рис. 29). Сталь в исходном состоянии представляй смесь фаз феррита и цементита (рис.29, а). При нагреве несколько выше критической точки (727°С) на границе ферритной и цементитной фаз начинается превращение , приводящее к образованию низкоуглеродистого аустенита, в котором растворяется цементит (рис. 29, б—г). Образующийся аустенит химически неоднороден. Концентрация углерода в аустените на границе с цементитом значительно выше, чем на границе с ферритом. Превращение протекает быстрее, чем растворение цементита, поэтому, когда вся -фаза (феррит) превратится в -фазу (аустенит), цементит еще остается (рис. 29,д). После растворения всего цементита превращение заканчивается (рис. 29,е), но образовавшийся аустенит имеет неравномерную концентрацию углерода, уменьшающуюся от центра к периферии зерна. Только после дальнейшего повышениия температуры или дополнительной выдержки аустенит в результате диффузии углерода становится однородным по всему объему.

При наличии избыточного феррита в структуре доэвтектоидных сталей неоднородность образующегося при нагревании аустенита становится еще большей. Это объясняется тем, что избыточный феррит превращается в аустенит () при более высокой температуре, чем температура превращения перлита в аустенит (). Образующийся позднее аустенит насыщается углеродом (путем диффузии) из расположенных рядом участков ранее образовавшегося аустенита.

На скорость превращения перлита в аустенит влияют многие факторы: температура превращения, скорость нагрева, дисперсность исходной структуры, пластинчатая или зернистая форма цементита, химический состав стали.

Рис.29. Схема образования аустенитных зерен

С повышением температуры скорость перлито-аустенитного превращения увеличивается. Это объясняется тем, что превращение перлита в аустенит носит диффузионный характер, а с повышением температуры диффузионные процессы ускоряются. Время, необходимое для перлито-аустенитного превращения, уменьшается с повышением скорости нагрева.

Аустенит образуется на границе ферритной и цементитной фаз, поэтому чем мельче (дисперснее) структура перлита, тем больше протяженность границ между ферритом и цементитом и тем быстрее совершается превращение. Самое быстрое превращение присуще мелкопластинчатому перлиту; медленнее осуществляется превращение при наличии мелкозернистого перлита и наиболее медленно — при крупнозернистом перлите.