Классификация видов термической обработки

Термообработку подразделяют на предварительную и окончательную. Предварительная термообработка применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (например, горячей обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием и т.д.). Окончательная термообработка формирует свойства готового изделия.

С уществующие способы реализации термической обработки подразделяются на собственно-термическую (СТО), химико-термическую (ХТО), термомеханическую (ТМО) и термическую обработку с оплавлением поверхности (ТО с ОП) (рис. 15.6).

Собственно термическая обработка заключается только в тепловом воздействии на материал детали. При этом предполагается, что металл не изменяет свой химический состав, не деформируется и поверхность не оплавляется (рис. 15.7).

Химико-термическая обработка заключается в нагреве, выдержке и охлаждении деталей из сталей или титановых сплавов в среде, содержащей какой-либо элемент, например, углерод, азот, углерод и азот, бор, а также металлы – алюминий, хром, иттрий, титан, бериллий и др. (рис. 15.8).

н в о t, C , с Выдержка Охлаждение Нагрев 20 0	t, C 0 20 н в о , с Охлаждение на воздухе
Рис. 15.7. Схема СТО	Р ис. 15.8. Схема ХТО: – активная среда, содержащая какой-либо элемент (C, N, C+N, Al, B и др.)

Термомеханическая обработка заключается в нагреве, выдержке и пластической деформации и последующем быстром охлаждении (рис. 15.9).

t, C

0

20

_н

_в

_о

, с

ВТМО

_д

t_р

t, C

НТМО

20

0

t_р

_н

_в

_д

_о

_о

Рис. 15.9. Схема ТМО: – пластическая деформация

Т

Рис. 15.10. Схема ТОиОП

ермическая обработка с оплавлением поверхности заключается в быстром нагреве высокоэнергетическими источниками поверхности деталей и последующем охлаждении со скоростью не менее 10^{6 °C}/с. При этом достигается аморфное строение поверхностного слоя. Может применяться в приборостроении, медицинской технике и аппаратах для улучшения служебных характеристик: износостойкости, физических свойств (рис. 15.10).

Собственно термическая обработка включает в себя шесть видов обработки: отжиг 1-го и 2-го рода, закалку с полиморфным превращением, после которой проводится отпуск (низкий, средний или высокий), и закалку без полиморфного превращения, после которой проводят старение искусственное или естественное. Принадлежность к тому или иному виду обработки определяется типом происходящих при этом структурных изменений в материале.

При отжиге 1-го рода не протекают фазовые превращения. Нагрев при этом отжиге повышает подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутренние напряжения, способствует получению более равновесного состояния. Различают следующие разновидности отжига 1-го рода: диффузионный (гомогенизирующий), рекристаллизационный, дорекристаллизационный и отжиг для снятия внутренних напряжений.

• Диффузионный отжиг применяется при устранении дендритной или зональной ликвации для крупных заготовок, полученных методом литья или сварки. Он проводится при температурах, превышающих критические точки (обычно для сталей при 1000 ± 50 ºC) и при более длительных выдержках (10 – 18 ч). При этом обеспечивается более равномерное распределение компонентом и механических свойств в сплавах по длине и сечению заготовки.

• Рекристаллизационный отжиг применяют с целью устранения наклепа и внутренних напряжений в стали после холодной обработки давлением (штамповки, ковки, прессования, волочения и др.). Проводится при температурах выше температуры рекристаллизации сплавов T_рек на 30 – 50 ºС (для углеродистых сталей – 650 – 690 ºС). После такого отжига заметно понижается твердость и повышается пластичность в стали и чаще всего применяется как промежуточная операция при холодной обработке металлов давлением (ОМД).

• Дорекристаллизационный отжиг проводят при температурах ниже T_рек и применяют для уменьшения остаточных внутренних напряжений 2-го и 3-го рода (в зернах и элементарных ячейках соответственно).

• Отжиг для снятия внутренних напряжений применяется после различных видов обработок, связанных с технологией их изготовления. Температура и время выдержки для каждого случая устанавливаются экспериментальным путем. Внутренние напряжения возникают, например, в отливках, имеющих различную толщину или в сварных соединениях, нагретых до различных температур.

Проведение отжига 1-го рода не связывают с фазовыми превращениями в сплавах, в отличие от отжига 2-го рода.

Отжиг 2-го рода – проводят для сплавов, в которых имеются полиморфные, эвтектоидные или перитектические превращения, а также имеет место переменная растворимость компонентов в твердом состоянии. Целью этого вида отжига является приближение стали к равновесному состоянию, измельчение структуры, а также подготовка стали к последующей термической обработке.

В зависимости от температур нагрева относительно критических точек Ас₁ и Ас₃, способов охлаждения и степени переохлаждения аустенита, различают основные разновидности отжига 2-го рода: полный, неполный, изотермический и нормализацию.

При полном отжиге доэвтектоидная сталь нагревается выше точки Ac₃ на 30 – 50 ºС и выдерживается определенное время при заданной температуре, после чего медленно охлаждается вместе с печью до 500 – 600 ºС, а затем на воздухе. При нагреве выше точки Ac₃ происходит перекристаллизация. В результате полного отжига зерна измельчаются, внутренние напряжения в металле устраняются, сталь становится мягкой и пластичной. Применяется как промежуточная термическая обработка для устранения структуры перегрева, улучшения обрабатываемости резанием или пластической деформации. Полному отжигу подвергаются преимущественно доэтектоидные и эвтектоидные стали.

При неполном отжиге сталь нагревается выше критической точки Ac₁, но ниже Ac_m и после выдержки медленно охлаждается с печью. Этот вид отжига чаще всего применяется для заэвтектоидных сталей. Перлит и вторичный цементит в них приобретают зернистое строение, устраняется цементитная сетка, что благоприятно отражается на технологических свойствах стали.

З акалкой с полиморфным превращением сталей называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше критической точки Ac₃ (доэвтектоидные и эвтектоидные), выдержке при заданной температуре с последующим быстрым охлаждением, обеспечивающим получение неравновесной структуры. Основная цель закалки стали – получение высокой твердости, прочности и износостойкости (рис. 15.11). Высокая твердость в стали достигается переохлаждением аустенита до температуры ниже мартенситного превращения. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с тетрагональной кристаллической решеткой, называемой мартенситом. Содержание углерода в мартенсите вследствие отсутствия диффузионных процессов такое же, как и в исходном аустените. Мартенсит является продуктом бездиффузионного распада аустенита. Характерным признаком мартенситного превращения сталей является полиморфное превращение, при котором происходит изменение элементарной ячейки аустенита в элементарную ячейку мартенсита.

Рис. 15.11. Зависимость твердости мартенситной структуры от содержания

углерода в стали (по А.П.Гуляеву)

Отпуском стали называется операция термической обработки, при которой сталь нагревается ниже Ac₁, выдерживается при этой температуре и затем охлаждается. Отпуск является заключительной операцией термической обработки сталей, проводится сразу после их закалки для уменьшения внутренних напряжений, возникших при закалке, повышения пластичности и получения необходимых физико-механических свойств изделий.

Структура закаленной стали, состоящей из мартенсита и остаточного аустенита, а в заэвтектоидной стали, кроме того, вторичного цементита, является неустойчивой. Нагрев стали при отпуске облегчает переход из метастабильного состояния пересыщенного α-твердого раствора в более устойчивое. При отпуске с повышением температуры в закаленной стали происходит выделение углерода из мартенсита, что сопровождается уменьшением тетрагональности кристаллической решетки, образование и коагуляция частиц цементита. При низких температурах отпуска образуется метастабильный карбид, отличный от цементита. В технической литературе он обозначается как ε-карбид и имеет формулу, близкую Fe₂C. При температурах 300 – 400 ºС происходит превращение ε → Fe₃C. В зависимости от температуры нагрева формируются следующие структуры: мартенсит, троостит и сорбит отпуска, при этом соответственно изменяются механические свойства стали (рис. 15.12).

_в, МПа

140

120

100

80

60

40

20

0

, , %

60

50

40

30

20

10

0

HB, МПа

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

KCU, МДж/м²

2,0

1,6

1,2

0,8

0,4

0

200 280 360 440 520 600 t_{отпуска}, C

_в

HB





KCU

Рис. 15.12. Изменение механических свойств стали марки 40 от температуры отпуска

Как видно из этого рисунка, с повышением температуры отпуска предел прочности (σ_в) и твердость (HB) понижаются, а пластичность (δ) и ударная вязкость (KCU) повышаются. В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к изделиям, на практике применяют следующие виды отпуска: низкий, средний и высокий.

 Низкий отпуск (150 – 250 °C) применяется для изделий, где требуется высокая твердость (НRС 56 – 64) и износостойкость. При низком отпуске сохраняется высокая твердость, снижаются внутренние напряжения и несколько повышается вязкость стали. Свойства стали после отпуска зависят не только от температуры нагрева, но и от продолжительности выдержки. Низкий отпуск применяется для калибров, шаблонов, метчиков, зубил, клейм, штампов холодного деформирования, волочильных колец, изделий из цементуемых сталей.

Структура стали после отпуска – отпущенный мартенсит чаще всего игольчатого строения.

 Средний отпуск (300 – 400 °C) обеспечивает в изделиях относительно высокую твердость (НRС 40 – 54) и максимальный предел упругости при достаточном пределе прочности. Этот вид отпуска чаще всего применяют при изготовлении рессор и пружин.

Структура изделий после такого отпуска – троостит зернистого строения.

 Высокий отпуск (500 – 650 °C) применяется для деталей, от которых требуется определенное сочетание прочности (σ_в = 80 – 100 кг/мм²), ударной вязкости и твердости. Этот отпуск применяют при изготовлении шатунов, ответственных крепежных изделий и деталей машин, изготовляемых из конструкционных сталей.

Термическую операцию – закалку с высоким отпуском – называют улучшением. Структура стали в термически улучшенном состоянии – сорбит зернистого строения.

Старение – процесс распада пересыщенных твердых растворов, в которых при закалке полиморфных превращений не происходило. Они обладают ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и при старении происходит образование зон, обогащенных атомами легирующих элементов, которые искажают пространственно-кристаллическую решетку (ПКР) и повышают прочность и твердость при ОМД, снижают пластичность и ударную вязкость.

Старение металлических материалов наблюдается только в сплавах, подверженных закалке без полиморфного превращения, а также в сталях с малым содержанием углерода (мартенситно-стареющие стали).

Старение бывает естественным и искусственным. Естественным называют старение, которое происходит при комнатной температуре. Старение, происходящее при повышенных относительно комнатной температурах, называется искусственным. Естественное и искусственное старения представляют собой два различных процесса. Естественное старение, обусловленное образованием зон, обогащенных атомами легирующих элементов – зон типа Гинье–Престона (ЗГП), называется зонным старением. Скорость образования зон мала, что объясняется замедленной диффузией атомов легирующих элементов в связи с температурой старения. При увеличении температуры старения возможно образование стабильных фаз типа θ`-фаз (типа CuAl₂), когерентных с матричным раствором. Такое старение называется фазовым. При этом старении обеспечивается максимально возможная твердость и прочность для данной температуры старения. Для каждой марки сплава устанавливается своя оптимальная температура искусственного старения.

Деформационно-термическая обработка сочетает в себе процессы термической обработки и пластической деформации. В зависимости от того, когда осуществляют деформацию – до протекания фазового превращения или после, различают термомеханическую (ТМО) и механико-термическую обработку (МТО).

Термомеханическая обработка (ТМО) включает в себя, в зависимости от условий деформации аустенита, высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) термомеханические обработки (рис. 15.13).

t

t

t

A₃

A₁

M_н

M_к





V_кр

A₃

A₁

V_кр

M_н

M_к

Дефор-мация

t_р

t_р

а б Рис. 15.13. Схема термомеханической обработки стали: а – ВТМО; б – НТМО

– интервал температур рекристаллизации

При ВТМО (рис. 15.13, а) сталь деформируют при температуре выше температуры A₃ и сразу закаливают с тем, чтобы не допустить развития рекристаллизации аустенита. При НТМО (рис. 15.13, б) деформация проводится в области повышенной устойчивости аустенита (400 – 600 ºС). Рекристаллизация при этих температурах не происходит, однако необходимо избегать образования бейнитных структур.

ТМО обоих видов заканчивается низким отпуском при 100 – 200 ºС. При ТМО повышается весь комплекс механических свойств и особенно пластичность и вязкость, что наиболее важно для высокопрочного состояния. По сравнению с обычной обработкой прирост прочности при ТМО составляет 200 – 500 МПа, т.е. 10 – 20%. Характеристики пластичности и ударной вязкости повышаются в 1,5 – 2,0 раза.

Улучшение комплекса механических свойств обусловлено формированием специфического структурного состояния. Деформация создает в аустените высокую плотность дислокаций, образующих из-за процесса полигонизации устойчивую ячеистую субструктуру, которая наследуется мартенситом при закалке. При этом субграницы тормозят движение дислокаций и локализируют деформацию внутри зерна; в результате прочность повышается.

Наибольшее упрочнение (σ_в ≤ 2800 МПа) достигается при НТМО. Однако ее проведение технологически более сложно, чем ВТМО из-за высоких степеней пластической деформации и обжатия (50 – 90%). Ее можно применять для изделий небольшого сечения и простой формы (лист, лента, прутки и др.). Кроме того, НТМО пригодна для легированных сталей с большой устойчивостью переохлажденного аустенита.

ВТМО обеспечивает меньшее упрочнение сталей (σ_в ≤ 2400 МПа), но более высокие пластичность и вязкость. ВТМО могут подвергаться любые металлы и сплавы, даже не упрочняемые термической обработкой. Особенно эффективна ВТМО для чистого металла. Кроме того, ВТМО более технологична, так как аустенит выше точки A₃ пластичен и стабилен. При деформации не требуются большие степени обжатия; предельное упрочнение достигается при деформации на 20 – 40%. Для ВТМО пригодны любые конструкционные стали.

Область ВТМО расширяет явление обратимости эффекта упрочнения: свойства, полученные при ВТМО, наследуются после повторной закалки, а это позволяет закладывать определенный ресурс свойств в стальные полуфабрикаты в тонких сечениях (ленты, листы, трубы), подвергая их ВТМО на металлургическом заводе.

Улучшение свойств среднеуглеродистых легированных сталей возможно при холодной пластической деформации низкоотпущенного мартенсита. Небольшая деформация (5 – 20%) увеличивает временное сопротивлении и особенно предел текучести сталей.

Наиболее высокая прочность (σ_в ≈ 3000 МПа) получена сочетанием ВТМО с последующей холодной пластической деформацией низкоотпущенных среднеуглеродистых сталей.

Химико-термическая обработка (ХТО) сочетает тепловое воздействие с химическим и заключается в насыщении поверхности заготовки каким-либо элементом с целью получения в этом слое необходимых свойств (твердость, износостойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость и т.д.).

Возможность или невозможность проведения того или иного вида обработки определяют на основании анализа диаграмм состояния.

Для определения режимов термообработки углеродистых сталей используют диаграмму состояния Fe – Fe₃C. Температуры фазовых превращений при термической обработке сталей (критические точки) определяются линиями PSK, GS и SE диаграммы состояния Fe – Fe₃C.

Нижняя критическая точка, соответствующая обратимому превращению аустенита в перлит при температуре линии PSK, обозначается A₁. Верхняя критическая точка, соответствующая началу выделения из аустенита феррита или концу превращения феррита в аустенит (линия GS), обозначается A₃, температура линии SE – A_cm.

Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении (они не совпадают), к обозначению критической точки при нагреве приписывают букву с, при охлаждении – букву r, соответственно критические точки обозначают как Ac₁, Ac₃ и Ar₁, Ar₃.

Химико-термическая обработка в среде углеродосодержащих веществ (древесный уголь, метан, пропан, бутан и др.) называется цементацией; в среде аммиака NH₃ – азотированием; в среде аммиака и углеродосодержащих веществ – нитроцементацией; в среде цианистых солей Na и K – цианированием; в среде жидкого металла – диффузионной металлизацией. Также в технологии используют металлы и неметаллы (бор, фтор, хром, титан, никель, алюминий, кремний и др.).

Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозий.

Различают три стадии процесса химико-термической обработки.

На первой стадии протекают химические реакции в исходной окружающей среде, в результате которых образуются активные диффундирующие элементы в ионизированном состоянии, – стадия диссоциации.

На второй стадии процесса они усваиваются насыщаемой поверхностью металла – происходит адсорбция или хемосорбция диффундирующих элементов, в результате чего тончайший поверхностный слой насыщается диффундирующим элементом (абсорбция), возникает градиент концентрации – движущая сила для следующей стадии процесса.

Третья стадия – диффузионное проникновение элемента в глубь насыщаемого металла, которое сопровождается образованием твердых растворов или фазовой перекристаллизацией.

Первая и вторая стадии процесса химико-термической обработки протекают значительно быстрее третьей – диффузионной стадии, где формируется структура и свойства диффузионной зоны. Третья стадия определяет скорость процесса химико-термической обработки.

Фазовые и структурные изменения, происходящие на диффузионной стадии процесса, можно предсказать с помощью двойных диаграмм состояния, если в диффузионном воздействии участвуют всего два элемента. При этом предполагается, что диффузионный процесс не интенсифицируется и образующаяся диффузионная зона находится в равновесном состоянии.

Существует множество способов химико-термической обработки, однако наибольшее распространение в промышленности получили процессы диффузионного насыщения из активных жидких и газовых сред. Более рациональной исходной средой является активизированная газовая среда, т.е. среда, лишенная нейтральных (балластных) примесей, где активный диффундирующий элемент образуется в результате диссоциации, диспропорционирования или восстановительных реакций, которые называются ведущими. Выявлять ведущие химические реакции можно экспериментально или расчетным путем. В последнем случае более вероятной считается реакция, имеющая более отрицательный изобарно-изотермический потенциал (энергию Гиббса) или большую константу равновесия. В ряде случаев исходную газовую среду активизируют ионизацией в тлеющем разряде.