ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

В металлах и сплавах при технологических нагревах и спе циальной термической обработке могут протекать самые раз личные внутренние процессы, приводящие к изменению как микроструктуры в целом, так и картины распределения дефектов атомно кристаллической природы. Разраба тываются методы управления структурой металлов и сплавов с тем, чтобы последние могли приобрести в процессе термооб работки комплекс необходимых механических, химических или физических свойств, являющихся структурно-чувствительными характеристиками.
ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Металлы и металлические сплавы представляют собой тер модинамические системы, которые могут пребывать в любом агрегатном состоянии (жидком, твердом, газообразном или комбинированном). В общем случае такие системы содержат химические вещества, которые обра зуют с однородными свой ствами.
Класификация видов термической обработки
Классификация видов термической обработки, предложен ная А. А. Бочваром, учитывает фазовые и структурные превра щеня. Согласно этой классификации, термическая обработка подразделяется на собственно термическую, химико-термиче скую и термомеханическую. К собственно термической обработ ке относятся: отжиг первого рода, отжиг второго рода, закалка с полиморфным превращением, закалка без полиморфного пре вращения, отпуск и старение. Собственно термическая обра ботка состоит только из термического воздействия на металл или сплав. Химико-термическая обработка сочетает термиче ское и химическое воздействие, термомеханическая — термиче ское воздействие и пластическую деформацию.
Основные виды термической обработки стали являются отжиг, нормализация, 1°с закалка, отпуск, хими ко-термическая обра ботка.
Отжиг заключается в нагреве стали выше критических точек Ас, или Ас1,, выдержке при данной температуре и последующем медлен ном охлаждении (обыч но вместе с печью) для придания металлу равновесного состояния.
Назначение отжига — исправление структуры стали после отливки или обработки давлением, снятие внутренних напря жений и снижение твердости для улучшения обрабатываемости резанием, подготовка структуры для последующей термической обработки.
Нормализация — нагрев металла до температуры несколько выше критической точки Асі (Аст), выдержка при этой темпе ратуре, затем охлаждение на воздухе. Нормализация исправ ляет структуру стали после литья или обработки давлением, уменьшает внутренние напряжения, улучшает обрабатывае мость резанием, механические свойства, подготавливает к по следующей термической обработке.
Диффузионный отжиг (специальная обработка на однород ность) состоит в нагреве литой легированной стали на 200— 300° С выше верхней критической точки Асі или Аст с дли тельной выдержкой при температуре нагрева (8—20 ч) и по следующим медленным охлаждением (обычно вместе с пе чью). Назначение диффузионного отжига — выравнивание химической и структурной неоднородности стали (уменьшение ликвации) в слитках, отливках и заготовках. Диффузионный отжиг улучшает механические свойства стали.
Рекристаллизационный отжиг — нагрев холоднодеформированного металла с целью снятия наклепа.
Закалка — нагрев стали до температуры выше критической точки Ас, выдержка при данной температуре и последующее быстрое охлаждение в во де, масле, расплавленных солях и других средах. Быстрое охлаждение обеспечивает переохлаждение аустенита до низких температур и превращение его в структуру закаленной стали — мартенсит. Мартенсит представляет собой пересыщенный твер дый раствор углерода в железе.
Отпуск — термическая операция, состоящая в нагреве за каленного сплава ниже критических точек. Отпуск производит ся для получения более стабильной структуры, определенных механических свойств (сочетания прочности и пластичности), уменьшения внутренних напряжений.
Химико-термическая обработка. Обработка заключается в изменении химического состава поверхностных слоев металла насыщением его различными элементами (углеродом, азотом, кремнием, хромом и т. д.). Имеются следующие виды химико термической обработки: цементация, азотирование, цианирова ние, диффузионная металлизация.
При цементации металл нагревают в среде, легко отдаю щей углерод,— в карбюризаторе (твердом, жидком или газо образном) до температуры выше критической точки Ас и выдерживают до получения науглерожеиного слоя заданной глубины. После цементации следует закалка, которая сообща ет поверхностному слою высокую твердость при сохранении мягкой и вязкой сердцевины. Цементация повышает износоус тойчивость поверхности и увеличивает предел выносливости изделия.
Азотирование — насыщение поверхности стали азотом путем длительного нагрева ее (6—60 ч) в атмосфере диссоциирован ного аммиака при температуре 480—650° С. Назначение азоти рования — повышение твердости, износоустойчивости и анти коррозионных свойств, а также повышение предела выносливо сти изделий.
Цианирование — процесс одновременного насыщения по верхности стали углеродом и азотом.
Диффузионная металлизация — насыщение поверхностного слоя стали алюминием, кремнием, хромом и другими элемен тами для придания ей различных физических и химических свойств (жаростойкости, кислотоупорности, антикоррозийных свойств и т. п.).
ОТЖИГ ПЕРВОГО РОДА
Целью отжига первого рода является устранение возника ющих в структуре металла при литье, обработке давлением, сварке отклонений от равновесного состояния. Различают сле дующие разновидности отжига первого рода: гомогенизирую щий, дорекристаллизационный смягчающий, дорекристаллизационный упрочняющий, рекристаллизационный и уменьшающий напряжение.
ОТЖИГ ВТОРОГО РОДА
Отжигом второго рода называется процесс термической обра ботки стали, при котором нагревом до температуры, как пра вило, выше критических точек, выдержкой при этой температуре и последующим медленным охлаждением образуется устойчи вая (равновесная) структура, свободная от остаточных напря жений.
Отжиг стальных изделий имеет целью снятие внутренних напряжений, устранение структурной неоднородности, улучше ние обрабатываемости резанием и подготовку к последующей термической обработке.
Отжиг разделяется:
а) по условиям нагрева и выдержки — на полный, неполный, сфероидизирующий, субкритический (высо кий отпуск), графитизирующий;
б) по условиям охлаж дения — на изотермический и обычный (при непрерыв ном охлаждении);
в) нормализацию;
г) патентирование.
ГРАФИТИЗИРУЮЩИЙ отжиг
Графитизирующему отжигу подвергаются чугуны и некото рые стали, с целью выделения углерода в форме углерода от жига. Чугуны с углеродом отжига имеют более высокую пластичность, а стали — повышенную износостойкость.
Образованию графита способствуют следующие факторы:
а) различные дефекты;
б) низкая степень переохлаждения жидкости или аустеннта, т. е. медленное охлаждение до температуры ниже критических точек;
в) элементы, способствующие процессу графитизации;
г) достаточная изотермическая выдержка для превращения цементита в графит (растворением цементита и диффузией к местам зарождения центров графитизации).
Графитизация стали. В промышленности для изготовления изделий, которые должны иметь повышенную износостойкость и достаточную пластичность (втулки, вкладыши, штамповый инструмент) применяют графнтизированную сталь (сталь с 1,4% С и 1,2% 51). Сталь нагревают до температуры 860° С и выдерживают длительное время для перевода заэвтектоидного цементита в графит, затем медленно охлаждают для дальней шего выделения графита. Наличие кремния более 1 % способст вует графитизации.
НОРМАЛИЗАЦИЯ
Нормализация стали представляет собой нагрев выше точки Ас с последующим охлаждением на воздухе для получения струк туры, состоящей из феррита и перлита, перлита и вторнчного цементита. У легированных сталей охлаждение на воздухе мо жет привести к образованию сорбита, троостита или мартенсита; в этом случае для смягчения стали дополнительно приме няют высокий отпуск. Ожидаемая при нормализации структу ра может быть определена по термокинетическим диаграммам.
На машиностроительных заводах применяют в основном нормализацию. Она экономически более выгодна, чем отжиг, так как сокращается время пребывания металла в печи. При норма лизации используют более высокую температуру нагрева с меньшими выдержками.
Норма лизация повышает прочность и пластичность стали по сравне нию с отжигом, поэтому во многих случаях является оконча тельной термической обработкой, определяющей служебные свойства изделия. Особенно благоприятна замена отжига нор мализацией литых деталей, выплавленных по новым техноло гическим вариантам (вакуумная плавка, электрошлаковый пере плав, раскисление стали поверхностно активными примесями)
Нормализация чугуна. Нормализация улучшает износостойкость чугу на.
ЗАКАЛКА СТАЛИ
На получение оптимальной структуры после закалки и фор мирования конечных свойств, получаемых при отпуске закален ной стали, влияет правильный выбор температуры и времени выдержки при нагреве под закалку. Температура нагрева под закалку углеродистой стали выбирается на 20—40° С выше точ ки Ас. Для легированных сталей тем пература нагрева под закалку может быть выше точки Ас на 50—150° С.
Температура нагрева под закалку зависит от скорости на грева. Чем выше скорость, тем выше должна быть температура нагрева и меньше выдержка при ней.
ОХЛАЖДАЮЩИЕ СРЕДЫ
В качестве охлаждающих сред применяют воду, водные рас творы, различные масла, расплавленные соли или металлы и в ряде случаев — воздух. Охлаждающую способность закалочных сред чаще всего определяют по методике, основанной на испы тании эталонного серебряного образца диаметром 20 мм, кото рый вследствие малых размеров и высокой теплопроводности считается тонким телом.
Вода является наиболее удобной, распространенной и экономически выгодной охлаждающей средой. Но она имеет суще ственные недостатки. Охлаждающая способность воды зависит от температуры нагрева. Чем выше температура воды, тем ни же ее охлаждающая способность в верхнем интервале темпера тур (700—500° С). В то же время она неизменна в мартенситной области (350—100° С) (рис. 14.3). Поэтому при закалке значи тельного количества металла в ванне с неподвижной водой охлаждающая способность с течением времени ухудшается. Важное значение имеет относительное движение изделия и ох лаждающей жидкости. Чем больше относительная скорость движения детали и охлаждающей жидкости, тем легче разры вается пленка и быстрее охлаждается деталь.
Охлаждающую способность воды при температуре 650— 400° С можно изменять в широких пределах, вводя различные добавки. Для повышения охлаждающей способности в воду вводят поваренную соль, едкий натр и др. Они уменьшают возможность образования паровой пленки и способствуют более быстрому ее разрушению. Процесс кипения происходит более равномерно, чем в воде без добавок. С повышением темпера туры воды с добавками скорость охлаждения снижается менее интенсивно. Охлаждающая способность воды зависит также от содержания газов, усиливающих образование паровой пленки. Поэтому вода различного происхождения имеет различную охлаждающую способность. В процессе многократного исполь зования вода может уменьшать свою охлаждающую способ ность вследствие удаления газов и распада или осаждення со лей. Большое значение имеет состояние поверхности изделия: грубые риски способствуют образованию пленки, окалина ухуд шает теплопроводность металла и снижает эффективность охлаждения. Охлаждающую способность воды при температуре 650—400° С можно уменьшить, добавляя в нее глицерин, жидкое стекло и др.
Растительные и минеральные масла являются очень распро страненными охладителями. Охлаждающая способность масла в области температур 650—550° С примерно в три раза меньше, чем воды. Преимущества масла перед водой: устойчивость охлаждающей способности при нагреве его до температуры 150—200° С (так как с повышением температуры вязкость мас ла снижается, а подвижность повышается, что улучшает тепло отвод) и достаточно медленное охлаждение в нижней (мартенситной) области температур.
Масло характеризуется окисляемостью и летучестью, опре деляющими его долговечность; жидкотекучестью (вязкостью); температурой вспышки, стоимостью и др. Основное значение име ет долговечность (способность сохранять охлаждающую спо собность длительное время), так как в масляных охлаждающих системах одновременно находится несколько тонн масла и час тая смена его вызывает большие расходы. Свойство масла дли тельно удерживать одинаковую охлаждающую способность в основном зависит от его окисляемости на воздухе и склонности к разложению на легкие и тяжелые погоны, которые создают загустение. Процесс разложения масел приводит к ухудшению закаливаемости и повышает пригораемость. Минеральные мас ла более долговечны, чем растительные. На результаты закал ки существенно влияет объем охлаждающей среды. При нецир кулирующей охлаждающей среде объем ее должен быть в не сколько раз больше веса изделий.
Удобной и распространенной охлаждающей средой являются расплавленные соли щелочи. После закалки в едких щелочах и последующей легкой промывки в воде изделия получают се ребристый или светлосерый цвет, если нагрев под закалку про изводился в соли; скорость охлаждения при закалке в распла вах едких щелочей значительно выше, чем при закалке в рас плавах селитры. Охлаждающая способность (100—200° С/с) расплавов щелочей, содержащих воду н подвергаемых интен сивному перемешиванию, значительно выше, чем минеральных масел (55°С/с), что позволяет значительно расширить область применения изотермической и ступенчатой закалки.
Скорость охлаждения зависит также от размеров закалива емых изделий. Чем больше размеры изделий, тем с меньшей скоростью они охлаждаются н тем большая выдержка требу ется в охлаждающей среде.
ЗАКАЛКА И ОТПУСК ЧУГУНА
Применение закалки с отпуском к серому, ковкому, высо копрочному, белому чугуну позволяет существенно повысить его свойства: износостойкость, прочность. Поэтому закалка чугуна в промышленности становится такой же необходимой, как и стали. Особенно эффективной стала закалка после усо вершенствования технологии производства чугуна, обеспечи вающей оптимальную структуру, главным образом, благо приятную форму и распределение графита.
Закалка серого чугуна повышает твердость, износостой кость, увеличивает количество связанного углерода (при за калке ферритных и ферритно-перлитных чугунов). Закалка с отпуском может улучшить механические свойства. Например, износостойкость звездочек комбайна, изготавливавшихся из чугуна марок СЧ18-36 или СЧ21-40, после закалки и отпуска увеличилась в 4—6 раз. Особенно эффективной она является для модифицированного чугуна СЧ 32-52 и др.
Обычно температура нагрева под закалку серого чугуна находится в пределах 840—900° С. Время вы держки при температуре нагрева под закалку зависит от исходной структуры и размеров изделия.
Охлаждение простых деталей про изводится в воде, а сложных — в масле. Чтобы устранить образо вание закалочных трещин, охла ждение делают прерывистым.
Для получения требуемых меха нических свойств закаленные чу гуны подвергают отпуску.
Для уменьшения коробления и образования закалочных трещин все чаще начинает применяться изотермическая закал ка, обеспечивающая требуемые механические свойства.
Для уменьшения внутренних напряжений, предотвращения деформации и закалочных трещин может применяться изотер мическая закалка в расплавленных солях с температурой 250—320 0 С.
Отпуск серого чугуна служит, главным образом, для регу лирования твердости.
ТОВ "Ливарна компанія "Символ"
м. Вінниця
+38-095-230-77-67
+38-067-522-67-02 symvolkr@mail.ru www.symvol.ua