Учебное пособие 800481

дом термообработки, выполняемым после закалки, является отпуск.

Отжиг. Традиционно сложившееся понятие «отжиг» охватывает несколько отличающихся друг от друга по режиму операций термообработки, объединенных единой целью — привести сталь в термодинамически равновесное состояние с минимальной плотностью дислокаций, по возможности низкой твердостью и высокой пластичностью.

Наиболее распространенной разновидностью отжига является обыкновенный отжиг, который производится с целью смягчить сталь перед механической обработкой и подготовить ее структуру к окончательной обработке, состоящей из закалки и отпуска. Этому отжигу подвергаются имеющие неблагоприятную грубозернистую структуру литые заготовки, а также заготовки, прошедшие ковку, штамповку и другие виды обработки давлением, также нуждающиеся в исправлении структуры.

В ряде случаев, когда получающиеся после отжига свойства обеспечивают долголетнюю службу детали, он оказывается окончательным видом термообработки. При обыкновенном отжиге сталь нагревается до температуры на 30...50 °С выше линии GSK диаграммы Fe-Fe3C, выдерживается при этой температуре до полного завершения структурно-фазовых превращений и охлаждается с очень малой скоростью (менее 100 °С/ч) в камере печи с отключенными источниками теплоты.

Диффузионный отжиг, или гомогенизация, является разновидностью отжига, применяемого с целью устранения в легированной стали (как и в других сплавах) дендритной ликвации.

При диффузионном отжиге с целью интенсификации диффузионных процессов сталь нагревается до 1000…1100 °С и подвергается длительной выдержке (18…24 ч). Для устранения крупнозернистости после гомогенизации производится обыкновенный отжиг, или нормализация.

21

Рекристаллизационный отжиг. Этот вид отжига производится с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла.

Температура нагрева при этом виде отжига выбирается на 150…250 °С выше температуры рекристаллизации (Тр) обрабатываемого сплава. Это наименьшая температура, необходимая для протекания в наклепанном металле процессов, возвращающих ему исходные (до деформации) значения характеристик механических и других свойств.

Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали производится при температуре нагрева в пределах 600…700 °С.

Наклеп необходимо устранять после холодной обработки металла давлением, производимой при Т < Тр (ковка, штамповка, тонколистовая прокатка и в других случаях).

Нормализация. Особенностями режима этого вида термообработки являются температура нагрева на 30…50° выше линии GSE диаграммы Fe-Fe3C, и охлаждение на спокойном воздухе. Эти особенности обусловлены специфическими целями нормализации. Применительно к доэвтектоидным сталям, особенно низкоуглеродистым (0,05...0,25% С), нормализация за более короткое время и при большей простоте режима охлаждения позволяет получить те же результаты, что и при отжиге, т. е. весьма эффективное измельчение зерна у литых и кованых заготовок.

Нормализацией можно получить более благоприятную мелкозернистую структуру стали, обладающую повышенными прочностными свойствами.

При нормализации заэвтектоидных сталей из-за ускоренного выделения из аустенита избыточного (вторичного) цементита (в интервале температур Асm—Аr1 нежелательная цементитная сетка вокруг перлитных зерен не образуется. В связи с этим одной из целей нормализации является разрушение упомянутой сетки у заэвтектоидных сталей.

Закалка. Режим закалки включает нагрев до температуры на 30…50° выше линии GSK диаграммы Fe-Fe3C и охлаждение со скоростью не ниже критической с целью измельче-

22

ния зерна и повышения прочности. Закалку на мартенсит, представляющий собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе, принято считать истинной закалкой. Важнейшим преимуществом истинной закалки является возможность получения из мартенсита за счет последующего отпуска продуктов с такими ценными комплексами свойств, которые другими видами термообработки получить невозможно.

Отпуск стали. Отпуском называется операция нагрева закаленной стали для уменьшения имеющихся в ней остаточных напряжений и придания ей комплекса механических и других свойств, которые необходимы для долголетней эксплуатации изделия.

При отпуске закаленной на мартенсит стали в ней происходят превращения, приводящие к распаду мартенсита и образованию равновесного структурно-фазового состава. Интенсивность и результат этих превращений зависят от температуры отпуска.

С целью недопущения аллотропических превращений отпуск производится при температурах ниже точки Ac1. Однако поскольку от температуры зависят степень распада мартенсита и комплекс получаемых при этом физико-механических и других свойств, то температуру отпуска выбирают в зависимости от функционального эксплуатационного назначения изделия.

В зависимости от температуры нагрева существует три вида отпуска: низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий).

Отпуск преследует цель не просто устранить внутренние напряжения в закаленной стали. Он является средством придания стали требуемого комплекса свойств. И еще очень важно иметь в виду: при увеличении температуры отпуска возрастает степень диффузионного распада мартенсита на фер- ритно-цементитную смесь, что обусловливает уменьшение прочностных свойств стали и повышение ее вязкости.

Таким образом, при нагреве и выдержке создаются условия для протекания диффузионных процессов в пересыщен-

23

ной углеродом ОЦК решетке мартенсита, превратившейся в тетрагональную.

Низкотемпературный (низкий) отпуск производится при 150…180 °С, а для легированных сталей — до 250 °С. В этом случае при низкой интенсивности диффузионных процессов в мартенсите происходит только начальная стадия к его переходу в равновесное состояние.

При низком отпуске мартенсит лишь частично освобождается от пересыщающих его решетку атомов углерода. Поэтому основу мартенсита отпуска составляет все еще пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe.

Образующийся в результате низкого отпуска отпущенный мартенсит обладает более благоприятным комплексом механических свойств, сочетающим высокий уровень твердости с некоторым, хотя и небольшим, запасом вязкости и пластичности.

Среднетемпературный (средний) отпуск производится при температуре от 350 до 450 оС (иногда до 470 оС). При таком нагреве завершается распад мартенсита, приводящий к образованию нормальных по составу и внутреннему строению феррита и цементита. Однако вследствие все еще недостаточной интенсивности диффузионных процессов размер зерен образующихся фаз оказывается очень малым.

Образующийся при среднем отпуске продукт называется трооститом отпуска. В нем, в отличие от тростита закалки, цементит представлен не пластиночками, а в виде мельчайших зерен, что обусловливает его более высокую вязкость в сравнении с троститом закалки.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводится при 500…650 °С. При таких условиях нагрева при усилившихся диффузионных процессах происходит образование более крупных, чем у троостита отпуска, зерен феррита и цементита, сопровождающееся дальнейшим снижением плотности дислокаций и практически полным устранением остаточных напряжений.

24

Получающийся при высоком отпуске продукт распада мартенсита, называемый сорбитом отпуска, обладает максимальной для стали вязкостью, сочетающейся с удовлетворительными показателями прочности. Такой комплекс является идеальным для деталей машин, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам. Благодаря этому преимуществу термическую обработку, сочетающую закалку и высокий отпуск, издавна называют улучшением.

Отпуск при более высоких температурах (близ точки Ас1,) нецелесообразен вследствие чрезмерного роста зерен цементита, что приводит к образованию структуры зернистого перлита и, как следствие, к значительному снижению прочности и особенно вязкости.

1.8.5. Поверхностная закалка стали

Назначение поверхностной закалки — повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности обрабатываемых изделий. При этом сердцевина остается вязкой и изделие воспринимает ударные нагрузки.

Наибольшее распространение получил метод поверхностной закалки при нагреве токами высокой частоты (ТВЧ). При нагреве ТВЧ используется явление индукции и поверхностного распределения индуцированного тока в детали. Индуцированный ток вызывает разогрев изделия. В основном ток концентрируется в поверхностном слое изделия.

Нагрев до температуры закалки осуществляется за 2…10 с. Глубина слоя 2…5 мм. Охлаждающую жидкость (вода, водные растворы полимеров) для закалки обычно подают через спрейер (душевое устройство).

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160…200 °С, нередко и самоотпуску.

Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержащие 0,4…0,5% С (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), которые после закалки имеют высокие твердость (HRC

25

50…60), сопротивляемость износу и не склонны к хрупкому разрушению.

Структура на поверхности — мартенсит отпуска, а в сердцевине, если сталь предварительно термически не обработана, сохраняется ферритно-перлитная структура.

1.8.6. Химико-термическая обработка

Общие закономерности. Химико-термической обработкой (ХТО) называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении. При этом происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (С, N, В, А1, Сr, Si, Ti и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

Широкое применение ХТО в различных областях техники объясняется тем, что большинство деталей машин и механизмов работают в условиях износа, кавитации, циклических нагрузок, коррозии при криогенных или высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла. ХТО металлов и сплавов как с целью их поверхностного упрочнения, так и для зашиты от коррозии повышает надежность и долговечность деталей машин.

ХТО включает следующие основные взаимосвязанные стадии:

1)образование активных атомов в насыщающей среде и диффузию их к поверхности обрабатываемого металла;

2)адсорбцию образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения;

3)диффузию — перемещение адсорбированных атомов внутри металла.

Развитие процесса диффузии приводит к образованию диффузионного слоя, под которым понимают слой материала

26

детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, а значит, структуре и свойствам. Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием насыщающей активной среды, называется сердцевиной. Кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до сердцевины составляет общую толщину диффузионного слоя. Прилегающую к сердцевине внутреннюю часть диффузионного слоя, протяженность которой определяется разностью общей и эффективной толщин, называют переходной зоной диффузионного слоя.

Цементация стали. Цементацией (науглероживанием) называется ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде — карбюризаторе. Цель цементации – обогащение поверхностного слоя деталей углеродом до концентрации 0,8…1,1% и получение после закалки высокой твердости при сохранении пластичной сердцевины. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки Асз (930…950 °С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах.

Для цементации используют низкоуглеродистые (0,1…0,18% С), чаще легированные стали (15Х, 18ХГТ, 20ХНМ, 15ХГН2ТА и др.). Цементация может проводиться в твердых, газообразных и жидких углеродсодержащих средах, которые называются карбюризаторами. Толщина цементованного слоя составляет 0,4…1,8 мм. Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате термической обработки после цементации.

Азотирование стали. Азотированием называется ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагревании в соответствующей среде. Цель – получение поверхности деталей высокой твердости и износостойкости или устойчивости против коррозии (антикоррозионное азотирование).

Азотированию подвергают детали, работающие на износ при повышенных температурах в агрессивных средах. Твер-

27

дость азотированного слоя стали выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450…500 °С), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200…225 °С.

Азотирование чаще проводят при 500…600 °С (низкотемпературное азотирование). Стали ферритного и аустенитного классов и тугоплавкие металлы (Ti, Mo и др.) подвергают высокотемпературному азотированию (600…1200 °С).

Наиболее распространено газовое азотирование в среде аммиака. Кроме этого используют ионные азотирование и цементацию.

Одновременное насыщение поверхности стали азотом и углеродом (нитроцементация). Основное назначение нитроцементации — повышение твердости и износостойкости стальных изделий.

Толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2…0,8 мм. Нитроцементации обычно подвергают детали сложной формы, например зубчатые колеса.

1.8.7. Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами

Борирование — насыщение поверхности металлов и сплавов бором при нагреве в соответствующей среде с целью повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости.

Силицирование. В результате диффузионного насыщения при нагреве в соответствующей среде поверхности кремнием (силицирования) повышаются коррозионная стойкость, жаростойкость, твердость и износостойкость металлов и сплавов.

Хромирование — насыщение поверхности изделий хромом при нагреве в соответствующей среде. Диффузионному хромированию подвергают чугуны, стали различных классов, сплавы на основе никеля, молибдена, вольфрама, ниобия, кобальта и металлокерамические материалы. Получают хроми-

28

рованный слой толщиной 2,0…2,5 мм с концентрацией на поверхности до 70% хрома.

Цель – получение высокой твердости, износостойкости, жаростойкости и коррозионной стойкости поверхности стальных деталей.

Алитирование — процесс диффузионного насыщения поверхности изделия алюминием при нагреве в соответствующей среде с целью повышения жаростойкости, коррозионной и эрозионной стойкости.

Толщина алитированного слоя достигает 0,2…1,0 мм, твердость (на поверхности) — до HV 500, износостойкость низкая.

1.8.8. Лазерная термическая обработка

Для лазерной обработки используют технологические лазеры импульсного и непрерывного действия. Особенностью лазерного упрочнения является его локальность. При импульсном излучении воздействие осуществляется в точке, при непрерывном — в полосе шириной до 3 мм. В связи с этим для обработки поверхности необходимо сканировать луч с взаимным перекрытием или без перекрытия зон упрочнения.

Геометрические характеристики зоны термического воздействия зависят от энергетических параметров лазерного излучения. Глубина упрочненного слоя при нагреве на СО2- лазере (5 кВт) колеблется от 0,3 до 1,0 мм, а на импульсном лазере — 0,1…0,15 мм.

Механизм ЛТО заключается в фазовом превращении материала после его скоростного нагрева до температур выше температур фазовой перекристаллизации (вплоть до температур плавления) с последующим быстрым охлаждением обработанной зоны путем, отвода теплоты за счет теплопроводности материала изделия. ЛТО позволяет повысить твердость и износостойкость упрочняемых материалов.

29

1.8.9. Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.

По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (< 0,3% С), среднеуглеродистые (0,3…0,7% С) и высокоуглеродистые (> 0,7% С).

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 °С) деформирования.

По качеству стали классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06% S и 0,07% Р, качественные — не более 0,04% S и 0,035% Р, высококачественные — не более 0,025% S и 0,025% Р.

Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5% С), качественные и высококачественные — углеродистыми и легированными.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление — процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное со-

30