Теория термообработки. Термическая и химико-термическая обработка сталей

Термической называют обработку, связанную с нагревом и охлаждением металла с целью изменения его структуры и свойств.

Температурные режимы термообработки сталей связаны с диаграммой Fe-Fe₃C. Равновесные температуры, отвечающие положению линий PSK, GS и SE диаграммы, обозначают А₁, А₂ и А_т соответственно. При нагреве неравновесные температуры превращений обозначают: перлита в аустенит - А_С1; превращений,

связанных с получением однофазной аустенитной структуры, - А_С3 (для доэвтектоидных сталей), А_ст (для заэвтектоидных). При обычных скоростях нагрева не­равновесные температуры на 30... 50°С выше соответствующих равновесных.

В зависимости от склонности аустенитного зерна при нагреве к росту раз­личают наследственно крупнозернистые (зерно склонно к росту) и наследствен­но мелкозернистые (зерно не склонно к росту) стали. Свойства стали, возникшие в результате той или иной обработки, определяются реально образовавшимся зерном - действительным зерном. Наследственная зернистость должна учиты­ваться при назначении режимов обработки, влияющей на размер получаемого действительного зерна, например, при закалке, отжиге.

Основными видами термической обработки сталей являются отжиг (первого и второго рода), закалка, отпуск.

Отжиг состоит в нагреве металла, выдержке и последующем медленном охлаждении (вместе с печью). Отжиг приближает металл к равновесию.

Отжиг первого рода проводят для получения более равновесной, чем исходная, структуры, не связывая эту цель с наличием или отсутствием фазо­вой перекристаллизации. Примерами отжига первого рода являются рекристалли-зационный отжиг, диффузионный отжиг.

При рекристаллизационном отжиге деформационно упрочненный металл нагревают несколько выше температурного порога рекристаллизации. В резуль­тате отжига материал приобретает такие же механические свойства, какие он имел до деформации.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг проводят при нагреве до высо­ких температур (применительно к сталям - значительно выше А_с3 или А_ст), пред­полагающих интенсивную диффузию атомов. Такому отжигу подвергают, на­пример, отливки для устранения дендритной ликвации (гомогенизации сплава).

При отжиге второго рода непременно протекает, хотя бы час­тичная, фазовая перекристаллизация. К отжигу второго рода относятся неполный отжиг, полный отжиг.

При неполном отжиге нагрев ведут до температуры А_с1 (ниже А_с3 или А_ст). Происходит частичная перекристаллизация сплава (меняется перлитная состав­ляющая). Чаще неполный отжиг применяют для заэвтектоидных сталей (сфероит дизирующий отжиг).

При полном отжиге сталь нагревают до А_с3 или А_ст. Происходит полная пе­рекристаллизация сплава.

Закалка состоит в нагреве сплавов выше температур фазовых превращений и последующем быстром охлаждении, фиксирующем их высокотемпературное состояние (истинная закалка) или состояние, промежуточное между высокотем­пературным и равновесным, характерным для нормальной температуры.

Теоретическая возможность осуществления закалки определяется видом диаграммы состояния системы, которой принадлежит сплав. Необходимо, чтобы при нагреве он испытывал, хотя бы частичную, твердофазовую перекристаллиза­цию. При закалочных скоростях охлаждения диффузионные процессы в металле в значительной степени подавлены, и, следовательно, фазовые превращения не могут не отличаться от равновесных. (Отставание диффузионных процессов в твердой фазе при неравновесном охлаждении даже при кристаллизации из жид­кого расплава приводит к разнородности состава кристаллов в центре и на пери­ферии).

Применительно к сталям нагрев при закалке обычно ведут до температуры А_с3 (доэвтектоидные стали) и А_с1 (заэвтектоидные стали). Если нагрев ведется до темпера­тур А_с3 или А_ст, то такая закалка называется полной, если до А_с1 - неполной.

В зависимости от скорости охлаждения существуют два принципиально различных способа закалки - закалка на ферритно-цементитные смеси и закалка на мартенсит. При охлаждении со скоростью ниже критической, т.е. такой мини­мальной скорости, которая необходима для образования мартенсита, возникают структуры перлитного типа (перлит, сорбит, троостит, бейнит). Сорбит и троо­стит отличаются от перлита и друг от друга степенью дисперсности (троостит дисперснее сорбита, а последний - перлита). Чем структура дисперснее, тем вы­ше ее механические свойства.

Охлаждение со скоростью выше критической ведет к превращению аусте­нита в мартенсит. Суть превращения состоит в перестройке кристаллической решетки аустенита (ГЦК) в решетку феррита (ОЦК). При этом углерод, раство­ренный в аустените, оказывается полностью в решетке феррита. Таким образом, мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в ферри­те. Кристаллическая решетка мартенсита - тетрагональная (искаженная решетка феррита с увеличенным параметром с).

Если при полной закалке (полном отжиге) охлаждение нагретой заготовки ведут на спокойном воздухе, то такая термическая обработка называется норма­лизацией.

Большинство легирующих элементов, растворенных в аустените, повышают его временную устойчивость, сдвигая С-образные кривые изотермического пре­вращения аустенита вправо по координатной оси времени. При этом критическая скорость закалки уменьшается. (В сталях мартенситного типа этого уменьшения оказывается достаточно, чтобы уже при нормализации получить мартенситную структуру).

Мартенситное превращение протекает по бездиффузионному, сдвиговому механизму. Под действием напряжений, возникающих при быстром охлаждении сплава, в кристаллической решетке аустенита происходит сдвиг по плоскостям легкого скольжения {111} с одновременной g®a перестройкой. Отличительны­ми особенностями мартенситного превращения являются бездиффузионность и ориентированность (иглы мартенсита находятся под определенными углами от­носительно друг друга в соответствии с расположением плоскостей легкого скольжения в аустените).

Мартенситное превращение не захватывает всю аустенитную структуру. Часть аустенита сохраняется в закаленной стали. Такой аустенит называют оста­точным. Количество остаточного аустенита определяется режимами термической обработки и зависит от температур начала и конца мартенситного превращения.

Мартенсит - самая твердая структура, образующаяся при термообработке сталей. Чем больше в нем углерода, тем он тверже. Заэвтектоидные стали, в отличие от доэвтектоидных, подвергают неполной закалке. Это объясняется тем, что избыточная фаза заэвтектоидных сталей (це­ментит) обладает высокой твердостью, и наличие дисперсных включений цемен­тита повышает износостойкость стали. Нагрев до А_ст привел бы к растворению цементита и, кроме того, к укрупнению аустенитного зерна, а, следовательно, к возникновению после закалки структуры крупноигольчатого мартенсита, обла­дающего пониженными механическими свойствами. Если неполной закалке под­вергнуть доэвтектоидную сталь, то избыточная фаза (феррит), имеющая малую твердость, понизит механические свойства закаленного сплава.

Температура начала мартенситного превращения не зависит от скорости ох­лаждения, но определяется составом сплава. Углерод и большинство легирующих элементов сдвигают точки начала и конца превращения к более низким темпера­турам.

Мартенсит - термодинамически неустойчивая структура. Нагрев, повышая подвижность атомов, приводит к образованию более устойчивых структур (троо­стит, сорбит, перлит). С повышением температуры снижается твердость и возрас­тает пластичность сплава.

Термическая обработка, состоящая в нагреве закаленной стали до темпера­туры ниже А₁, выдержке и последующем охлаждении с произвольной скоростью, называется отпуском. Чем выше нагрев, тем в большей степени структура при­ближается к равновесной. Различают три вида отпуска: низкий (t = 150... 250^СС), средний (t= 350... 500°С) и высокий (t = 500... 680 °С).

Сочетание закалки и высокого отпуска называют улучшением, а стали, предназначенные для такой обработки (среднеуглеродистые стали), - улучшае­мыми.

В некоторых случаях нагрев при отпуске заменяют длительной выдержкой при нормальной температуре. Такая обработка называется старением. Если ста­рение проводят с небольшим нагревом, то его называют искусственным.

Обычно при среднем отпуске образуется трооститная структура, при высо­ком - сорбитная. От одноименных структур закалки троостит и сорбит отпуска отличается тем, что цементитные частицы в них имеет зернистую форму (в структурах закалки - пластинчатую).

Большинство легирующих элементов сдерживают мартенситное превраще­ние, сдвигая его в область более высоких температур.

Следует различать термины " закаливаемость" и " прокаливаемость". Закали­ваемость - это способность металла повышать твердость при закалке. Прокали­ваемость - это глубина, на которую распространяется закаленная область. При сквозной прокаливаемости свойства материала однородны и достаточно высоки по всему сечению. Количественно прокаливаемость оценивается критическим диаметром, под которым понимают наибольший диаметр прутка, прокаливающе­гося насквозь (в центре возникает полумартенситная структура, состоящая на 50 % из троостита и на 50 % из мартенсита) в данном охладителе. Чем больше скорость теплоотвода (охлаждения), тем на большую глубину прокаливается из­делие. Поэтому критический диаметр при охлаждении в воде больше, чем в масле, и тем более больше, чем на воздухе. Особенно сильно увеличивают прокаливаемость сталей легирующие элементы (кроме кобальта), растворенные в аустените. Критический диаметр зависит от критической скорости закалки. Чем ско­рость меньше, тем больше диаметр.

В ряде случаев применяют закалку, при которой высокому нагреву подвер­гают лишь поверхностный слой материала (поверхностная закалка). В результате поверхностной закалки изделие приобретает высокую поверхностную твердость, сердцевина же остается вязкой. Широко применяют закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Чем выше частота тока, тем тоньше слой, в котором индуцируются токи, и тем тоньше окажется закаленный слой.

Обработка, при которой металл нагревают в специальных средах, изменяю­щих химический состав поверхностного слоя, называется химико-термической (ХТО). Распространенными видами ХТО сталей являются цементация (насыще­ние поверхностного слоя изделия углеродом), азотирование (насыщение азотом), нитроцементация и цианирование (насыщение азотом и углеродом одновременно).

Режимы химико-термической обработки, состоящей в диффузионном на­сыщении металла А компонентом В, определяются видом диаграммы состояния системы А-В. Термодинамически такая обработка возможна, если в диаграмме имеется высокотемпературная область значительной растворимости компонента В в А.

Например, цементация сталей проводится в аустенитной области диаграм­мы состояния Fe-Fe₃C. Цементации подвергают низкоуглеродистые стали (це­ментуемые стали). В качестве насыщающих сред (при цементации такие среды называют карбюризаторами)используют древесный уголь с добавками углекис­лых солей; углеродсодержащие газы; расплавы солей с добавками карбидов. Максимальное возможное насыщение поверхностного слоя определяется линией SE диаграммы - линией предельной концентрации углерода в аустените. Цемен­тованная сталь при охлаждении от температуры цементации испытывает эвтектоидное превращение, вследствие чего насыщенный углеродом слой (диффузион­ный слой) приобретает сложную структуру: на поверхности - перлит + цементит, глубже - перлит и затем - перлит + феррит. Конечная цель цементации - получе­ние высокотвердого поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины достигается последующей (после насыщения углеродом) закалкой и низким от­пуском. После термообработки поверхностный слой изделия состоит из высоко­углеродистого мартенсита, сердцевина — из низкоуглеродистого вязкого мартен­сита (при достаточной прокаливаемости) или сохраняет ферритно-перлитную структуру доэвтектоидной стали.

ХТО, состоящую в диффузионном насыщении поверхностного слоя азотом и углеродом и проводимую в расплавленных солях, содержащих группу CN, на­зывают цианированием.

Если насыщение азотом и углеродом осуществляется в газовой фазе, со­стоящей из азот- и углеродсодержащих газов, то такая химико-термическая обра­ботка называется нитроцементацией.