Теория термической обработки стали

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, А₃ и А_m соответственно. Нагрев под термообработку проводится выше линии фазовых превращений, соответствующей содержанию углерода в стали, на 30…50 ^◦С (рис. 6.1). Неравновесные температуры превращений при нагреве обозначают: перлита в аустенит ‑ Ас₁; превращений в однородный аустенит для доэвтектоидных сталей ‑ Ас₃, для заэвтектоидных сталей ‑ Аcm.

В зависимости от склонности к росту аустенитного зерна при нагреве различают наследственно крупнозернистые (зерно склонно к росту) и наследственно мелкозернистые (зерно не склонно к росту) стали.

Рис. 6.1. Оптимальные температуры Рис. 6.2. Диаграмма изотермического

термообработки для сталей распада аустенита

Свойства стали, возникшие в результате той или иной обработки, определяются реально образовавшимся зерном – действительным зерном. Наследственная зернистость должна учитываться при назначении режимов обработки. Основными видами термической обработки сталей являются отжиг (первого и второго рода), нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг состоит в нагреве металла, выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью со скоростью примерно 150⁰/ч. Отжиг приближает металл к равновесному состоянию.

Отжиг первого рода проводят для получения более равновесной структуры, чем исходная. К нему относятся рекристаллизационный и диффузионный отжиги.

При рекристаллизационном отжиге деформационно упрочненный металл нагревают несколько выше температурного порога рекристаллизации (Т_рекр=0,4Т_пл). В результате отжига металл приобретает такие же механические свойства, какие он имел до деформации.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг проводят при нагреве до высоких температур (для сталей – значительно выше Ас₃ или Аcm), предполагающих интенсивную диффузию атомов. Такому отжигу подвергают, например, отливки для устранения дендритной ликвации (гомогенизации сплава).

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

При неполном отжиге нагрев ведут до температуры Ас₁ (ниже Ас₃ или Асm). Происходит частичная перекристаллизация сплава (перлит переходит в аустенит). Чаще неполный отжиг применяют для заэвтектоидных сталей (сфероидизирующий отжиг).

При полном отжиге сталь нагревают выше Ас₃ или Аcm. Происходит полная перекристаллизация сплава с образованием однородного аустенита.

Нормализация – это частный вид отжига, отличающийся от отжига, большей скоростью охлаждения (примерно 150⁰/мин), проводится на спокойном воздухе и характеризуется более мелкозернистой структурой, чем после отжига, более высокой твердостью и прочностью. Нагрев доэвтектоидных сталей под нормализацию проводится выше линии Ас₃, а заэвтектоидных – выше Аcm.

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 (изотермическая закалка). Назначение закалки – повысить твердость и прочность сталей по сравнению с этими характеристиками после отжига в 2-3 раза.

Теоретическая возможность осуществления закалки определяется видом диаграммы состояния системы, которой принадлежит сплав. Необходимо, чтобы при нагреве он испытывал хотя бы частичную твердофазную перекристаллизацию. При скоростях закалки диффузионные процессы в металле в значительной степени подавляются, 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).

Нагрев при закалке доэвтектоидных сталей проводится до температур выше Ас₃ (полня закалка)_, а заэвтектоидных – выше Ас₁ (неполная закалка). В зависимости от скорости охлаждения существуют два принципиально различных способа закалки:

- закалка на мартенсит, которая проводится при скорости охлаждения, равной или больше критический;

- закалка на ферритно-цементитные смеси (троостит, бейнит) при охлаждении со скоростью ниже критической.

Суть мартенситного превращения состоит в перестройке кристаллической решетки аустенита (ГКЦ) в тетрагональную решетку (рис. 6.3). Таким образом, мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в феррите с увеличенным параметром с. 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 γ → α 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). Мартенсит – самая твердая структура, образующая при термообработке сталей. Чем больше в нем углерода, тем он тверже.

При разных скоростях охлаждения (рис. 6.2.) от температур термообработки образуются разные структуры: мартенсита и перлитного типа (перлит, сорбит, троостит, бейнит). Перлитное превращение является диффузионным, т.к. при нем происходит распад аустенита на ферритно-цементитную смесь различной дисперсности (разное расстояние между частицами феррита и цементита). Троостит ‑ наиболее дисперсная (мелкая) структурная составляющая и образуется при температурах, несколько выше линии начала мартенситного превращения М_н. Чем структура дисперснее, тем выше ее механические свойства.

Мартенситное превращение протекает в интервале температур начала и конца мартенситного превращения (М_н – М_к). Если М_к лежит ниже нуля градусов, то после закалки в сталях наряду с мартенситом сохраняется аустенит, который называется остаточным. Количество остаточного аустенита определяется режимами термической обработки и зависит от содержания углерода в стали. С увеличением содержания углерода в стали температуры М_н и М_к понижаются, а количество аустенита остаточного возрастает.

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_cm 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 твердость и прочность закаленного сплава.

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 (касательная к С-образным кривым) уменьшается. В сталях мартенситного класса (Р14Ф4, 40Х9С6М, Х12МФ) этого уменьшения оказывается достаточно, чтобы уже при нормализации получить мартенситную структуру.

Легирующие элементы не влияют на механизм мартенситного превращения. Они лишь влияют на температуры М_н и М_к. Большинство легирующих элементов понижают эти температуры, кремний не влияет на них, а алюминий и кобальт повышают.

Мартенсит – термически 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 в зависимости от температуры: низкий (150…250 ^ºС), средний (300…450 ^ºС) и высокий (500…680 ^ºС).

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. Троостит и сорбит отпуска отличается зернистой формой цементита.

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 охлаждения, тем на болдшую глубину прокаливается изделие. Поэтому критический диаметр при охлаждении в воде больше, чем в масле.

Прокаливаемость сталей значительно увеличивают легирующие элементы (кроме кобальта), растворенные в аустените. Критический диаметр зависит от критической скорости закалки, чем она 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.

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

Цементация сталей проводится в аустенитной области диаграммы состояния Fe-Fe₃C при температурах 950 – 1050 º. Ей подвергаются низкоуглеродистые (до 0,25 % С) стали (цементуемые). В качестве насыщающих сред – карбюризаторов используют древесный уголь с добавками углекислых солей; углеродсодержащие газы; расплавы солей с добавками карбидов. Максимально возможное насыщение поверхностного слоя определяется линией SE диаграммы – линией предельной концентрации углерода в аустените. Содержание углерода составляет 0,9 – 1,2 % по поверхности, а исходное ‑ в сердцевине. Таким образом, цементацией достигается желаемое распределение углерода по сечению изделия. Конечная цель цементации – получение поверхностного слоя высокой твердости и прочности 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 высокой 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.