6.2. Термическая обработка

Термической обработкой (ТО) называют процессы, связанные с нагревом, выдержкой и охлаждением металла (материала), находящемся в твердом состоянии, с целью изменения его структуры или фазового состава, создания необходимых свойств, снятия или изменения остаточных напряжений, без изменения его химического состава.

Основу ТО определяют процессы аллотропических превращений и изменение взаимной растворимости компонентов сплава при разных температурах, а также диффузия.

Виды и операции то

Основные виды ТО – отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей (операций). Режимы ТО определяют основные параметры: температуры нагрева, время выдержки, скорости нагрева и охлаждения.

В общем виде график ТО представлен диаграммой на рисунке 23.

Операции ТО для различных материалов имеют много общего и отличаются, в основном, только режимами. Поэтому рассмотрим их на примере сталей, как наиболее общей и характерной для ТО. Операции ТО проводят в твёрдом состоянии, при этом имеют место процессы вторичной кристаллизации.

Отжиг – вид ТО, заключающийся в нагреве сплава до определенной температуры (для стали выше линии GSE, рисунок 24), выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении (часто вместе с печью). В результате отжига сплав приобретает структуру, близкую к равновесной, происходит разупрочнение, повышение пластичности, снимаются остаточные напряжения, измельчение зерна.

В зависимости от требований к сплаву проводят одну из разновидностей операции отжига: нормализацию (устраняется крупнозернистость структуры, выравниваются механические свойства, по стоимости более дешевая операция ТО), рекристаллизационный отжига (снимается наклеп, образование текстуры), диффузионный отжиг (проводят при более высоких температурах и длительной выдержке). В процессе отжига протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации. Компоненты сплава распределяются более равномерно по объему материала.

Выполняется отжиг часто для различного сортамента при его изготовлении, или в начале технологического процесса изготовления деталей для улучшения обрабатываемости материала. Подробнее о ТО в литературе [1,2,3,6,8].

Закалка – вид ТО, заключающийся в нагреве сплава до определенной температуры (для стали – выше линии GSK, рисунок 24), выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении с целью получения неравновесной структуры. Неравновесные структуры материала при ТО получают, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов. Цель закалки – получение высокой твердости, прочности, заданных физико-механических свойств (например, увеличить удельное электрическое сопротивление или коэрцитивную силу в магнитотвердых сплавах).

Возможность упрочнения сплавов путем ТО обусловлена наличием аллотропических превращений в твердом состоянии. В сталях, охлаждая аустенит с различными скоростями (разной степенью переохлаждения), можно получить продукты превращения аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам. На рисунке 25 показаны качественные зависимости влияния скорости охлаждения стали и получаемые при этом закалочные структуры.

Малая скорость охлаждения V₁ приводит к образованию смеси феррита и цементита, называемой перлит (П), с твердостью HRC10, с крупными зернами.

Чем больше скорость охлаждения, тем более мелкодисперсная образующаяся феррито-цементитная смесь.

При охлаждении со скоростью V₂ получается первая закалочная структура, сорбит (С), который также представляет собой смесь феррита и цементита, но отличается от перлита более тонкодисперсным строением, и имеет твердость HRC20. Стали с сорбитной структурой износостойки, используются для изготовления нагруженных деталей.

При охлаждении со скоростью V₃ получается вторая закалочная структура, троостит (Т), которая образуется в результате распада переохлажденного аустенита при 500…550^°С. Обладает значительной упругостью. Твердость троостита порядка HRC40. Сталь со структурой троостита отличается высокими значениями прочности и упругости. Ее применяют для изготовления различных упругих элементов.

При очень быстром охлаждении со скоростью V₅ аустенит превращается в мартенсит (М), который имеет типичную игольчатую структуру. Мартенсит представляет перенасыщенный твердый раствор углерода в -Fe. Превращение происходит при температуре 911^°С. Гранецентрированная кристаллическая структура -Fe при 911^°С переходит в ОЦК структуру -Fe. Освобождающиеся атомы углерода -Fe приводят к перенасыщению им структуры -Fe, и появлению закалочных напряжений. Мартенсит – твердая и хрупкая структура, с твердостью HRC 62…66.

Линия M_н на рисунке 25 характеризует начало бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.

Чем больше углерода в стали, тем лучше закалка. При содержании углерода менее 0,2 % сталь практически не закаливается. Скорость охлаждения обеспечивают закалочной средой: водой, растворами солей, расплавами, маслами. Особенно важна скорость охлаждения в интервале температур 650…550^°С, где аустенит менее всего устойчив. Его стараются пройти быстро. В интервале температур 300…200^°С в некоторых сталях образуется мартенсит. Поэтому в этом интервале температур требуется медленное охлаждение, чтобы избежать возникновения трещин и напряжений.

В процессе закалки может образоваться остаточный аустенит, который с течением времени при обычных условиях может превратиться в мартенсит. Это превращение приводит к изменению размеров детали – нестабильности. Для повышения стабильности стали непосредственно после закалки проводят обработку холодом. Охлаждают сплав до температуры порядка минус 70^°С, при этом остаточный аустенит переходит в мартенсит. Обработку холодом применяют, например, при изготовлении шарикоподшипников, режущего инструмента.

Упрочнение сплавов может быть и без аллотропических превращений. В однофазных структурах (например, в твердых растворах с неограниченной растворимостью компонентов, см. диаграмму состояний, рисунок 14, перекристаллизация в твердом состоянии возможна в структурах, которые образуются в состоянии: жидкая фаза одного компонента и кристаллы другого компонента (т.е. между линиями ликвидус – солидус, рисунок 14). Такие сплавы называют стареющими: это сплавы алюминия, никеля и другие.

Отпуск – ТО, заключающаяся в нагреве предварительно закаленных сплавов до определенной температуры (для стали – ниже линии PSK), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью. Цель отпуска – уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости, получение необходимых механических свойств. При отпуске происходит распад мартенсита, выделяется углерод из перенасыщенного твердого раствора стали в виде мельчайших кристалликов карбида железа.

В зависимости от температуры нагрева различают низкий отпуск, средний отпуск, высокий отпуск. Чем выше температура отпуска, тем сильнее проявляются свойства пластичности, вязкости в материале, при одновременном снижении твердости.

Низкий отпуск стали производится при температуре 120…150^°С после закалки инструмента, цементованных, цианированных деталей.

Средний отпуск стали производится при температуре 350…400^°С, при этом снижается твердость. Рекомендуется для упругих элементов.

Высокий отпуск стали производиться при температуре 500…650^°С. Обеспечиваются после него достаточная прочность, вязкость, пластичность. Нагрев при ТО производят в термических печах .

Самопроизвольный отпуск, происходящий в сплаве при простой выдержке при комнатной температуре, или отпуск при очень низких температурах порядка 100…170^°С называется старением, соответственно естественным или искусственным.