Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

сложность управления качеством; большая номенклатура материалов, используемых для получения формы; сложность операций изготовления моделей и форм.

Метод литья по выплавляемым моделям широко используется при изготовлении отливок массой от десятков граммов до сотен килограммов из черных и цветных сплавов. Особенно широко он применяется для деталей из жаропрочных или специальных труднообрабатываемых сплавов.

Наиболее эффективно изготовление литья по выплавляемым моделям в серийном и массовом производстве, где успешно работают механизированные и комплексно-автоматизированные линии.

Модельные составы. Для изготовления моделей применяют различные легкоплавкие составы, которые состоят из 50 % парафина и 50 % стеарина с температутой плавления около 55 °С и хорошей жидкотекучестью. Недостаток такого сплава в том, что он начинает размягчаться при 30–35 °С. Более высокой прочностью обладают сплавы на основе парафина с добавками этилцеллюлозы, церезина, на основе канифоли и другие составы.

Изготовление моделей в массовом и крупносерийном производстве осуществляют запрессовкой состава, подогретого до пастообразного состояния, в стальные прессформы под давлением 0,3–0,5 МПа.

Литье в металлические формы. Литье в металлические фор-

мы (кокили) получило большое распространение при получении отливок из алюминиевых и магниевых сплавов, отливок из чугуна, стали и других сплавов. Кокиль – форма многократного использования; в нем можно получить 300–500 стальных отливок массой 100–150 кг, около 5000 чугунных мелких отливок, несколько десятков тысяч отливок из алюминиевых сплавов.

Сущность способа состоит в получении литых деталей путем свободной заливки расплава в металлические формы. Конструкции кокилей чрезвычайно разнообразны, они могут быть неразъемными и разъемными. Неразъемные кокили применяют для получения небольших отливок простой конфигурации, которые можно удалять без разъема формы.

Более сложные и крупные отливки получают в разъемных кокилях. Они обычно состоят из двух частей – полуформ с вертикальной, горизонтальной или сложными плоскостями разъема.

201

Кокили чаще всего делают из чугуна и стали. Для повышения стойкости (и долговечности) кокиля и предупреждения поверхностной закалки стали или отбеливания чугуна на внутреннюю поверхность кокиля наносят огнеупорные покрытия и краски.

Краски для предотвращения пригара и улучшения качества поверхности отливок наносят пульверизацией или кистью перед каждой заливкой. Интенсивность теплообмена между отливкой и кокилем в 3–10 раз больше, чем при литье в разовые формы, что способствует получению мелкозернистой структуры. Вместе с тем быстроохлаждающийся сплав снижает свою жидкотекучесть, что затрудняет получение тонкостенных, сложных отливок. Поэтому перед заливкой кокиль должен быть нагрет до определенной оптимальной температуры порядка 100–300 °С (в зависимости от вида сплава, конфигурации отливки и т. п.).

Литье в металлические формы – один из прогрессивных способов изготовления отливок. Механизация и автоматизация обеспечивают высокую производительность при значительном снижении трудоемкости и стоимости отливок. Вследствие быстрого затвердевания получается мелкозернистая структура сплава, что определяет его высокие механические свойства. Отливки получают с высокой точностью по размерам и чистой поверхностью, что уменьшает или совсем исключает их последующую механическую обработку.

Недостатками кокильного литья являются высокая стоимость кокилей, трудоемкость в изготовлении сложных по конфигурации и тонкостенных отливок, сравнительно невысокая стойкость кокиля при литье из тугоплавких сплавов.

18.3. Технология термической обработки

Термическая обработка представляет собой процесс обработки металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении.

Термическая обработка – самый распространенный способ изменения свойств металлов и сплавов. На металлургических и машиностроительных предприятиях термическая обработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства полуфабрикатов и деталей машин. Термообработку приме-

202

няют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и др.) и как окончательную операцию для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия.

При нагреве и охлаждении изменяется структурно-фазовое состояние металлического материала, что обусловливает изменение механических, физических и химических свойств и влияет на его поведение при обработке и эксплуатации.

Современная технология термической обработки базируется на использовании научных представлений физики металлов, теоретического и прикладного металловедения с целью более глубокого понимания природы, механизма и кинетики структурных изменений и закономерностей изменения свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии. При этом большое внимание уделяется таким структурным изменениям, как рекристаллизация, мартенситное превращение, распад твердого раствора, гомогенизация и др., которые особенно часто встречаются при термообработке разных групп металлических материалов.

Классификация видов термической обработки. Процесс терми-

ческой обработки можно описать диаграммой, показывающей изменение температуры во времени. По такому графику можно определить температуру нагревания, время нагревания и охлаждения, средние и истинные скорости нагревания и охлаждения, время выдержки при температуре нагревания и общую продолжительность производственного цикла. Однако по этой диаграмме ничего нельзя сказать о том, с каким видом термообработки мы имеем дело. Вид термообработки определяется не характером изменения температуры во времени, а типом фазовых и структурных изменений в металле. На основе такого подхода разработана классификация, а также соответствующая терминология, охватывающая многочисленные разновидности термической обработки черных и цветных металлов и сплавов.

Термическая обработка включает следующие основные виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку с полиморфным превращением, закалку без полиморфного превращения, отпуск и старе-

203

ние. Эти виды термической обработки относятся и к сталям, и к цветным металлам и сплавам. Каждый из видов термообработки подразделяется на разновидности, специфические для сплавов на разных основах.

Отжиг 1 рода. Этот вид термической обработки возможен для любых металлов и сплавов. Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии. Нагрев при отжиге I рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутренние напряжения, т. е. способствует получению более равновесного состояния. Основное значение при проведении такого отжига имеют температура нагрева и время выдержки при этой температуре, так как именно эти параметры определяют скорость процессов, устраняющих отклонения от равновесного состояния. Скорость нагрева и охлаждения для отжига I рода имеет второстепенное значение.

Различают следующие разновидности отжига I рода. Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) используют для

устранения химической неоднородности, возникающей при кристаллизации сплава (дендритной ликвации).

Рекристаллизационный отжиг применяют после холодной пластической деформации (холодной обработки давлением) для снятия наклепа и получения равновесного состояния сплава. В результате рекристаллизации в деформированном металле образуются новые зерна, снимаются напряжения и восстанавливается пластичность металла.

Отжиг для снятия напряжений, возникающих при ковке, сварке, литье и т. п., которые могут вызвать коробление, т. е. изменение формы, размеров и даже разрушение изделий.

Отжиг II рода. Так называют отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения при нагреве и охлаждении.

Такую термическую обработку проводят для сплавов, в которых имеются полиморфные, эвтектоидные или перитектоидные превращения, а также может быть переменной растворимость в твердом состоянии.

Закалка. Как и отжиг II рода, закалка осуществляется только для металлов и сплавов, имеющих фазовые превращения в твердом состоянии. Главное различие этих видов термической обработки –

204

скорость охлаждения. Все виды отжига проводят с медленным охлаждением, а закалку – с быстрым.

При закалке фиксируется высокотемпературное состояние. При охлаждении может происходить бездиффузионное мартенситное превращение.

Отпуск. Этот вид термической обработки применим к закаленным сплавам. При этом закаленные изделия нагревают ниже температуры фазового превращения. В результате отпуска уменьшаются внутренние напряжения, сплавы переходят в более равновесное состояние.

18.3.1. Термическая обработка стали

Термическая обработка стали может быть промежуточной (технологической) и окончательной. Главной задачей промежуточной термической обработки является снижение твердости стали (повышение уровня технологических свойств) для лучшей обрабатываемости режущим инструментом или обработкой давлением. Окончательная термическая обработка деталей преследует цель придать стали такие свойства, которые требуются в условиях эксплуатации деталей. В результате окончательной термической обработки получают не только лучшее сочетание механических свойств, но и высокие значения ряда физических и химических характеристик, например высокие показатели коэрцитивной силы, хорошую коррозионную стойкость, высокую теплостойкость режущих инструментов и т. д.

Режим термической обработки назначают в соответствии с критическими точками и диаграммой изотермического превращения аустенита1 обрабатываемой стали. Основные виды термической обработки, применяемые в практике: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение, обработка холодом.

Отжиг. Основное назначение отжига – получение равновесной структуры, поэтому при отжиге, как правило, детали охлаждают медленно. Углеродистые стали – со скоростью ~200 °С/ч, легированные стали ~30–100 °С/ч.

1 Физическое материаловедение. М.: МИФИ, 2007. Т. 2. П. 5.2.10.

205

Отжиг I рода. Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг

применяют для устранения ликвации (выравнивание химического состава). В его основе лежит диффузия атомов. При этом выравнивается состав и растворяются избыточные карбиды. Такой отжиг проводят при высокой температуре с длительной выдержкой. Гомогенизирующему отжигу подвергают в основном легированные стали. Это объясняется тем, что скорость диффузии углерода, растворенного в аустените по типу внедрения, на несколько порядков больше скорости диффузии легирующих элементов, которые растворяются в аустените по типу замещения. Гомогенизация углеродистых сталей происходит в процессе их нагрева. Режим гомогенизирующего отжига: нагрев до температуры 1050–1200 °С, время выдержки составляет 8–10 ч (рис. 18.7).

аб

Рис. 18.7. Фрагменты диаграммы состояний системы Fe-C с указанием температур нагрева стали при различных видах термической обработки:

а – отжиг I рода: 1 – диффузионный отжиг; 2 – рекристаллизационный отжиг; 3 – отжиг для снятия напряжений; 4 – нормализация;

б – отжиг II рода: 5 – полный отжиг; 6 – неполный отжиг; 7 – циклический отжиг

Рекристаллизационный отжиг. Для устранения наклепа холод-

нокатаных листов стали с 0,1–0,2 % С отжиг проводят при 680–700 °С, для холоднотянутых прутков из легированных сталей при 700– 730 °С и т. д. Время выдержки при нагреве зависит от толщины сечения. Для тонких листов и проволоки составляет 25–30 мин.

206

Отжиг для снятия напряжений проводят при нагреве до 400– 600 °С с выдержкой 2,5 минуты на 1 мм толщины сечения.

Отжиг II рода основан на протекании фазовой перекристаллизации. Основное его назначение – возможно более полное изменение фазового состава. Поэтому температура нагрева и время выдержки должны обеспечить нужные структурные превращения, скорость охлаждения выбирают такой, чтобы успели произойти обратные диффузионные фазовые превращения. После такого отжига получают более однородную мелкозернистую структуру, твердость понижается, пластичность повышается, поэтому отжиг II рода применяют в качестве предварительной термической обработки и перед обработкой стальных деталей на металлорежущих станках. В зависимости от температуры нагрева различают полный и неполный отжиг.

Полный отжиг обычно применяют для доэвтектоидной стали. Изделия нагревают до температуры на 30–50 °С выше точки Ас3 (см. рис. 18.7, а также рис. 5.451), что обеспечивает полную перекристаллизацию – превращение исходной ферритно-перлитной структуры в аустенит. При такой температуре нагрева аустенит получится мелкозернистым, следовательно, при охлаждении сталь будет иметь также мелкозернистую структуру. Если при отжиге нагреть изделия значительно выше Ас3, то зерна аустенита могут вырасти до крупных размеров. После охлаждения получится грубая структура, состоящая из крупных зерен феррита и перлита. Сталь с такой структурой обладает пониженной пластичностью.

Неполный отжиг применяют для заэвтектоидной стали (см.

рис. 18.7, 5.45). При нагреве на 20–50 °С выше Ас1 (740–770 °С) в

структуре сохраняется вторичный цементит. В результате отжига цементит получается в виде зерен (глобулей), поэтому такой отжиг называют также сфероидизацией. Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, при которой цементитная сетка дробится. Сталь с зернистым цементитом лучше обрабатывается режущим инструментом. Неполный отжиг для доэвтектоидной стали применяют редко. При нагреве до этой температуры не происходит полной пе-

1 Физическое материаловедение. – М.: МИФИ, 2007. Т. 2. Гл. 5.

207

рекристаллизации, часть зерен феррита остается в том же виде, что и до нагрева. Такой отжиг проводят только в тех случаях, когда исправления структуры не требуется, а необходимо только понижение твердости.

Если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым, применяют так называемый циклический отжиг. В этом случае после нагрева выше Ас1 изделие охлаждают до температуры примерно 680 °С, затем вновь нагревают до 740–750 °С и опять охлаждают до 680 °С, повторяя циклы нагрев–охлаждение несколько раз. В результате формируется зернистый перлит, и сталь характеризуется повышенной пластичностью.

При изотермическом отжиге изделие нагревают выше критических точек, быстро охлаждают до температуры на 50–100 °С ниже Ас1 и выдерживают при этой температуре в течение времени, необходимого для полного превращения аустенита в перлит. Затем изделие охлаждают на спокойном воздухе. При изотермическом отжиге в процессе выдержки, которую выбирают в соответствии с диаграммой изотермического распада аустенита для данной стали, происходит выравнивание температуры по сечению изделия. Это способствует получению более однородной структуры и, следовательно, улучшению свойств.

Легированные стали подвергают именно такому отжигу. При отжиге легированных сталей увеличивается не только продолжительность нагрева и выдержки, но также и продолжительность охлаждения. Высоколегированные стали охлаждают с малой скоростью вследствие большей устойчивости легированного аустенита.

Нормализация. Нормализацией называют термическую обработку стали, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния (на 30–50 °С выше Ac3) и охлаждают на спокойном воздухе (см. рис. 18.7). Следовательно, отличие нормализации от полного отжига для доэвтектоидных сталей заключается в скорости охлаждения. В результате нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются многие пороки, возникшие в процессе предшествующих обработок изделий. Твердость и прочность выше, чем после отжига. Поэтому, несмотря на значительную экономию времени, нормализация не всегда может заменить

208

отжиг. В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. Нормализацию чаще применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Но иногда ее применяют и как окончательную, например, при изготовлении сортового проката (рельсы, швеллеры и т. п.).

Закалка. Основные параметры при закалке – это температура нагрева, время выдержки, скорость и среда охлаждения. Температуру нагрева для сталей определяют по диаграммам состояния, скорость охлаждения – по диаграммам изотермического распада аустенита.

Температура закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры выше критической точки Ас3 на 30–50°С. Если такие стали нагреть до температуры между критическими точками Ас1 и Ас3 и охладить, то в структуре закаленной стали, кроме мартенсита, будет присутствовать феррит, что существенно ухудшает свойства. Такая закалка называется неполной.

Заэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры Ас1 + (40–60) °C. После охлаждения с таких температур получают структуру мартенсита с включением вторичного цементита, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше критической точки Аст, то после закалки получится дефектная структура грубоигольчатого мартенсита.

Время нагрева зависит от размеров детали и теплопроводности стали, и его обычно определяют экспериментально. Продолжительность выдержки при температуре закалки выбирают такой, чтобы полностью произошла гомогенизация образовавшегося аустенита.

Охлаждение при закалке. Для получения нужной структуры детали охлаждают с различной скоростью, которая зависит от охлаждающей среды, формы изделия и теплопроводности стали.

Охлаждающую способность различных сред оценивают скоростью охлаждения в области температур наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита 650–550 °С и в области мартенситного превращения 300–200 °С. В последнем интервале желательно замедленное охлаждение, так как в этом случае уменьшаются и термические, и структурные напряжения.

209

Выбирая охлаждающие среды, следует учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.

Закаливаемость – способность стали принимать закалку, т. е. приобретать при закалке высокую твердость. Закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Низкоуглеродистые стали (до 0,20 % С) практически не закаливаются, так как при закалке их твердость не повышается.

Под прокаливаемостью понимают глубину прокаливания закаленной зоны. За глубину прокаленной зоны принято считать расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будут примерно одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем медленнее происходит превращение аустенита в перлит, т. е. чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость. На рис. 18.8 приведена схема, показывающая изменение скорости охлаждения по сечению изделия (а) и ТТТ-диаграмма распада аустенита (б).

Рис. 18.8. Схемы изменения скорости охлаждения по сечению изделия при закалке

Укрупнение зерен аустенита при нагреве под закалку также способствует увеличению прокаливаемости. Факторы, которые уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита (нерастворимые частицы, неоднородность аустенита и др.), уменьшают прокаливаемость. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр – максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия. В этом

210