Дефекты термической обработки

Наиболее распространенные дефекты, возникающие при термической обработке магниевых сплавов,— неполная закалка, рост зерна, окисление поверхности, пережог и коробление изделий. Чаще всего указанные дефекты появляются в результате нару­шения режимов закалки.

Титан и его сплавы

При разработке технологии термической обработки титана и его сплавов следует учитывать следующие присущие им особенности: а) полиморфное превращение; б) низкую теплопроводность; в) высокую химическую активность; г) склонность к наводороживанию.

Теплопроводность титана и сплавов на его основе примерно в 15 раз ниже теплопроводности алюминия и его сплавов и приблизительно в пять раз меньше теплопроводности сталей. Наиболее важная характеристика, определяющая процессы теплообмена,— температуропроводность также примерно в 15 раз меньше, чем у алюминиевых сплавов, и в 3,5 раза ниже, чем у сталей. Пониженные значения теплопроводности и температуропроводности приводят к значительным градиентам температуры по сечению полуфабрикатов и изделий при термической обработке на стадии как нагрева, так и охлаждения. Поэтому при термической обработке крупных изделий и полуфабрикатов целесообразно регламентировать допустимые скорости нагрева и охлаждения для исключения слишком больших остаточных напряжений, которые вызывают коробление изделий и могут быть причиной возникновения термических трещин.

При охлаждении низкая тепло- и температуропроводность титановых сплавов приводит к тому, что тонкие сечения полуфабриката и изделия охлаждаются со значительно большей скоростью по сравнению с массивными частями. Это приводит к существенному различию структурного состояния в тонких и массивных частях и может быть причиной трещин в местах перехода от тонких сечений к толстым. Эта особенность титановых сплавов накладывает существенные ограничения на конфигурацию полуфабрикатов и изделий, которые можно подвергать упрочняющей термической обработке. Низкая теплопроводность титановых сплавов является также причиной их малой прокаливаемости.

Титан и его сплавы при температурах нагрева под термическую обработку активно взаимодействуют с кислородом, парами воды и меньше с азотом. При этом взаимодействии на поверхности титана образуется окалина, а под ней обогащенный кислородом газонасыщенный слой, что снижает служебные свойства металла. Поэтому следует предусмотреть способы борьбы с этими нежелательными явлениями.

Структура исходного титанового полуфабриката сильнее, чем в сталях, определяет качество и свойства термически обра­ботанных полуфабрикатов и изделий. Поэтому к структуре деформированных полуфабрикатов из титана и его сплавов предъявляются строгие требования. Уже на стадии обработки давлением должно быть обеспечено получение достаточно однородной высококачественной структуры.

Выбор режимов отжига

Наиболее распространенный вид термической обработки титановых сплавов — отжиг всех разновидностей. Закалка и старение применяются меньше; к химико-термической обработке прибегают е некоторых случаях.

Отжиг первого рода, включающий в себя рекристаллизационный, дорекристаллизационный отжиг и отжиг для уменьшения остаточных напряжений, в чистом виде применим лишь для -сплавов и -сплавов с термодинамически устойчивой -фазой. В псевдоатипичных + -сплавах и  -сплавах с термодинамически неустойчивой -фазой на рекристаллизационные про­цессы могут накладываться фазовые превращения. Вклад фазо­вых превращений в формирование структуры и свойств сплавов наибольший при рекристаллизационном и дорекристаллизационном отжиге и наименьший при отжиге для снятия остаточных напряжений. Если температура отжига для уменьшения остаточных напряжений достаточно низка, то фазовые превращения могут не развиваться и не влиять на структуру и свойства псевдо -  +  - и -сплавов (с термодинамической неустойчивой -фазой). Гомогенизационный отжиг для титано­вых сплавов не применяют из-за малой его эффективности.

Разделение видов отжига на рекристаллизационный, доре-кристаллизационный отжиг для уменьшения остаточных напряжений, отжиг, включающий фазовую перекристаллизацию,— это классификация видов отжига по процессам, протекающим в металле при нагреве. Отжиг  +  - сплавов чаще классифицируют по технологии, а именно, различают простой, изотермический, двойной и неполный отжиг. Эта классификация предпочтительнее предыдущей, потому что заранее неизестно состояние горячедеформированного металла. В зависимости от температурно-скоростных условий деформации дефорированные полуфабрикаты могут иметь нерекристаллизованную, частично или полностью рекристаллизованную структуру.

Режим простого отжига  +  - сплавов заключается в их нагреве при возможно низких температурах, достаточных для довольно полного разупрочнения, с последующим охлаждением на воздухе или по заданному режиму. Температура простого отжига листов и изделий из них ниже по сравнению с температурой отжига штамповок, поковок, прутков из того же сплава. Это различие связано с тем, что поковки, штамповки, прутки обычно подвергают обработке peзанием, при которой снимается поверхностный альфированный слой, а листы и изделия из них этой обработке не подвергают и удаление альфированного слоя для них является дополнительной и довольно трудоемкой операцией. При отжиге листов вых полуфабрикатов и изделий из них в печах с защитной атмосферой или в вакууме температуру отжига можно повысить до значений, рекомендованных для массивных полуфабрикатов, что обеспечит более полное разупрочнение спланов и повышение их пластичности. Простой отжиг  +  -сплавов является дорекристаллизационным, так как проводится при температурах ниже начала рекристаллизации.

Для  +  -титановых сплавов помимо простого отжига при­меняют изотермический отжиг, состоящий из на­грева сплава при сравнительно высоких температурах, доста­точных для прохождения полигонизации или рекристаллиза­ции, охлаждения до температур, обеспечивающих высокую стабильность -фазы (эти температуры обычно ниже темпера­туры рекристаллизации), и выдержки при этой температуре с последующим охлаждением на воздухе. Для перехода от первой ступени ко второй полуфабрикаты и изделия или охлаждают с печью до температуры второй ступени, или их перено­сят в другую печь. Изотермический отжиг обеспечивает более высокую термическую стабильность, длительную прочность и пластичность, чем простой отжиг. Поэтому изотермический от­жиг широко применяют для жаропрочных сплавов, таких как ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9.

Двойной отжиг отличается от изотермического тем, что по­сле отжига на первой ступени сплав охлаждают до комнатной температуры на воздухе, а затем снова нагревают до темпера­туры второй ступени — она ниже, чем на первой ступени.

Двойной отжиг можно рассматривать как «мягкую» закалку с высокотемпературным старе­нием.

Продолжительность простого отжига и первой ступени изо­термического и двойного отжига определяется сечением детали или полуфабриката и принимается равной:

Максимальное сечение, мм…………… .1,5 1,6-2,0 2,1-6,0 6,1-50

_выд , мин…………………………………..15 20 25 60

При сечениях  50 мм рекомендуют увеличивать длительность выдержки до 2,0 ч.

Для уменьшения остаточных напряжений, образующихся в результате механической обработки деталей, иногда применяют неполный отжиг при температурах ниже температуры начала рекристаллизации длительностью 0,5—2 ч с последующим охлаждением на воздухе. Для снятия напряжений, воз­никших при сварке, продолжительность неполного отжига должна составлять 2—12 ч. Температуры неполного отжига титана и его сплавов составляют: ВТ 1-00, ВТ 1-0 445—485; ВТ5, ВТ5-1 550—600; ОТ4-0 480—520; ОТ4-1, АТ2 520—560; ОТ4, АТЗ 545—585; ВТ4, ОТ4-2, ВТ6-С, ВТ6, ВТ20, АТ4, ТС6 600— 650; ВТ14, ВТ23 550—650; ВТЗ-1 530—620; ВТ16 520—550; ВТ22, ВТ15, ТС6 550—650.

Температурные интервалы всех видов отжига снижаются с увеличением содержания  -стабилизаторов при неизменном содержании алюминия. Следует, однако, иметь в виду, что на температуры отжига влияет содержание не только -стабили­заторов, но и алюминия. При увеличении содержания алюминия температуры всех видов отжига приходится повышать, поскольку алюминий повышает температуры начала интенсивного развития возврата и рекристаллизации.

Титановые сплавы обладают оптимальным комплексом ме­ханических и служебных свойств после отжига при температуpax на 20—30 °С ниже температуры  +  /  -перехода.

Отливки из литейных сплавов ВТ1Л и ВТ5Л обычно тер­мической обработке не подвергают. В этих однофазных -сплавах не возникает при литье высоких остаточных напряжений, так что отжиг не требуется. Отливки из литейных  +  -сплавов подвергают отжигу для уменьшения остаточных напряжений и стабилизации структуры. Отжиг литейных сплавов проводят по тем же режимам, которые рекомендованы для деформируе-мых титановых сплавов.

В последние годы для  +  - и -титановых сплавов широко применяют упрочняющую термическую обработку, включаю­щую закалку и старение. Эффекты термического упрочнения существенно зависят от температуры нагрева под закалку, ко­торая определяет фазовый состав закаленных титановых спла­вов и способность их к последующему упрочнению при ста­рении.

Структуры, возникающие в титановых сплавах после закалки с разных температур, представляют в виде диаграмм фазового состава в координатах температура нагрева под закалку – концентрация легирующего элемента.

Рис. 4. Диаграмма фазового состава закаленных сплавов титана с  - стабилизаторами (Б.А. Колачев, В.С. Лясоцкая)

Таблица 8. Критические температуры и режимы упрочняющей термической обработки титановых сплавов

Марка сплава	Ткр, 0С	 - фаза, %	tнаг под закалку, 0С	tстар , 0С	стар, ч.
ВТ6-С	850	20 - 30	880 - 980	450 - 500	2 - 4
ВТ6	850	20 - 30	900 - 950	450 - 550	2 - 4
ВТ14	860	35-40	870 - 910	480 - 560	8 - 16
ВТЗ-1	825 - 850	30 - 40	860 - 900	500 - 620	1 - 6
ВТ16	800	55 - 70	810 - 830	560 - 580	8 - 10
ВТ23	775 - 800	—	800 - 820	430 - 500	8 - 12
ВТ22	840 - 880	90 - 100	690 - 750	480 - 540	8 - 16
ВТ15	—	—	780 - 900	480 - 500±550 - 570	15-250,25

Принятые в настоящее время температуры нагрева под закалку и режимы старения титановых сплавов приведены в табл.8. Температура нагрева под закалку для большинства  +  -сплавов на 50—100 °С ниже точки Т_П и на 30—100 °С выше Ткр. Лишь для сплава ВТ22 она ниже Ткр и примерно на 150 ⁰С ниже Тп. Псевдо -титановые сплавы обычно закаливают с температур -области, хотя и есть сведения о том, что закалка с температур несколько ниже Тп дает неплохие реезультаты. Продолжительность нагрева под закалку выбирают такой же, как и при полном отжиге. Обычно титановые сплавы закаливают в воду с температурой окружающей среды, так как в интервале температур от 0 до 30 °С температура воды не заметно влияет на свойства титановых сплавов в термически упрочненном состоянии. Некоторые полуфабрикаты тонкого сечения при закалке охлаждают на воздухе или холодным инертным газом (аргоном, гелием). Время переноса деталей после нагрева под закалку в закалочный бак должно быть минимальным. Это требование является менее жестким для сплавов ВТ22, ВТ15 и ВТЗО. Перерыв между закалкой и старением для всех сплавов не регламентируется.

Чтобы избежать коробления при закалке, иногда охлаждение в воде заменяют охлаждением на воздухе или применяют «мягкую закалку».

Полуфабрикаты из высокопрокаливаемых сплавов типа ВТ 15, ВТ22, ВТ23 иногда не закаливают, а проводят только старение деформированного материала. При этом достигается некоторое повышение прочности по сравнению с металлом в отожженном состоянии при сохранении достаточно высоких пластических характеристик.

Комплекс механических свойств а+-титановых сплавов можно повысить многоступенчатыми режимами закалки. В частности, двойной закалкой можно повысить по сравнению с одинарной закалкой вязкость разрушения и сопротивление усталости а+-титановых сплавов со значительным количеством -фазы в стабилизированном состоянии. Нагрев под первую закалку осуществляют при температурах а+-области вблизи а+ перехода для получения заданного объема первичной глобулярной а-фазы. После первой закалки формируется структура, представленная первичной а-фазой и а'- или а'' мартенситом. Нагрев под вторую закалку проводят при более низкой температуре, чем под первую; при этом вторичная а-фаза зарождается на частицах а'- или а"-мартенсита. Затем следует старение. В итоге формируется структура, представленная сравнительно крупными глобулярными зернами первичной а-фазы, мелкими пластинчатыми частицами вторичной а-фазы и распавшейся  -фазой, в то время как при одинарной закалке со старением структура представлена первичной а-фазы и распавшейся -фазой. Это различие в структуре обуславливает различие механических свойств.

Титановые сплавы подвергают старению по одноступенча­тому и двухступенчатому режиму. Наиболее часто применяют одноступенчатое старение. При двухступенчатом старении тем­пературу старения на второй ступени выбирают более высокой, чем на первой. Двухступенчатый режим старения обеспечивает более высокий комплекс механических свойств по сравнению с одноступенчатым старением. Низкотемпературное старение обеспечивает большее число центров зарождения новой фазы в метастабильной фазе, зафиксированной закалкой, и более равномерное их распределение. На второй ступени происходит дальнейший распад метастабильной фазы, частичное растворе­ние и коагуляция мелкодисперсных частиц, выделившихся на первой ступени; но распределение частиц остается более рав­номерным, чем при одноступенчатом режиме старения, что и является причиной лучшего сочетания свойств.

Отливки из титановых а+ -сплавов не подвергают упроч­няющей термической обработке, поскольку при пластинчатой структуре, характерной для литого состояния, пластичность тер­мически упрочненных сплавов очень низка. По этой же при­чине считают, что деформируемые а+ - и -сплавы можно под­вергать упрочняющей термической обработке, если исходная: структура равноосная, мелкозернистая, а не пластинчатая.