Основы термической и химико-термической обработки стали

Термическая обработка – это совокупность операций нагрева до определенной температуры, выдержки во времени при температуре нагрева, достаточной для завершения протекающих процессов и последующего охлаждения со скоростью, обеспечивающей получение необходимых свойств и строения. Рациональное использование металлов и сплавов возможно при правильно выбранной и проведенной термической обработке.

Режим любой термической обработки можно представить графиком в координатах температура – время (рис.2.1). Термическую обработку характеризуют следующие основные параметры: температура нагрева, время выдержки при температуре нагрева, скорости нагрева и охлаждения.

Рис. 2.1. График термической обработки стали

Термическую обработку стали подразделяют на предварительную и окончательную. Предварительная термическая обработка (отжиг, нормализация) применяется для подготовки структуры и свойств материала для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием и т.д.

Окончательная термическая обработка формирует свойства готового изделия.

Основными видами термической обработки сталей являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск, химико-термическая обработка (ХТО), термомеханическая обработка (ТМО).

Общие положения о термической обработке

Для выбора температурных режимов термической обработки используется диаграмма Fe-Fe₃C. Температуры нагрева стали устанавливаются по критическим точкам диаграммы и зависят от состава стали и выбранного процесса термической обработки (рис. 2.2).

Температуры фазовых превращений при термической обработке сталей (критические точки) определяются линиями PSK (А₁), GS (A₃) и SE (А_Ст) диаграммы состояния Fe-Fe₃C. Нижняя критическая точка, соответствующая превращению А↔П при температуре линии PSK, обозначается А₁. Верхняя критическая точка, соответствующая началу выделения из аустенита феррита или концу превращения феррита в аустенит (линия GS), обозначается А₃. Температура линии SE обозначается А_Ст.

Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении (поскольку они не совпадают), к обозначению критической точки при нагреве приписывают букву «с», т.е. эти точки обозначаются А_с1 и А_с3. Критические точки при охлаждении имеют индекс r и обозначаются соответственно А_r1 и A_r3.

Легирование изменяет положение критических температур, поэтому пользоваться диаграммой Fe-Fe₃C при определении режимов термической обработки без учета влияния легирующих элементов на критические температуры нельзя.

Рис.. Нижняя часть диаграммы состояния железо-цементит с указанием температуры нагрева для термической обработки

Основные виды термической обработки стали

Отжиг 1-го рода. Нагрев стали до требуемой температуры с целью устранения физической или химической неоднородностей, созданных предшествующими обработками. Разновидностями его являются:

Диффузионный отжиг. Применяют для слитков и отливок из легированных сталей с целью уменьшения дендритной (внутрикристаллической) ликвации, которая повышает склонность стали к хрупкому излому. Ликвация также понижает пластичность и вязкость легированных сталей. Температура отжига составляет 1100-1200⁰С, длительность выдержки при заданной температуре 12-18 ч.

Рекристаллизационный отжиг. Применяют для устранения наклепа после холодной пластической деформации (обработки давлением), а также для восстановления пластичности, необходимой для дальнейшей обработки давлением (например, промежуточный отжиг при волочении проволоки). Температура рекристаллизационного отжига стали зависит от состава стали и находится в пределах 650-760⁰С.

Отжиг для снятия остаточных напряжений. Этот вид отжига применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и др., в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т.п., возникли остаточные напряжения. Они могут вызвать изменения размеров, коробления и поводку изделия в процессе его обработки, эксплуатации или хранения. Отжиг для стальных изделий для снятия напряжений проводят при 160-700⁰С с последующим медленным охлаждением (для снятия шлифовочных напряжений 160-180⁰С в течение 2-2,5 ч, для снятия сварочных напряжений 650-700⁰С).

Отжиг 2-го рода. Отжиг 2-го рода заключается в нагреве стали выше температуры фазовых превращений на 30-50⁰С, выдержке и последующем медленном охлаждении. Медленное охлаждение обеспечивает достижение практически равновесного структурного состояния. Углеродистые стали после отжига получают структуры, указанные на диаграмме железо-цементит.

Отжиг сталей производится для уменьшения прочности, твердости, улучшения обрабатываемости резанием, измельчения зерна, увеличения пластичности и вязкости, для полного устранения внутренних напряжений. Результат отжига зависит от температуры нагрева, времени выдержки, а в большей мере – от режима охлаждения. Углеродистые стали охлаждают со скоростью 150-200⁰С в час, а легированные 100-130⁰С в час. В зависимости от температуры нагрева для стали различают полный отжиг с нагревом до температуры выше А_С3 (для доэвтектоидных сталей) и неполный – с нагревом до температуры выше А_С1, но ниже А_С3, А_ст – для заэвтектоидных.

В зависимости от способа охлаждения отжиг делится на обычный – при непрерывном охлаждении и изотермический с выдержкой при температуре немного ниже А_r, достаточной для полного распада аустенита.

Нормализация стали. Нормализация заключается в нагреве стали до температуры, превышающей точку А_С3 или А_Ст на 30-50⁰С, выдержке при этой температуре для завершения фазовых превращений и последующего охлаждения на спокойном воздухе. Твердость и прочность нормализованной стали на 10-15% больше, чем отожженной. Целью нормализации является получение мелкозернистой, более однородной структуры, устранение внутренних напряжений и наклепа, уничтожение сетки вторичного цементита заэвтектоидной стали, снижение твердости и прочности, повышение пластичности, улучшение штампуемости и обрабатываемости.

Она проводится как предварительная термическая обработка перед штамповкой, обработкой резанием, окончательной термической обработкой.

Закалка стали. Закалкой называется термическая обработка, при которой сталь нагревается выше температуры фазовых превращений А_С3 или А_С1 на 30-50⁰С, выдерживается во времени для завершения превращений и затем охлаждается со скоростью, превышающей критическую (V_кр). Для углеродистых сталей V_кр составляет от 140 до 400⁰С/с. Охлаждение при закалке углеродистых сталей может производиться в воде, водных растворах солей (NaCl, KCl) и щелочей (NaОН, KОН). Для закалки крупных заготовок применяют водо – воздушные охлаждаемые смеси подаваемые через форсунки. Для закалки легированных сталей, обладающих большей устойчивостью переохлажденного аустенита, применяют минеральные масла.

При закалке сталь приобретает мартенситную структуру. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Чем больше в стали углерода, тем выше твердость закаленной стали. Назначение закалки – получение высокой твердости, прочности, износостойкости.

В зависимости от температуры нагрева стали различают полную (нагрев выше А_С3) и неполную закалку (нагрев выше А_С1, но ниже А_С3). Полной закалке подвергаются доэвтектоидные стали. Нагрев этих сталей ниже А_С3 недопустим, т.к. при последующем охлаждении с критической скоростью образуется смесь структур мартенсита и феррита, твердость которой будет сильно снижена. Заэвтектоидные стали подвергаются неполной закалке. После охлаждения с критической скоростью образуется смесь структур мартенсита и цементита вторичного. При таком сочетании структур обеспечивается максимальная твердость стали после закалки. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Отпуск стали. Отпуск закаленной стали состоит из нагрева ее до температуры ниже А_С1, выдержки во времени и последующего охлаждения с любой скоростью. Структура и свойства стали зависят в большей мере от температуры нагрева.

Низкий отпуск проводится при температурах 150-220⁰С и назначается для уменьшения внутренних напряжений и хрупкости без значительного снижения твердости. Этому виду отпуска подвергают мерительный и режущий инструменты, а также детали, прошедшие поверхностную закалку или цементацию, от которых требуется твердость и износостойкость. Структура закаленной и низкоотпущенной стали – отпущенный мартенсит.

Средний отпуск производится при температурах 300-450⁰С и назначается, в основном, для пружин и рессор. При среднем отпуске мартенсит превращается в тростит отпуска, который обладает хорошей упругостью при достаточно высокой твердости и прочности.

Высокий отпуск. Закаленная сталь нагревается до температуры 500-600⁰С, что обеспечивает полное снятие внутренних напряжений. Сталь приобретает хорошую прочность, пластичность и вязкость. Сочетание закалки с высоким отпуском называется улучшением.

Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка стали (ХТО) – поверхностное насыщение стали соответствующим элементом путем его диффузии из внешней среды при высокой температуре. ХТО включает три последовательные стадии:

1. Диссоциация – распад молекул и образование активных атомов диффундирующего элемента в насыщающей среде вблизи поверхности. Например:

2СО → СО₂+С_ат; 2NH₃ → 3H+N_ат

2. Адсорбция (поглощение) образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. Происходит на границе газ – металл.

3. Диффузия – перемещение адсорбированных атомов от поверхностных вглубь обрабатываемого металла. В результате образуется диффузионный слой. Это слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу. На поверхности слоя концентрация диффундирующего элемента наибольшая, по мере удаления от поверхности концентрация падает. Глубина проникновения будет представлять толщину слоя. Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием окружающей активной среды, называют сердцевиной. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию атомам.

Рассмотрим некоторые виды химико-термической обработки.

Цементация стали. Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде – карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки А_С3 (930-950⁰С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах (до 2,14%).

Окончательные свойства цементированные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.

Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении. Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (0,1-0,2 %С), чаще легированные, стали. Для цементации крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,25-0,3%). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине слоя. На поверхности количество углерода должно составлять 0,8-1,0% (max 1,2%С).

Различают два основных вида цементации: в твердой и в газовой средах. При цементации в твердой науглероживающей среде (в твердом карбюризаторе) в качестве карбюризатора используется древесный уголь с добавками углекислых солей (ВаСО₃, Na₂CO₃ и др.) в количестве 10…40%. (Готовые карбюризаторы выпускаются промышленностью).

Глубина цементированного слоя составляет обычно около 0,5…1,5мм, на что потребуется весьма много времени (при температуре 930⁰С примерно 1 ч на каждые 0,1…0,12 мм толщины слоя). Цементацию в твердом карбюризаторе применяют в единичном и мелкосерийном производстве.

Газовая цементация. Этот процесс осуществляют нагревом изделия в печах с герметичной камерой, наполненной цементирующим газом. Цементирующими газами являются окись углерода и газообразные углеводороды, разложение этих соединений приводит к образованию активного атомарного углерода: 2СО→СО₂+С_(ат); СН₄→2Н₂+С_ат.

Наибольшее распространение в качестве газового карбюризатора получил природный газ, содержащий 92-96% СН₄. Применяют также газы, образующиеся при распаде керосина, бензола и др.

Применяют газовую цементацию при серийном и массовом производстве изделий. Окончательные свойства изделий (твердость, износостойкость и др.) достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой термообработкой исправляется структура, измельчаются зерна и достигается необходимая твердость слоя и сердцевины. Такой ТО является закалка (t_зак выше А_С1 сердцевины – 820-850⁰С) и низкий отпуск (160-180⁰С). После термической обработки твердость слоя 59-62 HRC, сердцевины 15-30 HRC, в зависимости от состава сталей.

Азотирование – процесс диффузионного насыщения стали азотом. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя изделия, его износостойкость, пределы выносливости и сопротивление коррозии в атмосфере, воде, паре. Твердость азотированного слоя выше цементованного и сохраняется до температур 400-500⁰С, а цементированного – до 200-250⁰С. Азотированию подвергают в основном легированные среднеуглеродистые стали. Азотированный слой приобретает высокую твердость сам, без последующей термической обработки, а размеры изделия изменяются мало, поэтому азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную термическую (закалка + высокий отпуск) и механическую обработки. Температура азотирования 500-600⁰С. Для достижения рекомендуемой толщины слоя (0,25-0,75 мм) продолжительность процесса составляет десятки часов (24…60 ч).

Нитроцементация – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно азотом и углеродом в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Температура нитроцементации (НЦ) 840-860⁰С, продолжительность 4-10 ч, толщина нитроцементированного слоя 0,2-1,0 мм. Установлено, что при одновременной диффузии углерода и азота ускоряется диффузия углерода поэтому скорость роста цементированного и нитроцементированного слоев практически одинакова, хотя температура НЦ почти на 100⁰С ниже цементации. Используемое оборудование аналогично газовой цементации.

Для НЦ используют смесь аммиака и природного газа. НЦ подвергают углеродистые и легированные стали, содержание углерода до 0,25%. После НЦ следует закалка непосредственно из печи, после закалки – отпуск 160-180⁰С. Твердость НЦ слоя HRC 58-60. НЦ подвергают изделия сложной конфигурации, склонные к короблению. Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и тракторных заводах.

Цианирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно азотом и углеродом в расплавленных цианистых печах. Окончательные свойства цианированный слой приобретает после закалки и низкого отпуска. Твердость слоя HRC 58-62, слой имеет большую износостойкость чем нитроцементированный, эффективно повышает предел выносливости. Основной недостаток цианирования – высокая токсичность цианистых ванн, высокая стоимость применяемых химикатов.

Борирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали бором при нагревании в борсодержащей среде. Борирование обеспечивает высокую абразивную износостойкость, коррозионную и окалиностойкость. Борированию подвергают детали нефтяного и горнобурового оборудования, штампы и детали пресс-формы.

Силицирование – диффузионное насыщение поверхности стали кремнием. Силицирование придает высокую коррозионную стойкость (в морской воде, соляной и азотной кислотах), окалиностойкость (до 750⁰С). Толщина слоя составляет 0,3-1,0 мм. Силицированию подвергают детали оборудования для химической, бумажной и нефтяной промышленности.

Диффузионная металлизация. Диффузионное насыщение поверхности стали металлами (Cr, Al, Zn и др.). Поверхность, обогащенная этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относятся высокая жаростойкость и коррозионная стойкость, твердость и др. Наиболее распространенными являются:

Диффузионное хромирование – насыщение поверхности стали хромом. Процесс обеспечивает повышенную окалиностойкость (до 800⁰С), высокую коррозионную стойкость в воде, паре, щелочах, кислотах. Хромирование сталей с содержанием углерода 0,4% и более повышает твердость и износостойкость. Толщина хромированного слоя 0,1…0,2 мм.

Алитирование – насыщение поверхности стали алюминием; при этом сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 850-900⁰) и сопротивление коррозии в атмосфере и морской воде.

Применяют также насыщение поверхности стали одновременно двумя и более элементами (многокомпонентное насыщение).