ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Под термической обработкой понимают процессы, при которых путем теплового воздействия изменяют структуру металлов и сплавов.

Между структурой и многими свойствами материала существует закономерная связь. Использование термической обработки позволяет в широких пределах изменять механические, физико-химические и технологические свойства металлов и сплавов. В технологическом процессе изготовления деталей машин термическая обработка может быть как промежуточной операцией, которая подготавливает структуру и улучшает технологические свойства для последующих операций, например обработки давлением или резанием, так и окончательной ступенью, когда формируются требуемые структура и комплекс свойств.

Термическая обработка заключается в нагреве до определенной температуры, регламентированной выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Ее основными параметрами являются

температура нагрева,

длительность выдержки,

скорости нагрева и охлаждения.

Термическая обработка может быть весьма сложной и включать несколько циклов нагрева и охлаждения, осуществление нагрева и охлаждения по ступенчатому режиму, охлаждение в область отрицательных температур. Она может выполняться в сочетании с такими воздействиями, как пластическая деформация, насыщение поверхностных слоев изделий некоторыми элементами и т. д.

КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Вид термической обработки определяется типом фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах, происходящих при тепловом воздействии. В настоящее время наиболее распространенной считается классификация видов термической обработки, схема которой приведена на рис. 1.1. Термическая обработка подразделяется на собственно термическую, химико-термическую и термомеханическую.

Рис. 1.1. Классификация основных видов термической обработки

Собственно термическая обработка включает следующие основные виды: отжиг первого рода, отжиг второго рода, закалку без полиморфного превращения, закалку с полиморфным превращением, старение и отпуск.

Под отжигом понимают термическую обработку обеспечивающую достижение равновесного состояния или близкого к нему. При отжиге первого рода для этой цели не используются фазовые превращения, хотя они могут протекать во время его осуществления.

При отжиге второго рода используются фазовые превращения, протекающие при нагреве и охлаждении по нормальному диффузионному механизму, для достижения равновесного или близкого к нему состояния.

Закалка – это термическая обработка, при которой получают неравновесные структуры. Такой обработке подвергают сплавы, имеющие фазовые превращения в твердом состоянии. Различают два вида закалки: без полиморфного превращения и с полиморфным превращением.

Закалка без полиморфного превращения – это обработка, при которой быстрым охлаждением фиксируют состояние сплава, характерное для высоких температур. При такой закалке возникает пересыщенный твердый раствор.

При закалке с полиморфным превращением в результате быстрого охлаждения высокотемпературной фазы возникает новая метастабильная структура, отличная от той, которая наблюдается в равновесном состоянии.

Термическая обработка, при которой закаленный сплав подвергают дополнительному нагреву в целях перехода в более стабильное состояние, называется старением, или отпуском. Обычно термин “старение” применяется к сплавам, закалка которых не сопровождается полиморфным превращением и приводит к образованию пересыщенного твердого раствора, а термин “отпуск” – к сплавам, при закалке которых возникает промежуточная метастабильная структура.

Химико-термическая обработка (ХТО) сочетает тепловое воздействие с изменением химического состава поверхностных слоев изделий. Обычно при ХТО происходит насыщение наружной зоны металла одним или несколькими химическими элементами.

Для сталей чаще всего используют насыщение поверхностных слоев изделий углеродом – цементацию, азотом – азотирование или совместно обоими элементами – нитроцементацию и цианирование.

Термомеханическая обработка (ТМО) — это совокупность операций пластической деформации и термической обработки, выполняемых в определенной последовательности. Создавая при пластической деформации повышенную плотность дефектов и определенное их распределение, можно в существенной мере воздействовать на структурообразование при термической обработке и целенаправленно изменять свойства.

Связь термической обработки с диаграммой состояния

Анализ диаграмм состояний позволяет определить, каким видам термической обработки может быть подвергнут сплав, и наметить температурные интервалы ее проведения. Рассмотрим несколько примеров.

При неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии, например сплавы системы Cu – Ni (рис. 1.2, а), любые сплавы этой системы не претерпевают при нагреве фазовых превращений, поэтому кроме отжига первого рода никакие другие виды термической обработки в них не осуществимы. Неограниченная растворимость компонента В в основном металле позволяет проводить химико-термическую обработку.

Рис. 1.2. Диаграммы состояний

В случае ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии (рис. 1.2, б) сплавы, состав которых соответствует участку AF диаграммы, например сплавы системы Al – Cu при малом содержании меди, могут быть подвергнуты лишь отжигу первого рода. Для сплавов, располагающихся правее точки F, характерно изменение растворимости компонента В в основном металле при повышении температуры. Их можно подвергать как отжигу второго рода, так и закалке без полиморфного превращения.

Нагрев сплава состава C₁ до температуры t₁ приводит к образованию однородного α-твердого раствора. При последующем медленном охлаждении ниже линии DF выделяется β-фаза, т. е. реализуется отжиг второго рода. Если сплав быстро охладить, то можно сохранить высокотемпературное состояние при нормальных условиях. Возникнет пересыщенный твердый раствор, так как состав насыщенного твердого раствора соответствует точке F. Следовательно, в таких сплавах осуществима закалка без полиморфного превращения.

Закаленный сплав может быть подвергнут старению. Нагрев проводят до температур, лежащих ниже линии DF. При нагреве из пересыщенного твердого раствора выделяется избыточная β-фаза и сплав переходит в более равновесное состояние.

Сплавы системы с эвтектоидным превращением, например сплавы на основе железа (рис. 1.2, в), могут подвергаться различным видам термической обработки. Если сплавы этой системы нагреть до температур, обеспечивающих получение γ-твердого раствора, то при последующем медленном охлаждении может быть реализован отжиг второго рода, а при быстром – закалка с полиморфным превращением. Возможно и проведение химико-термической обработки, но ее следует осуществлять при температурах, когда основной компонент А находится в γ-модификации и растворимость компонента В в А достаточно велика.

Диаграммы состояний дают информацию о системах, находящихся в равновесных условиях. Используя диаграммы, можно при различных температурах и для разных сплавов найти число фаз, определить их химический состав и количественное соотношение. Но диаграммы состояний не позволяют судить о механизме превращений и их кинетике.

Отжиг первого рода

Целью отжига первого рода является устранение отклонений от равновесного состояния, возникающих при различных технологических операциях: литье, обработке давлением, сварке, механической обработке. При этом не используются фазовые превращения, хотя они могут протекать в процессе обработки. Отжиг заключается в нагреве до определенной температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении.

Разновидности отжига первого рода:

диффузионный (гомогенизационный) отжиг,

дорекристаллизационный отжиг,

рекристаллизационный отжиг,

отжиг для снятия внутренних напряжений

Диффузионный отжиг

Диффузионный (гомогенизационный) отжиг осуществляется в целях устранения или уменьшения последствий дендритной ликвации. Дендритная, или внутрикристаллическая, ликвация возникает при ускоренном охлаждении сплавов в условиях недостатка времени для диффузионного выравнивания химического состава между участками формирующихся кристаллов, возникшими в начале и в конце кристаллизации. В сталях наблюдается ликвация углерода, примесей и легирующих элементов. Информацию о ликвирующей способности элементов дают диаграммы состояний, а именно, взаиморасположение линий ликвидуса и солидуса. Чем больше расстояние между этими линиями, тем выше способность элемента к ликвации.

О склонности элемента к ликвации можно также судить по величине коэффициента распределения к, равного отношению концентраций этого элемента в твердой и жидкой фазах в условиях равновесия. Степень ликвации повышается с увеличением разности (1-к).

Как видно из табл. 1, в стали в наибольшей мере ликвируют сера, углерод и фосфор. Но при кристаллизации в реальных условиях на степень развития ликвации влияют и другие факторы. Так, она зависит от диффузионной подвижности атомов ликвирующего элемента. Например, судя по величине (1 - к), ликвирующая способность хрома невелика, а химическая неоднородность по хрому в литой стали может быть значительной вследствие невысокой скорости диффузии этого элемента.

Коэффициенты распределения элементов в стали

Элемент	1- k
	в δ-Fe	в γ-Fe
Сера	0,98	0,98
Углерод	0,87	064
Фосфор	0,87	0,64
Кремний	0,34	0,50
Марганец	0,16	0,05
Хром	0,03	0,03

На степень развития ликвации влияет и скорость охлаждения при кристаллизации. В общем случае увеличение скорости охлаждения приводит сначала к увеличению дендритной ликвации. Но начиная с некоторой скорости охлаждения, когда становится возможным развитие кристаллизации бездиффузионным путем, степень проявления дендритной ликвации должна уменьшаться.

Дендритная ликвация может приводить к глубоким изменениям структуры и фазового состава стали. При кристаллизации в равновесных условиях состав твердой фазы в любой момент одинаков по всему объему. Во время ускоренного охлаждения не успевает происходить выравнивание химического состава внешних и внутренних объемов дендритов, поэтому твердая фаза в среднем оказывается обедненной, а жидкая - обогащенной легирующими элементами и примесями по сравнению с кристаллизацией в равновесных условиях. В результате этого при определенной для каждой системы степени отклонения состава кристаллизующейся и жидкой фаз от равновесных значений становится возможным образование новых фаз, не возникающих в равновесных условиях. В заэвтектоидных сталях, например 9X2, ХВГ и др., возможно появление ледебуритной эвтектики в приграничных объемах зерен. Вследствие этого распределение карбидной фазы становится неоднородным, возникает карбидная ликвация.

Дендритная ликвация приводит к понижению пластичности, ударной вязкости, а иногда и прочностных свойств литой стали. Особенно значительное снижение пластичности и ударной вязкости наблюдается в тех случаях, когда в результате дендритной ликвации появляются хрупкие фазы.

При горячей обработке давлением, например прокатке, оси дендритов исходного слитка ориентируются вдоль направления деформации, в результате чего формируется полосчатая волокнистая структура. Горячекатаные стали наследуют химическую неоднородность литого состояния. При крупном зерне и резко выраженной дендритной ликвации возможно формирование при прокатке строчечной структуры. В доэвтектоидных сталях она представлена в виде чередующихся полос (строчек) феррита и перлита, а в заэвтектоидных - перлита и карбидов. Обычно ферритная полосчатость наиболее ярко выражена в случае строчечного расположения неметаллических включений в горячекатаной стали. Обогащение матрицы кремнием (вблизи силикатных включений) или обеднение марганцем (вблизи его сульфидов) создает благоприятные условия для образования полос феррита. Прокатка сталей с карбидной ликвацией формирует карбидную полосчатость.

Наличие волокнистой структуры, а также строчечное расположение различных фаз приводит к появлению анизотропии механических свойств горячекатаных и кованых сталей. Анизотропия может наблюдаться для пределов текучести и прочности, для предела циклической прочности, относительного удлинения и относительного сужения, ударной вязкости. Особенно отчетливо анизотропность проявляется при оценке относительного сужения и ударной вязкости. При сильно выраженной химической и структурной неоднородности может наблюдаться специфический вид разрушения горячекатаной стали вдоль направления прокатки. Поверхность разрушения имеет слоистое строение. Такой излом получил название шиферного.

Нагрев при диффузионном отжиге должен быть настолько высоким, чтобы обеспечить интенсивное протекание диффузионных процессов. В то же время температура гомогенизации должна быть ниже температуры плавления наиболее легкоплавких участков в межосных объемах дендритов. Чаще всего температура диффузионного отжига выбирается в интервале 1100...1200 °С. Длительность выдержки зависит от химического состава стали, степени дендритной ликвации и других факторов и может достигать 10...15 ч. Следует учитывать, что диффузия протекает особенно интенсивно в начале выдержки, когда градиент концентраций наибольший. В процессе выдержки он непрерывно уменьшается и скорость диффузии снижается. Поэтому увеличение времени выдержки сверх некоторого предела нерационально. Скорость нагрева при диффузионном отжиге обычно не регламентируется. После выдержки проводят медленное охлаждение, чаще всего с печью.

Диффузионному отжигу подвергают отливки, слитки и иногда поковки из легированных сталей. Как самостоятельная операция термической обработки диффузионный отжиг используется в основном для крупных литых изделий. Выравнивание химического состава приводит к улучшению комплекса механических свойств.

Диффузионный отжиг слитков удобно совмещать с нагревом под прокатку или ковку. В случае проведения диффузионного отжига улучшается деформируемость стали при горячей обработке давлением. Предварительный отжиг уменьшает структурную полосчатость и анизотропию механических свойств прокатанной стали. Для среднелегированных заэвтектоидных сталей, у которых в результате неравновесной кристаллизации образовались участки ледебуритной эвтектики, диффузионный отжиг заметно уменьшает карбидную неоднородность.

Для интенсификации процесса гомогенизации слитков используют ступенчатую высокотемпературную обработку (СВТО). Ее сущность заключается в следующем. Во время первоначальной выдержки в результате выравнивания химического состава повышается температура плавления наиболее легкоплавких межосных участков дендритов и температуру отжига можно повысить. При СВТО осуществляют ступенчатый нагрев с интервалами 20...40 °С и выдержками длительностью несколько часов от 1120...1200 до 1230...1280 °С. СВТО чаще всего подвергают высокоуглеродистые легированные стали, что позволяет повысить их технологическую пластичность и снизить карбидную неоднородность в деформированном состоянии.

Гомогенизация деформированной структуры эффективней, чем литой. Поэтому в ряде случаев может оказаться полезным в процессе горячей обработки давлением проведение диффузионного отжига деформированной заготовки перед последним переделом. Необходимо заметить, что слитки из углеродистых нелегированных сталей специально диффузионному отжигу не подвергают. Для устранения дендритной ликвации по углероду достаточен обычный нагрев под горячую деформацию, так как углерод обладает высокой диффузионной подвижностью в нелегированном аустените.

Диффузионный отжиг сопровождается такими нежелательными явлениями, как сильное окисление металла и рост зерна аустенита. Для того чтобы уменьшить окисление, целесообразно отжиг проводить в печах с защитной атмосферой. Если сталь используется в литом состоянии и не подвергается в дальнейшем пластической деформации, то для измельчения зерна необходимо проводить дополнительный отжиг второго рода.