26 Упрочнение с изменением структуры всего объёма металла

Термообработка при положительных температурах

Любой процесс термической обработки металла состоит из нагрева до заданной температуры, выдержки и охлаждения. Различные виды термической обработки определяются скоростями нагрева и охлаждения заготовок, температурой нагрева и временем выдержки при этой температуре. Длительность нагрева и выдержки изделия (детали) при заданной температуре зависит от вида нагревающей среды, формы изделия, его теплопроводности, а также от времени, необходимого для завершения структурных превращений.

Цель термической обработки заключается в получении требуемой структуры, а, следовательно, и физико-механических или иных свойств металлов и сплавов. По степени воздействия на эти свойства термическая обработка значительно эффективнее других видов обработки.

Основными видами термической обработки заготовок являются: отжиг I и II рода, нормализация, закалка, отпуск и старение.

Отжиг I рода (гомогенизационный, рекристаллизационный и релаксационный) устраняет неоднородность, возникшую в металлах и сплавах в результате предшествующей обработки.

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг устраняет неоднородность химического состава наплавленного металла за счёт протекания диффузионных процессов при высокой температуре. Чем сильнее начальная неоднородность, тем более продолжительной должна быть выдержка при этой температуре. Рекристаллизационный отжиг, который включает нагрев металла выше температуры его рекристаллизации (0,4 – 0,5 от абсолютной температуры его плавления), позволяет устранить структурную неоднородность (текстуру) и упрочнение (наклёп), вызванные предшествующим холодным пластическим деформированием, и повысить пластичность материала. Релаксационный отжиг позволяет избежать трещин за счёт значительного снижения внутренних остаточных напряжений, возникающих в процессе охлаждения сварных соединений и наплавленных покрытий.

Различают следующие разновидности отжига II рода: перекристаллизационный, изотермический, нормализационный (нормализация) и графитизирующий.

В случае перекристаллизационного отжига металл нагревают выше температуры фазового перехода. В результате при последующем медленном охлаждении протекают фазовые превращения и образуется мелкозернистая равновесная структура с улучшенными свойствами.

При изотермическом отжиге доэвтектоидную сталь нагревают на 30 – 50 ºС выше 910⁰С, а заэвтектоидную выше 727⁰С, выдерживают при этой температуре, быстро охлаждают несколько ниже 727⁰С и выдерживают до полного распада аустенита, затем охлаждают с любой скоростью.

Графитизирующий отжиг применяют как для сталей, так и для чугунов. Он позволяет получать свободный углерод в виде графита благодаря распаду карбидной составляющей (цементита) при высокой температуре. Это снижает коэффициент трения и повышает износостойкость материала. Такая обработка широко распространена, например, для получения из белых чугунов ковких с хлопьевидной формой графита, а также для получения графитизированных сталей.

Закалка с полиморфным превращением реализуется в тех металлах и сплавах, в которых перестраивается кристаллическая решётка. Доэвтектоидные стали нагревают для превращения перлита в аустенит (полная закалка) или для сохранения в заэвтектоидных сталях избыточного цементита (неполная закалка ). Во время ускоренного охлаждения со скоростью выше критической аустенит превращается в мартенсит. Твёрдость и износостойкость сталей возрастают. Закалку с полиморфным превращением называют закалкой на мартенсит.

Закалка без полиморфного превращения происходит в тех сплавах, в которых по мере нагрева и выдержки увеличивается растворимость второго компонента и избыточная фаза растворяется в

матричной фазе. Последующее быстрое охлаждение фиксирует состояние неравновесного пересыщенного твёрдого раствора, не характерное для низких температур. Такая закалка широко применяется для некоторых легированных сталей, алюминиевых, магниевых, никелевых, медных и других сплавов.

Отпуск после закалки с полиморфным превращением переводит закалённый сплав в равновесное состояние подобно старению. Это снижает твёрдость и внутренние напряжения и повышает пластичность сплава. Отпуск включает нагрев закалённого сплава до температур не выше критической, выдержку и охлаждение с заданной скоростью. Различают низкий отпуск стали (150 – 200 ºС ), средний (300 – 400 ºС ) и высокий (500 – 600 ºС).

Дефекты поверхностного слоя. При высокой температуре в результате взаимодействия металлов и сплавов с воздушной средой происходят нежелательные явления окисления и обезуглероживания. Окисление – это образование непрочных оксидов железа и других элементов, а обезуглероживание – выгорание углерода в поверхностном слое. Чем выше температура, тем интенсивнее протекают эти диффузионные процессы. Нагрев в среде инертных газов, специальных контролируемых газовых средах или в расплавах солей и металлов позволяет избежать этих явлений.

Охлаждающие среды играют важную роль при термической обработке. В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду, водные растворы солей, щелочей и масло, которое имеют различную охлаждающую способность. Вода по сравнению с машинным маслом охлаждает сталь примерно в 6 раз быстрее при 550 – 650⁰С и 28 раз быстрее при 200⁰С. Поэтому воду применяют для охлаждения углеродистых сталей, которым свойственна большая критическая скорость закалки, а масло – для охлаждения легированных сталей, имеющих малую критическую скорость закалки.

Криогенная обработка деталей машин

Очень часто в производстве возникает необходимость снять внутреннее напряжение в металле, гомогенизировать структуру, увеличить износостойкость, избавиться от остаточного аустенита, превратив его в мартенсит. Для достижения всех этих целей на производстве используют криогенный способ обработки металла.

Криогенный способ, или обработка холодом, проводится путём охлаждения стали до криогенных температур, то есть до –40…–150°С, на определенный период времени; затем обрабатываемый материал какое-то время находится в среде с данной температурой и затем медленно возвращается в среду с нормально комнатной температурой. Медленное возвращение к комнатной температуре необходимо во избежание криогенного шока металла, что, в свою очередь, может вызвать трещины и разломы в материале или даже разломы во внутренней молекулярной структуре. Данная процедура проводится для превращения остаточного аустенита в тетрагональный мартенсит. Криогенная обработка позволяет улучшить механические и режущие свойства инструментов, повысить их износостойкость и твердость. Кроме того, путём криогенной обработки можно повысить износостойкость контрольно-измерительных инструментов, форм для пресса и штампов, изготовленных из высокоуглеродистых и легированных сталей; увеличить твёрдость коррозийно-стойких сталей, имеющих повышенное содержание углерода; улучшить качество поверхностного слоя, который подвергается полированию или доводке.

В качестве источников умеренного холода, т. е. источников, с помощью которых получают температуры до –70°С, используют аммиачные и фреоновые установки; для получения криогенной температуры до –135°С применяют криогенные установки или криогенные аппараты.

В качестве криоагентов обычно выступают твёрдый углекислый газ (или сухой лёд), жидкие азот, кислород и воздух (смесь жидкого кислорода и азота).