2. Упрочнение с изменением структуры всего объёма металла

1. 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. В координатах температура – время график любой термической обработки может быть представлен в виде рис. 5.1.

Рисунок 5.1 – График термической обработки: T – температура нагрева; tн, tв и tо – время нагрева, выдержки и охлаждения; Vист – истинная скорость охлаждения, определяемая тангенсом угла наклона касательной к кривой охлаждения; t – время

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.

При восстановлении деталей с помощью термической обработки подготавливают заготовки к механической обработке, снимают внутренние напряжения в них с целью исключения трещин и упрочняют поверхности.

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

Температуру нагрева выбирают из соответствующей диаграммы состояния. Так, например, для сталей температуры приведены на рис. 5.2.

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

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг (рис. 5.2 а, 1) 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 (рис. 5.2 а, 2), 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 (рис. 5.2 а, 3).

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 нагреве стали несколько выше первой критической точки А_с1 происходят неполная перекристаллизация и превращение только перлита в аустенит. Такой неполный отжиг (рис. 5.2 а, 5) для заэвтектоидных сталей вызывает сфероидизацию цементита (отжиг на зернистый перлит) и, как следствие, снижение твёрдости и улучшение обрабатываемости резанием. При полном отжиге (рис. 5.2 а, 4) сталь нагревают выше точки А_с3, при этом образуется аустенитная структура и происходит полная перекристаллизация при охлаждении.

При изотермическом отжиге (рис. 5.2 а, 6) доэвтектоидную сталь нагревают на 30 – 50 ºС выше А_с3, а заэвтектоидную выше А_с1, выдерживают при этой температуре, быстро охлаждают несколько ниже А_с1 и выдерживают до полного распада аустенита, затем охлаждают с любой скоростью.

а)

б)

Рисунок 5.2 – Участок диаграммы состояния Fe – C со значениями температуры t различных видов термической обработки углеродистой стали: а – отжиг I рода: 1 – гомогенизационный; 2 – рекристаллизационный; 3 – релаксационный; отжиг II рода: 4 и 5 – перекристаллизационный полный и неполный, соответственно; 6 – изотермический; 7 – нормализационный; б – закалка с полиморфным превращением: 1 – полная; 2 – неполная; 3 – закалка без полиморфного превращения; 4 и 5 – естественное и искусственное старение, соответственно; 6, 7 и 8 – низкий, средний и высокий отпуск, соответственно

Изотермический отжиг часто заменяют для легированных и высокоуглеродистых сталей полным отжигом, который требует меньше времени.

Для сокращения продолжительности термической обработки сталь часто охлаждают не с печью, а на спокойном воздухе (нормализация) (рис. 5.2 а, 7). Нормализация, например, исправляет структуру перегретой стали сварных конструкций.

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 – рис. 5.2 б, 1) или для сохранения в заэвтектоидных сталях избыточного цементита (неполная закалка – рис. 5.2 б, 2). 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 (рис. 5.2 б, 3) 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. Существенного упрочнения и снижения пластичности сплавов, подвергаемых закалке без полиморфного превращения, не наблюдается. В последующем такая неравновесная система при комнатной температуре стремится к равновесию и выделению избыточной фазы (естественное старение – рис. 5.2 б, 4). Некоторый подогрев закалённого сплава значительно ускоряет этот процесс (искусственное старение – рис.5.2 б, 5).

Закалка и частичное старение обеспечивают повышенные твёрдость и прочность. Полное старение приводит сплав к двухфазному равновесному состоянию и, следовательно, к исходным свойствам.

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 – рис. 5.2 б, 6), средний (300 – 400 ºС – рис. 5.2 б, 7) и высокий (500 – 600 ºС – рис. 5.2 б, 8).

Закалка углеродистых инструментальных сталей с низким отпуском обеспечивает высокие твёрдость и износостойкость, сохраняя структуру мартенсита отпуска. Закалка среднеуглеродистых сталей со средним отпуском даёт максимальную упругость и достаточную твёрдость, что необходимо для рессор, пружин и деревообрабатывающего инструмента. При среднем отпуске происходит распад мартенсита на зернистую дисперсную феррито-цементитную смесь (троостит). Закалка с высоким отпуском для среднеуглеродистых сталей обеспечивает ещё большее приближение к равновесному состоянию и получение грубозернистой феррито-цементитной смеси (сорбит), имеющей достаточные прочностные свойства, высокую ударную вязкость и наилучшую обрабатываемость резанием. Поэтому закалку с высоким отпуском называют улучшением и применяют для ответственных деталей.

Нагрев закалённой стали до температуры, близкой к А_с1, приводит к равновесному состоянию и распаду мартенсита на ещё более грубую, чем сорбит, феррито-цементитную структуру зернистого перлита.

Способ закалки выбирают в зависимости от марки стали, формы и размеров изделий, а также от технических требований, предъявляемых к этим изделиям. В зависимости от характера охлаждения при закалке различают следующие её виды: в одной среде (непрерывная), в двух средах, ступенчатая, изотермическая, с самоотпуском.

Непрерывную закалку ведут со скоростью выше критической в одной охлаждающей среде. То есть нагретые изделия (детали) погружают в одну из закалочных сред – воду или масло. При этом изделие следует перемещать так, чтобы его поверхность все время соприкасалась с холодной охлаждающей жидкостью во избежание образования «паровой рубашки» вокруг изделия, мешающей отводу теплоты. На качество закалки влияет также и способ погружения. Мелкие изделия (например, винты, шурупы, гвозди, гайки) могут погружать в термическую ванну беспорядочно. При погружении в охладитель деталей типа валов и осей продольная ось этих деталей должна быть перпендикулярна к поверхности охлаждающей жидкости. С целью уменьшения напряжений, остающихся в детали после закалки, перед началом мартенситного превращения закаливаемую деталь перемещают в другую среду, обеспечивающую меньшую скорость охлаждения, например из воды в масло. Вместо такой закалки для мелких деталей часто применяют ступенчатую закалку с охлаждением и выдержкой в расплаве солей, имеющем температуру на 20 – 40 ºС выше точки начала мартенситного превращения и последующим охлаждением в масле или на воздухе.

При изотермической закалке заготовки выдерживают до полного распада аустенита в среде с температурой, обеспечивающей получение требуемой структуры, например, троостита.

В ряде случаев, когда требуются твёрдая поверхность и способность воспринимать ударные нагрузки, ведут закалку с самоотпуском. При этом, не дожидаясь полного охлаждения детали, её извлекают из охлаждающей среды. Оставшееся внутри детали тепло обеспечивает отпуск закалённого материала.

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 – 650С и 28 раз быстрее при 200С. Поэтому воду применяют для охлаждения углеродистых сталей, которым свойственна большая критическая скорость закалки, а масло – для охлаждения легированных сталей, имеющих малую критическую скорость закалки.

Основной недостаток воды как охлаждающей среды – высокая скорость охлаждения при пониженных температурах в области образования мартенсита (200 – 300С), которая приводит к возникновению больших структурных напряжений и создает опасность образования трещин. Добавление к воде солей и щелочей увеличивает её закаливающую способность. Для ответственных деталей из углеродистой стали, особенно из сталей для инструмента, применяют закалку в двух средах: воде и масле. Преимущественно масла как охладителя заключается в том, что оно обеспечивает небольшую скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения, поэтому опасность образования трещин резко снижается. Недостатки машинного масла как охладителя – лёгкая воспламеняемость, пригорание к поверхности деталей.

2. Криогенная обработка

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). Температуры кипения криоагентов при атмосферном давлении указаны в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Температуры кипения криоагентов

Криоагент	Температура кипения, °С
Аммиак Углекислота Хлористый метил Азот Смесь твердой углекислоты: с хлористым метилом с хлороформом с этиловым эфиром с треххлористым фосфором с этиловым спиртом с хлористым этилом с ацетоном Фреон Этилен Метан Кислород	-33,5 -78,5 -23,7 -195,8 -82 -77 -77 -76 -72 -60 -78 -29,4 -105,2 -161,5 -183