книги из ГПНТБ / Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник

Каждый процесс химико-термической обработки может осуще­ ствляться разными методами (насыщением из газовой, паровой, жидкой или твердой фазы) и в самом разнообразном техническом исполнении (например, с получением активной газовой фазы в ра­ бочем пространстве печи или в отдельном генераторе и т. п.). Под­ робный анализ этих процессов можно найти в монографиях А. Н. Минкевича, Ю. М. Лахтина и Г. Н. Дубинина. Ниже в качестве примеров кратко рассмотрены некоторые типичные разновидности химико-термической обработки. Эти примеры относятся главным образом к сталям, так как химико-термическая обработка Чугу­ нов и цветных металлов и сплавов в промышленности применяет­ ся несравненно реже.

1. Диффузионное насыщение неметаллами

Поверхностное насыщение стали углеродом и азотом или сов­ местно этими элементами — наиболее широко используемые про­ цессы химико-термической обработки.

Углерод и азот растворяются в железе по способу внедрения и поэтому могут быстро диффундировать на значительную глуби­ ну. Активные среды, содержащие эти элементы, дешевы, а фазы, образующиеся с участием углерода и азота в процессе насыщения или при последующей термообработке, резко изменяют механиче­ ские и физико-химические свойства стали.

Науглероживание (цементация)

Цементации подвергают изделия из сталей с низким содержа­ нием углерода (обычно до 0,25%).

При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладыва­ ют в ящики, куда засыпают и утрамбовывают древесный уголь, смешанный с 20—25% ВаСОз. При нагревании углерод древесно­ го угля, соединяясь с кислородом воздуха, находящегося в цемен-

370

тационном ящике между частицами карбюризатора, образует окись углерода:

2 СО -v С02 + С (атомарн.).

Этот активный углерод (in statu nascendi) поглощается аустени­ том и диффундирует в глубь изделия.

Добавка ВаС О з сильно интенсифицирует процесс цементации, поставляя дополнительное количество окиси углерода и соответст­ венно активного углерода:

ВаС03 + С (уголь) -* ВаО + 2 СО и 2 СО —С02 + С (атомарн.).

Для газовой цементации в качестве карбюризатора используют природный газ (состоит в основном из СН4), контролируемые ат­ мосферы, получаемые в специальных генераторах, а также жид­ кие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное рабочее пространство печи, где они образуют актив­ ную газовую фазу.

Основной поставщик углерода в газообразных карбюризато­ рах—метан:

СН4 - 2 Н2 f С.

В искусственно полученной контролируемой атмосфере таким по­

ния, при 1000—1050°С. С повышением температуры уменьшается время достижения заданной глубины цементации. Так, при газо­ вой цементации науглероженный слой толщиной 1,0—1,3 мм полу­ чают при 920°С за 15 ч, а при 1000°С—за 8 ч. Чтобы предотвра­ тить сильный перегрев (рост аустенитного зерна), высокотемпера­ турной цементации подвергают наследственно мелкозернистые стали.

Концентрация углерода в поверхностном слое изделия обычно составляет 0,8—1,0% и не достигает предела растворимости при температуре цементации. Следовательно, сетка РезС при темпера­ туре цементации не образуется, и поверхностный слой, как и серд­ цевина, находится в аустенитном состоянии. После медленного ох­ лаждения цементованный слой с переменной концентрацией угле­ рода состоит из феррита и цементита и характеризуется гаммой

рачнение поверхностного слоя изделия достигается закалкой после цементации. Закалка должна не только упрочнить поверхностный слой, но и исправить структуру перегрева, возникающую из-за многочасовой выдержки стали при температуре цементации.

После цементации в твердом карбюризаторе ответственные из­ делия подвергают двойной закалке, так как содержание углерода в сердцевине и на поверхности изделия разное, а оптимальная температура нагрева под закалку зависит от содержания углеро­ да в стали (см. рис. 156).

Первую закалку проводят с нагревом до 850—900°С (выше точки Л3 сердцевины изделия), чтобы произошла полная фазовая перекристаллизация с измельчением аустенитного зерна в доэвтектоидной стали. В углеродистой стали из-за малой глубины прокаливаемости сердцевина изделия после первой закалки состоит из феррита и перлита. Вместо первой закалки к углеродистой стали можно применять нормализацию. В прокаливающейся насквозь легированной стали сердцевина изделия состоит из низкоуглеро­ дистого мартенсита. Такая структура обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины.

После первой закалки цементованный слой оказывается пере­ гретым и содержащим повышенное количество остаточного аусте­ нита. Поэтому применяют вторую закалку с температуры 760 — 780°С, оптимальной для заэвтектоидных сталей. После второй за­ калки поверхностный слой состоит из мелкоигольчатого высокоуг­ леродистого мартенсита и глобулярных включений вторичного карбида.

При газовой цементации чаще всего применяют одну закалку с цементационного нагрева после подстуживания изделия до темпе­ ратур 840—860°С. После закалки цементованные изделия всегда нагревают до 160—180°С для уменьшения закалочных напряжений.

Цементацию широко применяют в машиностроении для повы­ шения твердости и износостойкости изделий с сохранением высо­ кой вязкости их сердцевины. Удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины, и поэтому в нем возни­ кают значительные сжимающие напряжения. Остаточные напря­ жения сжатия в поверхностном слое, достигающие 40—50 кгс/мм2, повышают предел выносливости изделия.

Низкое содержание углерода (0,08—0,25%) обеспечивает высо­ кую вязкость сердцевины. Цементации подвергают качественные стали 08, 10, 15 и 20 и легированные стали 12ХНЗА, 18ХГТ и др. Основное назначение легирования здесь — повышение прокалива­ емое™ и соответственно механических свойств сердцевины изде­ лий из цементуемой стали.

Азотирование

Азотирование стальных изделий проводят в аммиаке, который при нагревании диссоциирует, поставляя активный атомарный азот:

2 NH3 - 2 N + 6 Н.

372

В системе Fe—N при температурах азотирования могут обра­ зовываться следующие фазы (рис. 217): а-раствор азота в железе (азотистый феррит), у-раствор азота в железе (азотистый аусте­ нит), промежуточная у'-фаза пере­ менного состава с г. ц. к. решеткой (ей приписывают формулу Fe4N) и промежуточная е-фаза с г. п. ре­ шеткой и широкой областью гомоген­ ности (от 8,1 до 11,1% N при ком­

натной температуре).

Лродошителшос/лй азотиродаяия

у'-фаза и, наконец, е-фаза. С удалением от поверхности при азоти­ ровании железа должно наблюдаться следующее чередование сло­ ев: е —у' — а.

При понижении температуры области а-раствора и особенно е-фазы на диаграмме состояния сужаются (см. рис. 217), и поэто­ му при медленном охлаждении с температуры азотирования в а- и е-слоях должны появиться вторичные выделения у'. С удалени­

пературе (соответствующие границы при температуре азотирова­ ния— е/у' и у'/а) концентрация азота меняется скачкообразно. Эти скачки соответствуют отрезкам ab и cd на диаграмме состоя­

При температуре азотирования 600°С с удалением от поверх­

373

В легированных сталях азот образует с алюминием, хромом, молибденом и другими элементами нитриды в очень дисперсной форме, вследствие чего азотированный слой приобретает твер­ дость, намного превышающую твердость цементованных сталей.

Образование азотированного слоя сопровождается увеличением удельного объема, и у поверхности возникают остаточные сжима ющие напряжения (до 60—80 кгс/мм2). Остаточные напряжения сжатия повышают предел выносливости азотированных изделий.

Тонкий слой е-фазы (0,01—0,03 мм) хорошо защищает сталь от коррозии во влажной атмосфере и других средах.

С помощью азотирования сталей повышают их твердость, из­ носостойкость, предел выносливости, а также коррозионную стой­ кость.

Азотирование с целью повысить твердость и износостойкость применяют к деталям из сталей типа 38ХМЮА. Перед азо­ тированием изделие подвергают закалке и высокому отпуску для повышения прочности и вязкости сердцевины. Азотирование про­ водят при 500—520°С. Из-за низкой температуры и, следовательно, низкой подвижности атомов азота процесс длительный (24—90 ч): Толщина азотированного слоя при этом составляет 0,3—0,6 мм. Можно сократить продолжительность азотирования, повышая тем­ пературу (рис. 218), но при этом сильно падает твердость из-за ко­ агуляции нитридов легирующих элементов. Длительный процесс азотирования для повышения твердости и износостойкости целе­ сообразно применять только к изделиям ответственного назна­ чения.

Для повышения коррозионной стойкости азотированию подвер­ гают детали из разных сталей (главным образом, из углеродис­ тых). Так как большая твердость здесь не требуется, то темпера­ туру процесса выбирают высокой (600—700°С); продолжитель­ ность такого процесса 15 мин — 10 ч.

Некоторое применение нашло азотирование деталей из высоко­ прочных чугунов и титановых сплавов.

А з о т и р о в а н и е т и т а н о в ы х с п л а в о в — один из немно­ гих примеров промышленного использования химико-термической обработки сплавов цветных металлов. Азотирование применяют для повышения износостойкости и уменьшения схватывания дета­ лей при работе в условиях трения.

Детали из титановых сплавов азотируют в среде азота при 850—950°С в течение 10—50 ч. На поверхности образуется очень тонкий твердый нитридный слой, а глубже — слой раствора азота в а-титане. Глубина азотирования состав­ ляет 0,1—0,15 мм. Более высокая температура азотирования недопустима изза сильного роста зерна в сердцевинных слоях. Основная опасность при азоти­ ровании титановых сплавов — хрупкость поверхностного слоя.

374

Цианирование и нитроцементация

Насыщение поверхности изделий одновременно углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли называют цианировани­ ем, а в газовой среде — нитроцементацией. Соотношение углерода и азота в диффузионной зоне можно регулировать, изменяя состаз среды и температуру процесса.

Ц и а н и р о в а н и е с т а л е й проворят в ванне, содержащей NaCN, при 820—960° С в течение 30—90 мин. При окислении циа­ нистого натрия образуются атомарный азот и окись углерода.

Преимущества цианирования по сравнению с цементацией ---

значительно меньшая продолжительность процесса и более высо­ кая износостойкость и коррозионная стойкость (благодаря азоту в поверхностном слое). Недостаток процесса — использование ядо­ витых цианистых солей.

Н и т р о ц е м е н т а ц и ю с т а л е й , называемую также газовым цианированием, проводят :при 850—870°С ь течение 2—10 ч в сре­ де, содержащей аммиак и науглероживающий газ. По сравнению с

2. Диффузионное насыщение металлами

Металлы растворяются в железе и других металлах по способу замещения и потому медленнее, чем неметаллы, диффундируют в изделие. Как правило, диффузионное насыщение металлами прово­ дят при более высоких температурах, чем насыщение неметалла­ ми. Типичные примеры — алитирование и хромирование.

А л и т и р о в а н и е ( а л ю м и н и р о в а н и е ) применяют для повышения окалиностойкости сталей и реже чугунов. Алитиру­ ют также литые лопатки газотурбинных двигателей из жаропроч­ ных никелевых сплавов. При нагреве алитированного изделия в окислительной среде на его поверхности образуется тонкая и проч­ ная пленка АЦОз, предохраняющая изделие от дальнейшего окис­ ления. Глубина алитирования в зависимости от метода и режима составляет 0,02—0,8 мм.

Наибольшее распространение получило алитирование стальных изделий в по­ рошках с насыщением из газовой фазы. Порошкообразная смесь состоит из ферроалюминия, хлористого аммония и окиси алюминия. В присутствии NH4C1 образуется газообразный хлорид алюминия А1СГ, являющийся поставщиком активных атомов алюминия. Окись алюминия предотвращает спекание частиц ферроалюминия. Алитирование .проводят при 960— 1060°С в течение 3— 12 ч.

Применяют также алитирование в расплаве алюминия с 8— 10% Fe при 700—

насыщением только из твердой фазы является алитирование способом металли­ зации (напыления) алюминия с последующим диффузионным отжигом при

900— 1000°С в течение 2—4 ч.

Д и ф ф у з и о н н о е х р о м и р о в а н и е применяют для повы­ шения коррозионной стойкости, а также окалиностойкости и нзно-

3 7 5

состойкости стальных деталей. Известны промышленные процессы диффузионного хромирования молибдена и ниобия для повышения жаростойкости.

Наибольшее применение получило хромирование в порошкообразных смесях

Для повышения коррозионной стойкости и окалиностойкости поверхностный слой должен иметь структуру пластичного твердого раствора хрома в a-железе. Если одна из целей хромирования — повышение твердости, то в поверхностном слое должны образо­ ваться карбиды хрома (€г2дС6, Ог'7Сз). Для этого выбирают сталь, содержащую более 0,4% С. Толщина хромированного слоя обычно не превышает 0,2 мм.

3. Диффузионное удаление элементов

Удаление вредных примесей при нагреве в вакууме и других средах — это важная для ряда изделий разновидность химико­ термической обработки. В основе ее лежит диффузионный процесс

му объему, а не только в поверхностных слоях). Примером является обезводороживание титановых сплавов при нагреве в ва­ кууме для предотвращения водородной хрупкости и повышения ударной вязкости. Обезводороживание проводят при 670—700О|С в течение 2—(6 ч при давлении не более 10-4 мм рт. ст.

Для комплексного удаления примесей внедрения из тугоплав­ ких металлов их нагревают в вакууме.

В промышленности давно применяют сквозное обезуглерожи­ вание трансформаторной стали отжигом листов в водороде.

Иногда для изменения свойств поверхностного слоя использу­ ют несквозное удаление одного из основных компонентов сплава.

Процессы химико-термической обработки благодаря неисчерпа­ емому разнообразию химически активных сред и богатым возмож­ ностям изменения свойств поверхностных слоев и всего объема из­ делий широко используют в промышленности. Они быстро разви­ ваются, завоевывая новые области применения.

376

Г л а в а XIII

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

ния — дислокаций, вакансий, дефектов упаковки, мало- и высоко­ угловых границ. Так как дефекты кристаллической решетки сильно влияют на формирование структуры сплавов при фазовых превра­ щениях, то пластическую деформацию перед фазовыми превраще­ ниями или в период их развития можно использовать для создания оптимальной структуры термически обработанного сплава.

Термомеханическая обработка (ТМО) — это вид термической обработки, включающей пластическую деформацию, которая вли­ яет на формирование структуры при фазовых превращениях, про­ исходящих во время термического воздействия.

Следовательно, к ТМО* нельзя относить любое сочетание опе­ раций деформирования, нагрева и охлаждения. Например, если пластическая деформация проводится после всех операций тер­ мообработки, то мы имеем дело не с ТМО, а с обычной термообра­ боткой и последующей обработкой давлением. Такая пластическая деформация, например холодная прокатка после старения, может создать наклеп, повысить прочностные свойства, но она не влияет на формирование структуры при фазовых превращениях, так как эти превращения прошли до деформации.

Если пластическая деформация была проведена до термообра­ ботки, но не оказала определяющего влияния на формирование окончательной структуры сплава при фазовых превращениях, то такое сочетание пластической деформации и последующей термо­ обработки также нельзя относить к ТМО. Например, холодная про­ катка с последующим нагревом под закалку, при котором прохо­ дит рекристаллизация, не являются составными частями ТМО, так как рекристаллизованная структура характеризуется низкой плот­ ностью несовершенств кристаллического строения.

Процессы пластической деформации и термической обработки при ТМО могут быть совмещены в одной технологической опера­ ции, но могут проводиться и в разное время, например с разрывом в несколько суток. Важно лишь, чтобы при этом фазовые превра­ щения проходили в условиях повышенной плотности дефектов ре­ шетки, созданных пластической деформацией.

В настоящее время в промышленности используют и опробывают разнообразные схемы ТМО, включающие пластическую де­ формацию, которая оказывает определяющее влияние на форми­ рование структуры сплава при старении или при полиморфных, главным образом мартенситных, превращениях.

Точнее ее следовало бы называть деформационно-термической обработкой.

377

§ 51. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАРЕЮЩИХ СПЛАВОВ

На рис. 219 приведены основные схемы ТМО стареющих спла­ вов. Зубчатыми линиями обозначена пластическая деформация.

1. Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО)

НТМО стареющих сплавов — это первая по времени появления (30-е годы) и наиболее широко используемая в промышленности термомеханическая обработка.

Основное назначение НТМО — повышение прочностных свойств. При НТМО сплав вначале подвергают обычной закалке, а за­

тем перед старением — холодной деформации (рис. 219).

По сравнению со старением без предшествующей деформации при НТМО получают более высокие пределы прочности и текуче­ сти, но и более низкие показатели пластичности.

На рис. 220 показано влияние сте­ пени холодной деформации на твер­ дость закаленного никелевого сплава (кривая 1) и того же сплава, соста­ ренного после деформации (кривая 2).

Упрочнение при НТМО вызвано двумя причинами. Во-первых, холодная деформация создает наклеп, к последующее дисперсион­ ное твердение начинается от более высокого исходного уровня твердости сплава. Во-вторых, что особенно важно, холодная дефор­ мация увеличивает эффект дисперсионного твердения. Так, при от­ сутствии холодного наклепа упрочнение сплава нимоник-90 в ре­ зультате старения при 450°С очень мало — всего 15 кгс/мм2. С увеличением степени холодной деформации упрочнение при старе­ нии непрерывно возрастает (кривые 1 и 2 на рис. 220 расходятся). При обжатии 90% прирост твердости в результате старения сос­ тавил 175 кгс/мм2. Следовательно, в рассматриваемом случае хо­

378

лодный наклеп увеличил упрочнение при старении на порядок (!), Такой сильный эффект упрочнения от НТМО ;по сравнению с уп­ рочнением при термической обработке по обычной схеме (закалка+старение) — сравнительно редкое явление. Обусловлен он тем, что температура старения 450°С слишком низка для нимоника, и при отсутствии холодного наклепа распад пересыщенного раствора при этой температуре развивается очень вяло. Если после закал­ ки проводить старение при температуре, оптимальной для макси­ мального упрочнения (около 700°С), то эффект от введения хо­ лодного наклепа будет значительно меньше.

В самом первом приближении можно утверждать, что холод­ ный наклеп, повышая плотность несовершенств в кристаллах пе­ ресыщенного раствора, делает его термодинамически менее ста­ бильным и ускоряет старение. Однако экспериментальные факты и более детальный анализ показывают, что влияние наклепа на ста­ рение может быть весьма сложным. Характер этого влияния зави­ сит от режимов закалки, деформации и старения, от природы спла­ ва, а для одного сплава — от типа выделений при старении.

Рассмотрим вначале влияние холодной деформации на зонное старение. Казалось бы, что деформация, увеличивая плотность дис­ локаций и концентрацию вакансий, должна ускорять зонное старе­ ние. Но, во-первых, зоны зарождаются гомогенно, а не на дисло­ кациях и, во-вторых, дислокации являются эффективными местами стока вакансий. Очень сильная пластическая деформация повыша­ ет концентрацию вакансий (отношение числа вакансий к числу ато­ мов) всего на 10-6, в то время как закалка создает значительно бе­ лее сильное пересыщение решетки вакансиями: концентрация за­ калочных вакансий достигает величины порядка 10~4.

«Выметание» большого числа закалочных вакансий скользящи­ ми дислокациями при пластической деформации закаленного спла­ ва может полностью перекрыть сравнительно небольшое поступле­ ние в кристалл вакансий, генерируемых порогами скользящих дис­ локаций. В результате пластическая деформация закаленного спла­ ва замедляет зонное старение, так как избыточные вакансии игра­ ют важную роль в диффузионном переносе атомов растворенного элемента к растущим зонам (см. § 42).

В сплавах с небольшой концентрацией растворенного элемента холодный наклеп может замедлить образование зон при старении из-за притяжения к дислокациям атомов этого элемента и соответ­ ствующего обеднения ими матрицы.

Замедление роста зон в наклепанном сплаве проявляется в за­ медлении упрочнения и уменьшении прироста прочности при старе­ нии. Такой результат получается, например, при холодной дефор­ мации свежезакаленного дуралюмина. Поэтому НТМО с зонным старением как заключительной операцией обычно не используют.

Если при закалке изделие охлаждалось сравнительно медлен­ но, например при закалке в воздушной среде, и решетка сильно не пересыщалась закалочными вакансиями, то замедление зонного старения под действием наклепа может и не проявиться. Более го-

379