
- •7. Термическая и химико-термическая обработка стали
- •7.1.Теоретические основы термической обработки
- •Рост зерна аустенита при нагреве
- •Перлитное превращение.
- •Мартенситное превращение
- •7.3. Химико-термическая обработка стали: цементация, азотирование, нитроцементация и диффузионная металлизация
- •Цианирование и нитроцементация
- •Диффузионная металлизация
- •Термомеханическая обработка стали
- •Поверхностное упрочнение стальных деталей
- •Закалка токами высокой частоты.
- •Газопламенная закалка.
- •Старение
- •Обработка стали холодом
- •Упрочнение методом пластической деформации
7. Термическая и химико-термическая обработка стали
Термическая (тепловая) обработка состоит в изменении структуры металлов и сплавов при нагревании, выдержке и охлаждении с соблюдением установленных режимов. При этом достигается существенное изменение свойств при неизменном химическом составе.
Видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение; в последнее время распространяется новый вид — термоциклическая обработка металлов.
Термической обработке подвергаются как металлы и сплавы, имеющие структурные превращения (вторичную кристаллизацию), так и не имеющие таких превращений; при этом для первых могут производиться все названные виды термической обработки, для вторых — лишь рекристаллизационный отжиг и закалка с последующим старением.
При химико-термической обработке изменяется химический состав поверхностного слоя деталей.
7.1.Теоретические основы термической обработки
Термическая обработка заключается в нагреве детали до определенных температур, выдержке при этой температуре и охлаждении с той или иной скоростью. При этом происходит изменение структуры, а, следовательно, механических и технологических свойств обрабатываемой детали.
При нагревании и охлаждении в железоуглеродистых сплавах происходят превращения при определенных температурах, называемых критическими точками. При нагревании их принято условно обозначать Ac1, Ac3, Асm (рис. 28). Превращения в сталях при нагревании носят кристаллизационный характер, т. е. при этом происходит образование центров зародышей и последовательный их рост. Исходная структура всех сталей представляет собой смесь двух фаз — феррита и цементита.
При медленном нагревании
до температуры Ac1
(727°C)
никаких превращений в стали не происходит.
При достижении критической точки АС3
перлит переходит в аустенит. При
дальнейшем нагреве в доэвтектоидных
сталях происходит постепенное растворение
феррита в аустените. При температуре
выше линии GSE
стали будут иметь
однородную структуру — аустенит.
Рис. 28. Закалочная часть диаграммы
При медленном охлаждении эвтектоидной стали аустенит превращается в перлит (смесь феррита и цементита). Превращение аустенита в перлит происходит диффузионно; углерод, выделяясь из аустенита, образует зародыши цементитовых включений, число которых и последовательный рост зависят от степени переохлаждения.
Регулируя степень охлаждения аустенита, можно получить следующие продукты его распада:
перлит — крупнозерную смесь феррита и цементита;
сорбит — мелкозерную смесь феррита и цементита;
троостит — мелкозерную (высокодисперсную) смесь феррита и цементита.
При больших степенях
переохлаждения аустенита (охлаждение
в воде) диффузионное перераспределение
углерода практически прекращается и
образование цементита становится
невозможным. Образуется
структура мартенсит — перенасыщенный
твердый раствор углерода в
-Fe
Как в сталях, так и в чугунах всегда присутствуют кремний, марганец, фосфор, сера, а в легированных сплавах — никель, хром, молибден, медь, ванадий, титан и др. Легирующие элемент и примеси изменяют положение линий диаграммы, на которых отложены критические точки структурных превращений. Одни элементы снижают температуру превращений, а другие — повышают. Без учета влияния этих элементов невозможно правильно, пользуясь только лишь диаграммой, разработать режимы термической обработки.
Фазовые превращения при термической обработке в сталях и чугунах одинаковые, но наличие в чугунах графитовой фазы (свободных выделений углерода) вносит некоторые дополнительные изменения. Поэтому теоретические основы термической обработки сталей применимы к термической обработке чугунов.
В процессе нагрева, так же как и в процессе охлаждения, железоуглеродистые сплавы претерпевают фазовые и структурные превращения.
Рассмотрим эти превращения.
Превращения при нагреве. Структура доэвтектоидных (С < 0,8 %), эвтектоидных (С = 0,8 %) и заэвтектоидных (С > 0,8 %) сталей соответственно состоит из феррита и перлита, перлита, перлита и цементита.
При нагреве выше 727 °С (линия PSK на диаграмме) доэвтектоидные стали имеют структуру аустенит + феррит, а заэвтектоидные — аустенит +цементит. Эвтоктоидные стали имеют аустенитную структуру.
При нагреве доэвтектоидных сталей выше температур, отложенных на линии GS, и заэвтектоидных выше температур, отложенных на линии SE, их структура становится чисто аустенитной. Следовательно, все структурные составляющие — феррит, перлит и цементит — в процессе нагрева превращаются в аустенит.
Согласно нижней левой части диаграммы состояния железо—цементит, при нагреве стали перлит превращается в аустенит при температуре критической точки (линия PSK, температура 727°С). В действительности превращение перлита в аустенит (а также и обратное превращение аустенита в перлит) не может происходить при 727°С, так как при этой температуре свободная энергия перлита равна свободной энергии аустенита. Поэтому для превращения перлита в аустенит температура нагрева должна быть обязательно немного выше равновесной температуры 727°С, т. е. должен быть так называемый перенагрев, так же как для превращения аустенита в перлит должно быть обязательно некоторое переохлаждение.
Процесс превращения
перлита в аустенит при нагреве (0,8 %С)
происходит следующим образом (рис. 29).
Сталь в исходном состоянии представляй
смесь фаз феррита и цементита (рис.29,
а). При нагреве несколько выше
критической точки (727°С) на границе
ферритной и цементитной фаз начинается
превращение
,
приводящее к образованию
низкоуглеродистого аустенита, в котором
растворяется цементит (рис. 29, б—г).
Образующийся аустенит
химически неоднороден. Концентрация
углерода в аустените на границе с
цементитом значительно выше, чем на
границе с ферритом. Превращение
протекает
быстрее, чем растворение цементита,
поэтому, когда вся
-фаза
(феррит) превратится в
-фазу
(аустенит), цементит еще остается (рис.
29,д). После
растворения всего цементита превращение
заканчивается (рис. 29,е), но образовавшийся
аустенит имеет неравномерную концентрацию
углерода, уменьшающуюся от центра к
периферии зерна. Только после дальнейшего
повышениия температуры или дополнительной
выдержки аустенит в результате диффузии
углерода становится однородным по
всему объему.
При наличии избыточного
феррита в структуре доэвтектоидных
сталей неоднородность образующегося
при нагревании аустенита становится
еще большей. Это объясняется тем, что
избыточный феррит превращается в
аустенит ()
при более высокой
температуре, чем температура превращения
перлита в аустенит (
).
Образующийся позднее
аустенит насыщается углеродом (путем
диффузии) из расположенных рядом участков
ранее образовавшегося аустенита.
На скорость превращения перлита в аустенит влияют многие факторы: температура превращения, скорость нагрева, дисперсность исходной структуры, пластинчатая или зернистая форма цементита, химический состав стали.
Рис.29. Схема образования
аустенитных зерен
С повышением температуры скорость перлито-аустенитного превращения увеличивается. Это объясняется тем, что превращение перлита в аустенит носит диффузионный характер, а с повышением температуры диффузионные процессы ускоряются. Время, необходимое для перлито-аустенитного превращения, уменьшается с повышением скорости нагрева.
Аустенит образуется на границе ферритной и цементитной фаз, поэтому чем мельче (дисперснее) структура перлита, тем больше протяженность границ между ферритом и цементитом и тем быстрее совершается превращение. Самое быстрое превращение присуще мелкопластинчатому перлиту; медленнее осуществляется превращение при наличии мелкозернистого перлита и наиболее медленно — при крупнозернистом перлите.