Материаловедение / 27

5.7. Термомеханическая обработка сталей

Под термомеханической обработкой (ТМО) понимается техно­логический процесс, сочетающий термическую обработку с пластиче­ским деформированием стали в аустенитном состоянии. Различают высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) термомеханическую обработку.При ВТМО детали нагреваются до температуры выше А_с3, при которой сталь имеет аустенитную структуру, и производится пластическое деформирование (обжатие) со степенью деформирования до 20...30 %. После чего детали подвергаются немедленной закалке и низкотемпературному отпуску.При НТМО стали нагревают до температуры выше А_с3, охлаж­дают до температуры относительной устойчивости аустенита, но ни­же температуры рекристаллизации, пластически деформируют (сте­пень деформирования до 75...95 %) и производят закалку. После закалки выполняют низкий отпуск (рис. 5.12).Высокотемпературной термохимической обработке можно под­вергать любые стали, НТМО - только стали с повышенной устойчи­востью переохлажденного аустенита (легированные стали).После ТМО механические свойства стали выше, чем после обычной закалки. Наибольшее упрочнение достигается после НТМО. После ВТМО структура мелкоблочная, как и после закалки - мартен­сит тонкого строения. В процессе НТМО при обжатии возрастает об­щая плотность дислокаций, которая остается и после закалки на мар­тенсит. Формирование структуры закаленной стали при ТМО происходит в условиях повышенной плотности дислокаций, обуслов­ленных наклепом, что и приводит к значительному увеличению проч­ностных свойств стали.

Если после обычной закалки и низкого отпуска стали временное сопротивление не превышает 2000.2200 МПа и относительное уд­линение при разрыве 5 = 3.. .4 %, то после НТМО а_в достигает зна­чений до 3000 МПа при пластичности до 6.8 %. При ВТМО упроч­нение несколько ниже (до 2400 МПа), но материал имеет выше ударную вязкость, ниже порог хладноломкости и меньшую чувстви­тельность к отпускной хрупкости. Кроме того, технологический про­цесс осуществляется в области высоких температур, что требует меньших усилий для деформации.

5.8. Дефекты, возникающие при термической обработке, методы их предотвращения и устранения

При нагреве детали ее поверхности подвергаются воздействию температуры и окружающей среды, а при охлаждении в них возника­ют внутренние термические напряжения, которые могут вызвать де­формирование деталей. К основным дефектам термообработки отно­сятся: пережог, перегрев, недогрев, коробление, закалочные трещины, пятнистость, окисление и обезуглероживание поверхности.Недогрев представляет собой дефект, образующийся при закал­ке в результате нагрева деталей ниже линии Ас3 для доэвтектоидных сталей и ниже Ас1 - для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей. Ниже линии Ас1 стали не переходят в аустенитное состояние, соответствен­но невозможно при охлаждении получить мартенситную структуру.

В доэвтектоидных сталях в диапазоне между линиями Ас1 и Ас3 существует двухфазная область, состоящая из аустенита и феррита. По­сле закалки из этой области в структуре стали наряду с мартенситом бу­дет присутствовать феррит, снижающий твердость стали. Для исправ­ления данного дефекта необходимо произвести повторную закалку.

Перегрев возникает при нагреве стали намного выше критиче­ских температур закалки или при слишком большой выдержке при соответствующей температуре, в результате чего образуется крупно­игольчатый мартенсит. Для устранения дефекта необходимо произве­сти отжиг или нормализацию детали и повторную закалку.Под пережогом понимается нагрев сталей до температур, близ­ких к температуре плавления, при которых образуются по границам зерен оксидные пленки, что вызывает хрупкость металла. Пережог является неисправимым браком.Под пятнистой закалкой понимается неравномерность твердо­сти по поверхности детали, возникающая вследствие неравномерно­сти охлаждения на отдельных участках ее поверхности. Причиной этого может быть наличие на поверхности окалины, загрязнений. Для устранения дефекта необходимо зачистить поверхность детали и про­извести повторную закалку.Коробление возникает при неравномерном охлаждении отдель­ных мест детали вследствие особенностей ее конструкции (разнотол-щинность отдельных участков, сложность конфигурации и др.). Для предотвращения коробления деталей сложной конфигурации в ре­зультате воздействия внутренних термических напряжений необхо­димо их закаливать в специальных штампах или в закалочных маши­нах. Изделия в форме дисков опускать в охлаждающую среду ребром вниз в строго вертикальном положении.Закалочные трещины образуются при слишком резком охлаж­дении, перегреве, при наличии концентраторов напряжений в виде резких переходов в конструкции детали. Предотвратить появление трещин можно оптимизировав конструкцию детали, исключив кон­центраторы напряжений, обеспечив равномерность нагрева и охлаж­дения, применив ступенчатую или изотермическую закалку, закалку в двух средах.Окисление и обезуглероживание возникает вследствие взаимодей­ствия металла поверхностных слоев детали с газами, содержащимися в атмосфере печей (О₂, Н₂, СО₂). При этом на поверхности детали обра­зуется окалина и происходит выгорание углерода с поверхностных сло­ев с образованием ферритной структуры, что приводит к снижению твердости и прочности. Для уменьшения окислительных процессов применяют рециркуляционные печи, печи с контролируемой атмосфе­рой, а также нагрев в расплавах солей (NaCl, KCl, BaCl₂ в различных сочетаниях). Оксидные пленки с поверхности деталей могут быть сняты травлением в водных растворах серной кислоты, дробеструйной обра­боткой и галтовкой.

2