Раздел 2. Технология материалов

«То, чему мы учились в школах и университетах, -

не образование, а только способ получить образование»

[Ральф Эмерсон]

Тема 5. Технологии термической и химико-термической обработки стали и чугуна.

Ключевые слова: Превращения в стали и чугуне при нагреве и охлаждении, превращения при нагреве закаленной стали, рост зерна аустенита при нагреве эвтектоидной стали, физическая сущность ме­тодов химика-термической обработки: цементации, азотирования и др. Основные виды и элементы режима термической и химико-термической обработки. Закалка, отпуск, отжиг и нормализа­ция; цементация, азотирование, диффузионная металлизация и др.

5.1. Основные теоретические положения, термины и определения

Термическая обработка - один из основных способов влияния на строение, а, следовательно, и на свойства стали. Она состоит из двух основных операций: нагрева и последующего охлаждения. Прев­ращения, происходящие в стали в этом случае, называют соответс­твенно первым и вторым основными превращениями. Рассмотрим сущ­ность этих превращений на примере эвтектоидной стали.

Первое основное превращение в стали характеризуется превра­щением перлита в аустенит. В этом случае при температуре ас1 в перлите, на границе между ферритом и цементитом, образуется мно­жество зародышей - мелких зерен аустенита.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния Fe-Fе₃С (а) и схема роста зерна аустенита в стали, содержащей 0,8% С (б): 1 - наследственно мелкозер­нистая и 2 - крупнозернистая стали, 3 - на­следственное зерно, 4 - зерно при нагреве под термическую обработку, 5 - исходное зе­рно, 6 - начальное зерно аустенита

Количество зародышей будет тем больше, чем выше содержание углерода в стали и чем меньше дисперсия частиц цементита в перлите. Последующая выдержка при температуре превращения или повышение температуры вызывает рост начальных зерен аустенита.

При этом одни зерна увеличиваются за счет других, более мелких и термодинамически менее устойчивых, т.е. происходит собирательная рекристаллизация, при этом на свойства стали оказывает влияние величина ее зерна. (см. рис. 5.1).Продолжительный нагрев стали при темпе­ратурах значительно выше а_з или А_cм приводит к образованию круп­ного зерна как при нагреве, так и при охлаждении до 20°С. Такой нагрев принято называть перегревом стали. Перегретая сталь харак­теризуется крупнокристаллическим изломом. Перегрев может быть исправлен повторным нагревом выше а_з или а_см. Нагрев при еще бо­лее высокой температуре называют пережогом стали, который сопровождается образованием по границам зерен окислов железа. При пе­режоге излом стали камневидный. Пережог - неисправимый дефект стали.

Второе основное превращение в стали, характеризуется перлит­ным, бейнитным и мартенситным превращениями. Все они могут проте­кать как при непрерывном охлаждении стали ниже температуры ar₁, так и при определенных степенях переохлаждения. На свойства получаемых структур (перлита, сорбита, троости­та и бейнита) оказывает влияние величина их зерен. Чем крупнее зерна аустенита, тем больше зерна новой структуры. Это объясняет­ся тем, что зерна аустенита растут только при нагреве, при охлаж­дении не изменяются.

Мартенситное превращение происходит при высоких скоростях охлаждения. В этом случае кристаллическая решетка-железа перестраивается (мгновенно, за 10^-7с.) с образованием тетрагональ­ной решетки-железа, при сохранении постоянства концентрации уг­лерода в твердом растворе, т.е. происходит бездиффузионное прев­ращение аустенита в мартенсит. Поскольку в кристаллической решет­ке-железа остается избыточный углерод, она искажается, приобре­тая некоторую тетрагональность.Мартенсит,таким образом, являет­ся пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в тетрагональном-железе, а термическая обработка, обеспечивающая полу­чение этой структуры,называется закалкой. Вследствие искажения кристаллической решетки мартенсит обла­дает большой твердостью (5000-6500НВ в зависимости от содержания углерода в стали) и вместе с тем очень хрупок и не пластичен. Под микроскопом мартенсит имеет игольчатое строение. Иглы мартенсита располагаются по трем направлениям, образуя иногда равносторонние треугольники. Благодаря своей высокой твердости мартенсит являет­ся желательной структурой закалки для металлорежущих инструмен­тов. По сравнению с другими переходными структурами стали мартен­сит имеет наибольший удельный объем. Поэтому при закалке стали на мартенсит резко увеличивается объем изделия, что вызывает появле­ние внутренних напряжений и, как следствие, коробление, а иногда и трещины в изделиях. Слишком высокая температура нагрева стали перед закалкой способствует появлению крупно игольчатого мартенси­та, обладающего меньшей твердостью и большей хрупкостью.

Мартенсит и остаточный аустенит являются неустойчивыми (не­равновесными) структурными составляющими, которые сохраняются при нормальной температуре только благодаря малой подвижности частиц. С повышением температуры подвижность частиц увеличивается, и мар­тенсит переходит в более устойчивую структурную форму. Чем выше температура нагрева, тем быстрее и полнее идет процесс превраще­ния мартенсита в другие структурные формы (сначала в троостит, а затем в сорбит). В результате этого превращения сталь имеет структуру феррита и зернистого це­ментита. Таким образом, термическую обработку, заключающуюся в нагре­ве закаленной стали ниже температуры точки Ac₁ и обеспечивающую превращения мартенсита и остаточного аустенита, называют отпус­ком. Скорость охлаждения углеродистой стали при отпуске не оказы­вает влияния на ее механические свойства, а получаемые при этом структуры троостита и сорбита свободны от внутренних напряжений и обладают лучшими механическими свойствами, чем троостит и сорбит, получаемые при перлитном превращении.

Химико-термическая обработка связана с изменением химическо­го состава, структуры и свойств поверхностного слоя стальных де­талей. Обычно при такой обработке деталь помещают в среду, бога­тую элементом, который диффундирует в металл. В случае газового окружения (наиболее частый случай) происходят следующие три эле­ментарных процесса.

1. Диссоциация - распад молекул и образование активных ато­мов диффундирующего элемента, например: 2СО  СО₂ + С или МН₃  3Н + N. Эти реакции показывают образование активных атомов углерода и азота, способных растворяться в металле.

2. Абсорбция - поглощение (растворение) поверхностью свобод­ных атомов. Это возможно в том случае, если диффундирующий эле­мент способен растворяться в основном металле.

3. Диффузия - проникновение насыщающего элемента вглубь.

В результате указанных процессов образуется диффузионный слой, характеризующийся тем, что на поверхности концентрация диф­фундирующего элемента наибольшая и постепенно падает по мере уда­ления от поверхности. Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку же­леза не одинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим с железом

твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замеще­ния. При определении толщины диффузионного слоя указывается не полная толщина слоя с измененным составом, а только толщина до определенной твердости, так называемая эффективная толщина диффу­зионного слоя.