4.3. Термическая и химико-термическая обработка металлов.
Термическая обработка (ТО) – это технологические операции, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Основные виды ТО – отжиг, закалка, отпуск и старение.
Отжиг – это ТО, в результате которой металл приобретает структуру, близкую к равновесной, при этом прочность снижается, снижаются остаточные напряжения, возрастает пластичность. Температура отжига зависит от состава сплава и поставленной цели. Отжиг заключается в нагреве до определённой температуры, выдержке при этой температуре от нескольких часов до нескольких десятков часов и охлаждении со скоростью от 30 до 200 оС/час.
Различают отжиг рекристаллизационный и диффузионный. При рекристаллизационном отжиге деформированный металл нагревают на 100 – 200оС выше температуры рекристаллизации Трекр. А Трекр, как установил А. А. Бочвар, составляет 0,4Тпл. При этих температурах вытянутые в результате деформирования зёрна становятся равноосными, понижается твёрдость и прочность, повышается пластичность. Скорость охлаждения не имеет значения, обычно охлаждают на спокойном воздухе. Рекристаллизационный отжиг применяют для металлов (А1, Cu, Ni) и сплавов (ферритные и аустенитные стали, однофазные латуни и бронзы со структурой твёрдых растворов), не имеющих фазовых превращений в твёрдом состоянии.
Диффузионный отжиг проводят для сплавов со структурой твёрдого раствора с целью снижения ликвации, т.е. неравномерного состава по объёму. Для сталей температура диффузионного отжига составляет 1100 – 1200 оС и время термообработки от 20 до 50 часов. Ликвация особенно неприятна в алюминиевых сплавах и для них температура диффузионного отжига составляет 420 – 520 оС, а время термообработки – 20 – 30 часов.
Закалка – это ТО, в результате которой образуется неравновесная структура. Это возможно в том случае, если в сплаве могут иметь место превращения в твёрдом состоянии. К таким превращениям относятся переменная растворимость, полиморфные превращения твёрдых растворов, распад высокотемпературного твёрдого раствора по эвтектоидной реакции и т.д. Для этого сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твёрдом состоянии, после чего быстро охлаждают. При закалке можно повысить прочность, удельное электрическое сопротивление, коэрцитивную силу, коррозионную стойкость. В качестве примера можно рассмотреть систему, обладающую ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состянии. (Рис. 4.3 )
Рис. 4.3. Диаграмма состояния сплава для случая ограниченной растворимости компонентов в твёрдом состоянии.
На этой диаграмме верхняя линия КСD – линия ликвидуса, показывающая температуры плавления сплавов; линия КЕСF – линия солидуса, показывающая температуры затвердевания сплавов. Ниже этой линии все сплавы из компонентов А и В находятся в твёрдом состоянии.
Линия SE (на диаграмме буква Е не пропечаталось и выглядит как L) показывает изменение растворимости при понижении температуры компонента В в компоненте А в твёрдос состоянии. В данном случае растворимость с понижением температуры уменьшается.
Рассмотрим, что происходит со сплавом состава I - I. До температуры 1 сплав жикий. При температуре точки 1 начинается кристаллизация и до температуры точки 2 система двухфана и состоит из твёрдого раствора α (В в А) и жидкого сплава. В области температур, ограниченной точками 2 и 3 состав твёрдого раствора не изменяется. В области температур между точками 3 и 4 растворимость В в А уменьшается и часть компонента В выходит из раствора и образует собственные кристаллы В, называемые вторичными. Таким образом, после полного охлаждения сплав имеет структуру, состоящую из твёрдого раствора α и вторичных кристаллов компонента В.
Если сплав нагреть несколько выше точки 3 и выдержать, то часть (или все) вторичные кристаллы компонента В превратятся в твёрдый раствор α. Теперь при быстром охлаждении структура твёрдого раствора заморозится и сплав будет иметь структуру пересыщенного твёрдого раствора, что слабо влияет на повышение физико-механических свойств.
Если нагреть несколько ниже температуры 3, увеличится подвижность атомов и начнётся распад твёрдого раствора, Такой процесс называется искусственным старением.
В сплавах низкоплавких металлов (А1) старение происходит без нагрева, при обычных температурах – естественное старение. При старении уменьшается концентрация пересыщения, выделяется новая фаза. Характеристики этой фазы - кристаллическую структуру, размер зёрен, межфазную границу, можно регулировать температурой и временем термообработки.
Закалку с эвтектоидным превращением рассмотрим на примере стали.
В левой части диаграммы Fe - Fe3C (рис. 4.2.) находится область феррита и аустенита. Между ферритом и аустенитом существует область, где одновременно существует феррит и аустенит, а при более низкой температуре – феррит и цементит. В эвтектической точке, где одновременно кристаллизуется феррит и аустенит, выделяется перлит, содержащей 0,8% С. Если перлит нагреть выше эвтектической точки, начнётся превращение перлита в аустенит. Здесь может протекать два параллельных процесса:
а) превращение α-Fe в γ-Fe;
б) растворение цементита Fe3C в γ-Fe с образованием аустенита.
Если нагрев производить быстро, например, токами высокой частоты (ТВЧ), образуется много центров кристаллизации аустенита и получатся очень мелкие зёрна аустенита. Вообще, в зависимости от температуры нагрева можно получить зёрна аустенита различного размера.
При быстром охлаждении аустенитной стали до определённой температуры и выдержке при этой температуре, произойдёт распад аустенита а) по диффузионному механизму – перлитное превращение или б) по бездиффузионному механизму – мартенситное превращение. Мартенсит – это пересыщенный твёрдый раствор внедрения С в α-Fe. По какому механизму пойдёт процесс зависит от скорости охлаждения и времени выдержки τ. Рассмотрим эти превращения на диаграмме t oC – log τ. (рис. 4.4)
Рис. 4.4. Диаграмма изотермического распада аустенита в эвтектоидной стали.
На диаграмме изображены две С-образные кривые. Та, которая ближе к оси ординат, отвечает началу распаду аустенита и превращению его в другие кристаллические структуры. Вторая кривая отвечает завершению распада. Наименьшая устойчивость аустенита наблюдается при 550 оС – около 1 сек.
Превращение в области 1 – перлитное, в области 3 – мартенситное, а в области 2 – промежуточное.
В области перлитного превращения аустенит распадается на пластинчатые структуры перлитного типа (Ф + Ц). Эти структуры состоят из пластин феррита, между которыми расположены пластины цементита. Степень их дисперсности характеризуют усреднённой суммой толщин соседних пластин феррита и цементита. С увеличением дисперсности структур перлитного типа возрастают прочность и твёрдость. В зависимости от дисперсности различают собственно перлит, сорбит и троостит.
В перлите межпластинчатое рассотяние составляет 0,5 – 1,0 мкм, в сорбите – 0,2 – 0,4 мкм, а в троостите – около 0,1 мкм.
При очень быстром охлаждении (вода или солёная вода), когда подавляются возможные диффузионные процессы, приводящие к образованию перлита, происходит переход С + γ-Fe в С + α-Fe, а в α-Fe растворимость С меньше. Избыточный С остаётся в искажённой решётке α-Fe, образуя пересыщенный раствор, который называют мартенситом.
Существует минимальная скорость охлаждения Vкр для получения мартенсита, причём для разных марок стали эта скорость различна. Свойства мартенситной стали зависят от концентрации С – с увеличением концентрации возрастают твёрдость, хрупкость, объём.
Отпуск и старение – это ТО, в результате которой в предварительно закалённых сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Свойства после отпуска и старения выше, чем при отжиге. Обычно после закалки получают пересыщенный твёрдый раствор, а при старении и отпуске происходит распад пересыщенного твёрдого раствора. Эти две технологические операции отличаются друг от друга тем, что при отпуске происходят полиморфные превращения, а старение протекает без полиморфных превращений.
Отпуск закалённых сталей. В результате закалки получают обычно структуру мартенсита с остатками аустенита. В результате отпуска происходит распад мартенсита и выделение С в виде цементита Fe3C и распад остаточного аустенита.
После отпуска в обычных сталях возрастает пластичность, ударная вязкость, уменьшается прочность, причём в легированных сталях прочность может возрастать.
Термические обработки предназначены для изменения структуры и, соответственно, свойства всего объёма металла.
4.5. Химико-термические обработки, напротив, затрагивают поверхностные слои металла, при этом изменение свойств достигается как за счёт изменения химического состава поверхностных слоёв, так и воздействия на структуру этого слоя путём термической обработки.
Для обеспечения проникновения компонентов в изделие насыщение обычно проводят при повышенных температурах – ведь эти процессы гетерофазные, в них одной из важнейших стадий является диффузия. А скорость диффузии увеличивается при повышении температуры. В результате могут образовываться как химические соединения, так и твёрдые растворы. Рассмотрим наиболее распространённые виды таких обработок.
Цементация стали заключается в насыщении поверхности изделия углеродом. Её целью является получение твёрдой и износостойкой поверхности за счёт образования цементита – карбида железа Fe3C при сохранении вязкости внутренних областей изделия.
3Fe + C = Fe3C
Цементации обычно подвергают низкоуглеродистые стали, содержащие 0,1 – 0,18 % С. После обработки поверхностные слои содержат 0,8 – 1,0 % С. Иногда для повышения сопротивления контактной усталости концентрацию углерода в поверхностных слоях повышают до 1,1 – 1,2 %. Более высокое содержание С нецелесообразно, так как при этом повышается хрупкость цементуемого слоя. При цементации легированных сплавов содержание углерода в поверхностных слоях может достигать 1,8 – 2,0 % - это зависит от карбидообразующих свойств элементов легатуры.
Цементацию проводят либо непосредственно взаимодействием изделия с активированным углем, коксом и т.п., либо в среде газов, содержащих углерод – чаще всего в среде метана СН4.
Известны также методы жидкостной цементации с использованием солевых расплавов и наложением процессов электролиза. Углеродсодержащий газ барботирует через солевой расплав. В этом случае скорость цементации в 3 – 5 раз выше, чем в твёрдых карбюризаторах (аппаратах для насыщения углеродом с использование активированного угля и т.п.).
После химико-термической обработки проводят термическую обработку изделия для исправления структуры как сердцевины, так и поверхностных слоёв. Ведь температура химико-термической обработки может достигать 950 – 1000 оС.
Азотирование сталей – это процесс насыщения поверхностно слоя азотом при нагревании изделия в атмосфере аммиака. Азотирование резко повышает устойчивость твёрдости поверхностных слоёв к температурным воздействиям, повышаются износостойкость и коррозионостойкость. Твёрдость азотированного слоя выше, чем цементованного, причём сохраняется она до более высоких температур – до 600 – 650 оС против 200 – 225 оС.
При азотировании образуются твёрдые растворы азота в железе, нитриды железа Fe4N, Fe2N и Fe3N, твёрдые растворы азота в нитридах железа и ряд других твёрдых растворов. Процесс проводят в области температур 500 – 600 оС.
Ускорение процесса достигается при азотировании в «тлеющем разряде». В этом случае обработку деталей осуществляют в разреженной атмосфере, содержащей азот, а деталь подключают к отрицательным клеммам источника питания.
Ещё более быстро азотирование протекает в жидких средах – в расплавленных цианистых солях (тенифер-процесс). Недостаток этого процесса – высокая токсичность реагентов.
Цианирование и нитроцементация, в отличие от тенифер-процесса, приводит к насыщению поверхности не только азотом, но и углеродом. При цианировании используется тот же цианистый натрий NaCN, но при более высокой температуре (820 – 860 оС). Содержание азота в поверхностном слое 0,8 – 1,2 % и углерода 0,6 – 0,7%.
Нитроцементацию проводят в смеси науглероживающего газа и аммиака. Присутствие аммиака ускоряет диффузию углерода. Газовой нитроцементации подвергают детали сложной формы, склонные к кораблению – в этом случае меньше коробление и деформация по сравнению с газовой цементацией. Нитроцементация имеет преимущество и перед цианированием, т.к. не требуется применение ядовитых солей, а также возможно более тонкое регулирование содержания азота и углерода в слое.
Химико-термической обработке подвергают не только стали. Подобную модификацию поверхности проводят на изделиях из титана, молибдена, ниобия, тантала, циркония, вольфрама, кобальта, никеля, меди, а также сплавов на их основе.
Для титана и его сплавов наиболее перспективно азотирование, приводящее к повышению поверхностной твёрдости и износоустойчивости. После азотирования поверхность приобретает золотистый оттенок благодаря образованию нитрида титана TiN.
Ti + ½N2 = TiN
Процесс азотирования проводят в атмосфере очищенного азота при 900 – 1050 оС. Толщина слоя TiN зависит от продолжительности обработки. При выдержке от 8 до 50 ч получают слои толщиной от 15 до 100 мкм.
Цементация титана с образованием карбида ТiС также увеличивает износостойкость, а микротвёрдость возрастает в 3 раза. Процесс проводят при температурах 850 – 1100 оС, причём нагрев осуществляли быстро токами ТВЧ.
Диффузионная металлизация – это процесс поверхностного насыщения стали металлами. Насыщение алюминием называется алитированием, хромом – хромированием, кремнием – силицированием, титаном – титанированием и т.д. Возможна металлизация несколькими металлами или металлами и металлоидами. Диффузионная металлизация позволяет придавать поверхности изделия самые разнообраные свойства – износостойкость и твёрдость, коррозионную стойкость, жаростойкость.
Вопросы для самопроверки.
1. Эксплуатационные свойства металлических конструкционных материалов. Характерные точки диаграммы растяжения металлов.
2. Виды термической обработки металлов и сплавов: возврат, отжиг, закалка, отпуск и старение. Назначение и особенности этих видов термообработки.