УПРАВЛЕНИЕ СВОЙСТВАМИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Термическая обработка

Термическая обработка (в дальнейшем – ТО) является самым распространенным способом управления свойствами металлических материалов; в машиностроении ей подвергается до 40% потребляемой стали. ТО состоит из трех этапов: нагрева до заданной температуры; выдержки для прогрева материала по всему объему и завершения фазовых превращений; охлаждения до комнатной температуры с определенной скоростью (решающими являются температура нагрева и скорость охлаждения). Желаемое изменение свойств материалов может быть в очень широких пределах; например, сталь становится пластичной и низкопрочной после отжига; эту же сталь можно сделать твердой, прочной и малопластичной с помощью закалки.

К основным видам ТО относятся: отжиг, закалка, отпуск и старение.

В зависимости от места в технологическом процессе ТО подразделяется на предварительную и окончательную.

Предварительная ТО, как правило, производится для улучшения технологических свойств заготовок (перед обработкой резанием, холодной штамповкой, прокаткой и т. п.). В качестве предварительной ТО для сталей, как правило, применяют различные виды отжига.

Окончательная ТО производится для придания деталям требуемых эксплуатационных свойств. В качестве окончательной ТО для сталей чаще всего применяют закалку с отпуском, а для многих высокопрочных цветных сплавов – закалку со старением.

Отжиг

Отжигом называется процесс ТО, состоящий в нагреве до заданной температуры, выдержки и сравнительно медленном охлаждении со скоростью 30–200°С/ч, т.е. вместе с печью, а иногда – на воздухе.

В зависимости от степени происходящих при нагреве превращений различают полный отжиг, когда в сталях полностью протекают фазовые (α ↔ γ) превращения, и неполный отжиг, когда из-за недостаточной температуры указанные превращения проходят лишь частично или не проходят вовсе.

Полный отжиг позволяет создать в доэвтектоидных сталях равновесную мелкозернистую ферритно-перлитную структуру, соответствующую диаграмме состояния Fe – Fe₃C (см. рис. 1.20); для этого сталь нагревают на 30–50°С выше линии А₃ – GS (рис. 2.1), выдерживают, а затем медленно охлаждают вместе с печью. Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат из стали с 0,3–0,4% С, поковки и фасонные отливки. Полный отжиг заэвтектоидных сталей не производят из-за образования хрупкой цементитной сетки на границах зерен перлита (см. рис. 1.21, в).

Рис. 2.1. Температурные интервалы нагрева при ТО

Изотермический отжиг является разновидностью полного отжига, его применяют для легированных сталей, обладающих большей устойчивостью аустенита. Сталь нагревают до требуемой температуры и сравнительно быстро охлаждают переносом в другую печь с температурой на 100–150°С ниже линии А₁ – PK. В этой печи сталь выдерживают 1–6 ч до полного распада аустенита, а затем производят охлаждение на воздухе. Изотермический отжиг более экономичен чем традиционный (так как происходит быстрее); его часто используют для обработки мелких поковок и сортового проката из легированных цементуемых сталей.

Нормализация является экономичный разновидностью полного отжига и заключается в том, что после нагрева на 40–50°С выше А₃ (или А_cm – SE на рис. 1.20), заготовку охлаждают на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, прокатке, ковке или штамповке; ее, в частности, широко применяют для улучшения механических свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска. Ускоренное охлаждение приводит к некоторому повышению твердости, но в ряде случаев это даже улучшает обрабатываемость резанием.

Неполный отжиг обычно производят при нагреве на 10–30°С выше линии А₁ для улучшения обрабатываемости резанием доэвтектоидных легированных и заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. При этом в заэвтектоидных сталях происходит сфероидизация цементита, что позволяет существенно снизить их твердость и повысить пластичность.

Низкий отжиг обычно производят при 650–680°С (т.е. ниже линии А₁) для снижения твердости углеродистых и легированных сталей перед обработкой резанием, холодной высадкой или волочением.

В зависимости от конкретного назначения различают также следующие отжиги.

Диффузионный (гомогенизационный) отжиг – применяется для слитков легированной стали с целью уменьшения неоднородности химического состава. Проводится в течение 15–150 ч при температуре 1000–1100°С, охлаждение происходит вместе с печью.

Рекристаллизационный отжиг – проводится перед или между операциями холодной обработки давлением (прокатке, штамповке, волочении и др.) для снятия наклепа между операциями деформирования и повышения пластичности материала. Для сталей температура нагрева обычно составляет 650–700°С.

Отжиг для снятия остаточных напряжений – применяется для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и т. п., в которых в результате технологических операций из-за неравномерного охлаждения или пластической деформации возникают остаточные напряжения. Для сталей обычно проводится при температуре 350–600°С в течение нескольких часов, охлаждение проводится вместе с печью.

Отжиг в большинстве случаев является предварительной или промежуточной ТО, так как он повышает вязкость и пластичность, но снижает прочность и твердость; однако для крупных отливок и сварных конструкций отжиг зачастую становится окончательной ТО.

Закалка и отпуск

Закалкой называется процесс ТО, состоящий в нагреве на 30–50°С выше линии А₃ (GS) для доэвтектоидных сталей и выше линии А₁ (PK) для заэвтектоидных сталей (см. рис. 1.20); выдержки для прогрева по всему объему и быстром охлаждении со скоростью выше критической для получения структуры мартенсита.

Мартенситом называется пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе, который образуется в результате быстрого (бездиффузионного) превращения аустенита при охлаждении стали (углерод при этом не успевает покинуть пределы решетки и сильно искажает кристаллическую решетку мартенсита; чем больше углерода, тем выше эти искажения). Мартенсит обладает повышенной прочностью, твердостью (60…65 HRC) и низкой пластичностью (d £ 2%).

Закалка относится к окончательным видам ТО, после нее производят только отпуск и, если требуется, небольшую шлифовку. После закалки материал имеет высокие внутренние напряжения, которые могут привести к короблению или растрескиванию деталей.

Для уменьшения внутренних напряжений и изменения структуры в требуемом направлении после закалки обязательно проводят один из трех видов отпуска – нагрев до определенной температуры, выдержку и охлаждение на воздухе.

1. Низкий отпуск производят при температуре 150–200°С; он сохраняет структуру мартенсита, т.е. сталь остается такой же твердой и прочной, но несколько снижается уровень внутренних напряжений. Закалку с низким отпуском применяют при изготовлении особо твердых и износостойких деталей (ножей режущего инструмента, шарикоподшипников и т. п.). Для достижения высокой твердости применяют средне- и высокоуглеродистые стали, содержащие 0,5–1,3% С.

2. Средний отпуск производят при температуре 350–500°С; он приводит к распаду мартенсита и образованию особой, мелкодисперсной механической смеси феррита и цементита, которая называется троостит. Такая структура обладает высоким пределом упругости и поэтому закалку со средним отпуском применяют при изготовлении упругих элементов (рессор, крупных пружин, мембран). Для этих целей применяют среднеуглеродистые стали, содержащие 0,5–0,6% С, лучше с добавкой марганца.

3. Высокий отпуск производят при температуре 550–650°С. При этом мартенсит распадается с образованием более грубой ферритно-цементитной механической смеси, называемой сорбит. Такая структура обладает наилучшим сочетанием прочностных и пластических свойств, а также повышенной вязкостью. Закалку с высоким отпуском принято называть улучшением стали. Улучшение широко применяют при изготовлении ответственных деталей из среднеуглеродистых сталей (валов, шестерен и др.), работающих при ударных нагрузках.

В ряде случаев для упрочнения металла вместо традиционной объемной закалки целесообразно использовать поверхностную закалку, производимую за счет нагрева токами высокой частоты (ТВЧ-закалка), газовой горелкой, лазерным лучом или путем кратковременного погружения в ванну с расплавленными солями. В этих случаях прогревается и закаливается на структуру мартенсита только поверхность детали, а сердцевина остается незакаленной, т.е. более вязкой и пластичной, чем после традиционной закалки. Поверхностная закалка позволяет получить прочную, твердую, износостойкую поверхность и вязкую сердцевину, что положительно сказывается на сроке эксплуатации деталей, подвергаемых знакопеременным и ударным нагрузкам.

Старение сплавов

Распад пересыщенного твердого раствора, полученного путем закалки, связанный с упрочнением сплава, называют дисперсионным твердением или дисперсионным старением.

В некоторых сплавах, подвергнутых закалке, при комнатной температуре фиксируется состояние пересыщенного твердого раствора (или смеси твердых растворов); при этом сразу после охлаждения упрочнения не наблюдается, основное упрочнение происходит при повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при комнатной температуре. В результате такой выдержки происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием дисперсных частиц. Такой процесс упрочнения сплавов после закалки называют дисперсионным твердением или дисперсионным старением, а саму ТО – искусственным (происходящим при повышенной температуре) или естественным (при комнатной температуре) старением.

Закалку со старением применяют для получения более высокого уровня механических или физических свойств (твердости, прочности, упругости, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и т. д.) по сравнению с отожженным состоянием. В частности, закалка и старение широко используются при упрочнении мартенситно-стареющих сталей, высокопрочных алюминиевых сплавов, пружинных бронз и других дисперсионно-твердеющих сплавов.