О. М. Царенко. Матеріалознавство й технологія конструкційних матеріалів

3.5. Термiчна та хiмiко-термiчна обробка металiв і сплавiв   

Рис. 3. 20.

Термічна обробка - це теплова дія на метали й сплави для надання їм бажаної структури та властивостей. Термічна обробка дає змогу одержувати певні фізико-механічні властивості, зменшувати ливарні напруги, здрібнювати початкову структуру металів, зменшувати твердість для полегшення механічної обробки, скорочувати неоднорідність хімічного складу та зменшувати кількість газів, розчинених у металі. Термічна обробка складається із трьох послідовних операцій: нагрів до певної температури, витримка при цій температурі, охолодження із заданою швидкістю до кімнатної температури. Із попереднього матеріалу відомо, що при термічній обробці сталі буде відбуватись зміна її структури (див. п. 3.2). Як зазначалось, температури, при яких у сталі відбуваються структурні зміни, називаються критичними. Розглянемо фрагмент фазової діаграми Fe-FeC3 (рис. 3.2) і нагадаємо критичні точки для сталі:

Рис. 3. 21. Критичні температури на діаграмі стану Fe-FeC3.
    А1 - перетворення перліту в аустеніт (723 оС);
    А2 - магнітне перетворення в сталі (768 оС);
    А3 - кінцеве перетворення фериту в доевтектоїдній сталі (910 оС);
    Асм-перетворення вторинного цементиту в аустеніт у заевтектоїдній сталі (1130 оС).

Точка А2 для термічної обробки сталі не має практичного значення. До термічної обробки залежно від вмісту вуглецю сталь може мати такі структури:

    - ферит+перліт, якщо сталь доевтектоїдна (С < 0,8%);
    - перліт, для евтектоїдних сталей (С = 0,8%);
    - перліт+вторинний цементит, якщо сталь заевтектоїдна (С >0,8%).

При термічній обробці сталі нагрівають на 30-50 оС вище критичних температур й одержують при цьому структуру однорідного дрібнозернистого аустеніту . Залежно від швидкості охолодження аустеніт буде набувати структуру перліту, сорбіту, трооститу або мартенситу.

Перліт - це складова фаза залізо-вуглецевих сплавів, суміш кристалів цементиту й фериту, який утворюється внаслідок розпаду аустеніту при вторинній кристалізації. Сорбіт - за структурою теж суміш кристалів фериту й цементиту, але відрізняється від перліту більш тонкою структурою, яка забезпечує вищу міцність сталі. Троостит- це ще більш тонкодисперсна структура фериту й цементиту, яка утворюється в інтервалі температур 500-400 оС внаслідок загартування, а також при температурах 350-400 оС внаслідок відпуску. Ці два види трооститу дещо різняться між собою: троостит відпуску має зернистий цементит, а троостит загартування - пластинчастий, тому й більшу пластичність. Троостити мають підвищену твердість і міцність, помірну пластичність і в'язкість. Мартенсит- пересичений розчин вуглецю в α-залізі такої ж концентрації, як у вихідному аустеніті. Мартенситній структурі сталі відповідає найвища твердість сталі.

3.5.1.Відпал.

Відпал сталі проводять при температурах 750-900 оС, витримуючи її при цій температурі до утворення однорідного аустеніту й повільно охолоджують. Одержана структура - перліт+ферит (для доевтектоїдної сталі) або перліт+цементит (для заевтектоїдної). Внаслідок такої обробки сталь набуває мінімальної твердості та максимальнї пластичності й в'язкості. З допомогою відпалу можна змінити форму й розміри зерен структури сталі, зменшити шкідливі внутрішні напруги, позбавитись неоднородності хімічного складу. Відпал найчастіше використовують як попередню операцію термообробки для усунення дефектів лиття чи кування та для підготовки матеріалу до обробки різанням чи загартування.

Розрізняють наступні види відпалу: повний, неповний, ізотермічний, дифузійний та рекристалізаційний. Повний відпал полягає у нагріві сталі до температур на 20-30 градусів вище критичної температури, витримці при цій температурі та наступному повільному охолодженні. Неповний відпал - це нагрів сталі на 20-30 градусів вище точки А1, але не більше температури А3, витримкою при цій температурі й подальшим повільним охолодженням (для заевтектоїдних сталей неповний відпал проводиться замість повного). При ізотермічному відпалі нагрів і витримка проводяться так, як і при повному чи неповному відпалі. Після цього вироби швидко охолоджують до температури, що лежить на 50-70 градусів нижче точки А1. Дифузійний відпал застосовують до хімічно неоднорідної сталі. Він полягає у нагріві сталі на 100-200 градусів вище критичної температури А3, протяжній витримці при цій температурі для вирівнювання хімічної неоднорідності зерен за рахунок дифузії та повільному охолодженні. Рекристалізаційний відпал, або низький, використовують для зняття несприятливих факторів, що виникають при куванні, штампуванні, прокатці, тобто при тих обробках, коли збільшується твердість поверхневого шару металу, знижується пластичність і в'язкість, з'являються внутрішні напруги та погіршується оброблюваність.

3.5.2. Нормалізація.

Нормалізація- це різновид відпалу з нагрівом до температур вище А3, витримкою й охолодженням на повітрі. Структура сталі після такої обробки виходить більш дрібнозернистою й має більшу твердість і міцність. Нормалізація застосовується замість відпалу для маловуглецевих сплавів ( вміст вуглецю менше 0,4%), для одержання дрібнозернистої структури у виливках та поковках, для усунення наклепу, для підготовки сталі до загартування, а також для досягнення високої міцності у високовуглецевих сталей. Температуру нормалізації вуглецевих сталей витримують у межах, указаних у додатку 3.

3.5.3. Загартування.

Рис. 3. 22. Закалочные ванны

При загартуванні сталь нагрівають до тих же температур, що й при відпалі, витримують певний час та проводять швидке охолодження зануренням у воду чи мастило. Залежно від швидкості охолодження одержують різні загартувальні структури: мартенсит, троостит чи сорбіт. Загартуванню піддають вали силових установок, шестерні, штампи, різний інструмент (зубила, молотки, свердла, фрези, інше). Найважливіші характеристики сталі - загартовуваність й прогартовуваність. Загартовуваність сталі залежить від вмісту в ній вуглецю й показує здатність сталі до підвищення твердості під час загартування. Так, сталі з < 0,3% вуглецю, мають низкий рівень загартовуваності, тому загартуванню не піддаються. Прогартовуваність- це глибина проникнення загартування, тобто здатність сплаву одержувати мартенситну структуру вглибину виробу. У вуглецевих сталей низька прогартовуваність, тому масивні деталі з високими механічними властивостями виготовляють не з вуглецевих, а з легованих сталей. Існують різні способи загартування: неперервне, переривчате, ступінчате та ізотермічне. Відмінність між ними полягає у специфічних методах охолодження. Неперевне охолодження проводять в одному охолоджувачі; загартування спочатку у воді, а потім у мастилі називають переривчатим; при ступінчатому охолодженні нагріте тіло поміщують спочатку в гаряче середовище, а потім, після певної витримки, охолоджують на повітрі або в мастилі; ізотермічне загартування виконують як ступінчате, але з більш тривалою витримкою вище температури 230 оС. Загартований останнім способом сплав має високу міцність й достатню пластичність.

3.5.4. Відпуск, старіння та обробка холодом.

Відпуск - це кінцева операція термічної обробки загартованих та мартенситних сплавів, яка полягає в нагріві загартованого сплаву до температур нижче лінії РSК, витримці при заданій температурі та наступним охолодженням з певною швидкістю. Відпуск частково чи повністю ліквідовує внутрішні напруги в загартованому сплаві. Розрізняють три види відпуску.

Низькотемпературний відпуск - це термообробка при температурах 180-250 оС, коли дещо понижуються внутрішні напруги, підвищується міцність й в'язкість з незначним зменшенням твердості. Середньотемпературний відпуск проводять при температурах 350-500 оС, у наслідок якого мартенсит перетворюється в троостит, твердість понижується, але пружність значно зростає. Високотемпературний відпуск - це термічна обробка в діапазоні температур 500-680 оС, внаслідок якого мартенсит перетворюється в сорбіт. Міцність сплаву залишається достатньо високою, а в'язкість різко зростає.

Старіння відноситься до різновидів термічної обробки, при якій в загартованому без поліморфного перетворення сплаві відбувається розпад пересиченого твердого розчину. При старінні загартованого сплаву з часом його властивості змінюються без помітної зміни мікроструктури. Внаслідок старіння відбувається зміцнення сплавів, хоча при цьому помітно понижується ударна в'язкість. Старіння може бути природнє, тобто без дії температури та штучне, яке проходить під дією температури.

Для підвищення зносостійкості ріжучих інструментів та цементованих і загартованих деталей застосовують обробку холодом - це короткочасне охолодження після загартування до -30 - 80 оС. При цьому досягається температура кінця мартенситного перетворення залишкового аустеніту. Охолоджувачами слугують рідкі кисень, аміак чи повітря.

3.5.5. Хіміко-термічна обробка залізовуглецевих сплавів

Рис. 3. 23.

Хіміко-термічна обробка залізовуглецевих сплавів - це поєднання теплової й хімічної дії для зміни складу, структури та властивостей поверхневих шарів виробів дифузійним насиченням їх металами або неметалами. При здійсненні хіміко-термічної обробки поверхневий шар металу насичують необхідними хімічними елементами внаслідок контакту металу зі спеціальним середовищем, де необхідний хімічний елемент міститься у великій кількості. При цьому поверхня металу поглинає атоми середовища, які проникають на певну глибину внаслідок дифузії. Глибина дифузійного шару залежить від температури, часу насичення та концентрації дифузного елемента. Можливе дифузійне насичення поверхні неметалами: вуглецем, азотом, бором, кремнієм, сіркою та металами: хромом, алюмінієм, ванадієм, молібденом, титаном, берилієм. Дифузійне насичення металами називають дифузійною металізацією.

Розглянемо основні види хіміко-термічної обробки металів. Цементування сталі - це процес насичення поверхневого шару вуглецем. Цементації піддають маловуглецеві сталі із вмістом вуглецю не більше 0,25%. Процес цементації проводять при температурах 910-1050 оС у твердому або газоподібному карбюризаторі (середовищі, яке містить значну кількість вуглецю). Атомарний вуглець адсорбується поверхнею металу та дифундує вглиб. Цементований шар має змінну концентрацію вуглецю, яка зменшується в глибину металу. Глибина цементованого шару, як звичайно, складає 0,5-2 мм, при цьому поверхневі шари після цементації відповідають заевтектоїдному складу, а більш глибоких вміст вуглецю поступово зменшується.

Цементацію у твердому карбюризаторі проводять у цементаційному ящику, який завантажують деревним вугіллям у вигляді гранул, вуглекислим барієм та кальцинованою содою. Цю суміш разом з виробом, який піддають цементації, нагрівають до 910-950 оС, витримують 6-12 годин залежно від необхідної товщини цементації, охолоджують до 500 оС та відкривають на повітрі. Деревне вугілля на повітрі утворює окисел вуглецю: 2С + О2 > 2СО; вуглекислий барій, взаємодіючи з вуглецем, також виділяє окисел вуглецю, який у контакті із залізом утворює активний атомарний вуглець: ВаСО3 + С > ВаО + 2СО; 2СО > СО2 + С. Атомарний вуглець теж дифундує в аустеніт.

Рис. 3. 24.

Цементацію в газоподібному карбюризаторі проводять в атмосфері природного газу, який в основному складається з метану, котрий при високій температурі розкладається: 2СО > СО2 + С. Під час газової цементації технологічний процес значно скорочується, полегшується можливість контролю та автоматизації процесу.

Після цементації для зменшення зерна й зняття внутрішніх напруг сталь піддають загартуванню з наступним відпуском. Кінцева структура поверхневого шару - мартенсит або мартенсит із вкраплиннями карбідів. Твердість цементованого шару зберігається до температур 210-220 оС.

Рис. 3. 25.

Азотування сталі- це процес дифузійного насичення поверхні сталі азотом у парах аміаку при температурах 500-700 оС. При таких температурах аміак дисоціює: 2NH3 > 2N + 6Н. Внаслідок насичення заліза азотом утворюються три фази - азотистий ферит, азотистий аустеніт та проміжні фази. Процес азотування більш довготривалий, ніж цементація, через меншу рухливість атомів азоту. Глибина азотованого шару складає 0,3-0,7 мм та залежить від температури процесу й часу витримки. Нітриди надають насиченому шару твердість більшу, ніж твердість цементованого шару.

Ціанування - процес одночасового насичення поверхні виробу вуглецем та азотом. Ціанування проводять при температурах 820-960 оС у розплаві ціанистого натрію (NaCN) протягом 0,5-1,5 години. Товщина насиченого шару складає 0,15-0,35 мм. Після ціанування вироби загартовують та проводять низькотемпературний відпуск.

Нітроцементація - це різновид ціанування - газове ціанування, яке проводять у газовому середовищі, що містить аміак та насичений вуглецем газ. При цьому процес нітроцементації вдається понизити до 850-870 оС, що в свою чергу не викликає значних деформацій виробів.

Дифузійна металізація полягає у насиченні поверхні сталі металами та металоїдами, що збільшує зносостійкість, жароміцність, корозійну стійкість, твердість. Метали розчиняються у залізі й утворюють розчини заміщення, а неметали - розчини вкорінення. З цієї причини дифузійне насичення металами проходить при більш високих температурах та більш повільно, ніж насичення неметалами. Типові приклади насичення поверхні залізовуглецевих сплавів металами є алотування (насичення алюмінієм), хромування (хромом), титанування (титаном), берилізація (берилієм), інші та неметалами - силіціювання (насичення кремнієм), борування (бором), інші. Дифузійне насичення проводять у порошкових сумішах, газовому середовищі або розплавленому металі (якщо метал має низьку температуру плавлення). Технологія дифузійного насичення у кожному з випадків досить специфічна, тому перелічимо лише її призначення.

Дифузійне насичення хромом застосовують для деталей, що працюють на зношування в пароводяних та агресивних середовищах (арматура, вентилі, клапани тощо); насичення алюмінієм підвищує окалиностійкість чавунних і сталевих деталей (газогенераторних машин, клапанів газорозподільчих механізмів, інше); насичення кремнієм дає змогу збільшити корозійну стійкість до морської води, азотної, соляної та сірчаної кислот; високою зносостійкістю та стійкістю до іржі володіють чавунні й стальні деталі, насичені бором.

3.5.6. Термомеханічна обробка

Рис. 3. 26.

Термомеханічна обробка - сукупність пластичної деформації сталі, нагрітої до аустенітного стану, з її загартуванням та наступним відпуском. Пластична деформація змінює характер розподілу й збільшує густину недосконалостей кристалічної будови (дислокації, вакансії, інше). Здійснюють пластичне деформування куванням, прокатуванням, пресуванням та іншими методами.

Особливий вид обробки - поверхневий наклеп, який здійснюють гідроабразивною обробкою або під струменем дробу. До цього виду обробки також належить чеканка та обкатка поверхні кульками й роликами. При поверхневому наклепі ущільнений та зміцнений шар складає 0,2-3,0 мм з високими напругами стиснення на поверхні. Зовсім новим та перспективним є спосіб поверхневого зміцнення сталевих виробів при опроміненні їхньої поверхні потоком нейтронів. Твердість та міцність при цьому збільшується у 1,5-2 рази, хоча пластичність і в'язкість значно зменшуються.

до наступного розділу...

початок сторінки ] [ перехід до змісту ]