Технология термической обработки металлов.

Раздел ГРНТИ: Металловедение
А.И.Самохоцкий, Н.Г.Парфеновская.
Машиностроение, 1976 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Технология термической обработки металлов

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
§ 1. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТЕРМИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ
Термической обработкой называют процессы, заключающиеся в тепловом воздействии на сплав по определенным режимам для изменения его структуры и свойств. От термической обработки за­висят качество и стойкость деталей и инструмента.
На результат термической t обработки влияют следующие факторы: время (скорость) на­грева, температура нагрева, время (продолжительность) вы­держки, время (скорость) ох­лаждения. Таким образом, ос­новными   факторами   термической обработки являются тем­пература и время. Поэтому процесс термической обработки обычно изображают в виде графика в координатах «температура t — время т» (рис. 4). Если термическая обработка состоит только из одной операции, то она называется простой (см. рис. 4, с), а если из нескольких опера ций — сложной (см. рис. 4, б).
К операциям термической и химико-термической обработки относят: отжиг (полный, неполный, изотермический, на зернистый перлит, диффузионный и рекристаллизационный); нормализацию; закалку (непрерывную в одной среде, прерывистую, ступенчатую, изотермическую, различные виды поверхностной закалки); отпуск; старение; обработку холодом; термомеханическую обработку; цементацию; азотирование; цианирование; нитроцементацию и др.
§ 2. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ
Основные виды термической обработки — отжиг (с фазовой перекристаллизацией) и закалка с отпуском — применимы только для тех сплавов, которые образуют диаграмму состояния с огра ничейной растворимостью компонентов в твердом состоянии, уменьшающейся с понижением температуры (рис. 5, а) или с алло­тропическими превращениями (рис. 5, б). В первом случае (см. рис. 5, а) при нагреве сплавов с концентрацией компонента В от точки S до точки Е можно получить однородный твердый раствор а и быстрым охлаждением зафиксировать его при температуре 20° С (закалка) с получением пересыщенного твердого раствора. При этом наиболее часто прочность несколько повышается, а пластич­ность не изменяется. При последующем нагреве (отпуске) будет происходить выделение из пересыщенного раствора а избыточной фазы В. При этом резко повышаются прочность и твердость и не­сколько снижается пластичность. Во втором случае (см. рис. 5, б) из исходного состояния а -|- В-фаз при нагреве можно получить у-фазу. При последующем медленном охлаждении вновь образу­ются а - В-фазы (отжиг с фазовой перекристаллизацией), а при быстром охлаждении (закалке) будет фиксироваться фаза, называе­мая мартенситом, обладающая высокой твердостью и прочностью.
§3. ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ
Превращение перлита в аустенит. Согласно нижней левой части диаграммы состояния железо—цементит (рис. 6) при нагреве стали перлит превращается в аустенит при температуре критиче­ской точки Ах (линия PSK, температура 727° С). В действитель­ности превращение перлита в аустенит (а также и обратное пре­вращение аустенита в перлит) не может происходить при 727° С, так как при этой температуре свободная энергия перлита равна свободной энергии аустенита (рис. 7). Поэтому для превращения перлита в аустенит температура нагрева должна быть обязательно немного выше равновесной температуры 727° С, т. е. должен быть так называемый перенагрев, так же как для превращения аусте­нита в перлит должно быть обязательно некоторое переохлаждение.
Процесс превращения перлита в аустенит в эвтектоидной стали (содержащей 0,8% С) при нагреве происходит следующим обра­зом (рис. 8). Сталь в исходном состоянии представляет смесь фан феррита fa-железо) и цементита (рис. 8, а). При нагреве несколько выше критической точки Л , (727° С) на границе ферритной и цементитной фаз начинается превращение а —< у, приводящее к образованию низкоуглеродистого аустенита, в котором растворяется це­ментит (рис. 8, б—г). Образующийся аустенит химически неодно­роден. Концентрация углерода на границе с цементитом значи­тельно выше, чем на границе с ферритом. Превращение а —» у про­текает быстрее, чем растворение цементита, и поэтому, когда все а-железо (феррит) превратится в у-железо (аустенит), цементит еще остается (рис. 8, д). После растворения всего цементита превращение заканчивается (рис. 8, е), но образовавшийся аустенит имев! неравномерную концентрацию углерода по объему, уменьшаю­щуюся от центра к периферии зерна. Только после дальнейшего повышения температуры или дополнительной выдержки аустенит в результате диффузии углерода становится однородным по всему объему.
При наличии избыточного феррита (доэвтектоидные стали) неоднородность аустенита становится еще большей. Это объяс­няется тем, что избыточ­ный феррит позднее (при более высокой темпера- i туре) переходит в у-железо и насыщается углеродом (путем диффузии) из рас­положенных рядом участ­ков ранее образовавшегося аустенита.
На скорость   превращения перлита в аустенит
влияют многие факторы:    
температура      превращения, скорость нагрева, дисперс­ность исходной структуры, хи­мический состав стали.
Влияние температуры и скорости нагрева на превраще­ние перлита в аустенит показано на рис. 9. С повышением темпе­ратуры скорость перлито-аустенитного превращения увели­чивается. Это объясняется тем, что превращение перлита в аус­тенит носит диффузионный ха­рактер, а с повышением темпе­ратуры диффузионные процессы ускоряются.
При непрерывном нагреве (лучи о,—vs, показывающие нагрев с какой-то определенной скоростью) превращение про­исходит в интервале температур
между точками а и б. При нагреве со скоростью, соот­ветствующей лучу 1ц, превращение перлита в аустенит (П —» А) начинается в точке а' и заканчивается в точке б'. В точке в' заканчивается растворение цементита и в точке г' — гомо­генизация аустенита. Если скорость нагрева больше (луч иг), то превращение П —• А начинается и заканчивается при более высо­ких температурах (точки а" и б"). При еще более высоких темпе­ратурах (точки а" и б'") начинается и заканчивается превращение П —» А при нагреве со скоростью, соответствующей лучу v3. Таким образом, чем быстрее нагрев, тем при более высоких. температурах начинается и заканчивается превращение перлита в аустенит. Время, необходимое для перлито-аустенитного превращения, уменьшается с повышением скорости нагрева '.
Аустенит образуется на границе ферритной и цементитной фаз, поэтому чем больше протяженность границ между ферритом и це­ментитом, и мельче (дисперснее) структура перлита, тем быстрее совершается превращение. Самое быстрое превращение присуще мелкопластинчатому перлиту; медленнее осуществляется превра­щение при наличии мелкозернистого перлита и наиболее мед­ленно — при крупнозернистом перлите.
Рост зерна аустенита при нагреве. Зерна аустенита, обра­зующиеся при нагреве стали выше критической точки Alt полу­чаются мелкими (начальное зерно аустенита).    
§ 1. АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
Отжиг. Алюминиевые сплавы подвергают трем видам терми­ческой обработки: отжигу, закалке и старению. Основными ви­дами отжига являются: диффузионный (гомогенизация), рскристаллизацнонный и термически упрочненных сплавов.
Гомогенизацию применяют для выравнивания химической ми­кронеоднородности зерен твердого раствора путем диффузии, т. е. уменьшения дендритной ликвации в слитках. Так как ско­рость диффузии увеличивается с повышением температуры, а количество продиффундировавшего вещества тем больше, чем длительнее выдержка, то для энергичного протекания диффузии необходимы высокая температура (близкая к температуре линии солидуса) и продолжительная выдержка.
Для выполнения гомогенизации алюминиевые сплавы (слитки) нагревают до 450—520° С и выдерживают при этих температурах от 4 до 40 ч; после выдержки — охлаждение вместе с печью или на воздухе. В результате гомогенизации структура становится более однородной (гомогенной), повышается пластичность, что значительно улучшает последующую деформацию слитка горячей обработкой давлением. Поэтому гомогенизацию широко приме­няют для деформируемых алюминиевых сплавов.
Для алюминия и алюминиевых сплавов (а также для других цветных металлов и сплавов) рекристаллизационный отжиг применяют гораздо шире, чем для стали. Это объясняется тем, что такие металлы, как алюминий и медь (используемые в промышлен­ности в чистом виде), а также многие сплавы на их основе, не упрочняются закалкой и повышение их механических свойств может быть достигнуто только холодной обработкой давлением, а промежуточной операцией при такой обработке (для восста­новления пластичности) является рекристаллизационный отжиг. Кроме того, сплавы, упрочняемые закалкой, часто подвергают холодной обработке давлением с последующим рекристаллизационным отжигом для придания требуемых свойств. Температура рекристаллизационпого отжига алюминиевых сплавов 300—500° С, выдержка 0,5—2 ч.
Отжиг термически упрочненных сплавов применяют для пол­ного снятия упрочнения, полученного в результате закалки и старения; он проводится при температурах 350—450° С с выдерж­кой 1—2 ч и последующим достаточно медленным охлаждением (со скоростью не более 30° С/ч), чтобы обеспечить протекание диф­фузионных процессов распада твердого раствора и коагуляцию продуктов распада.
§ 3. МЕДЬ И МЕДНЫЕ СПЛАВЫ
Термическая обработка меди. Деформирование меди сопро­вождается повышением ее прочности [ов = 40-^45 кгс/мм2 (400—450 МН/м2) ] и понижением пластичности (б — 2-—4%). Для повышения пластичности медь подвергают рекристаллнзационпому отжигу при 500—600° С, в результате которого пластич­ность резко повышается (б = 45—50%), а прочность снижается [ов = 25 кгс/мм2 (250 МН/м2) ]. При более высоких температурах рекристаллизадионного отжига происходит не только рост зерен, но и образование текстуры рекристаллизации и, как следствие, анизотропность свойств, что ухудшает вытяжку медных листов.
Термическая обработка латуней. В однофазных а-латунях (содержание меди не менее 61%, марки Л70, ЛН65-5 и др.) нет фазовых превращений, и поэтому они подвергаются только рекристаллизационному отжигу при 600—700° С (для снятия наклепа). Охлаждают а-латуни при отжиге па воздухе или для ускорения охлаждения и лучшего отделения окалины в воде.
Для (а + |5)-латуней (55—61% меди, марки ЛС59-1, ЛЖМц 59-1-1 и др.), при нагреве которых происходит фазовая перекри­сталлизация, скорость охлаждения при отжиге влияет на струк­туру и свойства латуни. При медленном охлаждении латунь будет более пластичной, так как в структуре будет больше пластич­ной а-фазы и меньше малопластичной (J-фазы, а при быстром охлаждении, наоборот, будет больше р-фазы и меньше а-фазы.
Латунные листы, предназначенные для глубокой вытяжки с целью получения более мелкого зерна, отжигают при более низ­ких температурах (450—550° С).
Для латунных деталей, имеющих после деформации остаточные напряжения, в условиях влажной атмосферы характерно явление самопроизвольного растрескивания. Чтобы избежать этого явле­ния, латунные детали подвергают низкотемпературному отжигу (при температуре ниже температуры рекристаллизации, т. е. при 200—300° С), в результате чего остаточные напряжения сни­маются, а наклеп сохраняется. Особенно необходимо подвергать низкотемпературному отжигу алюминиевые латуни, весьма склон­ные к самопроизвольному растрескиванию.
Термическая обработка бронз. По микроструктуре оловянные бронзы разделяют на однофазные а-бронзы (содержание олова до 6%) и двухфазные а ] эвтектоид [а -| б (Cu;jlSn8)] (содержа­ние олова более 6%). Чем больше в сплаве олова, тем больше эвтектоида, а так как эвтектоид хрупкий, то в оловянных бронзах максимальное содержание олова 11%. Для выравнивания хими­ческого состава в однофазных бронзах и для превращения двух­фазной структуры с включениями твердой б-фазы в однофазную а-фазу (в связи с чем повышается пластичность) бронзы подвер­гают гомогенизации при 700—750° С с последующим быстрым охлаждением.
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУФАБРИКАТОВ И СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
§ 1. СЛИТКИ
Слиток стали неоднороден как по химическому составу, так и по механический свойствам. Различают зональную (в преде­лах различных зон слитка) и дендритную (внутрикристаллитную) ликвацию. В слитке обычно бывают неметаллические включения, пустоты, пузыри, раковины и другие дефекты. Некоторые де­фекты слитков удается устранить термической обработкой. Для выравнивания дендритной (внутрикристаллитной) ликвации, воз­никающей в процессе кристаллизации, а также понижения твер­дости перед обдиркой, проводимой для удаления поверхностных дефектов, слитки легированных сталей подвергают термической обработке.
Для выравнивания (путем диффузии) химической неоднород­ности (уменьшения внутрикристаллитной ликвации) слитки под­вергают диффузионному отжигу (гомогенизации). Скорость диф­фузии возрастает с повышением температуры, а количество продиффундировавших атомов тем больше, чем больше выдержка. Поэтому для проведения гомогенизации необходима высокая температура. Полностью устранить дендритную ликвацию в легированных сталях не удается, так как для этого необходима выдержка длительностью в сотни часов при температурах выше 1200° С.
Практически слитки нагревают до 1100—1200° С, выдержи­вают при этой температуре 8—15 ч и затем медленно охлаждают до 250—200° С. Весь процесс диффузионного отжига продол­жается около 80—100 ч.
Для экономии топлива и сокращения времени диффузионного отжига (уменьшается окисление поверхности слитка и рост зерен аустенита) гомогенизацию целесообразно проводить сразу после затвердения слитка. Для этого слитки после затвердения с тем­пературой не ниже 700—750° С помещают в печь, нагретую до температуры 1100—1200е С;