Технология термической обработки металлов.
А.И.Самохоцкий, Н.Г.Парфеновская.
Машиностроение, 1976 г.
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;