Термическая обработка

Сущность термической обработки заключается в нагреве и охлаждении металлоизделий по определенному режиму для изменения фазово-структурного состояния и свойств металла. Способы термической обработки обеспечивают возможность эффективного управления свойствами, поэтому около 50% всех металлоизделий различных отраслей производства подвергаются термической обработке.

Внутренние превращения в сплавах и получаемые свойства зависят от скорости и температуры нагрева, выдержки при заданной температуре, скорости охлаждения. Выбор указанных параметров режима термической обработки производится с учетом характера фазовых и структурных превращений, определяемых диаграммой состояния сплава, а также в соответствии с заданными требованиями к его свойствам.

В зависимости от назначения и режима термическая обработка разделяется на несколько основных видов: отжиг, закалка, отпуск, старение. Кроме этого, применяются ее специальный вид – химико-термическая обработка.

Отжиг

Отжиг предназначается для придания структуре состояния, близкого к равновесному, что уменьшает твердость, повышает структурную однородность, снимает внутренние напряжения, улучшает пластичность. В зависимости от связи указанных явлений с фазовыми превращениями различают отжиг 1-го рода, на результаты которого не влияют фазовые превращения, и отжиг 2-го рода, предусматривающий необходимость фазовых превращений сплава в твердом состоянии (рис.29).

Рис. 29. Температуры нагрева для различных видов отжига сталей: 1 – отжиг для снятия остаточных напряжений, 2 – рекристаллизационный отжиг, 3 – диффузионный отжиг, 4 – полный отжиг, 5 – неполный отжиг, 6 – сфероидизирующий отжиг,
7 – нормализационный отжиг

О т ж и г 1-го р о д а служит для ликвидации физической или химической неоднородности структуры, созданной предшествующими видами обработки. Благодаря этому отжиг позволяет устранить остаточные внутренние напряжения, обеспечить протекание процессов рекристаллизации, придать однородность химического состава кристаллическим зернам сплава.

Отжиг для снятия остаточных напряжений применяется к металлоизделиям, полученным с использованием литья, обработки давлением, сварки, обработки резанием. Из-за неравномерности термического и механического воздействия в таких изделиях остаются значительные напряжения, которые при дальнейшей обработке, а также в эксплуатации могут вызвать непредвиденную деформацию и опасность нарушения нормального функционирования изделия.

При отжиге для устранения таких напряжений производится нагрев металлоизделий до температуры порядка 0,3 t _пл металла с выдержкой, обеспечивающей прогрев всего объема изделий, и последующим медленным охлаждением, т.е. вместе с выключенной нагревательной печью (рис.29, зона 1). В этих условиях усиливается и доходит почти до конца диффузия атомов, что позволяет им занять положение в кристаллической решетке, наиболее близкое к равновесному, с минимальным запасом энергии и напряжений.

Рекристаллизационный отжиг необходим для протекания процессов рекристаллизации в структуре изделий, получивших упрочнение (наклеп) за счет обработки с применением холодной деформации. Наклеп затрудняет дальнейшую обработку изделий, в то время как рекристаллизация, снижая прочность и увеличивая пластичность, облегчает обработку. Это происходит в результате нагрева металлоизделий до температур около 0,5 t _пл и медленного охлаждения, вследствие чего избыточная энергия наклепанной структуры реализуется в процессах исправления разрушенных границ зерен, образования новых кристаллических центров, роста размеров зерна (рис.29, зона 2).

Изменяя температуру нагрева в соответствии со степенью имеющейся деформации, можно получать определенный размер зерна, а также преимущественную ориентацию зерен, например, для улучшения упругих свойств пружинных сплавов, магнитных свойств трансформаторных сталей и пермаллоев.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) предназначен для устранения химической неоднородности кристаллических зерен (внутрикристаллитной ликвации), возникающей в слитках легированной стали при их кристаллизации из расплава. Такая ликвация повышает склонность сталей к хрупкому растрескиванию, уменьшает их пластичность и затрудняет последующую обработку давлением. При диффузионном отжиге производится нагрев слитков до температур порядка 0,8 t _л с выдержкой 15…20 ч и охлаждением сначала с печью, затем на воздухе (рис.29, зона 3). В этих условиях происходит интенсивная диффузия атомов, что выравнивает состав кристаллических зерен, но увеличивает их размер, из-за чего требуется механическая или термическая обработка для измельчения зерна.

О т ж и г 2-го р о д а применяется для уменьшения прочности и твердости, улучшения пластичности и вязкости металла изделий, полученных литьем или обработкой давлением из углеродистых и легированных сталей, для облегчения последующей обработки резанием. Это достигается за счет измельчения зерна, снятия внутренних напряжений, уменьшения структурной неоднородности при нагреве и охлаждении стали с фазовыми превращениями и образованием равновесной структуры. В зависимости от температуры нагрева и режима охлаждения различают несколько основных видов отжига: полный, изотермический, неполный, нормализационный.

Полный отжиг представляет нагрев доэвтектоидной стали до температуры на 30…50^оС выше точки Ас₃ на диаграмме состояния сплавов Fe – Fe₃C с выдержкой, необходимой для прогрева и фазовых превращений, при последующем медленном охлаждении (рис.29, зона 4). За счет такого нагрева образуется аустенит с мелкозернистым строением, которое сохраняется при завершающем охлаждении и распаде аустенита на феррито-цементитную структуру, что было рассмотрено в п. 2.1.1. Легированные стали с повышенной устойчивостью аустенита требуют еще более медленного охлаждения, чтобы избежать сильного измельчения структуры и повышения твердости.

Изотермический отжиг заключается в нагреве легированной цементуемой стали до тех же температур, что и при полном отжиге, но с ускоренным охлаждением до температуры на 50…70^оС ниже точка Ас₁, с изотермической выдержкой в течение 3…5 ч для полного распада аустенита и окончательным охлаждением на воздухе. Это позволяет значительно сократить необходимую длительность отжига легированных сталей и получить более однородную феррито-перлитную структуру.

Неполный отжиг состоит в нагреве доэвтектоидных углеродистых и легированных сталей до температуры на 20…40^оС выше точки Ас₁ (рис.29, зона 5). При таком нагреве сокращаются затраты времени и энергии, происходит частичное превращение с образованием феррито-аустенитной структуры. Последующее медленное охлаждение до температуры 600^оС и далее на воздухе обеспечивает распад аустенита с получением феррито-перлитной структуры.

Применение неполного отжига для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей в результате нагрева дает цементито-аустенитную структуру. При медленном охлаждении частицы цементита служат зародышами новых кристаллов цементита, приобретающих сферическую форму в составе цементито-перлитной структуры. Поэтому такой отжиг называется сфероидизацией, за счет которой получаемый зернистый перлит отличается наименьшими показателями твердости, прочности при повышенных значениях пластичности и вязкости (рис.29, зона 6). Это придает сталям наилучшие показатели обрабатываемости резанием.

Нормализационный отжиг (нормализация) представляет нагрев доэвтектоидной стали до температуры, превышающей на 30…50^оС точку Ас₃, заэвтектоидной стали – выше на 30…50^оС точки А_сm, что обеспечивает полное фазовое превращение структуры сталей с образованием аустенита (рис.29, зона 7). Дальнейшее ускоренное остывание на воздухе обусловливает некоторое переохлаждение аустенита и его распад с получением неравновесных феррито-цементитных структур. Присутствие в них избыточных напряжений вызывает измельчение частиц феррита и цементита так, что образуется мелкодисперсная структура сорбит либо тонкодисперсная – троостит. Соответственно этому повышаются твердость и прочность средне- и высокоуглеродистой стали при сохранении достаточного уровня пластичности и вязкости.

Применение нормализации стальных отливок, проката и поковок вместо отжига позволяет получить более мелкозернистую структуру с благоприятным сочетанием прочности, пластичности и обрабатываемости резанием, а также значительно сократить продолжительность термообработки. Использование нормализации среднеуглеродистых сталей взамен закалки может придать изделиям достаточный уровень прочности и исключить опасность появления закалочных трещин.