Лекция 8. Основы термической обработки

Термической обработкой называется совокупность операций нагрева,

выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения

заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры.

Термическая обработка используется в качестве промежуточной опера-

ции для улучшения обрабатываемости резанием, давлением и др. и как оконча-

тельная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уро-

вень физико-механических свойств детали.

Основными факторами любого вида термической обработки являются

температура, время, скорость нагрева и охлаждения.

Виды термической обработки стали. Различают три основных вида

термической обработки металлов:

– собственно термическая обработка, которая предусматривает только тем-

пературное воздействие на металл;

– химико-термическая обработка, при которой в результате взаимодействия

с окружающей средой при нагреве меняется состав поверхностного слоя ме-

талла и происходит его насыщение различными химическими элементами;

– термомеханическая обработка, при которой структура металла изменяет-

ся за счет термического и деформационного воздействия.

Основные виды собственно термической обработки стали:

– отжиг первого рода – нагрев, выдержка и охлаждение стального изделия с

целью снятия остаточных напряжений и искажений кристаллической решетки

после предшествующей обработки;

– отжиг второго рода – нагрев выше температуры фазового превращения и

медленное охлаждение, для получения равновесного фазового состава стали;

– закалка – нагрев выше температур фазового превращения с последующим

быстрым охлаждением для получения структурно неравновесного состояния;

– отпуск – нагрев закаленной стали ниже температур фазовых превращений

и охлаждение для снятия остаточных напряжений после закалки. Если отпуск

проводится при комнатной температуре или несколько ее превышающей, он

называется старением.

Отжиг и нормализация. Отжиг – термическая обработка, при которой

сталь нагревается до определенной температуры, выдерживается при ней и за-

тем медленно охлаждается в печи для получения равновесной, менее твердой

структуры, свободной от остаточных напряжений.

К отжигу I рода, не связанному с фазовыми превращениями в твердом со-

стоянии, относятся:

– диффузионный отжиг (или гомогенизация) – нагрев до 1000 – 1100 °С для

устранения химической неоднородности, образовавшейся при кристаллизации

металла. Гомогенизации подвергают слитки или отливки высоколегированных

сталей. Получается крупнозернистая структура, которая измельчается при по-

следующем полном отжиге или нормализации;

– рекристаллизационный отжиг, который применяется для снятия наклепа

после холодной пластической деформации. Температура нагрева чаще всего

находится в пределах 650–700°С;

– отжиг для снятия внутренних напряжений. Применяют с целью уменьшения

напряжений, образовавшихся в металле при литье, сварке, обработке резанием

и т. д. Температура отжига находится в пределах 200–700°С, чаще 350–600°С.

Отжиг II рода (или фазовая перекристаллизация) может быть полным и

неполным;

– полный отжиг – нагрев стали на 30 – 50° выше верхней критической точки

(линия С.S) с последующим медленным охлаждением. При этом отжиге проис-

ходит полная перекристаллизация: при нагреве феррито-перлитная структу-

ра переходит в аустенитную, а при охлаждении аустенит превращается обрат-

но в феррит и перлит. Полному отжигу подвергают отливки, поковки, прокат

для измельчения зерна, снятия внутренних напряжений. При этом повышаются

пластичность и вязкость.

– неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более

низкой температуры (на 30 – 50° выше температуры перлитного превращения).

При этом произойдет перекристаллизация только перлитной составляющей.

Это более экономичная операция, чем полный отжиг, так как нагрев произво-

дится до более низких температур. При неполном отжиге улучшается обраба-

тываемость резанием в результате снижения твердости и повышения пластич-

ности стали.

– изотермический отжиг заключается в нагреве и выдержке при температуре

на 30 – 50° выше верхней критической точки, охлаждении до 600 – 700°С, вы-

держке при этой температуре до полного превращения аустенита в перлит и

последующем охлаждении на воздухе. При таком отжиге уменьшается время

охлаждения, улучшается обрабатываемость резанием. Применяется для легиро-

ванных сталей.

Нормализация – разновидность отжига; при нормализации охлаждение про-

водится на спокойном воздухе. Скорость охлаждения несколько больше, чем

при обычном отжиге, что определяет некоторое отличие свойств отожженной и

нормализованной стали.

Закалка – это термическая обработка, которая заключается в нагреве ста-

ли до температур, превышающих температуру фазовых превращений, выдерж-

ке при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью, превы-

шающей критическую минимальную скорость охлаждения. Основной целью

закалки является получение высокой твердости, упрочнение. В основе закалки

лежит аустенитно-мартенситное превращение.

Температура нагрева под закалку легированных сталей обычно выше, чем

для углеродистых. Диффузионные процессы в легированных сталях протекают

медленнее, поэтому для них требуется более длительная выдержка. Нагрев ле-

гированных сталей до более высокой температуры и более длительная выдерж-

ка не сопровождается ростом зерна, так как легирующие элементы снижают

склонность к росту зерна при нагреве. После закалки структура состоит из ле-

гированного мартенсита.

Для достижения максимальной твердости при закалке стремятся получать

мартенситную структуру. Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется

критической скоростью закалки. Скорость охлаждения определяется видом

охлаждающей среды.

Обычно для закалки используют кипящие жидкости: воду; водные рас-

творы солей и щелочей; масла.

Выбор конкретной закалочной среды определяется видом изделия. На-

пример, воду с температурой 18 – 25°С используют в основном при закалке де-

талей простой формы и небольших размеров, выполненных из углеродистой

стали. Детали более сложной формы из углеродистых и легированных сталей

закаляют в маслах. Для закалки легированных сталей часто используют водные

растворы NаСl и NaОН с наиболее высокой охлаждающей способностью. Для

некоторых легированных сталей достаточная скорость охлаждения обеспечива-

ется применением спокойного или сжатого воздуха.

Из-за пониженной теплопроводности легированных сталей их нагревают

и охлаждают медленнее.

Важными характеристиками стали, необходимыми для назначения техно-

логических режимов закалки, являются закаливаемость и прокаливаемость.

Закаливаемость характеризует способность стали к повышению твердости при

закалке и зависит главным образом от содержания углерода в стали. Закали-

ваемость оценивают по твердости поверхностного слоя стального образца по-

сле закалки.

Прокаливаемость характеризует способность стали закаливаться на тре-

буемую глубину. Прокаливаемость оценивается по расстоянию от поверхности

изделия до слоя, в котором содержится не менее 50 % мартенсита. Зависит про-

каливаемость от критической скорости охлаждения: чем меньше критическая

скорость закалки, тем выше прокаливаемость. На прокаливаемость оказывают

влияние химический состав стали, характер закалочной среды, размер и форма

изделия и многие другие факторы. Легирование стали способствует увеличе-

нию ее прокаливаемости. Прокаливаемость деталей из среднеуглеродистой

стали при закалке в масле ниже, чем при закалке в воде. Прокаливаемость рез-

ко уменьшается с увеличением размеров заготовки.

При сквозной прокаливаемости по сечению изделия механические свой-

ства одинаковы, при несквозной прокаливаемости в сердцевине наблюдается

снижение прочности, пластичности и вязкости металла. Прокаливаемость явля-

ется важной характеристикой стали и при выборе марки стали рассматривается

наряду с ее механическими свойствами, технологичностью и себестоимостью.

Способы закалки стали:

- закалка в одном охладителе, при которой нагретая деталь погружается в

охлаждающую жидкость и остается там до полного охлаждения. Наиболее про-

стой способ. Недостаток – возникновение значительных внутренних напряже-

ний. Закалочная среда – вода для углеродистых сталей сечением более 5 мм,

масло – для деталей меньших размеров и легированных сталей;

– закалка в двух средах, при которой деталь до 300 – 400°С охлаждают в воде, а

затем переносят в масло. Применяют для уменьшения внутренних напряжений

при термообработке изделий из инструментальных высокоуглеродистых ста-

лей. Недостаток – трудность регулирования выдержки деталей в первой среде;

– ступенчатая закалка, при которой деталь быстро охлаждается погружени-

ем в соляную ванну с температурой, немного превышающей температуру

мартенситного превращения, выдерживается до достижения одинаковой темпе-

ратуры по всему сечению, а затем охлаждается на воздухе. Медленное охлаж-

дение на воздухе снижает внутренние напряжения и возможность коробления.

Недостаток – ограничение размера деталей;

– изотермическая закалка, при которой деталь выдерживается в соляной

ванне до окончания изотермического превращения аустенита. Применяют для

конструкционных легированных сталей. При такой закалке обеспечивается

достаточно высокая твердость при сохранении повышенной пластичности и

вязкости;

– закалка с самоотпуском, при которой в закалочной среде охлаждают

только часть изделия, а теплота, сохранившаяся в остальной части детали после

извлечения из среды, вызывает отпуск охлажденной части. Применяют для

термообработки ударного инструмента типа зубил, молотков, которые должны

сочетать высокую твердость и вязкость;

– обработка холодом состоит в продолжении охлаждения закаленной стали

ниже 0 °С до температур конца мартенситного превращения (обычно не ниже –

75 °С). В результате обработки холодом повышается твердость и стабилизуют-

ся размеры деталей. Наиболее распространенной является охлаждающая среда

смеси ацетона с углекислотой.

Отпуск – это заключительная операция термической обработки стали,

которая заключается в нагреве ниже температуры перлитного превращения

(727 °С), выдержке и последующем охлаждении. При отпуске формируется

окончательная структура стали. Цель отпуска – получение заданного комплекса

механических свойств стали, а также полное или частичное устранение зака-

лочных напряжений.

Различают следующие виды отпуска:

– низкий отпуск проводят при 150–200 °С для снижения внутренних напряже-

ний и некоторого уменьшения хрупкости мартенсита. Закаленная сталь после

низкого отпуска имеет структуру отпущенного мартенсита, твердость ее почти

не снижается, а прочность и вязкость повышаются. Низкий отпуск применяют

для углеродистых и низколегированных сталей, из которых изготавливается

режущий и измерительный инструмент, а также для машиностроительных де-

талей, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

– средний отпуск проводят при 350 – 450°С для некоторого снижения твердо-

сти при значительном увеличении предела упругости. Структура стали пред-

ставляет троостит отпуска, обеспечивающий высокие пределы прочности, уп-

ругости и выносливости, а также улучшение сопротивляемости действию удар-

ных нагрузок. Этот отпуск применяют для пружин, рессор и для инструмента,

который должен иметь значительную прочность и упругость при достаточной

вязкости. 57

– высокий отпуск проводят при 440 – 650 °С для достижения оптимального

сочетания прочностных, пластических и вязких свойств. Структура стали пред-

ставляет собой однородный сорбит отпуска с зернистым строением цементита.

Высокий отпуск применяется для конструкционных сталей, детали из которых

подвергаются действию высоких напряжений и ударным нагрузкам. Термиче-

ская обработка, состоящая из закалки с высоким отпуском (улучшение), явля-

ется основным видом термической обработки конструкционных сталей.

Отпуск легированных сталей проводят при более высоких температурах,

чтобы ускорить диффузию легирующих элементов. Все легирующие элементы,

особенно хром, молибден, кремний, затрудняют процесс распада мартенсита

при нагреве. Структура отпущенного мартенсита может сохраняться при

400 – 600°С.

При одинаковой температуре отпуска прочность и пластичность легиро-

ванных сталей выше, чем углеродистых.

Искусственное старение – это отпуск при невысоком нагреве. При ис-

кусственном старении детали нагревают до температуры 120 – 150°С и выдер-

живают при ней в течение 10 – 35 часов. Длительная выдержка позволяет, не

снижая твердости закаленной стали, стабилизировать размеры деталей. Искус-

ственное старение значительно ускоряет процессы, которые происходят при ес-

тественном старении. Естественное старение заключается в выдержке деталей

и инструмента при комнатной температуре и длится три и более месяцев.

Поверхностная закалка – это термическая обработка, при которой зака-

ливается только поверхностный слой изделия на заданную глубину, тогда как

сердцевина изделия остается незакаленной. В результате поверхностный слой

обладает высокой прочностью, а сердцевина изделия остается пластичной и

вязкой, что обеспечивает высокую износостойкость и одновременно стойкость

к динамическим нагрузкам.

В промышленности применяют следующие методы поверхностной закал-

ки:

– закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты при массовой

обработке стальных изделий;

– газопламенную поверхностную закалку пламенем газовых или кислород-

ацетиленовых горелок (температура пламени 2400 – 3000°С) для единичных

крупных изделий;

– закалку в электролите для небольших деталей в массовом производстве;

– лазерную закалку, позволяющую существенно увеличить износостойкость,

предел выносливости при изгибе и предел контактной выносливости.

Закалка с индукционным нагревом (нагрев ТВЧ) – наиболее распростра-

ненный способ поверхностной закалки.

Преимущества поверхностной закалки ТВЧ: регулируемая глубина зака-

ленного слоя; высокая производительность; возможность автоматизации; от-

сутствие безуглероживания и окалинообразования; минимальное коробление

детали. Недостатком является высокая стоимость индуктора, индивидуального

для каждой детали.

Поверхностную закалку применяют для углеродистых сталей, почти не

содержащих (около 0,4 %) углерода, для легированных сталей ее почти не при-

меняют. Высокочастотной закалке подвергают шейки коленчатых валов, гиль-

зы цилиндров, поршневые пальцы, пальцы рессоры и т. д. Толщина упрочняе-

мого слоя составляет 1,5 – 3 мм, если требуется только высокая износостой-

кость, и возрастает до 5 – 10 мм в случае высоких контактных нагрузок и воз-

можной перешлифовки.

Повысить комплекс механических свойств стали по сравнению с обычной

термической обработкой позволяют методы, сочетающие термическую обра-

ботку с пластическим деформированием.

Термомеханическая обработка (ТМО) заключается в сочетании пласти-

ческой деформации стали в аустенитном состоянии с закалкой. После закалки

проводят низкотемпературный отпуск.

В зависимости от температуры, при которой сталь подвергают пластической

деформации, различают два основных способа термомеханической обработки:

– высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО), при которой

деформируют сталь, нагретую до однофазного аустенитного состояния (выше

линии С5 на диаграмме железо – цементит). Степень деформации составляет

20 – 30 %. После деформации следует немедленная закалка ;

– низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО), при которой

сталь деформируют в области устойчивости переохлажденного аустенита (400

–600°С); температура деформации ниже температуры рекристаллизации, но

выше температуры начала мартенситного превращения. Степень деформации

составляет 75–95 %. Сразу после деформации проводят закалку.

В обоих случаях после закалки следует низкотемпературный отпуск

(100 – 300°С).

Термомеханическая обработка позволяет получить очень высокую проч-

ность при хорошей пластичности и вязкости. Наибольшее упрочнение достига-

ется при НТМО, но проведение ее более сложно по сравнению с ВТМО, так как

требуются более высокие усилия деформации. ВТМО более технологична, она

обеспечивает большой запас пластичности и лучшую конструктивную проч-

ность.

Механотермическая обработка, так же как и термомеханическая, сочетает

закалку и деформирование, но имеет обратный порядок этих процессов: снача-

ла сталь подвергают термической обработке, а затем деформируют. Одним из

видов механотермической обработки является патентирование.

Патентирование заключается в термической обработке на троостит с по-

следующей деформацией на 90 – 95 %. Такая обработка позволяет достичь пре-

дела прочности тонкой проволоки из высокоуглеродистой стали до

5000 МПа.

В практике механотермической обработки также используется деформи-

рование образца на 3 – 5 % после мартенситного превращения, что позволяет

повысить предел прочности на 10 – 20 %.

Химико-термической обработкой называется тепловая обработка метал-

лических изделий в химически активных средах для изменения химического

состава, структуры и свойств поверхностных слоев. Химико-термическая обра-

ботка основана на диффузии атомов различных химических элементов в кри-

сталлическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы.

Любой вид химико-термической обработки состоит из следующих про-

цессов:

–диссоциация – распад молекул и образование активных атомов насыщен-

ного элемента, протекает во внешней среде;

– адсорбция – поглощение (растворение) поверхностью металла свободных

атомов, происходит на границе газ—металл;

–диффузия – перемещение атомов насыщающего элемента с поверхности

вглубь металла.

Насыщающий элемент должен взаимодействовать с основным металлом,

образуя твердые растворы или химические соединения, иначе процессы ад-

сорбции и диффузии невозможны. Глубина проникновения диффундирующих

атомов (толщина диффузионного слоя) зависит от состава стали, температуры и

продолжительности насыщения.

Цементация – это процесс диффузионного насыщения поверхностного

слоя стали углеродом. Целью цементации является получение твердой и изно-

состойкой поверхности в сочетании с вязкой сердцевиной. Для этого поверхно-

стный слой обогащают углеродом до концентрации 0,8 – 1,0 % и проводят за-

калку с низким отпуском.

Цементацию проводят при температурах 920 – 950°С, когда устойчив ау-

стенит, растворяющий углерод в больших количествах. Для цементации ис-

пользуют низкоуглеродистые стали (0,1 – 0,3 % С), поэтому сердцевина сталь-

ного изделия сохраняет вязкость. Толщина (глубина) цементированного слоя

составляет 0,5–2,5 мм.

Структура слоя после цементации обычно получается крупнозернистой,

так как выдержку проводят при высокой температуре. Для исправления струк-

туры, измельчения зерна и повышения комплекса механических свойств по-

верхностного слоя проводят термообработку: закалку (820 – 850°С) и низкий

отпуск (150 – 170°С).

После термической обработки структура поверхностного слоя представ-

ляет собой мартенсит или мартенсит с небольшим количеством карбидов

(твердость НRС 60 – 64). Структура сердцевины деталей из углеродистых ста-

лей – феррит и перлит; из легированных сталей – низкоуглеродистый мартен-

сит, троостит или сорбит (твердость НRС 20–40) в зависимости от марки стали

и размеров изделия.

Науглероживающей средой при цементации служат:

–твердые карбюризаторы (науглероживающие вещества), в качестве ко-

торых применяют смесь древесного угля с углекислым барием, кальцием и на-

трием;

–жидкие соляные ванны, в состав которых входят поваренная соль, углекис-

лый натрий, цианистый натрий и хлористый барий;

–газы, содержащие углерод (природный, светильный и др.). Газовая цемен-

тация является основным процессом для массового производства.

Цементируют детали, работающие в условиях трения, при больших дав-

лениях и циклических нагрузках, например, шестерни, поршневые пальцы,

распределительные валы и др.

Азотирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного

слоя стали азотом для придания этому слою высокой твердости, износостойко-

сти и устойчивости против коррозии. Процесс азотирования состоит в выдерж-

ке в течение довольно длительного времени (до 60 часов) деталей в атмосфере

аммиака при температуре 500 – 600°С.

Активные атомы азота проникают в решетку железа и диффундируют в

ней. При этом образуются нитриды железа, но они не обеспечивают достаточ-

ной твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды ле-

гирующих элементов, таких как хром, молибден, алюминий, титан.

Поэтому азотированию подвергают легированные стали, содержащие

указанные элементы, например, 35ХМОА, 18ХГТ, 40Х и др. Углеродистые

стали подвергают только антикоррозионному азотированию.

Азотированию подвергают готовые изделия, уже прошедшие механиче-

скую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском).

Они имеют высокую прочность и вязкость, которые сохраняются в сердцевине

детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необ-

ходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливал-

ся при работе детали. Глубина азотированного слоя составляет

0,3 – 0,6 мм. Высокая твердость поверхностного слоя достигается сразу после

азотирования и не требует последующей термической обработки.

Преимущества азотирования по сравнению с цементацией:

–более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя;

–сохранение высоких свойств поверхностного слоя при нагреве до 400–600°С;

–высокие коррозионные свойства;

–после азотирования не требуется закалка. Недостатки азотирования по срав-

нению с цементацией:

–более высокая длительность процесса;

–применение дорогостоящих легированных сталей.

Поэтому азотирование применяют для более ответственных деталей, от

которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя. Азотирова-

нию подвергают детали автомобилей: шестерни, коленчатые валы, гильзы, ци-

линдры и др.

Цианирование (нитроцементация) – это процесс совместного насыщения

поверхности стальных изделий азотом и углеродом. Основной целью цианиро-

вания является повышение твердости и износостойкости деталей.

Цианирование широко применяют в тракторном и автомобильном производстве.

Диффузионная металлизация – это процесс диффузионного на-

сыщения поверхностных слоев стали различными металлами (алюминием,

хромом, кремнием, бором). После диффузионной металлизации детали приоб-

ретают ряд ценных свойств, например, жаростойкость, окалиностойкость и др.

Алитирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного

слоя алюминием. Проводится в порошкообразных смесях или расплавленном

алюминии. Толщина алитированного слоя составляет 0,2 – 1,0 мм; концентра-

ция алюминия в нем до 30%. Алитирование применяют для повышения корро-

зионной стойкости и жаростойкости деталей из углеродистых сталей, рабо-

тающих при высокой температуре.

Хромирование – это процесс диффузионного насыщения поверхности

хромом. Толщина слоя составляет 0,2 мм. Хромирование используют для изде-

лий из сталей любых марок. При хромировании обеспечивается высокая стой-

кость против газовой коррозии до 800°С, окалиностойкость и износостойкость

деталей в агрессивных средах (морская вода, кислоты).

Силицирование – это процесс диффузионного насыщения поверхности

кремнием. Толщина слоя составляет 0,3—1,0 мм. Силицирование обеспечивает

наряду с повышенной износостойкостью высокую коррозионную стойкость

стальных изделий в кислотах и морской воде. Применяется для деталей, ис-

пользуемых в химической и нефтяной промышленности.

Борирование – это процесс диффузионного насыщения поверхности бо-

ром. Толщина борированного слоя достигает 0,4 мм. Борирование придает по-

верхностному слою исключительно высокую твердость, износостойкость и ус-

тойчивость против коррозии в различных средах.