Среди основных видов термической обработки следует отметить:
· Отжиг
o Отжиг 1 рода (гомогенизация, рекристаллизация, снятие напряжений). Целью является получение равновесной структуры. Такой отжиг не связан с превращениями в твердом состоянии (если они и происходят, то это — побочное явление).
o Отжиг 2 рода связан с превращениями в твердом состоянии. К отжигу 2 рода относятся: полный отжиг, неполный отжиг, нормализация, изотермический отжиг, патентирование, сфероидизирующий отжиг.
· Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки, зависит от химического состава сплава. Закалка может сопровождаться полиморфным превращением, при этом из исходной высокотемпературной фазы образуется новая неравновесная фаза (например, превращение аустенита в мартенсит при закалке стали). Существует также закалка без полиморфного превращения, в процессе которой фиксируется высокотемпературная метастабильная фаза (например, при закалке бериллиевой бронзы происходит фиксация альфа фазы, пересыщенной бериллием).
· Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, а также для придания материалу требуемого комплекса механических и эксплуатационных свойств. В большинстве случаев материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.
· Нормализация. Изделие нагревают до аустенитного состояния (на 30…50 градусов выше АС3) и охлаждают на спокойном воздухе
· Дисперсионное твердение (старение). После проведения закалки (без полиморфного превращения) проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.
· Криогенная обработка — это упрочняющая термическая обработка металлопродукции при криогенных, сверхнизких температурах (ниже минус 153°С).
Ранее для обозначения этого процесса использовалась иная терминология — «обработка холодом», «термическая обработка стали при температурах ниже нуля», но они не совсем точно отражали суть процесса криогенной обработки.Суть криогенной обработки заключается в следующем: детали и механизмы помещаются в криогенный процессор, где они медленно охлаждаются и после выдерживаются при температуре минус 196˚С в течение определенного времени. Затем обрабатываемые изделия постепенно возвращаются к комнатной температуре. Во время этого процесса в металле происходят структурные изменения. Они существенно повышают износостойкость, циклическую прочность, коррозионную и эрозионную стойкость.Эта технология позволяет повысить ресурс инструментов, деталей и механизмов до 300 % за счет улучшения механических характеристик материала в результате обработки сверхнизкими температурами.Наибольшего эффекта удается достичь при обработке таких металлических изделий, как специальный режущий, штамповый, прессовый, прокатный, мелющий инструмент, подшипники, ответственные пружины.Основные свойства металла, приобретенные в ходе глубокого охлаждения, сохраняются в течение всего срока их службы, поэтому повторной обработки не требуется.
Криогенная технология не заменяет существующие методы термического упрочнения, а позволяет придать материалу, обработанному холодом, новые свойства, которые обеспечивают максимальное использование ресурса материала, заданного металлургами.Использование инструмента, обработанного сверхнизкими температурами, позволяет предприятиям значительно сократить расходы за счет:
· увеличения износостойкости инструмента, деталей и механизмов
· снижения количества брака
· сокращения затрат на ремонт и замену технологического оснащения и инструмента.
Теоретическая разработка и практическое освоение процесса криогенной обработки считается достижением советской науки. Работы таких учёных, как Г. В. Курдюмова, исследования А. П. Гуляева, В. Г. Воробьева и других связаны с обработкой холодом для улучшения качественных характеристик закаленной стали.
Спустя несколько лет после публикации исследований советских учёных появились первые аналогичные работы в иностранной печати, авторы которых ссылались на советские работы как первоисточник. Именно работы советских учёных позволили полно оценить эффективность влияния обработки холодом на свойства стали и положили начало современному развитию и использования этого способа обработки. В 1940—1950-е годы на советских промышленных предприятиях пытались внедрить криогенную обработку инструмента из быстрорежущих сталей в жидком азоте, но это не только не давало ожидаемого результата, но и приводило к снижению прочности инструмента, поскольку появлялись микротрещины из-за резкого и неравномерного охлаждения. От метода, позволяющего преобразовать остаточный аустенит в мартенсит, пришлось отказаться, в основном из-за экономической нецелесообразности — высокой стоимости азота, как основного хладагента.
В США, Японии, Германии, Южной Корее тему криогенной обработки как эффективного способа обработки конструкционных и инструментальных сталей развивали, и десятилетия исследований и опытов привели к результату — в настоящее время технология криогенной обработки успешно применяется во многих отраслях промышленности.
Гомогенизационный отжиг + старение
Например, для суперсплавов на базе никеля (типа «Инконель 718») типичной является следующая термическая обработка:
Гомогенизация структуры и растворение включений (англ. Solution Heat Treatment) при 768—782 °C с ускоренным охлаждением. Затем производится двухступенчатое старение (англ. Precipitation Heat Treatment) — 8 часов при температуре 718 °C, медленное охлаждение в течение 2 часов до 621—649 °C и выдержка в течение 8 часов. Затем следует ускоренное охлаждение.
Закалка + высокий отпуск (улучшение )
Многие стали проходят упрочнение путём закалки — ускоренного охлаждения (на воздухе, в масле или в воде). Быстрое охлаждение приводит, как правило, к образованию неравновесной мартенситной структуры. Сталь непосредственно после закалки отличается высокой твёрдостью, остаточными напряжениями, низкой пластичностью и вязкостью. Так, сталь 40ХНМА (SAE 4340) сразу после закалки имеет твёрдость выше 50 HRC, в таком состоянии материал непригоден для дальнейшего использования из-за высокой склонности к хрупкому разрушению. Последующий отпуск — нагрев до 450 °C — 500 °C и выдержка при этой температуре приводят к уменьшению внутренних напряжений за счёт распада мартенсита закалки, уменьшения степени тетрагональности его кристаллической решётки (переход к отпущенному мартенситу). При этом твёрдость стали несколько уменьшается (до 45 — 48 HRC). Подвергаются улучшению стали содержанием углерода 0,3—0,6 % C.
Термомеханическая обработка металлов заключается в механической деформации при температуре, большей температуры фазового перехода (высокотемпературная ТМО, ВТМО), или между температурой фазового перехода и температурой мартенситного превращения (низкотемпературная ТМО, НТМО). Термомеханическая обработка ограничена во времени, поскольку немедленно по завершении деформации металл быстро охлаждают (закалка), чтобы получить измельчённую, насыщенную дислокациями, структуру кристаллов металла. Обычная структура после закалки - мартенсит+бейнит+остаточный аустенит. Термомеханическую обработку применяют не только для сталей, но и других металлов[1].
В случае применения ТМО для обработки алюминиевых сплавов, добавки легирующих элементов, таких как хром и кремний, замедляют рекристаллизацию, и потому делают процесс более эффективным. Для аустенитных сталей, таких как нержавеющая сталь состава Х18Н10, не испытывающих фазового перехода, упрочнение обуславливается закреплением структуры, так как сталь эта в обычном понимании не закаливается. Хотя техпроцессы для разных металлов и сплавов различны, основой их разработки стало открытое в СССР явление наследования структуры при фазовом переходе аустенит-мартенсит[2].
Фактически, люди стали применять термомеханическую обработку ещё с древности. Одним из вариантов ТМО является, например, ковка. Позднее, в ходе развития металлургии и материаловедения, долго считали, что деформационное упрочнение (наклёп) снимается при нагревании выше температуры рекристаллизации, и потому применялась схема, не учитывающая фактор времени - отдельно деформация (в штампах, прессах, прокатных станах), и отдельно закалка (часто с промежуточным подогревом). Считалось, что для достижения высокой прочности требуется однородная структура, поэтому закаливание должно проходить с температуры выше 880..860 °С.
При дальнейшем развитии металлургии выяснилось, что с точки зрения комбинации прочности и пластичности, наилучшим для конструктивных элементов, не имеющих высоких требований к твёрдости, является верхний или нижний бейнит, который можно получить при окончательной закалке и с меньших температур. В процессе деформации аустенитные зерна приобретают нужную форму (обычно вытянутую), а после закалки и отпуска свойства металла оказываются выше, чем без ТМО. Это позволяет во многих услучаях уменьшить сечения и вес деталей, а также в некоторых случаях отказаться от легированной стали в пользу более дешёвой углеродистой. Поскольку деформирование само является частью технологического процесса получения заготовки, дополнительные издержки на ТМО (нагрев стали) соответствуют обычной закалке, которую ТМО заменяет[4].
Перепроектирование производства с переход от закалки к ТМО, при незначительном изменении основных фондов производства, требует однако более высокой культуры в части контроля за температурой металла и временами выдержки и закалки. В частности, после окончательного перехода такая закалка нужна немедленно для фиксирования структуры, полученной деформированием
Эффект от этой обработки получается благодаря быстрейшей закалке после деформации (в процессе получения заготовки детали). Рекристаллизация при этих температурах (выше 880 °С) требует времени, исчисляемого секундами, поэтому эффект упрочнения ограничен, а длительная и значительная деформация не даёт большего эффекта. Потому обычно её ограничивают величинами 20-30%[1].
ВТМО придаёт стали большую ударную вязкость, понижает порог хладноломкости, устраняет эффект отпускной хрупкости[3].
Дисперсионно-твердеющие алюминиевые и другие сплавы также обрабатываются по этой методике. При такой обработке, сталь нагревают выше температуры фазового перехода с выдержкой, необходимой для полного перехода в аустенит, после чего подстуживают и проводят деформирование при температуре 400..600 °С. После закалки сохраняется эффект упрочнения (больший, чем при ВТМО, поскольку рекристаллизация не происходит). Наивысшие показатели получаются при комбинации ВТМО и НТМО, то есть после высокотемпературной деформации следует низкотемпературная.
Следует иметь в виду, что для увеличения стабильности аустенитной структуры во многих случаях требуется дополнительное легирование (например, никелем, марганцем), в то время как ВТМО дополнительных требований к времени распада аустенита не предъявляет, и потому обычно применяется для проката из углеродистых сталей. НТМО требует более мощного прессового оборудования, ввиду больших усилий при деформации
Остаточный аустенит придаёт стали несколько большую пластичность, но снижает предел прочности, а особенно предел текучести. После проведения НТМО легированных сталей остаётся довольно значительное количество аустенитной фазы: 20-30% и более (высокохромистые стали). Обработка холодом после закалки повышает твёрдость и прочность. Поскольку содержание остаточного аустенита больше в высокоуглеродистых (0,60% и выше) легированных сталях, именно такие выгоднее подвергать обработке.
Задание:
1. Подготовить вручную конспект лекции.
2. Подготовить реферат на тему: «Виды закалок сталей и сплавов».