Основы теории термической обработки стали Отжиг и нормализация Закалка и отпуск Термоциклическая обработка Химико-термическая обработка
Термической обработкой (ТО) называют процессы, связанные с нагревом, выдержкой и охлаждением металла (материала), находящемся в твердом состоянии, с целью изменения его структуры или фазового состава, создания необходимых свойств, снятия или изменения остаточных напряжений, без изменения его химического состава.
Основу ТО определяют процессы аллотропических превращений и изменение взаимной растворимости компонентов сплава при разных температурах, а также диффузия.
Диффузия – взаимное проникновение атомов соприкасающихся веществ (компонентов), обусловленное тепловым движением частиц. Атомы перемещаются на расстояния, большие параметров кристаллической решётки. Диффузия связана с переносом вещества, что может привести к изменению химического состава. Отжиг – вид ТО, заключающийся в нагреве сплава до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении (часто вместе с печью). В результате отжига сплав приобретает структуру, близкую к равновесной, происходит разупрочнение, повышение пластичности, измельчение зерна, снимаются остаточные напряжения.
В зависимости от требований к сплаву проводят одну из разновидностей операции отжига: нормализацию (устраняется крупнозернистость структуры, выравниваются механические свойства, по стоимости более дешевая операция ТО), рекристаллизационный отжига (снимается наклеп, образование текстуры), диффузионный отжиг (проводят при более высоких температурах и длительной выдержке).
Нормализация – нагрев стали выше температуры фазовых превращений с последующим охлаждением на воздухе (в нормальных условиях) для улучшения микроструктуры стали и повышения механических свойств, а также для подготовки к последующей термической обработке.
Некоторые специальные стали после нормализации приобретают такие механические свойства, которыми они должны обладать в условиях эксплуатации. В этих случаях нормализация служит окончательной операцией термической обработки.
Структура нормализованной стали может быть феррито – перлитная (низкоуглеродистые стали) и сорбитообразная с наличием структурно-свободного феррита (средне-углеродистые и низколегированные стали). Твердость перлита зависит от того, имеет ли он тонкое или грубое строение. При нормализации, когда охлаждение быстрое, перлит имеет более тонкое строение, чем при отжиге, и обладает более высокой твердостью. Поэтому нормализованная сталь более твердая, чем отожженная. Твердость нормализованной стали 150...300 НВ в зависимости от химического состава стали. Нормализация горячекатаной стали (по сравнению с отжигом) повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, снижая порог хладноломкости. Нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение меньшей шероховатости обработанной поверхности
Нормализацию с последующим высоким отпуском (600...650 °С) часто используют для исправления струк-туры, легированных сталей вместо полного отжига, так как производительность первых двух операций выше, чем одного отжига. Закалка – вид ТО, заключающийся в нагреве сплава до определенной температуры (для стали – выше линии GSK, рис. 24), выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении с целью получения неравновесной структуры. Неравновесные структуры материала при ТО получают, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов. Цель закалки – получение высокой твердости, прочности, заданных физико- механических свойств (например, увеличить удельное электрическое сопротивление или коэрцитивную силу в магнитотвердых сплавах).
В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной или неполной.
Обработку холодом применяют, например, при изготовлении шарикоподшипников, режущего инструмента.
Отпуск – ТО, заключающаяся в нагреве предварительно закаленных сплавов до определенной температуры (для стали – ниже линии PSK), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью. Цель отпуска – уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости, получение необходимых механических свойств. При отпуске происходит распад мартенсита, выделяется углерод из перенасыщенного твердого раствора стали в виде мельчайших кристалликов карбида железа.
В зависимости от температуры нагрева различают низкий отпуск, средний отпуск, высокий отпуск. Чем выше температура отпуска, тем сильнее проявляются свойства пластичности, вязкости в материале, при одновременном снижении твердости. Метод ТЦО как способ термообработки (ТО) основан на постоянном накоплении от цикла к циклу положительных изменений в структуре металлов. При этом важной особенностью цикла является его интенсивность, отсутствие или наличие небольших выдержек при крайних температурах, а также оптимальный диапазон изменения температуры.
Современное оборудование позволяет вести процесс со скоростью нагрева от десятых долей градуса в секунду (печной нагрев) до сотен (нагрев с помощью ТВЧ). Температурный диапазон зависит от назначения термического воздействия, физико-механических и теплофизических свойств материала, а также от его структурного состояния. С другой стороны, варьируя число циклов, которое является величиной в значительной степени ограниченной, так как речь идет о технологическом термоциклировании, возможно достижение принципиально различных структур, а следовательно и свойств. Немаловажное значение имеет и такая обработка, следующая за ТЦО, как отжиг, искусственное старение и др. Поэтому очень важно при выборе окончательной операции не только сохранить те положительные изменения, которые произошли в результате ТЦО, но также и усилить их.
Разработка режимов ТЦО в каждом конкретном случае носит индивидуальный характер и не может быть механически перенесена от одного материала к другому. Однако представляется возможной формулировка общих принципов ТЦО для многих материалов. Поэтому в дальнейшем структурные изменения металлов при ТЦО рассмотрены в основном на примерах сталей, чугунов и алюминиевых сплавов. Химико-термической обработкой называют процесс поверхностного насыщения сплава различными элементами с целью придания ей тех или иных свойств. При ХТО происходит изменение состава и структуры поверхности за счет диффузии в нее элементов в атомарном состоянии извне при высоких температурах. Происходит упрочнение поверхности деталей, повышение твердости, износостойкости, усталостной прочности, стойкости против действия агрессивных сред. ХТО характеризуется тремя одновременно протекающими процессами: диссоциации (распад молекул диффундирующего элемента до атомарного состояния), абсорбции (проникновение атомов в решетку поверхностных слоев), и диффузии (проникновение атомов насыщающегося элемента вглубь от поверхности).
В зависимости от насыщающего элемента к видам ХТО относят цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, хромирование и другие.
Цементация – процесс насыщения поверхности изделия углеродом, содержание его после цементации достигает до 0,8…1,0 процента. Карбюризатор—уголь, температура порядка 900°С. Поверхность приобретает после закалки и отпуска твердость порядка HRC60 при сохранении мягкой сердцевины. Возможно коробление деталей.
Азотирование – процесс насыщения поверхности стали азотом. Поверхность приобретает после азотирования высокую твердость, износостойкость, усталостную прочность, устойчивость против коррозии. Азотированию подвергаются обычно легированные стали, так как образующиеся нитриды хрома, алюминия, железа придают поверхности высокую твердость. Достоинство азотирования – незначительное изменение размеров и отсутствие коробления.
Цианирование – насыщение поверхности изделия одновременно углеродом и азотом. Азот способствует диффузии углерода, что позволяет снизить температуру диффузионного насыщения азотом и углеродом до 850°С. После закалки и отпуска твердость поверхности HRC 58…62. Обрабатывают обычно среднеуглеродистые стали. Разновидностью цианирования является нитроцементация.
Силицирование – насыщение поверхности изделия кремнием. Повышается коррозионная стойкость, жаростойкость, износостойкость, кислотостойкость сталей и сплавов в агрессивных средах.
Домашнее задание: проработать материал, составить опорный конспект.
Дать понятия:
Отжиг и нормализация
· Отжиг
· Нормализация
Закалка и отпуск стали
· Закалка стали
· Обработка холодом
· Отпуск стали
Термоциклическая обработка
Химико-термическая обработка
· Цементация
· Азотирование
· Цианирование
· Диффузионная металлизация
Литература В.М.Никитин. страницы 89-108.