Превращения переохлажденного аустенита.

Превращение происходит при переохлаждении аустенита ниже 727°С при непрерывном охлаждении или при выдержке при постоянной температуре (изотермическое превращение).

В процессе превращения происходит полиморфное g®a превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию феррито-цементитной смеси

Ведущей фазой является цементит. Его зародыши образуются на границах аустенитных зерен. В результате роста зерна цементита (содержание углерода в котором 6,67%) прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом и испытывает полиморфное g®a превращение. При этом кристаллики феррита зарождаются на границе с цементитом, который облегчает этот процесс.

Рост ферритных пластинок ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом. И так далее step by step происходит колониальный (совместный) рост кристалликов феррита и цементита, образующих перлитную колонию.

Однородный аустенит всегда превращается в пластинчатую ферритно-цементитную смесь.

Процесс образования ферритно-цементитной смеси происходит во времени и может быть изображен в виде кинетической кривой.

Начальный период оа₁ – инкубационный период характеризует устойчивость переохлажденного аустенита. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума (t₂) и далее вновь возрастает.

При помощи кинетических кривых строят диаграммы изотермического превращения аустенита (С-образные кривые).

Свойства и строение продуктов распада аустенита зависят от температуры, при которой происходило превращение. Чем больше степень переохлаждения, тем тоньше ферритно-цементитная структура, то есть меньше межпластинчатое расстояние D₀ и выше твердость. Сорбит и тростит также являются ферритно-цементитными структурами, различающимися лишь дисперсностью (D₀). Однако, в отличие от перлита (эвтектоида) сорбит и троостит не являются равновесными структурами в сталях и называются квазиэвтектоидами, так как имеют концентрацию углерода отличную от 0,8%.

Следует отметить, что неоднородный аустенит при всех степенях переохлаждения дает зернистую структуру ферритно-цементитной смеси.

Свойства зернистой и пластинчатой ферритно-цементитной смесей отличаются.

В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях в верхнем интервале температур сначала выделяются избыточные фазы – феррит или цементит. Начало выделения избыточных фаз на диаграмме изотермического распада отмечается дополнительной кривой. Количество выделяющейся фазы с понижением температуры уменьшается и при некоторой степени переохлаждения распад начинается непосредственно с образования зародышей квазиэвтектоида.

Увеличение содержания углерода в аустените доэвтектоидной концентрации несколько повышает его устойчивость (С-кривые сдвигаются вправо).

6.1.3. Мартенсит, его строение и свойства.

Если аустенит переохладить до температур, когда g-решетка неустойчива, но скорость диффузии углерода приближается к нулю, то происходит мартенситное превращение. Превращение носит бездиффузионный характер.

Мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в a-железе.

При 20°С в равновесном состоянии содержание углерода в a-железе 0,006%, а в мартенсите может быть таким, как в исходном аустените, то есть достигнуть 2,14%.

Атомы углерода занимают октаэдрические поры вдоль оси [001] в решетке a-железа и сильно ее искажают. Мартенсит имеет тетрагональную решетку, причем, чем больше углерода, тем больше тетрагональность.

Сдвиговый механизм мартенситного превращения отличается закономерным корпоративным направленным смещением атомов в процессе перестройки решетки. Отдельные атомы смещаются относительно друг друга на расстояние, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство, однако, величина абсолютного смещения растет пропорционально удалению от межфазной границы. Это приводит к макроскопическому сдвигу, внешним проявлением которого является микрорельеф на поверхности металлического шлифа.

При переохлаждении до температур мартенситного превращения, аустенит начинает превращаться в мартенсит. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже М_н. Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение практически также остановится. Эта особенность мартенситного превращения резко отличает его от диффузионного перлитного, которое может полностью протекать при температурах ниже А₁ в изотермических условиях.

Итак, чем ниже температура, тем больше образовавшегося мартенсита, но не вследствии роста уже возникших кристаллов, имеющих некогерентную границу, а в результате образования все новых и новых кристаллов (их рост происходит только до момента нарушения когерентности исходной и новой фаз кристаллических решеток).

Температура окончания мартенситного превращения М_к.

Положение точек М_н и М_к не зависит от скорости охлаждения и обусловлено химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже М_н и М_к. Все легирующие элементы, за исключением кобальта и алюминия, понижают М_н и М_к.

Мартенситное превращение очень чувствительно к напряжениям, а деформация аустенита может вызвать превращение даже при температурах выше М_н (мартенсит деформации).

Кристаллы мартенсита в зависимости от состава стали, а, следовательно и от температуры образования могут иметь различную морфологию. Различают мартенсит пластинчатый и реечный.

Пластинчатый образуется в высокоуглеродистых сталях (кристаллы мартенсита в средней своей части состоят из микродвойников, называемых мидрибом). В плоскости шлифа пластины имеют вид игл.

Реечный – в конструкционных и легированных сталях (кристаллы мартенсита имеют форму тонких реек, обычно образуется пакет реек). Тонкая структура представляет дислокации высокой плотности при отсутствии микродвойников.

Размер кристаллов любой морфологии мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита.

Остаточный аустенит присутствует в закаленных сталях, имеющих точку М_к ниже 20°С, а именно в углеродистых сталях, содержащих выше 0,4–0,5%С. Его количество тем больше, чем ниже М_н и М_к, то есть чем выше содержание в аустените углерода и легирующих элементов, кроме алюминия и кобальта.

В стали 60 количество остаточного аустенита не более 7%, а в стали с 1,3–1,5%С, оно достигает 30–50%. При большом количестве остаточного аустенита его можно наблюдать в микроструктуре закаленной стали в виде светлых полей между иглами мартенсита.

Аустенит, сохранившийся непревращенным становится более устойчивым, то есть имеет место стабилизация аустенита. При последующем понижении температуры превращение аустенита в мартенсит возобновляется не сразу, а происходит при более низких температурах и менее интенсивно. Явление стабилизации объясняют релаксацией напряжений, которые стимулируют мартенситное превращение.

Характерной особенностью мартенсита являются его высокая твердость (до 65 HRC) прочность. Твердость мартенсита возрастает с увеличением содержания углерода. Однако возрастает склонность к хрупкому разрушению.

 

6.1.4. Превращения при отпуске закаленной стали.

Исходной структурой закаленной стали является структура, состоящая из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита. Распад этих фаз идет по диффузионному механизму, и поэтому скорость процесса в основном обусловлена температурой нагрева. Из указанных фаз в первую очередь начинает распадаться мартенсит.

Распад мартенсита (первое превращение при отпуске)

При температуре ниже 200°С, в кристаллах мартенсита образуются карбиды. Скорость диффузии мала, поэтому образующиеся частицы карбидов не увеличиваются, и распад аустенита сопровождается зарождением новых частиц карбида, обычно на границах кристаллов мартенсита и в местах с повышенной плотностью дефектов.

Выделяющиеся карбидные частицы имеют форму тонких пластинок толщиной несколько атомных слоев и длиной несколько десятков нанометров. Пластинки e-карбида когерентно связаны с решеткой a-раствора. Вследствие того, что удельные объемы карбида и a-раствора различны, между ними возникают сильные микроискажения кристаллических решеток обеих фаз.

При 200–350°С диффузия углерода возрастает и кристаллы карбидов укрупняются. Образующийся карбид – гексагональный e-карбид (Fe₂C). Образование e-карбида вместо Fe₃C объясняется тем, что на границе a-раствора и e-карбида сопряжение решеток лучше, а следовательно энергетически выгодней.

Структуру, образующуюся в результате распада мартенсита при температурах ниже 350°С называется отпущенным мартенситом (с/а ¹ 1, хотя с стремится к 1), являющимися гетерогенной смесью пересыщенного a-раствора (неоднородной концентрации) и включениями кристалликов e-карбида, когерентно связанных с решеткой мартенсита.

Превращение остаточного аустенита (второе превращение)

Захватывает интервал температур 200–300°С. В этом интервале остаточный аустенит превращается в гетерогенную смесь, состоящую из a-раствора (с/а ¹ 1) и карбида. Механизм распада близок к бейнитному (отсутствует диффузия железа, но имеет место диффузия углерода)

Снятие внутренних напряжений и карбидное превращение (третье превращение) при температуре 350–400°С. При данной температуре происходит нарушение когерентности и обособление решеток феррита и цементита, связанное с одновременным протеканием карбидного превращения Fe₂C ® Fe₃C.

Кроме того, изменяются размеры и форма карбидных частиц (она приближается к сфероидальной). Наряду с этим происходит снятие макро- и микронапряжений.

Образующуюся структуру после отпуска при температуре »400° называют троститом отпуска.

Коагуляция карбидов (t до 500°С и выше) происходит вследствие диффузии атомов углерода, при этом происходит растворение мелких и рост более крупных частиц карбидов.

Грубую ферритно-цементитную смесь после отпуска стали при температуре 500¸650°С называют сорбитом отпуска.

Частицы карбидов, в структуре тростита и сорбита отпуска в отличие от тростита и сорбита закалки имеют зернистое, а не пластинчатое строение. Образование зернистых структур улучшает многие свойства стали. При одинаковой твердости, s_в, сталь с зернистой структурой имеет более высокие значения предела текучести, относительного сужения и ударной вязкости.

Влияние отпуска на механические свойства стали

200 – 250°С	– уменьшается склонность к хрупкому разрушению, – возрастает прочность и вязкость (вследствие уменьшения макро- и микронапряжений и изменения структурного состояния)
300 – 400°С	– повышение предела прочности и предела упругости
250 – 600°С	– снижается твердость, временное сопротивление, предел текучести, – повышается относительное удлинение, сужение и трещиностойкость К1С*

^*Ударная вязкость сохраняется низкой вплоть до 400°С, после чего начинается интенсивное повышение, максимальное значение ударной вязкости достигается после отпуска при температуре 600°С.

После отпуска при 600–650°С весь комплекс механических свойств выше, чем у отоженной стали.

 

6.2. Технология термической обработки.

Основные виды собственно термической обработки стали:

– отжиг первого рода,

– отжиг второго рода,

– закалка,

– отпуск

При разработке технологии термической обработки необходимо установить:

· режим нагрева деталей (температуру и время нагрева);

· характер среды, где осуществляется нагрев, и ее влияние на материал стали;

· условия охлаждения.

 

6.2.1. Отжиг.

Отжиг первого рода.

Характерная особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы происходят независимо того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые (a-g) превращения или нет. Поэтому можно проводить выше и ниже температур фазовых превращений. Этот вид обработки устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную предшествующими обработками.

Гомогенизация (диффузионный отжиг)

проводят с целью уменьшения дендритной, зональной ликвации.

В его основе – диффузия. В результате нагрева выравнивается состав, растворяются избыточные карбиды. Применяется, в основном, для легированных сталей.

Температура нагрева зависит от температуры плавления, Т_Н = 0,8 Т_пл.

Для углеродистых сталей нагрев до 1000–1200°С и выдержка 15–20 часов. Только при таких температурах более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания состава стали.

В результате диффузионного отжига получается крупное зерно, что устраняется последующей термической обработкой, либо при последующей обработки слитка давлением.

Рекристаллизационный отжиг

применяется для снятия наклепа после холодной пластической деформации. Проводят нагрев холоднодеформированной стали выше температуры начала рекристаллизации, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение. Температура Т_Н = 0,4 Т_пл, для углеродистых сталей – 650¸700°С (время 0,5–2 часа).

После горячей механической обработки сталь обычно имеет мелкое зерно, но вследствие ускоренного охлаждения структуры неравновесные: сорбит, тростит, бейнит с повышенной твердостью (проводят высокий отпуск).

Отжиг для снятия внутренних напряжений

проводят с целью уменьшения напряжений, образовавшихся в металле при литье, сварке, обработки резанием, шлифовке.

Температура отжига находится в пределах 200–700°С.

Детали прецизионных станков (ходовые винты, высоконагруженные зубчатые колеса, червяки) отжигают после основной механической обработки при температуре 570…600^oС в течение 2…3 часов, а после окончательной механической обработки, для снятия шлифовочных напряжений – при температуре 160…180^oС в течение 2…2,5 часов.

 

Отжиг второго рода (фазовая перекристаллизация). Нормализация.

заключается в нагреве стали до температур выше точек А_С1 или А_С3, выдержке и, как правило, последующем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения в этом случае протекают фазовые (g®a превращения), определяющие структуру и свойства стали.

Является подготовительной операцией, которой подвергают отливки, поковки, прокат. Отжиг снижает твердость и прочность, улучшает обрабатываемость резанием средне- и высокоуглеродистых сталей. Измельчая зерно, снижая внутренние напряженияи уменьшая структурную неоднородность способствует повышению пластичности и вязкости.

В зависимости от температуры нагрева различают отжиг:

1. Полный отжиг

заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30–50°С выше А_С3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении.

При нагреве до температур выше А_С3 на 30–50°С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность. Продолжительность вдержки от 0,5 до 1 часа на 1 тонну нагреваемого металла.

Полному отжигу подвергают сортовой прокат из стали 0,3–0,4%С, поковки, отливки.

2. Неполный отжиг

нагрев до температур на 30–50°С выше температуры перлитного превращения. При этом имеет место только перекристаллизация перлитной составляющей.

Широко применяется для заэвтектоидных сталей. При таком нагреве в структуре сохраняется цементит вторичный, в результате отжига цементит приобретает сферическую форму (сфероидизация). Такая сталь имеет более низкую твердость, но высокие d и y, и обладают наилучшей обрабатываемостью резанием.

Иногда неполный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей, если не требуется исправление структуры (сталь мелкозернистая), а необходимо только понизить твердость для улучшения обрабатываемости резанием. Подвергаются тонкие листы и прутки из низко- и среднеуглеродистой стали перед холодной штамповкой или волочением.

Нормализация

Термическая обработка, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния, на 30…50^oС выше А₃ или А_ст с последующим охлаждением на воздухе.

В результате нормализации получают более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе предшествующей обработки. Твердость и прочность несколько выше, чем после отжига.

В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита.

Нормализацию чаще применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Иногда проводят как окончательную обработку, например, при изготовлении сортового проката.

Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига.

Для среднеуглеродистых сталей нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки с высоким отпуском. В этом случае механические свойства несколько ниже, но изделие подвергается меньшей деформации, исключаются трещины.

 

6.2.2. Закалка стали. Прокаливаемость и закаливаемость стали.
Поверхностная закалка.

Закалка – это термическая обработка, которая заключается в нагреве стали выше А_С1, и А_С3, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую скорость.

Минимальная скорость охлаждения, необходимая для превращения аустенита в мартенсит называют критической скоростью закалки V_кр.

Закалка не является окончательной термической обработкой. После закалки проводят отпуск.

Основными параметрами закалки являются температура нагрева и скорость охлаждения.

По температуренагрева различают виды закалки:

– полная, с температурой нагрева на 30…50^oС выше критической температуры А₃. Применяют ее для доэвтектоидных сталей. Структура после закалки – мартенсит. Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, так как в структуре остается мягкий феррит.

– неполная с температурой нагрева на 30…50 ^oС выше критической температуры А_1. Применяется для заэвтектоидных сталей. После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента. После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита.

Температура закалки легированных сталей выше А₁ и А₃ на 150–250°С, что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов (легированный аустенит). Нагрев не сопровождается ростом зерна, так как нерастворенные частицы карбидов тормозят этот рост.

Времянагрева должно быть таковым, чтобы обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не вызвать рост зерна и обезуглероживание поверхности. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства, по опытным данным на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1,5…2 мин.; в пламенной печи – 1 мин.; в соляной ванне – 0,5 мин.; в свинцовой ванне – 0,1…0,15 мин.

Охлаждающие среды

При закалке наиболее желательна высокая скорость охлаждения (выше ) V_кр в интервале А₁ – М_н для подавления распада аустенита в области перлитных превращений (М_н – М_к).

Чаще для закалки используют воду, водные растворы солей и щелочей, масла.

Увеличение охлаждающей способности достигается при использовании струйного или душевого охлаждения; а также охлаждением смесями воды и воздуха, подаваемых через форсунки (применяют для крупных поковок и рельс).

Все шире начинают применять охлаждение под давлением в среде азота, аргона и водорода.

Выбор закалочных сред определяется видом изделия. Например, воду используют при закалке деталей простой формы и небольших размеров, выполненных из углеродистой стали. Детали более сложной формы из углеродистых и легированных сталей сталей закаляют в маслах. Для закалки легированных сталей часто используют растворы NaCl и NaOH. Для некоторых легированных сталей достаточно охлаждения на воздухе.

При выборе охлаждающей среды необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке.

Закаливаемость определяется содержанием углерода (чем больше углерода, тем выше твердость). Стали с содержанием углерода менее 0,20 % не закаливаются.

Прокаливаемость – способность получать закаленный слой с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину.

За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре одинаковые объемы мартенсита и троостита.

Прокаливаемость зависит от:

· критической скорости охлаждения. Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость;

· величины зерна аустенита. Укрупнение зерен повышает прокаливаемость;

· характера закалочной среды. Прокаливаемость уменьшается в следующем порядке: растворы солей и щелочей ® вода 20°С ® масло ® воздух;

· химического состава стали. С введением в сталь легирующих элементов (кроме кобальта) закаливаемость и прокаливаемость увеличиваются (особенно молибдена и бора);

· нерастворимые частицы и неоднородность аустенита уменьшают прокаливаемость.

Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр D_k.

Критический диаметр – максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.

Если скорость охлаждения в сердцевине изделия превышает критическую то сталь имеет сквозную прокаливаемость.

Поверхностная закалка –

термическая обработка при которой закаливается только поверхностный слой изделия на заданную глубину, тогда как сердцевина остается незакаленной.

Методы поверхностной закалки:

– закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты, применяют при массовой обработке стальных изделий;

– газопламенная поверхностная закалка пламенем газовых или кислородно-ацетиленовых горелок (температура пламени 2400–3000°С) для единичных крупных изделий;

– закалка в электролите, применяют для небольших деталей в массовом производстве;

– лазерная закалка, позволяет существенно увеличить износостойкость, предел выносливости при изгибе и предел контактной выносливости.

Наиболее распространенной является закалка с индукционным нагревом (токами высокой частоты – ТВЧ).

Деталь помещают внутри индуктора. Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия. К индуктору подводят переменный ток высокой частоты. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле; в результате чего в металле детали возникают вихревые токи, которые нагревают деталь. Основное количество тепла выделяется в поверхностном слое. Чем больше частота тока, тем тоньше закаленный слой (применяют генераторы от 500 до 5000 и даже 15000 Гц). Глубина закаленного слоя – до 2 мм.

После нагрева в течение 3…5 с индуктора деталь быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство – спрейер, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость.

Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Температура закалки при нагреве токами высокой частоты должна быть выше, чем при обычном нагреве.

При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2…4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200^oС (самоотпуск).

Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 % (40, 45, 40Х и др.): шейки коленчатых валов, гильзы цилиндров, поршневые пальцы, пальцы рессоры и т.д.

При газопламенной закалке нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000…3200^oС.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC.

Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.

 

6.2.3. Отпуск стали.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали ниже А_С1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью.

Отпуск является окончательной термической обработкой.

Целью отпуска является получение заданного комплекса механических свойств (повышение вязкости и пластичности, снижение твердости), а также полное или частичное снятие внутренних напряжений закаленных сталей.

Чем медленнее охлаждение, тем ниже остаточные напряжения. Однако легированные стали (склонные к образованию отпускной хрупкости) после 500–600°С, следует охлаждать быстро.

Основное влияние на свойства стали оказывает температура. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.

Различают три вида отпуска:

1. Низкотемпературный (низкий) отпуск

Температура нагрева 150 – 250°С. Структура – отпущенный мартенсит HRC 58–63. Твердость почти не снижается. Снижаются закалочные макронапряжения. Повышаются прочность и вязкость.

Подвергают: режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование.

Время отпуска обычно 1,5–2 часа и более.

2. Среднетемпературный (средний) отпуск

Температура нагрева 350 – 450°С. Структура – троостит отпуска HRC 40–50. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости, выносливости, а также улучшение сопротивляемости действию ударных нагрузок.

Применяют главным образом для пружин, рессор и штампов.

Охлаждение лучше проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.

3. Высокотемпературный (высокий) отпуск

Температура нагрева 500 – 650°С. Структура – сорбит отпуска с зернистым цементитом. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Отпуск при данной температуре в течении 1,5 –2 часов почти полностью снижает остаточные напряжения, возникшие при закалке.

Отпуск легированных сталей проводят при более высоких температурах, так как легирующие элементы, особенно хром, молибден и кремний затрудняют процесс распада мартенсита. Структура отпущенного мартенсита может сохранятся при температурах 400–600°С.

При одинаковой температуре отпуска предел прочности и пластичность у легированных сталей выше.

Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) повышают предел упругости, предел текучести, твердость, относительное сужение, и особенно ударную вязкость.

Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением.

Улучшение является основным видом термической обработки конструкционных сталей, которые подвергаются действию высоких напряжений и ударным нагрузкам.

 

ТЕМА 7

Химико-термическая обработка сталей.

7.1. Физические основы химико-термической обработки.

7.2. Цементация.

7.3. Азотирование.

7.4. Цианирование и нитроцементация.

7.5. Диффузионная металлизация.

 

7.1. Физические основы химико-термической обработки.

Химико-термическая обработка – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.

Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев. Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки. В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура.

В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация – распад молекул и образование активных атомов насыщающей атмосферы или получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Адсорбция – поглощение (растворение) поверхностью металла свободных атомов.

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь металла (изделия).

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

В результате диффузии образуется дифузионный слой, под которым понимают слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам.

ХТО повышает твердость, износостойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность деталей машин.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей. Это объясняется тем, что большинство из них работают в условиях циклических нагрузок, коррозии, криогенных и высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжений.

Преимущества ХТО (по сравнению с поверхностной закалкой):

1. независимость от внешней формы изделия;

2. большие различия между свойствами сердцевины и поверхности (т.к. разница в свойствах определяется не только различием в строении, но и различием в химическом составе);

3. последствия перегрева могут быть устранены последующей термической обработкой.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

· цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

· азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

· нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);

· борирование;

· диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).

 

7.2. Цементация.

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950^oС. В соответствующей среде – карбюризаторе.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h. = 0,5–2 мм).

Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).

Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.

Науглероживающей средой при цементации служат:

– твердые карбюризаторы (древесный уголь с добавками углекислых солей
ВаСО₃, Na₂CO₃ в количестве 10…40 %).

Почти готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950 ^oС. За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода:

O₂ + C_{карбюриз.} = CO (килорода недостаточно для образования СО₂)

ВаСО₃ = ВаО + СО

2СО = СО₂ + С_ат

Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.

Недостатками данного способа являются:

· значительные затраты времени (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час);

· низкая производительность процесса;

· громоздкое оборудование;

· сложность автоматизации процесса.

Способ применяется в мелкосерийном производстве.

– жидкие соляные ванны, в состав которых входят поваренная соль (NaCl), углекислый натрий, цианистый натрий (NaCN) и хлористый барий (BaCl₂).

– газы, содержащие углерод (природный газ, состоящий почти полностью из метана СН₄). Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором. Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.

Преимущества способа:

· возможность получения заданной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);

· сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;

· возможность полной механизации и автоматизации процесса.

Способ применяется в серийном и массовом производстве.

Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.

Структура цементованного слоя: на поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия.

При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а затем проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку) (рис. а).

Если сталь наследственно мелкозернистая или изделия неответственного назначения, то проводят однократную закалку с температуры 820…850^oС (рис. б). При этом обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементованном слое, а также частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.

Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, применяют двойную закалку (рис. в).

1. Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880…900^oС для исправления структуры сердцевины и дробления цементитной сетки.

2. Вторая закалка проводится с температуры 760…780^oС для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.

3. Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150…180^oС. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска + карбиды, частично снимаются напряжения.

Цементации подвергают детали, работающие в условиях трения, больших давлениях и циклических нагрузках: зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, валы, ролики.

 

7.3. Азотирование.

Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом. Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

Впервые азотирование осуществил Чижевский И.П., промышленное применение – в двадцатые годы двадцатого века.

При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементованного и сохраняется при нагреве до высоких температур (400 –500°С), тогда как у цементованного только до 200–225°С.

При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH₃ c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH₃=2N+3H₂. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.

Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий. Поэтому углеродистые стали подвергают только антикоррозийному азотированию.

Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, таких как алюминий, молибден, хром, титан, ванадий. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.

Типовые азотируемые стали: 38Х2МЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю, 18хгт и др.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали. Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость и больше толщина азотированного слоя. Снижение твердости азотированного слоя связано с коагуляцией легирующих элементов.

В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:

· для повышения поверхностной твердости и износостойкости;

· для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).

В первом случае процесс проводят при температуре 500…560^oС в течение 24…90 часов, так как скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет 10…12 %, толщина слоя (h) – 0,3…0,6 мм. На поверхности получают твердость около 1000 HV. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.

Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение 5…60 мин при напряжении 1100…1400 В и давлении 0,1…0,2 мм рт. ст., рабочее напряжение 400…1100 В, продолжительность процесса до 24 часов.

Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700^oС, продолжительность процесса – 10 часов. На поверхности образуется слой — фазы толщиной 0,01…0,03 мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии. ( –фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe₃N, имеющий гексагональную решетку).

Существует азотирование в жидких средах (тенифер-процесс) в расплавленных цианистых солях (температура азотирования 570°С, время 0,5–3 часа). Отрицательным является токсичность и высокая стоимость цианистых солей.

После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.

«+» азотирования по сравнению с цементацией:

– более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя;

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

– высокие коррозионные свойства

– после азотирования не требуется ТО.

«–» азотирования по сравнению с цементацией:

– более высокая длительность процесса;

– применение дорогостоящих легированных сталей.

 

7.4. Цианирование и нитроцементация.

Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом.

Различают твердое, жидкое и газовое цианирование, последнее носит название нитроцементации.

– Твердое цианирование осуществляют аналогично твердой цементации, только карбюризатор содержит цианистые соли. Из-за низкой производительности не рекомендован для широкого внедрения.

– Жидкое цианирование проводят в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например NaCN или KCN с добавками солей NаCl, BaCl и др.

Различают:

· Высокотемпературное цианирование проводится при температуре 800…950^oС, время выдержки 1,5–6 часов; толщина слоя 0,15…2 мм. При указанных высоких температурах сталь с поверхности в большей степени насыщается углеродом (до 0,8–1,2%) и в меньшей степени азотом (0,2–0,3%). Строение цианированного слоя аналогично цементованному. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe₂(C, N) и азотистого мартенсита.

По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.

· среднетемпературное цианирование проводится при температуре 820…860^oС, время выдержки 0,5–90 мин; толщина слоя 0,15…0,35 мм. Структура слоя – мартенсит + равномерно распределенные карбонитриды. Закалку выполняют непосредственно из цианистой ванны. После закалки следует низкий отпуск.

Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62 HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.

Данной ХТО подвергают низко-, средне-, и углеродистые стали, легированные стали.

· Низкотемпературное цианирование – тренифер процесс (см. выше). Проводится при температуре 540…600^oС, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом.

Данной ХТО подвергают инструменты из быстрорежущих, высокохромистых сталей, является окончательной обработкой.

Итак, с повышением температуры цианирования содержание азота в слое уменьшается, а углерода увеличивается.

– Газовое цианирование (нитроцементация) осуществляется в газовых смесях из цементующего газа и диссоциированного аммиака. Состав газа и температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Оптимальное содержание слоя C+N зависит от марки стали и колеблется 1–1,65%. Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки.

· Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре 830…950^oС. При оптимальных условиях насыщения структура после закалки (непосредственно из печи) и низкого отпуска160–180°С состоит из мелкоигольчатого мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и 30–50% остаточного аустенита, последний обеспечивает хорошую прирабатываемость изделий (например шестерен). Твердость достигает 56…62 HRC.

· Низкотемпературной нитроцементации подвергают инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (закалки и отпуска). Процесс проводят при температуре 530…570^oС, в течение 1,5…3 часов. Образуется поверхностный слой толщиной 0,02…0,004 мм с твердостью 900…1200 HV.

Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.

Нитроцементации обычно подвергают детали сложной конфигурации. Широко применяют на автомобильных и тракторных заводах. Так, на ВАЗе 95 % деталей подвергаются нитроцементации.

 

7.5. Диффузионная металлизация.

Диффузионная металлизация – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.

После диффузионной металлизации изделия приобретают ряд ценных свойств: высокая жаропрочность, коррозионная стойкость, повышенная износостойкость и твердость.

Как и при других видах ХТО диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

· Газовая диффузионная металлизация проводится в газовых средах, состоящих из галогенных соединений (часто соединений Cl) диффундирующего элемента.

· При твердой диффузионной металлизации металлизатором является ферросплав (феррохром, ферросилиций, ферроалюминий – сплавы железа с хромом, кремнием, алюминием и т.п.) с добавлением хлористого аммония (NH₄Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или CL₂ образуется соединение хлора с металлом.

Далее при твердой, так же как и при газовой металлизации насыщение происходит с помощью летучих соединений хлора с металлом (AlCl₃, CrCl₂, SiCl₄), которые при температуре 1000 – 1100°С вступают в обменную реакцию с железом с образованием активных диффундирующих атомов металла.

МГн + Fe = FeГн + М

например: AlCl₃ + Fe = FeCl₃ +Al

· Жидкая диффузионная металлизация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации. Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000…1200^oС) в течение длительного времени.

Борирование –

процесс дифузионного насыщения поверхности бором.

Диффузионный слой состоит из боридов FeB (на поверхности) и FeB₂. Толшина слоя 0,1 – 0,2 мм. Борированный слой обладает высокой твердостью (1800–2000HV), износостойкостью, окалиностойкостью (до 800°С).

Применяют для повышения износостойкости вытяжных и формовочных штампов, деталей пресс-форм и машин литья под давлением. Стойкость возрастает в 2–10 раз.

Силицирование –

процесс диффузионного насыщения поверхности кремнием.

Диффузионный слой является твердым раствором кремния в a-железе. Толщина слоя 0,3–1 мм, отличается повышенной пористостью. Несмотря на низкую твердость 200–300 HV, слой обладает высокой износостойкостью после предварительной пропитки маслом при 170–200°С. Силицирование обеспечивает высокую коррозионную стойкость стальных изделий в кислотах и морской воде.

Подвергают детали, используемые в оборудовании химической, нефтяной промышленности (трубопроводы, валики насосов, арматура, гайки, болты и т.д.). Силицирование широко применяют для повышения сопротивления окислению при высоких температурах сплавов молибдена.

Алитирование –

насыщение поверхности стали алюминием.

Проводится в порошковых смесях или в расплавленном алюминии.

Структура алитированного слоя представляет собой твердый раствор алюминия в a–железе; на поверхности плотная пленка Al₂O₃, предохраняющая металл от окисления. Толщина слоя 0,2–1 мм, концентрация Al в приповерхностном слое ~30%. Твердость 55 HV, износостойкость низкая.

Алитирование применяют для повышения коррозионной стойкости (в том числе и в морской воде), жаростойкости деталей из углеродистых сталей, работающих при высокой температуре (например: детали разливочных ковшей, клапаны и т.п.)

Хромирование –

насыщение поверхности стали хромом.

Толщина слоя составляет 0,2 мм. Хромирование используют для изделий из сталей любых марок. Структура и твердость диффузионного слоя зависит от марки применяемой стали. Cr образует твердый раствор в железе, карбиды хрома
(Cr, Fe)₇C₃ или (Cr, Fe)₂₃C₆. Твердость слоя, полученного хромированием железа 250–300 HV, а хромированием стали 1200–1300 HV.

Хромирование обеспечивает повышенную устойчивость к газовой коррозии (окалиностойкость) при температурах до 800°С; высокую коррозионную стойкость в таких средах, как вода, морская вода, кислоты. Хромирование сталей, содержащих более 0,4%С, повышает также твердость и износостойкость.

Хромирование используют для деталей паросилового оборудования, паровой арматуры, клапанов, вентилей, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах.

В последние годы насыщение металлами проводят путем испарения диффундирующего элемента в вакууме. Насыщение поверхности стального изделия двумя и большим числом компонентов позволяет в большей мере изменить свойства их поверхности.

ТЕМА 8

легированные стали

8.1. Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения.

8.2. Структурные классы легированных сталей.

8.3. Маркировка и применение легированных сталей.

8.3.1. Конструкционные легированные стали.

8.3.2. Инструментальные стали и сплавы. Быстрорежущие стали, штамповые стали. Твердые сплавы.

 

8.1. Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения.

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами.

Стали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы называют легированными сталями

Легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит) или образуют специальные карбиды (т.е. карбиды, кристаллическая решетка которых отлична от кристаллической решетки Fe₃C). Ni, Co, Si, Cu не образуют карбиды Cr, Mo, V, W, Ti – образуют.

Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существование его аллотропических модификаций. В зависимости от расположения элементов в периодической системе и строения кристаллической решетки легирующего элемента возможны варианты взаимодействия легирующего элемента с железом. Им соответствуют и типы диаграмм состояния сплавов системы железо – легирующий элемент.

Свыше определенного содержания марганца, никеля, кобальта, бора и других элементов, имеющих гранецентрированную кубическую решетку, g– состояние существует как стабильное от комнатной температуры до температуры плавления, такие сплавы на основе железа называются аустенитными.

При содержании ванадия, молибдена, кремния, хрома, алюминия, ниобия, титана, вольфрама и других элементов, имеющих объемно-центрированную кубическую решетку. выше определенного предела устойчивым при всех температурах является a– состояние. Такие сплавы на основе железа называются ферритными.

Аустенитные и ферритные сплавы не имеют превращений при нагреве и охлаждении.

Растворение легирующих элементов происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Разница размеров атомов является причиной искажения кристаллической решетки и возникновения внутренних напряжений и, как следствие, изменение механических свойств. Легированные стали обладают более высокими значениями s_в, s_0,2, d, y по сравнению с углеродистыми сталями.

Легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а, следовательно, лучшей прокаливаемостью. Кроме того, после термической обработки они имеют более мелкодисперсные структуры. Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют дешевыми элементами – марганцем, хромом, бором, а также более дорогими – никелем и молибденом. Наибольшая прокаливаемость достигается при комплексном легировании. Однако следует иметь в виду, что по достижении необходимой для данного сечения прокаливаемости дальнейшее увеличение легирующих элементов может не улучшить, а, напротив, ухудшить механические и технологические (обработку резанием, свариваемость и т.д.) свойства. В связи с этим содержание легирующих элементов должно быть минимально необходимым.

Содержание легирующих элементов может изменяться в очень широких пределах: хром или никель – 1% и более процентов; ванадий, молибден, титан, ниобий – 0,1… 0,5%; также кремний и марганец – более 1 %. При содержании легирующих элементов до 0,1 % – микролегирование.

Легирующие элементы повышают стоимость стали, поэтому их использование должно быть строго обоснованно.

Марганец (как легирующий элемент, т.е. при содержании выше 0,8%) сильно упрочняет сталь, повышает предел текучести, но в количестве более 1,5% значительно снижает вязкость. Повышает прокаливаемость. Является аустенитообразующим элементом.

Хром слабо упрочняет феррит, хотя и не снижает порог хладноломкости, незначительно снижает вязкость. Повышает окалиностойкость стали. Повышает прокаливаемость. Является ферритообразующим элементом.

Бор увеличивает прокаливаемость при содержании 0,002 – 0,006%. При большем содержании прокаливаемость падает. Является аустенитообразующим элементом.

Кремний значительно упрочняет сталь, повышает предел текучести, но в количестве более 1% снижает вязкость и повышает порог хладноломкости. Является ферритообразующим элементом.

Молибден, вольфрам, ванадий, титан вводят в небольших количествах (сотых, десятых долях процента) – увеличивают прокаливаемость, измельчают зерно. Являются ферритообразующими элементами.

Повышенное содержание карбидообразующих элементов в конструкционных сталях недопустимо из-за образования труднорастворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению и снижают прокаливаемость стали.

Никель является наиболее ценным легирующим элементом. Достаточно интенсивно упрочняя феррит, не снижая его вязкости; понижает порог хладноломкости, уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений. Является аустенитообразующим элементом. Никель дорогой металл, поэтому в конструкционные стали его вводят совместно с хромом и другими элементами в минимальном количестве.