Термічна обробка металів

Властивості металів можна змінити шляхом зміни їх хімічного складу та будови. Навіть незначна зміна, наприклад, вуглець в сталі приводить до відчутних змін її властивостей. Від будови також дуже залежать властивості металу. Зміну хімічного складу металу практично можна здійснити тільки коли метал розплавлений. У твердому стані це зробити важко. Будову ж металу можна змінити в твердому стані, тобто в звичайних умовах.

Це можна зробити двома шляхами -- термічною обробкою та пластичною деформацією. Термічна обробка -- це технологічні процеси, які включають нагрівання, витримку та охолодження металічних виробів у певній послідовності з метою зміни властивостей. Будь-який процес термічної обробки може бути виражений графіком в координатах температура - час.

Рис. 1.

Головними параметрами процесу термічної обробки є температура нагріву металу, час витримки та швидкість охолодження.

В основі теорії термічної обробки при нагрівані та охолодженні металів і сплавів лежать фазові перетворення. Фазові перетворення в сталях при повільному нагріванні та охолодженні були розглянуті вище.

Класифікація видів термічної обробки була запропонована академіком А.А.Бочваром. Відповідно до цієї класифікації всі види термічної обробки розділяють на:

1) власнотермічну обробку;

2) хіміко-термічну обробку;

3) термомеханічну обробку.

У кожному виді термічної обробки виділяють різновидності:

При власнотермічній обробці властивості металів та сплавів змінюються тільки тепловою обробкою.

При хіміко-термічній обробці крім обробки теплом зміну властивостей металів і сплавів здійснюють зміною хімічного складу їх поверхні. В поверхню металу на певну глибину впроваджують атоми хімічних елементів (вуглецю, азоту, інших елементів).

При термомеханічній обробці теж крім обробки теплом додатково проводять обробку поверхні металу чи сплаву, але в даному випадку поверхню наклепують.

При нормальних умовах у сталі розчиняється незначна кількість вуглецю. Так, у фериті його розчиняється біля 0,005 %, а у перліті -- 0,8%. З підвищенням температури розчинність вуглецю в сталі зростає і при цьому в утвореному аустеніті вона може досягнути 2,14 %. Це пояснюється тим, що в аустеніті значно зростає відстань між атомами в решітці ГЦК і досягає такої, коли невеликі атоми вуглецю вільно заходять в комірку заліза.

При повільному охолодженні, коли перебудовується комірка ГЦК в ОЦК, вони дифузійно покидають зайняте місце і розчинність вуглецю знову зменшується. Якщо ж сталь охолоджувати швидко, то дифузійний процес не встигає відбутись, зайняте місце атом покинути не встигає. Тоді в комірці ОЦК виявиться надлишок атомів вуглецю, що приведе до її деформації. Замість кубічної, комірка стане витягнуто-тетрагональною. Таку комірку прийнято називати мартенситною. Схематичне зображення цього процесу показане на рис. 2.

Рис.2.

Таким чином, при швидкому охолодженні аустеніту утворюється мартенсит -- пересичений твердий розчин вуглецю в б-залізі.

Перетворення аустеніту у мартенсит відбувається в певному інтервалі температур. Починається перетворення при температурі M n , а закінчується при більш низькій температурі M k. Мартенситні точки залежать від складу сталі, а особливо від вмісту вуглецю (рис. 3).

Рис. 3.

При незначній кількості вуглецю мартенситні перетворення майже відсутні, бо незначне збільшення його розчинності не змінює комірку до тетрагонального вигляду. При збільшенні вмісту вуглецю температурний інтервал (відстань між точками M_n і M_k ) зростає, а точка М наближається до осі концентрацій. При вмісті вуглецю близько 0,6 % лінія точок М_k перетинає вісь концентрацій, тобто кінець мартенситних перетворень відповідає 0^oC . Подальше збільшення вмісту вуглецю приводить до того, що завершення мартенситних перетворень відбувається при від'ємних температурах.

Проте перетворення аустеніту у мартенсит не йде до кінця. В сталях завжди спостерігається залишковий аустеніт. Його кількість збільшується при зниженні точок Mn. Залишковий аустеніт є шкідливою домішкою у сталях, особливо в інструментальних.

Для розуміння явищ, які відбуваються в металі при термічній обробці, та визначення режиму її здійснення, проводять експериментальне дослідження розпаду аустеніту при певних постійних температурах. Для спостереження за розпадом аустеніту можна скористатися тим, що він не проявляє феромагнитних властивостей, тобто є парамагнетиком.

Такий експеримент можна провести з будь-якою сталлю, але для спрощення розглянемо ізотермічний розпад аустеніту евтектоїдної сталі (0,8 %). Зразок нагрівають вище температури лінії точок A1 . При цьому весь перліт перетвориться в аустеніт. Потім зразок переносять у термостати, які мають температури 700, 600, 500, 400, 300 oC . У кожному термостаті спостерігають за розпадом аустеніту і будують залежність між кількістю розпавшогося аустеніту і часом. Час на горизонтальній осі заносять у логарифмічній залежності. Це дає можливість прослідкувати за перетвореннями, які відбуваються від долей секунд до доби і більше.

При розміщенні зразка в термостат з температурою t1 = 700 oC певний час ніяких фазових перетворень не спостерігається. Цей час на графіку (рис. 16) позначений точкою a1. Його називають часом інкубаційного періоду, тобто часом, протягом якого утворюються зародки нового зерна. Потім спочатку повільно, а далі дуже швидко починає розпадатись аустеніт. У кінці розпад знову сповільнюється і завершується в точціб1. При перенесенні нагрітого зразка в кожний послідуючий термостат характер розпаду аустеніту аналогічний, але відмінність спостерігалась в часі інкубаційного періоду. Спочатку він зменшувався (до 500 oC ), а потім почав зростати.

Для зручності користування дані отриманого графіка (рис. 4, а) можна перенести в нову систему координат. По вертикалі відкласти температуру, а по горизонталі -- логарифм часу (рис. 4, б).

На новій діаграмі отримуються дві С-подібні лінії. Ліва з них -- відповідає початку, а права -- кінцю розпаду аустені- ту. Проміжок між ними показує час розпаду аустеніту.

Рис. 4

На діаграмі ізотермічного розпаду аустеніту, в залежності від степеня переохолодження, розрізняють три температурні області перетворення: перлітну, бейнітну та мартенситну.

Перлітне перетворення відбувається по горизонтальній лінії при температурі в межах 700-500^oC. По цій лінії аустеніт розпадається в перліт.

При температурі 650^oC інкубаційний період і час розпаду аустеніту зменшуються, в результаті утворюється структура сорбіт -- різновидність перліту (механічна суміш фериту і цементиту з більшою дисперсністю карбідної складової).

При температурі 500^oC аустеніт перетворюється в троостит, який являє собою дуже тонку суміш фериту і цементиту. Сталь, яка має структуру трооститу має підвищену твердість, достатню міцність, хорошу в'язкість і пластичність.

При температурах у межах 400^oC відбувається розпад аустеніту у бейніт. Особливістю бейнітного перетворення є те, що воно протікає в інтервалі температур, де практично відсутня самодифузія заліза і легуючих елементів, але інтенсивно може відбуватись дифузія вуглецю. Спочатку аустеніт збіднюється із-за виділення карбідів вуглецю, що спричинює (при досягненні певного збіднення) утворення мартенситу. Чим вища температура ізотермічної витримки, тим більше збіднюється аустеніт, тим менше утворюється мартенситу. Тому зовнішній вигляд структури бейніту суттєво залежить від температури його утворення. Бейніт розділяють на верхній і нижній, залежно від того при якій температурі він утворюється -- зверху інтервалу чи знизу. Нижній бейніт за своєю природою та властивостями мало відрізняється від ізотермічного мартенситу.

Головна відмінність бейніту від перлітних структур (перліту, сорбіту, трооститу) -- вміст вуглецю у фериті. При високих температурах вуглецю у фериті 0,01 -- 0,02 %, а при низьких -- 0,1 -- 0,2 %. При температурах у межах 200 oC відбувається розпад аустеніту у мартенсит. Мартенсит має характерну голчасту структуру.

Таким чином, основним фактором, який визначає структуру та властивості аустеніту, є температура перетворення. Якщо на діаграмі розпаду аустеніту нанести промені (лінії охолодження), то можемо вище сказані перетворення пов'язати з відповідними лініями.

Верхня лінія v1 показує швидкість охолодження, при якій утворюється перліт, v₂ -- сорбіт, v₃-- троостит і v₄ -- бейніт. Лінії, які не перетинають С-діаграму, показують швидкість охолодження аустеніту при якій утворюється мартенсит. Лінія, яка дотикається С-діаграми, називається критичною. Швидкість охолодження, яка відповідає цій лінії, називається критичною -- v_кр. Ця швидкість відповідає охолодженню в охолодженому середовищі (воді, розчині солей у воді, мінеральних маслах тощо).

Як зазначалось, мартенсит утворюється, якщо аустеніт охолоджувати з швидкістю більшеvкр. Але чим більша швидкість охолодження, тим будуть більші внутрішні напруги, які потім важко усунути. Тому для утворення мартенситу аустеніт потрібно охолоджувати з швидкістю, близькою до v_кр. В нижній частині в окремих випадках швидкість охолодження варто зменшити, що сприятиме зменшенню внутрішніх напруг. Це можна здійснити шляхом охолодження аустеніту в двох середовищах з різною теплопровідністю (через воду в мастило).

Для доевтектоїдної сталі С-діаграма зберігає загальний вигляд (рис. 5), хоча є і відмінності, особливо у верхній частині. При переохолодженні до 650oC перетворення починається виділенням фериту. Після цього починається розпад аустеніту на перліт.

Рис. 5.

Продукти перетворення аустеніту і їх твердість HRC

Перліт 10

Сорбіт 20

Троостит 30

Бейніт 40

Мартенсит 60

Внесення в сталь легуючих елементів теж певною мірою змінює С-діаграму. Причому ці зміни залежать від того карбідоутворюючі чи не карбідоутворюючі елементи. Не карбідоутворюючі легуючі елементи зсовують С-діаграму вправо (рис. 6, а), а карбідоутворюючі -- розривають її ніби на дві частини (рис. 6, б).

а) б)

Рис. 6.

Верхня частина відповідає перлітному, а нижня бейнітному перетворенню. Особливістю бейнітного перетворення є те, що воно не йде до кінця. Частина аустеніту, який залишається, перетворюється у мартенсит. Тоді кінцева структура буде Б ? М .

Зазначені вище особливості С-діаграми суттєво впливають на режим термічної обробки легованих сталей. Внесення в сталь легуючих елементів зменшує критичну швидкість охолодження. В окремих випадках вона може навіть відповідати охолодженню на повітрі. В той же час збільшується кількість залишкового аустеніту. Легуючі елементи збільшують гартуємість сталі. Особливо сприяє цьому молібден.

Більшість легуючих компонентів підвищують температуру критичних точок A1 іA3 . Наприклад, лінія перлітногоперетворенняA1 буде проходити не через 727^oC, а вище. Дифузійні процеси в легованих сталях проходять значно повільніше, поскільки легуючі елементи утворюють тверді розчини заміщення, а вуглець -- втілення. Тому, наприклад, при гартуванні сталь треба нагрівати на 50 -- 60 oC вище лінії A3. В результаті гартування легованих сталей отримують структуру легованого мартенситу, що суттєво впливає на процеси, які протікають при відпуску.

Як зазначалося вище, термічна обробка сталі проводиться за такою схемою: нагрівання -- витримка -- охолодження. Тому для проведення будь-якого виду термічної обробки треба знати, до якої температури нагрівати сталь, скільки часу витримувати та з якою швидкістю охолоджувати (тобто в якому середовищі охолоджувати).

Виходячи з цього, розглянемо технологію проведення кожного з видів власнотермічної обробки за такою схемою: спочатку з'ясуємо призначення та види даної термічної обробки, потім установимо температуру нагріву сталі (зону нагрівання сталі покажемо на скелетній схемі діаграми залізоцементит), час витримки при цій температурі та швидкість охолодження.

Відпал І роду призначений для зняття внутрішніх напруг, відновлення структури та усунення ліквацій (вирівнювання хімічного складу). Відповідно до призначення виділяють три види відпалу першого роду: відпал для зняття внутрішніх напруг, рекристалізаційний та дифузійний (гомогенізаційний).

При проведенні відпалу для зняття внутрішніх напруг сталь нагрівають до температури 400-600 oC (рис. 7).

Рис. 7.

термічний метал аустеніт сталь

При рекристалізаційному відпалі нагрівають до 700 - 750^oC , а при дифузійному до 1000 -- 1100^oC . При всіх видах відпалу першого роду сталь витримують тривалий час.

Його визначають за довідниковою літературою відповідно до площі поперечного перерізу виробу. Так, для тонких листів сталі та дроту витримка триває 25 -- 30 хв., а дифузійний відпал легованих сталей триває 8 -- 10 годин. Відпал для зняття внутрішніх напруг проводиться з витримкою 2,5 хв. на 1 мм площі поперечного перерізу виробу. Охолоджують сталь після витримки в усіх випадках тривалий час (разом з піччю).

Відпал II роду призначений для попередньої теплової обробки перед механічною обробкою. На відміну від відпалу першого роду при відпалі другого роду фазові перетворення відіграють суттєву роль. Виділяють повний, неповний відпал та нормалізацію. Повний відпал проводиться для доевтектоїдних сталей, неповний -- для заевтектоїдних, а нормалізація -- для всіх сталей.

При повному відпалу сталі нагріваються до температури вище лінії .A3 на 30 -- 50^oC. Зона нагрівання показана на рис. 8

Рис. 8.

При неповному відпалу сталі нагріваються до температури вище лініїA1 на 30 -- 50^oC . Нормалізація доевтектоїдних сталей проводиться притемпературі вище лінії A3 на 30 -- 50 oC , а заевтектоїдних -- вище лінії Aст на 30 -- 50^oC. Витримка при всіх видах відпалу другого роду пропорційна площі поперечного перерізу заготовки. Час витримки визначається з довідника.

Охолодження при повному і неповному відпалах другого роду повільне (разом з піччю), а при нормалізації охолодження заготовки відбувається на спокійному повітрі.

Повний відпал застосовують в основному після гарячої обробки поковок тиском та відливок з метою подрібнення зерен і зняття внутрішніх напруг.

Неповний відпал призначений для зняття внутрішніх напруг, зменшення твердості, підвищення пластичності, покращання оброблюваності різанням.

При нормалізації зменшуються внутрішні напруги, відбувається перекристалізація сталі, завдяки якій подрібнюється крупнозерниста структура зварних швів, виливків та поковок. Оскільки при нормалізації охолодження відбувається на повітрі, то вона, є дешевшою за повний та неповний відпал.

Гартування призначене для підвищення твердості та зносостійкості сталі. Виділяють два види гартування -- повне та неповне. Повне проводиться для доевтектоїдних сталей, а неповне -- для заевтектоїдних.

Неповне гартування для заевтектоїдних сталей проводять тому, що при повному гартуванні нагрівання вище лінії Aст викликало б швидкий ріст зерна і утворення після гартування крихкого крупнозернистого мартенситу. Крім того, при цьому збільшується кількість залишкового аустеніту та вели- чина внутрішніх напруг. Підвищений нагрів також спричиняє розпад твердої складової заевтектоїдної сталі цементиту, який твердіший за мартенсит. Це спричиняє зниження загальної твердості. Температура нагрівання при повному гартуванні вищелінії A3 , на 30 -- 50 oC , а при неповному вище лінії A1 на 30 -- 50oC (рис. 9).

Рис. 9.

Час витримки пропорційний перерізу деталі, вибирається по довіднику. При гартуванні сталі дуже важливо правильно вибрати охолоджуюче середовище. Основна вимога до нього -- висока швидкість охолодження в області температур 650 -- 550^oC і більш низька -- нижче 300^oC. Це обумовлене тим, що при температурах 550 -- 650 oC дифузійна рухливість атомів вуглецю і заліза ще не достатньо велика, а стабільність переохолодженого аустеніту мінімальна. Тому бажано уповільнити дифузійні процеси, швидко «проскочивши» ці температури. В області високої стабільності аустеніту (нижче 300^oC) мартенситне перетворення іде із значним збільшенням об'єму сталі, тому бажано охолоджувати повільніше. При цьому внутрішні напруги не приведуть до короблення та появи тріщин у деталях.

Як охолоджуюче середовище використовують воду, мінеральне мастило, водний розчин 10 %-ного розчину NaCl, розчинені солі, луги тощо. Ведуться пошуки заміни мінеральних масел більш дешевими і безпечними синтетичними охолоджувачами.

Якщо прийняти охолоджувальну здатність води при 20 oC за одиницю, то охолоджувальна здатність мастила буде рівна 0,17 -- 0,44, розплавленого свинцю (при 335^oC ) -- 0,05, повітря -- 0,03. При нагріванні води з 20 до 99^oC охолоджувальна здатність її змінюється від 1 до 0,07. У зоні перлітних перетворень (650^oC ) вода охолоджує в 5 -- 6 разів швидше ніж мастило.

Охолоджуючі середовища діють так: на першому етапі в момент, коли опускають виріб в охолоджуюче середовище, навколо нього утворюється плівка перегрітої пари (парова сорочка). Це уповільнює охолодження виробу. Цей етап називають плівкове кипіння. Далі парова сорочка розривається і охолоджуюча рідина починає кипіти на поверхні виробу. Цей етап називають бульбашкове кипіння. Швидкість охолодження зростає. Коли температура поверхні виробу стає меншою температури кипіння рідини, охолодження виробу сповільнюється. Цей етап називається етапом конвективного теплообміну. Таким чином, чим довше проходить бульбашкове кипіння, тим інтенсивніше охолоджується виріб. Це при гартуванні треба враховувати. Виріб у охолоджуючій рідині треба переміщати для того, щоб руйнувалась парова сорочка.

На практиці застосовуються різні способи охолодження і гартування в одному середовищі, в двох середовищах, ступінчасте, ізотермічне, з підстужуванням, з самовідпуском, з обробкою холодом тощо. Найбільш поширеним є гартування в одному середовищі. При цьому деталь опускають у охолоджуюче середовище і повністю охолоджують. Недоліком цього способу є те, що виріб охолоджується нерівномірно по перерізу і тому виникають великі внутрішні напруги.

При гартуванні в двох середовищах нагрітий виріб спочатку занурюють в середовище, яке здатне охолоджувати швидко (воду), а потім переносять його в інше середовище, яке охолоджує повільніше (мастило). Таке гартування, наприклад, застосовують для обробки інструментів, які виготовлені з високовуглецевих сталей. Однак при цьому способі дуже важко встановити точний час зміни середовища.

Ступінчасте гартування полягає в тому, що нагрітий виріб спочатку охолоджують в гарячому мастилі до температури дещо вищої початку мартенситного перетворення, а потім після кожної ізотермічної витримки (щоб вирівнялась температура по перерізу виробу) охолоджують на повітрі. При такому гартуванні зменшуються внутрішні напруги.

Ізотермічне гартування виконується так же, як і ступінчасте але витримка в охолоджуючому середовищі більш тривала. При цьому відбувається ізотермічний розпад-аустеніту в бейніт. Так гартують інструменти з сталей 9ХС, ХВГ та ін.

Гартування з підстужуванням застосовують для зменшення різниці температур металу і охолоджуючого середовища, якщо виріб нагрітий до температури, яка значно перевищує необхідну для гартування. Наприклад, підстужування потрібне після цементації.

Гартування з самовідпуском полягає в тому, що робочу частину нагрітого виробу занурюють в охолоджене середовище і витримують не до повного охолодження. За рахунок тепла неробочої частини виробу, яка не занурювалась, нагрівається робоча. Температуру відпуску при цьому способі гартування визначають за кольором металу. Таке охолодження застосовують при гартуванні зубил, кернерів, бородків та інших ударних інструментів, у яких твердість повинна змешуватись від робочої частини до ударної.

Гартування з обробкою холодом полягає в тому, що охолодження сталі продовжується нижче кімнатної температури до кінця мартенситного перетворення. Це робиться з метою зменшення кількості залишкового аустеніту. Якщо цього не робити при гартуванні вуглецевих і легованих сталей, то в них буде біля 12% залишкового аустеніту, а в швидкоріжучих -- більше 35%. Найбільш поширеним охолоджуючим середовищем з температурою - 78^oC є суміш ацетону та твердої вуглекислоти.

Для отримання в'язкої серцевини та високої твердості поверхні деталі застосовують поверхневе гартування. Його суть нічим не відрізняється від загальноприйнятого гартування. Різниця полягає в тому, що нагрівається тільки поверхня деталі.

В даний час існує декілька способів швидкого нагрівання поверхні деталі, залишаючи не нагрітою її серцевину. Це досягається струмом високої частоти, лазерами, полум'ям тощо. Найбільше застосування в машинобудуванні знайшло індуктивне нагрівання струмом високої частоти. Швидке нагрівання створює градієнт температур -- поверхня (на глибину 1,5 -- 5 мм) має температуру вище A3, а серцевина -- значно нижчу. Після швидкого охолодження поверхня гартується, а серцевина або неповністю, або зовсім не гартується. Поверхневому гартуванню підлягають частіше вуглецеві сталі (0,4 -- 0,5 % С), рідше леговані (хромисті, хромонікелеві та ін). Так, поверхневе гартування проводять колінчатих і розподільчих валів, шестерен, валків прокатних станів холодної прокатки тощо.

Відпуск -- це процес термічної обробки, який проводиться після гартування з метою зняття, внутрішніх напруг.

Виділяють три види відпуску: низький, середній та високий.

При низькому відпуску загартований виріб нагрівають до 150 -- 250^oC, у середньому -- 300 -- 500^oC , а високому -- 500 -- 650^oC . Витримка при цих температурах залежить від площі поперечного перерізу виробу. Охолодження відбувається на спокійному повітрі. Вид відпуску вибирають в залежності від умов роботи виробу (рис. 10).

Низький відпуск застосовують в метою підвищення в'язкості без помітного зменшення твердості виробу. Наприклад, для інструментальних сталей, після цементації тощо.

Середній відпуск, при якому помітно зменшується твердість і зростає в'язкість, застосовують, наприклад, для пружин, ресор і деяких інструментів.

Рис. 10.

При високому відпуску мартенсит розпадається у сорбіт відпуску, що приводить до найкращого поєднання міцності та пластичності сталі. Застосовується цей вид відпуску для деталей, які виготовлені з конструкційної сталі і працюють при ударних навантаженнях.

Гартування з наступним високим відпуском називають покращанням.

Відпуск, з невисоким нагрівом, називають штучним старінням. Процес штучного старіння полягає в тому, що загартовані деталі нагрівають 18 -- 35 годин у масляних ваннах. При цьому стабілізується розміри деталі, а твердість і структура не змінюються.

Якщо відпуск відбувається при кімнатній температурі, то цей процес називають природним старінням. При природному старінні деталі та інструменти витримують при кімнатній температурі три і більше місяців.

Література