Отпуск сталей.
В зависимости от температурного интервала принято различать три вида отпуска:
Низкий при Т = 120-250оС.
Средний при Т = 350-450оС.
Высокий при Т = 500-680оС.
Продолжительность выдержки при отпуске устанавливается с таким расчётом, чтобы обеспечить стабильность свойств стали.
При низком отпуске инструментов продолжительность отпуска чаще составляет от 30 минут до 2 часов в зависимости от сечения инструмента. Продолжительность отпуска увеличивается до 10-15 час, если температура низкого отпуска не превышает 100-120оС. В этом случае, например, при отпуске мерительного инструмента, когда падение твёрдости нежелательно, такой продолжительный отпуск позволяет исключить объёмные изменения в процессе эксплуатации инструмента.
Продолжительность высокого и среднего отпуска обычно составляет:
От 1 до 2 часов для деталей небольшого сечения;
От 3 до 8 часов для деталей массой от 200 до 1000 кг (диски газовых и паровых турбин, валы и цельнокованые роторы турбин и другие детали большой массы).
Структуру стали, образовавшуюся при температурах низкого отпуска, называют отпущенным мартенситом (рис.4.26).
При более высоких нагревах в углеродистых сталях происходят изменение структуры, не связанные с фазовыми превращениями: изменяется форма, размер карбидов и структура феррита. Начиная с температур 400оС происходит постепенное коагуляция и сфероидизация карбидов, уменьшается плотность дислокаций, устраняются границы между пластинчатыми кристаллами феррита, в результате чего зёрна феррита укрупняются, и их форма приближается к равноосной. Эти процессы приводят к снятию фазового наклёпа.
Ферритно-карбидную смесь, которая образуется после высокого отпуска при температуре 450-650оС, называют сорбитом отпуска. Дальнейшее повышение температуры до критической точки А1, образуется грубая ферритно-карбидная смесь – зернистый перлит.
а б
Рис.4.26 Структуры сталей после отпуска: а – мартенсит отпуска; б – сорбит отпуска
Так как структура отпущенной стали формируется в период выдержки при температуре отпуска, интенсивность последующего охлаждения не оказывает влияние на структурное состояние, стали. Обычно от температуры отпуска детали охлаждают на спокойном воздухе.
Свойства отпущенной стали (рис.4.27).
Рис. 4.27 Механические свойства отпущенной стали
Комплексную термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокого отпуска конструкционных сталей, называют улучшением.
Влияние легирующих элементов на процесс отпуска. В процессе отпуска в легированных сталях (Сr, Mo, W, V, Co, Si) происходят следующие процессы:
затрудняется распад мартенсита: он завершается при нагреве до температуры 450-500оС; карбидообразующие элементы (Сr, Mo, W, V) уменьшают скорость диффузии углерода вследствие химического сродства с ним; легирующие элементы в сталях увеличивают силы межатомной связи в твёрдом растворе. Вследствие этого стали приобретают повышенную сопротивляемость отпуску (теплостойкость);
в сталях с большим количеством карбидообразующих элементов температурой отпуска определяется тип выделяющихся карбидов. При более высоких температурах становится возможным образование специальных карбидов: кристаллы цементита постепенно исчезают, а вместо них появляются более дисперсные специальные карбиды;
все карбидообразующие элементы замедляют коагуляцию карбидов; наиболее медленно коагулируют специальные карбиды типа М6С и МС, заметное укрупнение таких карбидов происходит при температуре, большей 550-600оС;
многие легирующие элементы повышают температурный интервал распада остаточного аустенита до 400-580оС.
В конструкционных сталях, количество углерода в которых обычно не превышает 0,7%, твёрдость снижается непрерывно, однако снижение не велико до температур 100-120оС. В инструментальных сталях с более высоким содержанием углерода эффект твердения вследствие выделения έ-карбида преобладает, поэтому твёрдость при отпуске до 100-120оС несколько увеличивается. Изменение твёрдости углеродистых сталей в интервале температур второго превращения в большей степени зависит от количества остаточного аустенита; например, встали с содержанием 1,2%С в интервале температур 200-300оС уменьшается интенсивность снижения твёрдости.
Аналогично углеродистым сталям изменяется твёрдость при отпуске низколегированных и среднелегированных сталей, не содержащих карбидообразующих легирующих элементов (рис.4.28).
Сильные карбидообразователи сдерживают выделение карбидов железа (Fe3C), поэтому при температуре отпуска до 400-500оС твёрдость снижается незначительно. При температурах выделения дисперсных специальных карбидов в сложно легированных сталях (Cr-W-V, Cr-Mo-V и др.) происходит повышение твердости, несмотря на уменьшения углерода в мартенсите при температурах выше 400оС.
Ударная вязкость (КСU) непосредственно после закалки низкая. С повышением температуры отпуска ударная вязкость возрастает, однако есть два температурных интервала, при которых ударная вязкость конструкционных сталей заметно снижается:
250-350оС – отпускная хрупкость первого рода (необратимая);
500-600оС – отпускная хрупкость второго рода (обратимая).
Отпускная хрупкость (рис.4.29) первого рода наблюдается у всех конструкционных сталей независимо от степени легирования. Отпускная хрупкость второго рода наблюдается только у легированных конструкционных сталей – хромистых, марганцевых, хромоникелевых, хромомарганцевых и ряд др. Отпускная хрупкость второго рода заметно подавляется при быстром охлаждении (в воде или масле) в диапазоне этих температур или сталь дополнительно легируют молибденом или вольфрамом в количестве 0,3 и 1% соответственно.
Рис.4.28 Влияние легирующих элементов на механические свойства отпущенных сталей
Рис.4.29 Отпускная хрупкость в сталях
Надо знать: принципиальная возможность применения того или другого вида термообработки может быть определена на основании диаграмм фазового равновесия.
Например, диаграмма сплавов с переменной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии (рис.4.30).
Переменная растворимость компонентов в твёрдом состоянии даёт возможность значительно упрочнять сплавы путём термической обработки. Это привело к широкому использованию сплавов этого типа – стареющих сплавов – в качестве конструкционных материалов повышенной и высокой прочности. Сплавы – на алюминиевой, медной, железной, никелевой, кобальтовой, титановой и других основах.
Рис.4.30 Диаграмма сплавов с переменной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии
Сущность упрочняющей термической обработки стареющих сплавов заключается в образовании дисперсной структуры, которая образуется при термической обработки, состоящей из двух операций – закалки и старения (выделения вторичной фазы из пересыщенного твёрдого раствора) рис.4.31.
Старение, происходящее при повышенных температурах, называют искусственным. В сплавах на основе низкоплавких металлов старение может проходить при температуре 20 – 25оС в процессе выдержки после закалки, такое старение называют естественным.
При старении уменьшается концентрация пересыщенного компонента в твёрдом растворе; этот компонент расходуется на образование выделений.
Рис.4.31 Микроструктура дюралюминия
Тип выделений, их размер и характер сопряжённости с решёткой твёрдого раствора зависят как от вида сплава, так и от условий старения, т.е. температуры и времени выдержки.
Если время выдержки достаточно велико, происходит коагуляция стабильных кристаллов. Коагуляцией называют рост кристаллов той фазы, которая распределена в виде включений в основе сплава.
Степень упрочнения при старении может быть очень высокой. Так, твёрдость и временное сопротивление дуралюминов при оптимальных условиях старения увеличиваются в 2 раза, в бериллиевых бронзах - в 3 раза.
Термическую обработку, приводящую к получению стабильной структуры (после коагуляции и сфероидизация), называют стабилизацией; термин подчёркивает получение более устойчивой структуры при возможном нагреве сплава в условиях эксплуатации.
Основное оборудование для термической обработки.
К основному оборудованию для термической обработки относятся печи, нагревательные устройства и охлаждающие устройства.
По источнику теплоты печи подразделяют на электрические и топливные (газовые и редко мазутные) рис.4.32.
Для того чтобы избежать окисления и обезуглероживания стальных деталей при нагреве, рабочее пространство современных термических печей заполняют специальными защитными газовыми средами или нагревательную камеру вакуумируют. Для повышения производительности термической обработки мелких деталей машин и приборов применяют скоростной нагрев, т.е. загружают их в окончательно нагретую печь. Возникшие при нагреве временные тепловые напряжения не вызывают образования трещин и короблений.
Однако скоростной нагрев опасен для крупных деталей, поэтому нагрев таких деталей производят медленно (вместе с печью) или ступенчато. Иногда быстрый нагрев производят в печах – ваннах с расплавленной солью (свёрла, метчики и другие мелкие инструменты) рис.4.33.
Рис.4.32 Промышленные термические печи
Рис.4.33 Нагрев деталей в соляных ваннах
4.4 Цементация и азотирование сталей
Цементация и азотирование – разновидность технологических процессов химико-термической обработки металлов и сплавов (ХТО).
Химико-термической обработкой (ХТО) называют технологические процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными элементами.
Цель ХТО: повышение твёрдости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии.
Структура цементованного слоя (рис.4.34). Наружная часть слоя, содержащая более 0,8%С, имеет структуру заэвтектойдных сталей – перлит и вторичный цементит в виде сетки по границам зёрен. Средняя часть слоя, имеющая эвтектойдную концентрацию, состоит из перлита. Далее по направлению к сердцевине концентрация углерода уменьшается, структура соответствует, доэвтектойдной стали, причём количество перлита уменьшается при приближении к сердцевине.
Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5 – 1,8 мм и в исключительных случаях достигает 6 мм при больших контактных нагрузках на цементованную поверхность.
Рис.4.34 Микроструктура цементованного слоя
Надо помнить, что структура после цементации получается крупнозернистой в связи с длительной выдержкой деталей при температуре науглероживания. Длительность изотермической выдержки при цементации зависит от заданной толщины слоя и марки, цементируемой стали.
Термическая обработка после цементации. В зависимости от условий работы, а также от выбранной для изготовления детали стали, и получения заданного комплекса свойств после цементации упрочняющая термическая обработка может быть различной (рис.4.35).
Рис.4.35 Различные режимы упрочняющей термической обработки
Для тяжелонагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружения, в результате термической обработки нужно получить не только высокую поверхностную твёрдость, но и высокую прочность (например, для зубчатых колёс – высокая прочность на изгиб) и высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств требуется получить мелкое зерно, как на поверхности детали, так и в сердцевине. В таких ответственных случаях цементованные детали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска.
При первой закалке деталь нагревают, до температуры на 30-50оС выше температуры А3 цементируемой стали. Это обеспечит перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что в свою очередь обеспечит мелкозернистость продуктов распада.
При второй закалке деталь нагревают до температуры на 30-50оС выше температуры А1. В процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровождается образованием глобулярных карбидов, которые в определённом количестве сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектойдной части слоя, увеличивая его твёрдость. Вторая закалка обеспечивает также мелкое зерно в науглероженном слое.
Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160-200оС, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твёрдости стали.
Структура после двойной закалки и низкого отпуска – отпущенный мартенсит с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины детали зависит, от легированности стали. В углеродистых сталях в сердцевине получается сорбитная структура. В легированных сталях, в зависимости от количества легирующих элементов, может получиться бейнит или низкоуглеродистый мартенсит. Во всех случаях из-за низкого содержания углерода будет обеспечена достаточно высокая ударная вязкость.
Детали менее ответственного назначения после цементации подвергают более простой термической обработке, состоящей из одной закалки и низкого отпуска.
Если для цементации выбирают природно – мелкозернистые стали и содержание углерода на поверхности близко к эвтектойдному, то и при одной закалке получают удовлетворительные свойства, как в сердцевине, так и в цементованном слое. Однократная закалка широко используется на заводах массового производства, где цементацию ведут в газовом карбюризаторе. Выгодно и удобно закалку проводить с температур цементации. Цементованные детали подвергают шлифованию.
Азотирование стали. Цель: повысить износостойкость и предел выносливости деталей машин (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки, валики и др.).
До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.
Обычно азотирование проводят при температуре 500-600оС в муфелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий (лат. Диссоциация – распадение молекул на несколько более простые частицы) аммиак.
Вероятно, что на стальной поверхности происходит реакция диссоциации аммиака с выделением ионов азота, которые адсорбируются поверхностью детали, а затем диффундируют в глубь.
Азотированная сталь, имеющая на поверхности слой έ-фазы, коррозионностойка в воде и в атмосферных условиях. Высокие твёрдость и износостойкость получаются после азотирования комплексно-легированных сталей. Например, сталь 38Х2МЮА – твёрдость азотированного слоя достигает 12000НV. Молибден также устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования.
Процесс азотирования – весьма длительная операция. Требуется от 40 до 55 час. Для получения диффузионной зоны толщиной около 0,5 мм.
Надо помнить: по сравнению с цементованными, азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твёрдость и износостойкость. Однако азотирование используют реже, чем цементацию, из-за большой длительности процесса и меньшей толщины упрочнённого слоя, что ограничивает величину контактных нагрузок на поверхность детали.
Одновременное насыщение поверхности стали углеродом и азотом (нитроцементация).
Исследования показали, что в ряде случаев совместное диффузионное насыщение стали азотом и углеродом позволяет получить определённые преимущества.
Например, азот способствует диффузии углерода, поэтому можно понизить температуру диффузионного насыщения до 850оС и получить такое же науглероживание, как при цементации. В этом случае уменьшится рост зерна аустенита и последующую закалку можно проводить сразу же после некоторого подстуживания.
Нитроцементованный слой хорошо сопротивляется износу и коррозии.
Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и тракторных заводах для упрочнения поверхностей не шлифуемых деталей.
Существенный недостаток цианирования – ядовитость цианистых солей (ионов СN-), что требует принятия специальных мер по охране труда и окружающей среды.
Для информации: разработаны низкотемпературные процессы насыщения азотом и углеродом из расплавов нетоксичных солей – цианатов и карбонатов. Такие процессы известны под названием «Карбонитрация» (Россия), «Тенифер» (Германия) и «Мелонайт» (США).
Специальными мерами (продувка ванны воздухом, охлаждение деталей в расплаве едкого натра и нитрита натрия) добиваются ликвидации образования ионов [CN-].
Для повышения стойкости быстрорежущего инструмента после закалки и высокого отпуска проводят карбонитрацию.
Надо помнить, что обработанные по оптимальным режимам диффузионного насыщения углеродистые стали по кислотостойкости, не уступят дорогим хромоникелевым аустенитным сталям.