5.9 Термическая обработка порошковых сталей.

Под термической обработкой понимается совокупность операций нагрева, выдержки при высоких температурах и охлаждения в целях изменения структуры и обрабатываемости материала, улучшения сочетания его механических и физических свойств без изменения формы и размеров изделий.

Возможность применения различных видов термической обработки основана на том, что каждая частица порошкового металла представляет собой компактный металл, в котором при нагреве и охлаждении совершаются такие же превращения, как и в больших объемах литого и кованого металла. Однако резкое отличие порошкового металла от кованого по структурному строению, термодинамическому состоянию не позволяет автоматически переносить закономерности тепловых процессов кованых сталей на порошковые.

Обладая большой активной поверхностью, пористые порошковые изделия при нагревании склонны к обезуглероживанию, окислению, а поэтому при их обработке необходимо применять либо скоростной нагрев, при котором за счет короткого времени нагрева они не успевают окислиться и обезуглеродиться на большую глубину, либо производить нагрев в углесодержащих засыпках, восстановительных и защитных средах. Наличие пор, как правило, заполненных газом, снижает теплопроводность и температуропроводность стальных изделий. В связи с этим при прочих равных условиях скорости нагрева и охлаждения порошковых сталей будут отличаться от соответствующих скоростей для литых и кованых сталей.

Из-за пониженных теплофизических и особенно прочностных и динамических свойств порошковые изделия более чувствительны к тепловым ударам. В то же время поры, являясь концентраторами напряжений, при резком охлаждении вызывают появление значительных неравномерно распределенных термических и фазовых напряжений, наличие которых отражается, как на структуре материала, так и на появлении трещин, что может вызывать растрескивание изделий. Эти же факторы (наряду со значительной структурной неоднородностью) способствуют изменению и термодинамического состояния порошковых сталей.

Началу изучения фазовых превращений послужило выдающееся открытие Д.К. Чернова, который впервые установил связь превращений в стали при нагреве и охлаждении с критическими точками. Дальнейшими исследованиями было установлено, что критические точки являются не зависящими от внешних факторов температурными величинами, а превращения в стали наступают сразу после перехода через равновесную точку. В то же время показано, что на критические точки превращения оказывают влияние скорости нагрева и охлаждения; при этом степень влияния зависит от легированности стали и при определенных условиях вместо одной можно наблюдать две и даже три критические точки. Позднее появились сообщения о том, что на критические точки (помимо скоростей нагрева и охлаждения) большое влияние оказывают структура и дефектность металла, его предварительная обработка. Также установлено, что процесс фазовых превращений происходит не мгновенно, а растянут по времени и характеризуется температурами (временем) t_н— «начала» превращения и t_к —«концом» превращения. Точность определения t_н и t_к при заданной скорости нагрева (охлаждения) зависит от совершенства регистрирующих приборов. Разностью t_к — t_н при заданной скорости нагрева определяется интервал температур, при котором основная масса, например, перлита перешла в аустенит. В связи с этим точка tн соответствует 1-5% образовавшейся новой фазы, а точка t_к — 1-5% оставшейся старой фазы. Поэтому точки t_н и t_к называют техническими или инструментальными критическими точками начала и конца превращения. При этом истинная термодинамическая точка превращения остается на уровне температур фазового равновесия, соответствующего диаграмме состояния Fe-C. Малейший перенагрев над точкой равновесия фаз переводит систему в метастабильное состояние и вызывает образование зародышей новой фазы. Поэтому под перегревом понимается превышение температуры инструментального начала превращения, например точки Ac₁ над критической температурой фазового равновесия точки А₁ = 727°С. В связи с этим наблюдаемое воздействие различных факторов на кинетику фазовых превращений необходимо связывать не с их влиянием на критические точки фазового равновесия, а на инструментальные точки начала и конца превращения.