Превращения в закаленной стали при отпуске

Нагрев до 80-100˚С, нет диффузии и никаких превращений.

 

Нагрев до 100-200˚С – I стадия – начинается распад мартенсита (начинается объединение мартенсита с углеродом), появляются метастабильные мелкие частицы карбидных фаз.

Структура: М_отп + ε-карбид.

 

Нагрев до 200-260˚С – II стадия – продолжается распад мартенсита.

Структура: М_отп + ε-карбид., в инструментальной стали А_ост―›Б.

 

Нагрев до 260-400˚С – III стадия – завершается распад мартенсита.

Структура: Ф+Ц – тростит отпуска (типа тростит).

Нагрев до 400-600˚С – IV стадия – укрупняются частицы Ц – коагуляция Ц.

Структура: Ф+Ц – С_отп – сорбит отпуска (типа сорбит), НВ ~ 3000 МПа.

Нагрев > 600˚С –V стадия – огрубление структуры.

Структура: перлит отпуска, равновесная структура, НВ ~ 2000 МПа.

 

При нагреве закаленной стали постепенно достигается равновесное состояние.

 

 

При отпуске сталь уменьшается в объеме.

I – необратимая отпускная хрупкость (250-300˚С). Отпуск в этой зоне никогда не делается.

II – обратимая отпускная хрупкость (500-600˚С), хрупкость второго рода. Есть 2 способа этого избежать:

- быстрое охлаждение после отпуска в воде;

- в сталь вводят ~0.3% Мо или 0.3% W, после этого сталь не склонна к этой сложности.

Рекомендуемые виды отпуска:

 

Название	tотп, ˚С	Структура	Цель	Свойства	Применение
Низкий	160-250 (отпусков нет)	Мотп+ε	Понизить закалочное напряжение	HRC=60-64 (сохраняет твердость, полученную при закалке)	Инструменты, подшипники
Средний	350-400	Тотп	Снять закалочные напряжения, повысить структурную стабильность	HRC=40-50 (max упругие свойства, выносливость в циклических нагрузках)	Пружины, рессоры
Высокий	500-600	Сотп	Снять закалочные напряжения, создать относительную стабильность структуры	HRC=30-35 (наилучшее сочетание прочности, пластичности, ударной вязкости)	Детали машин (валы, оси)

 

Закалка + высокий отпуск = улучшение

 

Примечание: окончательная ТО (закалка + отпуск) ―› доводка точных размеров.

 

Глава 3. Термическая обработка сплавов, не связанная с фазовыми превращениями

 

1. Устранить химическую неоднородность (ликвацию)

Отливки

Первые кристаллы отличаются по составу от последующих.

Для устранения ликвации необходимо обеспечить диффузию атомов компонентов.

Применяют диффузионный отжиг, t_нагр = (0.8 ÷ 0.9) t_плав

Стали 1100-1300˚С;

Cu 650-800˚С;

Al 350-600˚С;

Очень длительные выдержки и медленное охлаждение.

 

1. Устранить остаточные напряжения (сварка ―› из-за неравномерного нагрева или охлаждения; обработка давлением ―› из-за неравномерной деформации)

Для устранения напряжений необходимо обеспечить перемещение дефектов. Отжиг для снятия напряжений t_нагр ~ 1/3 t_плав

 

1. Устранить наклеп

Необходимо обеспечить первичную рекристаллизацию.

Отжиг рекристаллизационный t_нагр > t_рекр (30, 100 ч)

Если наклеп сохранить, но снять остаточные напряжения, то применяют отжиг дорекристаллизационный t_нагр < t_рекр (100, 150, 200 ч)

 

Итог: Во всех случаях структура приближается к равновесной, цели могут быть различными, кроме одной.

Глава 4. Химико-термическая обработка

 

Общие представления о ХТО

 

Химико-термическая обработка (ХТО) – обработка готовых деталей, сочетающая в себе и химические, и термические воздействия, при которой происходит диффузионное обогащение поверхности атомами одного или нескольких компонентов.

Цель: изменить химический состав, структуру, а следовательно и свойства поверхности.

 

1. Условия для ХТО

● насыщающий компонент растворяется в решетке основного Ме;

● температура должна обеспечивать диффузию;

● деталь должна быть окружена средой, содержащей насыщенный компонент.

 

1. Стадии процесса ХТО

● образование насыщающего компонента в активированном виде (атомы, ионы);

● адсорбция (закрепление) частиц на поверхности, образование градиента концентрации;

● диффузия – самая медленная стадия (быстрее пойдет процесс с атомами внедрения, замещения – медленнее). В итоге образуется диффузионный слой.

Диффузионный слой в этом случае (рис. 101)– твердый раствор, у которого концентрация атомов В постепенно понижается до 0.

 

Обогатить можно (рис. 102), но только в ГЦК решетке Fe, т.е. при температуре выше 911˚С. В этом случае диффузионный слой имеет сплошное строение, слой повторяет структуру диаграммы состояния.

Структура слоя определяется видом диаграммы состояния.

 

Цементация

 

Цементация - это процесс насыщения поверхности стальных деталей углеродом.

Цель: получить на поверхности высокую твердость, а в сердцевине сохранить вязкость.

Такие детали используют для работы в зоне трения и ударных нагрузок.

Стали для цементации должны быть:

● с низким содержанием C: %С ≤ 0,25%;

● обогащаем до концентрации 0,8-1,2%;

● температура насыщения 930˚С;

● среда – карбюризатор

а) твердый (древесный уголь);

б) жидкий (бензол, керосин);

в) газовый (метан);

● детали – зубчатые колеса, поршни, кольца;

● толщина – в зависимости от нагрузки:

а) средние контактные давления 0,5-0,8 мм;

б) большие контактные давления 1-1,2 мм;

● время – долго, тв. ~ 0,1 мм/час, газ ~ 0,2 мм/час при температуре 930˚С. При 10 часах размер зерна увеличивается, используются только природномелкозернистые стали;

● структура слоя:

П+Ц

П

Ф+П

основа

 

Самонасыщение поверхности углеродом твердости не дает;

● сложности ХТО:

а) цели: max твердость поверхности + вязкая сердцевина + измельченное зерно + устранение цементационной сетки;

б) получается фактически 2 стали – сердцевина (констукционна), поверхность (инструментальная).

 

Варианты ХТО

 

I – измельчение зерна, устранение цементационной сетки;

II – max твердость поверхности ―› М+Ц;

вязкая сердцевина ―› Ф+С;

 

Газовая цементация:

Поверхность М+Ц, высокая твердость, сердцевина вязкая.

 

Итог: очень высокая твердость поверхности HV (измерение алмазным конусом), HV ~ 7000.

 

Недостатки:

1. Длительные выдержки + закалка сопровождаются короблением детали, т.е. уходит форма, поэтому при доводке размеров применяется шлифовка и частично снимается диффузионный слой.
2. Высокая твердость поверхности не удерживается при разогреве зубчатого колеса > 100-150˚С. Цементация не применяется для высокоточных и высокоскоростных деталей, зубчатых передач.

 

 

Азотирование

 

Азотирование – насыщение поверхности деталей азотом.

t_нас ~ 500-600˚C

Закалка не нужна.

Fe2N	нитриды
Fe4N
азотистый феррит
основа

 

HV ≥ 5000

Если в сталях есть Cr, Al, Mo, то нитриды имеют HV ≥ 10000-12000.

 

● стали с %С ~ 0,35-0,4% + Сr (2-3%), Al (1%), Mo (0.5%);

● t = 500-600˚С;

● среда – NH₃, N₂;

● толщина – 0,3-0,5 мм;

● время – 48 часов/0,5 мм;

● детали – высокоточные детали зубчатых и червячных передач.

 

Пример маршрута обработки детали:

Заготовка ―› предварительная ТО ―› предварительна мех. обработка ―› улучшение (закалка + высокий отпуск, 500-600˚С) ―› окончательная мех. обработка ―› азотирование 500-600˚С

 

Достоинства азотирования:

1. При азотировании не изменяется структура сердцевины детали, следовательно нет коробления, не нужна доводка точных размеров.
2. Нитриды сохраняют твердость при нагреве до 250˚С, но очень долго.

Ионные методы ХТО

 

Процессы ведутся в плазме тлеющего разряда.

U = 300-1000 B;

N₂ - 1ē ―› N₂¹⁺

Газ ионизированный. Ион азота бомбардирует катод (деталь):

1) идет катодное распыление (очистка поверхности детали от оксидов);

2) резко облегчается адсорбция;

3) поверхность детали разогревается.

Поэтому:

1) процесс ускоряется в 2-3 раза;

2) процесс управляется через давление газа, расход газа, разность потенциалов;

3) экологически чистый процесс.

 

 

ЧАСТЬ 3