Производство сплавов

     ВВЕДЕНИЕ

     Термическую обработку применяют на различных  стадиях производства деталей машин  и металлоизделий. В одних случаях  она может быть промежуточной  операцией, служащей для улучшения  обрабатываемости сплавов давлением, резанием, в других – является окончательной операцией, обеспечивающей необходимый комплекс показателей механических, физических и эксплуатационных свойств изделий или полуфабрикатов. Полуфабрикаты подвергают термической обработке для улучшения структуры, снижения твердости (улучшения обрабатываемости), а детали – для придания им определенных, требуемых свойств (твердости, износостойкости, прочности и других). 

     В результате термической обработки  свойства сплавов могут быть изменены в широких пределах. Возможность  значительного повышения механических свойств после термической обработки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и массу машин и механизмов, повысить надежность и срок службы изделий. Улучшение свойств в результате термической обработки позволяет применять сплавы более простых составов, а поэтому более дешевые. Сплавы приобретают также некоторые новые свойства, в связи с чем расширяется область их применения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Термической обработкой называется технологический процесс, состоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изделий из металлов и сплавов, целью которого является изменение их структуры и свойств в заданном направлении.

     Термическая обработка рассматривает и объясняет  изменение строения и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии, а также при тепловом воздействии в сочетании с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями.

     Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной  технике способов получения заданных свойств металлов и сплавов. Термическая обработка применяется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., либо как окончательная операция для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который сможет обеспечить заданные эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее изделия (конструкция), тем, как правило, в ней больше термически обработанных деталей.

     Так как основными факторами любого вида термической обработки являются температура и время, то любой процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени.

     При рассмотрении разных видов термообработки железо-углеродистых сплавов (стали, чугуны) используются следующие условные обозначения критических точек этих сплавов (рис. 1.1).   

     Рис. 1.1. Обозначение критических точек стали   

     Критические точки А₁ лежат на линии PSK (727 °C). Критические точки А₂ находятся на линии МО (768 °C). Критические точки А₃ лежат на линии GS, а критические точки А_cm — на линии SE.

     Вследствие  теплового гистерезиса превращения  при нагреве и охлаждении проходят при разных температурах. Поэтому для обозначения критических точек при нагреве и охлаждении используют дополнительные индексы: буквы «с» в случае нагрева и «r» в случае охлаждения. Например, А_С1, А_С3, А_r1, А_r3.

     Историческая  справка. Человек использует Т. о. металлов с древнейших времён. Ещё в эпоху энеолита, применяя холодную ковку самородных золота и меди, первобытный человек столкнулся с явлением наклёпа, которое затрудняло изготовление изделий с тонкими лезвиями и острыми наконечниками, и для восстановления пластичности кузнец должен был нагревать холоднокованую медь в очаге. Наиболее ранние свидетельства о применении смягчающего отжига наклёпанного металла относятся к концу 5-го тысячелетия до н. э. Такой отжиг по времени появления был первой операцией Т. о. металлов. При изготовлении оружия и орудий труда из железа, полученного с использованием сыродутного процесса, кузнец нагревал железную заготовку для горячей ковки в древесноугольном горне. При этом железо науглероживалось, то есть происходила цементация — одна из разновидностей химико-термической обработки. Охлаждая кованое изделие из науглероженного железа в воде, кузнец обнаружил резкое повышение его твёрдости и улучшение др. свойств. Закалка в воде науглероженного железа применялась с конца 2 — начала 1-го тысячелетия до н. э. В "Одиссее" Гомера (8—7 вв. до н. э.) есть такие строки: "Как погружает кузнец раскалённый топор иль секиру в воду холодную, и зашипит с клокотаньем железо — крепче железо бывает, в огне и воде закаляясь". В 5 в. до н. э. этруски закаливали в воде зеркала из высокооловянной бронзы (скорее всего для улучшения блеска при полировке). Цементацию железа в древесном угле или органическом веществе, закалку и отпуск стали широко применяли в средние века в производстве ножей, мечей, напильников и др. инструментов. Не зная сущности внутренних превращений в металле, средневековые мастера часто приписывали получение высоких свойств при Т. о. металлов проявлению сверхъестественных сил. До середины 19 в. знания человека о Т. о. металлов представляли собой совокупность рецептов, выработанных на основе многовекового опыта. Потребности развития техники, и в первую очередь развития сталепушечного производства. обусловили превращение Т. о. металлов из искусства в науку. В середине 19 в., когда армия стремилась заменить бронзовые и чугунные пушки более мощными стальными, чрезвычайно острой была проблема изготовления орудийных стволов высокой и гарантированной прочности. Несмотря на то что металлурги знали рецепты выплавки и литья стали, орудийные стволы очень часто разрывались без видимых причин. Д. К. Чернов на Обуховском сталелитейном заводе в Петербурге, изучая под микроскопом протравленные шлифы, приготовленные из дул орудий, и наблюдая под лупой строение изломов в месте разрыва, сделал вывод, что сталь тем прочнее, чем мельче её структура. В 1868 Чернов открыл внутренние структурные превращения в охлаждающейся стали, происходящие при определённых температурах. которые он назвал критическими точками а и b. Если сталь нагревать до температур ниже точки а, то её невозможно закалить, а для получения мелкозернистой структуры сталь следует нагревать до температур выше точки b. Открытие Черновым критических точек структурных превращений в стали позволило научно обоснованно выбирать режим Т. о. для получения необходимых свойств стальных изделий. 

     В 1906 А. Вильм (Германия) на изобретённом им дуралюмине открыл старение после  закалки (см. Старение металлов) — важнейший  способ упрочения сплавов на разной основе (алюминиевых, медных, никелевых, железных и др.). В 30-е гг. 20 в. появилась термомеханическая обработка стареющих медных сплавов, а в 50-е — термомеханическая обработка сталей, позволившая значительно повысить прочность изделий. К комбинированным видам Т. о. относится термомагнитная обработка, позволяющая в результате охлаждения изделий в магнитном поле улучшать их некоторые магнитные свойства (см. Магнитно-мягкие материалы, Магнитно-твёрдые материалы). 

     Итогом  многочисленных исследований изменений  структуры и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии явилась стройная теория Т. о. металлов. 

     Классификация видов Т. о. основывается на том, какого типа структурные изменения в  металле происходят при тепловом воздействии. Т. о. металлов подразделяется на собственно термическую, заключающуюся  только в тепловом воздействии на металл, химико-термическую, сочетающую тепловое и химическое воздействия, и термомеханическую, сочетающую тепловое воздействие и пластическую деформацию. Собственно термическая обработка включает следующие виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку без полиморфного превращения и с полиморфным превращением, старение и отпуск. 

     Отжиг 1-го рода (гомогенизационный, рекристаллизационный и для уменьшения остаточных напряжений) частично или полностью устраняет  отклонения от равновесного состояния структуры, возникшие при литье, обработке давлением, сварке и др. технологических процессах. Процессы, устраняющие отклонения от равновесного состояния, идут самопроизвольно, и нагрев при отжиге 1-го рода проводят лишь для их ускорения. Основные параметры такого отжига — температура нагрева и время выдержки. В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются, различают разновидности отжига 1-го рода. Гомогенизационный отжиг (см. Гомогенизация) предназначен для устранения последствий дендритной ликвации, в результате которой после кристаллизации внутри кристаллитов твёрдого раствора химический состав оказывается неоднородным и, кроме того, может появляться неравновесная фаза, например химическое соединение, охрупчивающее сплав. При гомогенизационном отжиге диффузия приводит к растворению неравновесных избыточных фаз, в результате чего сплав становится более гомогенным (однородным). После такого отжига повышаются пластичность и стойкость против коррозии. Рекристаллизационный отжиг устраняет отклонения в структуре от равновесного состояния, возникающие при пластической деформации. При обработке давлением, особенно холодной, металл наклёпывается — его прочность возрастает, а пластичность снижается из-за повышения плотности дислокаций в кристаллитах. При нагреве наклёпанного металла выше некоторой температуры развивается первичная и затем собирательная рекристаллизация, при которой плотность дислокаций резко снижается. В результате металл разупрочняется и становится пластичнее. Такой отжиг используют для улучшения обрабатываемости давлением и придания металлу необходимого сочетания твёрдости, прочности и пластичности. Как правило, при рекристаллизационном отжиге стремятся получить бестекстурный материал, в котором отсутствует анизотропия свойств. В производстве листов из трансформаторной стали рекристаллизационный отжиг применяют для получения желательной текстуры металла, возникающей при рекристаллизации. Отжиг, уменьшающий напряжения, применяют к изделиям, в которых при обработке давлением, литье, сварке, термообработке и др. технологических процессах возникли недопустимо большие остаточные напряжения, взаимно уравновешивающиеся внутри тела без участия внешних нагрузок. Остаточные напряжения могут вызвать искажение формы и размеров изделия во время его обработки, эксплуатации или хранения на складе. При нагревании изделия предел текучести снижается и, когда он становится меньше остаточных напряжений, происходит быстрая их разрядка путём пластического течения в разных слоях металла. 

     Отжиг 2-го рода применим только к тем металлам и сплавам, в которых при изменении температуры протекают фазовые превращения. При отжиге 2-го рода происходят качественные или только количественные изменения фазового состава (типа и объёмного содержания фаз) при нагреве и обратные изменения при охлаждении. Основные параметры такого отжига — температура нагрева, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения. температуру и время отжига выбирают так, чтобы обеспечить необходимые фазовые изменения, например полиморфное превращение (см. Полиморфизм) или растворение избыточной фазы. При этом обычно следят за тем, чтобы не выросло крупное зерно фазы, стабильной при температуре отжига. Скорость охлаждения должна быть достаточно мала, чтобы при понижении температуры успели пройти обратные фазовые превращения, в основе которых лежит диффузия. При отжиге 2-го рода изделия охлаждают вместе с печью или на воздухе. В последнем случае процесс называется нормализацией. Отжиг 2-го рода применяют чаще всего к стали для общего измельчения структуры, смягчения и улучшения обрабатываемости резанием. 

     Закалка без полиморфного превращения применима  к любым сплавам, в которых  при нагревании избыточная фаза полностью  или частично растворяется в основной фазе. Важнейшие параметры процесса — температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Скорость охлаждения должна быть настолько большой, чтобы избыточная фаза не успела выделиться (процесс выделения фазы обеспечивается диффузионным перераспределением компонентов в твёрдом растворе). Это условие выполняется, если дуралюмин и медные сплавы закаливают в воде; магниевые же сплавы и некоторые аустенитные стали можно закаливать с охлаждением на воздухе. В результате закалки образуется пересыщенный твёрдый раствор. Закалка без полиморфного превращения может как упрочнять, так и разупрочнять сплав (в зависимости от фазового состава и особенностей структуры в исходном и закалённом состояниях). Алюминиевые сплавы с магнием (см. Магналии) закаливают для повышения прочности; у бериллиевой бронзы же после закалки прочность оказывается ниже, а пластичность выше, чем после отжига, и закалку этой бронзы можно использовать для повышения пластичности перед холодной деформацией. Основное назначение закалки без полиморфного превращения — подготовка сплава к старению (см. ниже). 

     Закалка с полиморфным превращением применима  к любым металлам и сплавам, в  которых при охлаждении перестраивается  кристаллическая решётка. Основные параметры процесса — температура  нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Нагрев производят до температуры выше критической точки, чтобы образовалась высокотемпературная фаза. Охлаждение должно идти с такой скоростью, чтобы не происходило "нормального" диффузионного превращения и перестройка решётки протекала по механизму бездиффузионного мартенситного превращения. При закалке с полиморфным превращением образуется мартенсит, и поэтому такую термообработку называют закалкой на мартенсит. Углеродистые стали закаливают на мартенсит в воде, а многие легированные, в которых диффузионные процессы протекают замедленно, можно закаливать на мартенсит с охлаждением в масле и даже на воздухе. Основная цель закалки на мартенсит — повышение твёрдости и прочности, а также подготовка к отпуску. Сильное упрочнение сталей при закалке на мартенсит обусловлено образованием пересыщенного углеродом раствора внедрения на базе a-железа, появлением большего числа двойниковых прослоек и повышением плотности дислокаций при мартенситном превращении, закреплением дислокаций атомами углерода и дисперсными частицами карбида, которые могут выделяться на дислокациях в местах сегрегации углерода. Углеродистые стали при закалке на мартенсит резко охрупчиваются. Основная причина этого — малая подвижность дислокаций в мартенсите. Безуглеродистые железные сплавы после закалки на мартенсит остаются пластичными. 

     Старение  применимо к сплавам, которые  были подвергнуты закалке без  полиморфного превращения. Пересыщенный твёрдый раствор в таких сплавах  термодинамически неустойчив и склонен  к самопроизвольному распаду. Старение заключается в образовании путём диффузии внутри зерен твердого раствора участков, обогащенных растворённым элементом (зон Гинье — Престона) и (или) дисперсных частиц избыточных фаз, чаще всего химических соединений. Эти зоны и дисперсные частицы выделившихся фаз тормозят скольжение дислокаций, чем и обусловлено упрочнение при старении. Стареющие сплавы называют поэтому дисперсионно-твердеющими. Основные параметры старения — температура и время выдержки. С повышением температуры ускоряются диффузионные процессы распада пересыщенного твёрдого раствора, и сплав быстрее упрочняется. Начиная с определённой выдержки, при достаточно высокой температуре происходит перестаривание — снижение прочности сплава. Причиной перестаривания является коагуляция дисперсных выделений из раствора, которая заключается в растворении более мелких и росте более крупных частиц выделившейся фазы. В результате коагуляции расстояние между этими частицами возрастает и торможение дислокаций в зёрнах твёрдого раствора уменьшается. Одни сплавы, например дуралюмины, после закалки сильно упрочняются уже во время выдержки при комнатной температуре (естественное старение). Большинство сплавов после закалки нагревают, чтобы ускорить процессы распада пересыщенного твёрдого раствора (искусств. старение). Иногда проводят ступенчатое старение с выдержкой вначале при одной, а затем при другой температуре. Старение применяют главным образом для повышения прочности и твёрдости конструкционных материалов (алюминиевых, магниевых, медных, никелевых сплавов и некоторых легированных сталей), а также для повышения коэрцитивной силы магнитно-твёрдых материалов. Время выдержки для достижения заданных свойств в зависимости от состава сплава и температуры старения колеблется от десятков мин до нескольких сут. 

     Отпуску подвергают сплавы, главным образом стали, закалённые на мартенсит. Основные параметры процесса — температура нагрева и время выдержки, а в некоторых случаях и скорость охлаждения (для предотвращения отпускной хрупкости). В сталях мартенсит является пересыщенным раствором, и сущность структурных изменений при отпуске та же, что и при старении, — распад термодинамически неустойчивого пересыщенного раствора. Отличие отпуска от старения связано прежде всего с особенностями субструктуры мартенсита, а также с поведением углерода в мартенсите закалённой стали. Для мартенсита характерно большое число дефектов кристаллического строения (дислокаций и др.). Атомы углерода быстро диффундируют в решётке мартенсита и образуют на дислокациях сегрегации, а возможно и дисперсные частицы карбида сразу после закалки или даже в период закалочного охлаждения. В результате закалённая сталь оказывается в состоянии максимального дисперсного твердения или в близком к нему состоянии. Поэтому при выделении из мартенсита дисперсных частиц карбида во время отпуска прочность и твёрдость стали или вообще не повышаются, или достигается лишь незначительное упрочнение. Уменьшение же концентрации углерода в мартенсите при выделении из него карбида является причиной разупрочнения мартенсита. В итоге отпуск сталей, как правило, приводит к снижению твёрдости и прочности с одновременным ростом пластичности и ударной вязкости. Отпуск безуглеродистых железных сплавов, закалённых на мартенсит, может приводить к сильному дисперсионному твердению из-за выделения из пересыщенного раствора дисперсных частиц интерметаллических соединений. Причина упрочнения при этом та же, что и при старении. Термины "отпуск" и "старение" часто используют как синонимы.