Что такое термоциклическая обработка сталей



Что такое термоциклическая обработка сталей

Поверхностная обработка не всегда может повысить работоспособность стальных инструментов, которые испытывают большие динамические нагрузки; в этом случае требуются высокие показатели прочности и трещиностойкости во всем объеме инструментов. В настоящее время самыми эффективными и экономичными способами объемного упрочнения считаются процессы термоциклической обработки (ТЦО), которые улучшают свойства сталей и сплавов за счет «постоянного накопления от цикла к циклу положительных изменений структуры» [1]. В отличие от традиционной термообработки при ТЦО появляются новые источники, оказывающие влияние на изменение структуры сплавов, прежде всего фазовые превращения, температурные градиенты, структурные и термические напряжения [1–3]. Процессы ТЦО имеют много общего с процессами пластической деформации, в обоих случаях можно создать деформационное (дислокационное) упрочнение. Большое влияние на формирование дислокационной структуры оказывают многократно повторяющиеся фазовые превращения сплавов; они приводят к фазовому наклепу, созданному из-за разницы удельных объемов и модулей упругости образующихся фаз. Фазовый наклеп сопровождается процессами рекристаллизации, что ведет к измельчению всех структурных составляющих. С другой стороны, с увеличением числа циклов проявляется эффект структурной наследственности, направленный на восстановление исходного состояния и снижение деформационного упрочнения. Как отмечено в работах [3–5], при ТЦО сплавов происходят следующие структурные изменения:

1. Диспергирование элементов микро- и субмикроструктуры, сфероидизация хрупких избыточных фаз (карбидов) и других структурных составляющих. Процессу диспергирования способствуют процессы пластической деформации и рекристаллизации, проходящие при ТЦО. Важнейшим рычагом дробления кристаллов является трещинообразование в хрупких избыточных фазах. В местах выхода дислокаций и субзеренных границ преимущественно растворяются избыточные фазы; нерастворившиеся фазы являются подложкой для повторного выделения этих фаз из пересыщенного твердого раствора. Явление сфероидизации идет наряду с коагуляцией избыточных фаз за счет внутризеренной и зернограничной диффузии.

2. Увеличение плотности точечных и линейных дефектов кристаллической структуры. Высокая концентрация точечных дефектов интенсифицирует диффузионные процессы, что приводит к обогащению твердого раствора легирующими элементами, повышению химической однородности сплава. Избыток вакансий ускоряет распад пересыщенного твердого раствора. При высокой плотности дислокаций на границах зерен, субзерен и первичных фаз со скоплениями вакансий создается деформационное упрочнение сплавов в результате формирования полей структурных и термических напряжений.

3. Немонотонность изменения свойств сплавов в зависимости от числа циклов, вызванная конкуренцией двух факторов, формирующих определенный тип структуры. Усиление деформационной компоненты сопровождается повышением количества различных дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций); напротив, на стадии формирования субструктуры, особенно при фрагментации, плотность дислокаций снижается.

По назначению все процессы ТЦО сталей и сплавов можно условно разделить на две основные группы: 1) предварительная ТЦО для улучшения структуры перед термической и механической обработкой [1, 6, 7]; 2) упрочняющая ТЦО (УТЦО), формирующая структуру закаленной стали с окончательными рабочими свойствами [8]. Согласно классификации В.К. Федюкина [2] процессы ТЦО имеют много разновидностей (рис. 1, 2).

Рис. 1. Классификация видов ТЦО [1]

Рис. 2. Схемы ТЦО сталей и сплавов [1]: а – маятниковая ТЦО, б – среднетемпературная ТЦО, в – высокотемпературная ТЦО, г – низкотемпературная ТЦО

ТЦО может проходить с фазовыми или без фазовых превращений, с завершенными или незавершенными структурно-фазовыми превращениями при циклическом нагреве и охлаждении, осуществляться по диффузионному, сдвиговому или смешанному механизмам фазовой перекристаллизации, отдельно или в сочетании с другими видами воздействий (рис. 1), а сами процессы выполняют по схемам маятниковой, средне-, высоко- и низкотемпературной ТЦО (рис. 2). Маятниковая ТЦО представляет собой циклический печной нагрев до температуры на 30–50 °С выше точки Ас1 с последующим охлаждением на воздухе до температуры на 50–80 °С ниже Аr1. При среднетемпературной ТЦО проводят циклический нагрев до температуры на 30–50 °С выше Ас1 с последующим охлаждением на воздухе до температуры на 50–80 °С ниже Аr1 и затем охлаждением в воде или масле. Высокотемпературную ТЦО осуществляют путем циклического электронагрева сталей со скоростью 30–50 °С/с до температуры полной аустенизации и быстрого охлаждения до температуры наименьшей устойчивости аустенита (420–450 °С) и выдержки при ней до полного его превращения, а на последнем цикле осуществляют закалку на мартенсит. При низкотемпературной ТЦО проводят многократный нагрев на 30–50 °С ниже точки Ас1 с последующим охлаждением в воде (масле). Эти процессы ТЦО практически не применяют для инструментальных сталей [1].

По мнению зарубежных и отечественных ученых процессы УТЦО являются наиболее эффективными способами термоциклической обработки, повышающей стойкость инструментов [8–10]. Изученные в настоящей работе процессы УТЦО режущих и штамповых металлообрабатывающих инструментов имеют много вариантов, которые отличаются от стандартной термообработки (закалки и отпуска) термоциклическими режимами и последовательностью выполнения операций [11–13].

Читайте также:  Опишите способы получения стали

По технологическому признаку все известные процессы УТЦО (табл. 1) можно условно разделить на три основные группы [8], в которых: 1) термоциклирование предшествует окончательной термической обработке, причем термоциклирование можно совмещать или не совмещать с закалкой; 2) термоциклирование осуществляют после окончательной термической обработки; 3) термоциклирование следует за пластической деформацией и окончательной термической обработкой. В табл. 1 термин «термоциклирование» представляет собой любое многократное чередование операций нагрева и охлаждения. В этом случае процессы многократной закалки, отжига, нормализации и другие термоциклические режимы в сочетании с термообработкой (закалкой и отпуском) можно полноправно отнести к УТЦО, формирующей структуру с окончательными рабочими свойствами инструментов. При этом словосочетание «термоциклирование, совмещенное с закалкой», означает, что с верхней температуры последнего термоцикла осуществляют закалочное охлаждение, а выражение «термоциклический отжиг с промежуточным перлитным превращением» означает, что на последнем цикле осуществляют медленное охлаждение до комнатной температуры. В изученных процессах УТЦО термоциклирование инструментальных сталей может проходить с завершенными и незавершенными структурно-фазовыми превращениями или при отсутствии таковых, а промежуточные фазовые превращения при циклическом охлаждении могут протекать по мартенситному, перлитному или бейнитному механизмам [8, 14].

Известные способы УТЦО инструментальных сталей [8]

1. Термоциклирование с промежуточным перлитным превращением, совмещенное с закалкой на бейнит + отпуск

2. Термоциклирование с промежуточным бейнитным превращением, совмещенное с закалкой на бейнитно-мартенситную структуру + отпуск

3. Многократная закалка на мартенсит + отпуск

4. Термоциклирование с промежуточным мартенситным превращением, совмещенное с закалкой на мартенсит + отпуск

5. Многократная закалка на мартенсит с промежуточным отпуском + отпуск

6. Многократная закалка на мартенсит с промежуточным многократным нагревом ниже А1 с последующим резким охлаждением + отпуск

7. Термоциклический отжиг с промежуточным перлитным превращением + закалка на мартенсит + отпуск

8. Многократный отжиг + закалка на мартенсит + отпуск

9. Многократная нормализация + закалка на мартенсит + отпуск

10. Термоциклирование с промежуточным перлитным превращением, совмещенное с закалкой на мартенсит + отпуск

11. Термоциклирование с бейнитным превращением, совмещенное с закалкой на мартенсит + отпуск

12. Термоциклирование вокруг точки А1 без распада аустенита при охлаждении, совмещенное с закалкой на мартенсит + отпуск

13. Термоциклирование выше А1, совмещенное с закалкой на мартенсит + отпуск

14. Многократный нагрев ниже A1 с последующим резким охлаждением + закалка на мартенсит + отпуск

15. Закалка на мартенсит + отпуск + многократный нагрев ниже А1 с последующим резким охлаждением

16. Пластическая деформация + закалка на мартенсит + отпуск + многократный нагрев ниже A1 с последующим резким охлаждением

Анализ (табл. 2) показал, что инструментальные стали упрочняют не всеми известными способами УТЦО: быстрорежущие стали – способами под номерами 3, 5, 7, 13, 14; а штамповые стали – практически всеми, кроме 13 и 14. Для быстрорежущих сталей наилучшим по достигаемому эффекту является процесс УТЦО, включающий 5–7 циклов многократного нагрева до полной их аустенизации при температуре на 20–50 °С ниже температуры плавления и термоциклического охлаждения с выдержкой при 800–850 °С (выше точки А1), закалку, совмещенную с последним термоциклическим нагревом, и трехкратный отпуск (560 °С по 1 ч). Для ударно-штамповых сталей (У8–У12) наилучшим является способ УТЦО, включающий термоциклирование (пять циклов) в интервале температур от 740 до 800 °С с изотермическими выдержками при этих температурах для полного завершения фазовых превращений сталей, закалочное охлаждение в воде с верхней температуры термоцикла и низкий отпуск при 180 °С. Однако подавляющее большинство известных процессов УТЦО инструментальных сталей имеет такой недостаток, что каждый цикл УТЦО проводят с полностью завершенными структурно-фазовыми превращениями для измельчения и гомогенизации структуры во всем объеме инструмента. Это не позволяет сформировать наиболее работоспособную структуру инструментальной стали с градиентом химического состава и свойств по сечению инструмента, когда на его поверхности создаются более высокие показатели твердости и износостойкости, а в сердцевине инструмента – более высокие значения вязкости и прочности.

Результаты изучения инструментальных сталей после УТЦО [9]

Источник

Основы метода термоциклической обработки

периодического изменения температуры в неравновесных условиях, когда свободная энергия системы непрерывно меняется по значению и периодически — по знаку, что, в свою очередь, непосредственно влияет на кинетику превращений.

В условиях непрерывного изменения температуры в сплавах на основе железа также развиваются внутренние межзеренные, структурные напряжения, а при высоких скоростях этого процесса, кроме того,— и зональные напряжения, например в поверхностных слоях детали. Основная роль при этом отводится структурным напряжениям, возникающим вследствие разницы коэффициентов термического расширения фаз, так как они не зависят от скоростей нагрева и охлаждения, а степень воздействия на субструктуру может легко регулироваться путем изменения продолжительности термоцикла и величины ^T. Зональные напряжения целесообразно ограничивать ввиду того, что они могут послужить причиной образования «незалечиваемых» микротрещин. Эффективность воздействия структурных напряжений определяется в основном двумя факторами: первый заключается в повышении плотности дислокаций и равномерности их распределения в объеме, подверженном деформации; второй связан с предполагаемым увеличением диффузионной проницаемости структуры с повышенной плотностью дислокаций и с увеличением скорости диффузии. Последнее обстоятельство в случае его реализации может способствовать увеличению степени растворения избыточных фаз. В какой-то мере этому же будет способствовать и ускорение диффузии в напряженной решетке. Однако в твердых растворах замещения со сравнительно небольшим различием атомных радиусов легирующих элементов этот фактор играет второстепенную роль в диффузионных процессах.

При ТЦО принципиально возможно создание условий для повышения концентрации вакансий за счет образования неравновесных вакансий. Однако оценка времени релаксации вакансий показала, что при высокотемпературной ТЦО роль неравновесных вакансий в диффузии пренебрежимо мала. Но она может значительно возрасти при низкотемпературном термоциклировании, например, алюминиевых сплавов в области температур старения. Повышение концентрации неравновесных вакансий в этом диапазоне температур может быть достигнуто с помощью быстрого охлаждения. Но при оценке роли неравновесных вакансий в диффузионных процессах следует иметь в виду, что развитие теории и экспериментальных методов исследования выявило недостаточность сведений о неравновесных вакансиях. В частности, нет еще единой точки зрения об эффективности различных вакансионных источников и стоков в неравновесном состоянии и соответственно о релаксационных свойствах вакансий.

Таким образом, при ТЦО за счет образования и релаксации полей напряжений, образования и перемещения дислокаций должна существенно меняться кинетика диффузии, приводящая к ее аномальному течению. При этом процесс растворения избыточных фаз должен чередоваться с их частичным выделением. Тем самым создаются условия для перераспределения компонентов в твердом растворе, измельчения фаз, а следовательно, и для повышения не только прочности, но и пластичности, и ударной вязкости сплавов.

Наиболее перспективными видами ТЦО для сплавов, не претерпевающих аллотропических превращений, можно считать два вида.

Первый вид ТЦО — это высокотемпературная ТЦО (ВТЦО), проводимая в диапазоне закалочных температур. Такая обработка, если

она обеспечит высокую растворимость компонентов в матрице, может заменить стандартную закалку или гомогенизацию. В случае использования ТЦО вместо закалки последнее охлаждение необходимо проводить со скоростью, обеспечивающей получение максимально перенасыщенного при комнатной температуре твердого раствора. Особенности процессов, имеющих место при ВТЦО, могут оказать определенное воздействие на кинетику и механизм последующего старения. Известно, что основные структурные изменения при старении сводятся к разным этапам распада пересыщенного твердого раствора, полученного в результате закалки сплава. Поскольку этот распад является процессом диффузионным, то характер распада (степень распада, тип выделений из раствора, их дисперсность, форма и др.) зависит не только от параметров технологии самого старения, но и от структурного состояния закаленного (термоциклированного) сплава. Так, повышение плотности дислокаций при ТЦО может способствовать ускорению процесса зарождения промежуточных фаз на дислокациях и их более равномерному распределению в объеме матрицы. Соответственно это может повлиять на распределение и дисперсность продуктов распада.

Второй вид ТЦО — это низкотемпературная ТЦО (НТЦО), которую целесообразно проводить в области температур старения взамен стандартной технологии старения. Аномально высокая скорость диффузии при старении, в особенности при образовании кластеров (ЗГП), объясняется пересыщением твердого раствора вакансиями при закалке. Во время термоциклирования при старении, если охлаждение в циклах вести быстро (в воде), концентрация вакансий может возрасти, что должно отразиться на механизме и конечных результатах старения. В частности, резкая смена температур при НТЦО не исключает возможности протекания процессов, характерных не только для искусственного, но и для естественного старения. В результате этого в структуре термоциклированного металла возможно одновременное присутствие когерентных, полукогерентных и некогерентных выделений. При НТЦО может появиться возможность управления количественным соотношением этих выделений.

1.4. РАЗНОВИДНОСТИ ТЦО

Режимы ТЦО различаются как по назначению, так и по характеру структурных превращений, температурному диапазону термоциклирования, а также наличием дополнительных воздействий. Основными задачами технологических режимов ТЦО являются измельчение микроструктуры и сфероидизация избыточных фаз, повышение (или понижение) плотности дислокаций, прохождение релаксационных процессов, улучшение показателей физико-механических свойств. При этом возможно решение различных задач материаловедения и машиностроения, а именно: замены дорогостоящих видов материалов более дешевыми; повышения надежности и работоспособности деталей машин и механизмов; размерной стабильности деталей точного машино- и приборостроения; поверхностного упрочнения деталей; гомогенизации слитков перед прессованием; устранения ликвационной неоднородности и др.

На рис. 1.8 представлена классификационная схема основных способов ТЦО металлов. ТЦО с фазовой перекристаллизацией может осуществляться по одному из трех механизмов: диффузионному, сдвиговому и смешанному (сдвигово-диффузионному). Получаемая при этом структура определяется как типом фазовых превращений, так и температурно-скоростными условиями прохождения этих превращений. Наиболее предпочтительны превращения по сдвиговому (мартенситному) механизму, так как их прохождение сопряжено с интенсивным насыщением матрицы дефектами кристаллического строения. Однако при повторных нагревах может проявляться эффект структурной наследственности, что ведет к восстановлению исходного зерна аустенита. В большей степени это относится к легированным сталям. В связи с этим разработаны и применяются на практике несколько разновидностей ТЦО сталей и сплавов, различающихся температурно-скоростными параметрами. К ним относят маятниковую, средне- и высокотемпературную ТЦО сталей и чугунов, а также НТЦО чугунов (рис. 1.9).

Маятниковую ТЦО используют для измельчения зерна сталей ферритно-перлитного класса. При этом предусмотрен печной нагрев до температуры на 30—50 °С выше температуры Ас1 с последующим охлаждением на воздухе до температуры на 50—80 °С ниже критической температуры Аr1. Описанная обработка названа маятниковой, так как температурный интервал термоциклировании находится вблизи температур перекристаллизации.

Среднетемпературную ТЦО, предназначенную для получения сорбитообразной структуры конструкционных углеродистых сталей, осуществляют путем быстрых нагревов до температуры на 30—50 °С выше

температуры Ас1 с последующим охлаждением на воздухе до температуры на 30—50 °С ниже точки Аr1 и далее в воде или масле.

Высокотемпературная ТЦО, или, как ее еще называют, циклическая электротермическая обработка (ЦЭТО) заключается в электронагреве со скоростью около 50 °С/с до температуры полной аустенизации, охлаждении со скоростью 30—50 °С/с до температуры 420—450 °С, отвечающей температуре наиболее быстрого изотермического распада аустенита и выдержке при этой температуре. По окончании выдержки циклы повторяют, в последнем термоцикле осуществляют закалку из аустенитного состояния. ВТЦО предназначена для получения максимальной прочности при удовлетворительной пластичности.

Низкотемпературная ТЦО чугуна предусматривает быстрый нагрев (30 —40 °С/мин) до температуры на 30 — 50 °С ниже температуры Ас1 с последующей закалкой в воде или масле. Используют НТЦО для получения обратной микроликвации кремния в структуре чугуна.

Термоциклическая обработка без аллотропических превращений основана на возникновении и релаксации внутренних напряжений, обусловленных градиентами температуры, разницей теплофизических характеристик составляющих стуктуру фаз, а также на действии механизма раствр-рение — выделение. Проводят ее в интервалах температур максимальной диффузионной подвижности атомов (ВТЦО) и температур, отвечающих интенсивному распаду пересыщенного твердого раствора предварительно закаленного материала (НТЦО). На процесс диффузии влияют повышенная концентрация точечных и линейных дефектов, а также постоянно действующие внутренние напряжения. ВТЦО используют в основном для растворения избыточных фаз, перераспределения химических элементов в твердом растворе, ее можно применять вместо закалки, гомогенизации, в отдельных случаях она заменяет модифицирование. НТЦО направлена на окончательное формирование свойств материала — дисперсионное твердение. Ее используют взамен старения.

Сочетание ТЦО с такими термическими и термомеханическими операциями, как закалка, отпуск, старение и другими, во многих случаях оказывается полезным, так как при этом появляется возможность дополнительного регулирования промежуточной (между циклами) структурой, напряженным состоянием, а также степенью развития характерных для ТЦО процессов. Так, в работе показана целесообразность применения ТЦО, включающей повторные закалки с промежуточными кратковременными отпусками, для углеродистых, легированных, конструкционных и инструментальных сталей. Кроме того, разработаны режимы для легированных сталей, сочетающие в единой технологической схеме операции ТЦО и низкотемпературного отпуска, а также ТЦО и ВТЦО.

Использование ТЦО непосредственно в процессах химико-термической обработки (ХТО) при цементации, азотировании, борировании (ХТЦО) позволяет за более короткое время, чем при изотермической выдержке, достичь необходимого диффузионного обогащения поверхностных слоев металлами или неметаллами из внешней активной среды. Изучение кинетики роста диффузионных слоев при ХТЦО показало, что использование маятниковой ТЦО при борировании сталей 45 и У8 приводит не только к сокращению длительности ТО, но и к увеличению толщины борированного слоя на 20—25%. Следует отметить, что ХТЦО устраняет частично или полностью рост зерна, который имеет место во время нагрева и выдержки в аустенитном состоянии при ХТО.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Читайте также:  Рулонная сталь оцинкованная или оцинкованная с полимерным покрытием
НОВОСТИ

19 Ноября 2021 15:16
Различные способы сварки профильных труб под прямым углом

Источник