Термомеханическая обработка металлов и сплавов

Обновлено: 04.10.2024

Фактически весь прокат, который выпускается на современных прокатных станах, производится с использованием термомеханической обработки.

Особенности термомеханической обработки

Термомеханической обработкой (ТМО) называют совмещение пластической деформации и термического воздействия, целью которого является формирование требуемой структуры обрабатываемого металла.

Объединение операций пластического деформирования и термообработки, максимальное их сближение и создание единого процесса термомеханической обработки обеспечивают заметное повышение механических характеристик (прочности, вязкости и т.д.), что позволяет экономить до 15…40% металла и более, или увеличить долговечность изделий.

При ТМО оба процесса — пластическая деформация и термическая обработка — могут совмещаться в одной технологической операции, а могут проводиться и с разрывом по времени. Но при этом обязательным условием является прохождение фазовых превращений в условиях повышенной плотности дефектов решетки, возникающих благодаря пластической деформации металла.

Термомеханическая обработка стали выполняется главным образом по трем схемам: высокотемпературная (ВТМО), низкотемпературная (НТМО) и предварительная термомеханическая обработка (ПТМО). Также к термомеханической обработке относят технологи контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения.

Высокотемпературная термомеханическая обработка

ВТМО (рис. 123, а) — термообработка с деформационного нагрева с последующим низким отпуском. Высокотемпературная термомеханическая обработка практически устраняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале температур, повышает ударную вязкость при комнатной температуре и понижает температурный порог хладоломкости.

Рис. 123. Схема режимов термомеханической обработки стали: а – высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО); б – низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО)

Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно используют для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей.

Сущность ВТМО заключается в том, что непосредственно после горячей обработки давлением (прокатки, штамповки), когда сталь имеет температуру выше А_с3 и аустенитную структуру, проводится резкое охлаждение – закалка. За короткое время между окончанием прокатки (или штамповки) и закалкой рекристаллизация произойти не успевает. В связи с этим наклеп упрочнение, которые возникли при пластической деформации во время прокатки или штамповки, не устраняются и остаются в стали после ее остывания.

При этом, чем короче промежуток времени между окончанием прокатки и закалкой, когда сталь имеет высокую температуру, тем больше сохранится дислокаций и тем больше будет эффект упрочнения. Практически, этот отрезок времени составляет несколько секунд, в течение которых частично происходит рекристаллизация, что снижает эффект упрочнения. Это один из главных недостатков способа ВТМО.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг)

При использовании технологии НТМО сталь сначала нагревают до аустенитного состояния. После выдержки при высокой температуре, производят сначала охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600 ºС), но ниже температуры рекристаллизации, а затем при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рис. 123, б).

Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и обеспечивает более высокое повышение прочностных характеристик, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95 %), для обеспечения которых требуется мощное оборудование, так как сталь прокатывается не в горячем а в теплом состоянии.

Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит.

Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен , размеры которых уменьшаются в два – четыре раза по сравнению с обычной закалкой.

Предварительная термомеханическая обработка

ПТМО выполняется по следующей технологической схеме: холодная пластическая деформация (повышает плотность дислокаций), дорекристаллизационный нагрев (обеспечивает полигонизацию структуры феррита), закалка со скоростного нагрева, отпуск. При этом перерыв между холодной деформацией и нагревом под закалку не регламентируется, что значительно упрощает технологический процесс ПТМО.

Высокотемпературная поверхностная термомеханическая обработка (ВТМПО)

Сущность такой обработки заключается в том, что деталь подвергается поверхностному нагреву токами высокой частоты и одновременно обкатывается роликами. В результате в поверхностном слое детали, разогретом до аустенитного состояния, происходит наклеп и после закалки образуется мартенситная структура, в которой наследуется дополнительное упрочнение, полученное при обкатке роликами. В отличие от обычной высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) разупрочнения вследствие разрыва по времени между наклепом и закалкой в данном случае не происходит. Метод ВТМПО очень эффективен при упрочнении шеек и галтелей коленчатых валов и других ответственных деталей.

Контролируемая прокатка

Контролируемая прокатка является фактически разновидностью ВТМО, и представляет собой эффективный способ повышения прочности, пластичности и вязкости низколегированных сталей.

Технология контролируемой прокатки заключается в таком выборе режимов прокатки и охлаждения после неё, которые обеспечат получение мелкого и однородного зерна в готовом прокате, что, в свою очередь, обеспечит более высокий уровень механических свойств. Наиболее часто контролируемая прокатка применяется при производстве листов.

Достижение требуемой микроструктуры обычно осуществляется понижением температуры прокатки в трех — пяти последних проходах до 780…850 °С с одновременным увеличением степени деформации до 15…20 % и выше за проход. Соответственно, использование технологии контролируемой прокатки требует наличия более мощного и прочного оборудования. После прокатки обычно производится отпуск при температуре 100…200 °С для сохранения высоких значений прочности.

Рис. 124. Межклетьевое подстуживание проката

При контролируемой прокатке, за счет снижения температуры деформации в установках ускоренного межклетьевого охлаждения (рис. 124), в сочетании с ускоренным охлаждением готового проката (рис. 125), структура стали формируется с мелким зерном феррита, как следствие повышается предел текучести, снижается температура и улучшается свариваемость. Контролируемая прокатка позволяет получить зерно перлита диаметром 5…10 мкм и менее, что приводит к упрочнению стали на 10…30 % при сохранении высокой пластичности и вязкости.

Контролируемая прокатка имеет 3 стадии получения необходимой структуры стали: деформация в зоне рекристаллизации аустенита, деформация некристаллизующегося аустенита и деформация в двухфазной аустенитно-ферритной области.

Подстуживание раската до более низкой температуры перед контролируемой прокаткой может производиться и на воздухе.

Например, такая схема реализована на стане 3600 Мариупольского металлургического комбината «Азовсталь».

Ускоренное охлаждение проката

Технология ускоренного охлаждения металла применяется на разных участках производства проката, в частности, между клетями прокатного стана (межклетьевое охлаждение), непосредственно после выхода проката из чистовой клети, а также при закалке металла после специального нагрева в различных нагревательных устройствах. Такая технология применяется как для листового, так и для сортового проката, при этом конструкции охлаждающих установок принципиально отличаются.

Ускоренное охлаждение можно разделить на одностадийное и двухстадийное. Одностадийное охлаждение осуществляется в устройствах, в которых прокат охлаждается водой, например, в проводящих трубах или линях ламинарного охлаждения. Одностадийное охлаждение уменьшает окалинообразование, но недостатком такого охлаждения, в частности, является то, что при последующем охлаждении в бунтах или рулонах происходит значительный разброс механических свойств по длине и разнородная структура по сечению, что отрицательно сказывается на качестве продукции.

Двухстадийная технология состоит из водяного и интенсивного воздушного охлаждений. Одним из первых внедренных в промышленности способов двухстадийного охлаждения является способ ― “Стилмор”, который применяется в основном при производстве катанки.

При водяном охлаждении сохраняется достигнутая при горячей прокатке мелкозернистая структура. А последующий интенсивный обдув воздухом приводит к образованию очень мелкозернистой перлитной структуры, которая исключает необходимость использования применяемого обычно патентирования катанки перед волочением.

В настоящее время известны различные способы ускоренного охлаждения проката. Все они характеризуются видом охлаждающей среды, организацией подачи ее на охлаждаемую поверхность проката и отвода отработанного охладителя. Известны такие способы: охлаждение металла в баках со спокойной водой, спрейерное (струйное) охлаждение, охлаждение водовоздушной смесью, охлаждение в сплошном потоке воды в устройствах камерного типа (камерное охлаждение).

Рис. 126. Конструкция камеры охлаждения проката (разработка ИТЦ «Аусферр»)

Для начала рассмотрим камерное охлаждение проката. В зависимости от взаимного направления движения проката и воды различают два типа камер: прямоточные и противоточные. В прямоточных камерах (рис. 126) движение воды и металла совпадают, поэтому для сбора отработанной воды применяются специальные устройства механического дробления струи, поскольку она выходит из установки с высокой скоростью. Это приводит к удлинению участка охлаждения и повышению стоимости установки.

Противоточный способ охлаждения является более эффективным, с точки зрения теплообмена. Скорость охлаждения поверхности металла в противоточных устройствах приблизительно в 4…5 раз выше, чем в прямоточных, при одном и том же расходе воды. Длина камеры охлаждения значительно меньше, что создает предпочтение при размещении этих устройств на действующих прокатных станах.

Фирма SMS Meer разработала свою технологию ускоренного охлаждения, которая получила название LOOP. Данная технология используется для понижения температуры подката перед чистовой группой клетей до 780…950 ºС (PQR-процесс).

Такого понижения температуры относительно просто добиться в вышеописанных камерных установках. Однако после подстуживания раскат имеет неравномерное температурное поле с большим перепадом температур до нескольких сотен градусов, что делает его прокатку фактически невозможным. Поэтому необходимо обеспечить условия для выравнивания температуры по сечению перед задачей раската в чистовую группу.

На настоящий момент существует две концепции обустройства линии подстуживания для обеспечения требуемой температуры самоотпуска раската:

увеличение расстояния от блока междеформационного подстуживания до чистовой группы клетей (калибрующего блока), влекущее за собой увеличение длины стана;
создание петлевого стабилизатора (технология LOOP) без увеличения длины стана.

Первый вариант получил достаточно широкое распространение. Расстояние между группами клетей в этом случае должно составлять 50…65 метров. Обычно на стане с термомеханической обработкой проката секция ускоренного охлаждения расположена перед калибровочным блоком, а также после него. Следует также отметить, что данная компоновка оборудования имеет существенный недостаток: наличие длинного участка самоотпуска противопоказано для некоторых марок стали, которые должны прокатываться при высокой температуре.

Второй вариант предусматривает обустройство петли температурной стабилизации, что позволяет существенно экономить место в цеху для стана (рис. 127).

Рис. 127. Схема стана с технологией Multiline-LOOP: 1 – черновая и промежуточные группы клетей; 2 – камеры охлаждения проката; 3 – петля для выравнивания температуры по сечению; 4 – чистовой блок клетей FRS

Такая технология также лишена вышеописанного недостатка, поскольку раскат может или напрямую поступать в чистовую группу без подстуживания или проходить через секции охлаждения и петлю температурной стабилизации рис 128.

Рис. 128. Вид линии охлаждения LOOP

Данная технология уже реализована на станах заводов «GerdauAcominas» (Бразилия) и «Voest-Alpine» (Австрия).

Применение петли большой длины позволяет реализовать низкотемпературную (с температурой 760 °С) чистовую прокатку с градиентом температуры по сечению катанки в пределах 30…60 °С.

На листовых станах для ускоренного охлаждения применяют линии ламинарного охлаждения (рис. 125), которые обеспечивают высокую равномерность охлаждения. Также применяют и системы интенсивного (спреерного) охлаждения.

Источник: Скляр В. О. Инновационные и ресурсосберегающие технологии в металлургии. Учебное пособие. – Донецк.: ДонНТУ, 2014. – 224 с.

Термомеханическая обработка

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.

Назначение и виды термической обработки

Термической (тепловой) обработкой называются процессы, сущность которых заключается в нагреве и охлаждении изделий по определенным режимам, в результате чего происходят изменения структуры, фазового состава, механических и физических свойств материала, без изменения химического состава.

Назначение термической обработки металлов – получение требуемой твердости, улучшение прочностных характеристик металлов и сплавов. Термическая обработка подразделяется на термическую, термомеханическую и химико-термическую. Термическая обработка – только термическое воздействие, термомеханическая – сочетание термического воздействия и пластической деформации, химико-термическая – сочетание термического и химического воздействия. Термическая обработка, в зависимости от структурного состояния, получаемого в результате ее применения, подразделяется на отжиг (первого и второго рода), закалку и отпуск.

Отжиг

Отжиг – термическая обработка заключающаяся в нагреве металла до определенных температур, выдержка и последующего очень медленного охлаждения вместе с печью. Применяют для улучшения обработки металлов резанием, снижения твердости, получения зернистой структуры, а также для снятия напряжений, устраняет частично (или полностью) всякого рода неоднородности, которые были внесены в металл при предшествующих операциях (механическая обработка, обработка давлением, литье, сварка), улучшает структуру стали.

Отжиг первого рода. Это отжиг при котором не происходит фазовых превращений, а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты, предусмотренные его целевым назначением. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекристаллизационный.

Гомогенизационный – это отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950ºС (обычно 1100–1200ºС) с целью выравнивания химического состава.

Рекристаллизационный – это отжиг наклепанной стали при температуре, превышающей температуру начала рекристаллизации, с целью устранения наклепаи получение определенной величины зерна.

Отжиг второго рода. Это отжиг, при котором фазовые превращения определяют его целевое назначение. Различают следующие виды: полный, неполный, диффузионный, изотермический, светлый, нормализованный (нормализация), сфероидизирующий (на зернистый перлит).

Полный отжиг производят путем нагрева стали на 30–50 °С выше критической точки, выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением до 400–500 °С со скоростью 200 °С в час углеродистых сталей, 100 °С в час для низколегированных сталей и 50 °С в час для высоколегированных сталей. Структура стали после отжига равновесная, устойчивая.

Неполный отжиг производится путем нагрева стали до одной из температур, находящейся в интервале превращений, выдержкой и медленным охлаждением. Неполный отжиг применяют для снижения внутренних напряжений, понижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием

Диффузионный отжиг. Металл нагревают до температур 1100–1200ºС, так как при этом более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания химического состава.

Изотермический отжиг заключается в следующем: сталь нагревают, а затем быстро охлаждают (чаще переносом в другую печь) до температуры, находящейся ниже критической на 50–100ºС. В основном применяется для легированных сталей. Экономически выгоден, так как длительность обычного отжига (13 – 15) ч, а изотермического отжига (4 – 6) ч

Сфероидизирующий отжиг (на зернистый перлит ) заключается в нагреве стали выше критической температуры на 20 – 30 °С, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении.

Светлый отжиг осуществляется по режимам полного или неполного отжига с применением защитных атмосфер ил в печах с частичным вакуумом. Применяется с целью защиты поверхности металла от окисления и обезуглероживания.

Нормализация – заключается в нагреве металла до температуры на (30–50) ºС выше критической точки и последующего охлаждения на воздухе. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Вместо отжига низкоуглеродистые стали подвергают нормализации. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска. Высокоуглеродистые стали подвергают нормализации с целью устранения цементитной сетки. Нормализацию с последующим высоким отпуском применяют вместо отжига для исправления структуры легированных сталей. Нормализация по сравнению с отжигом – более экономичная операция, так как не требует охлаждения вместе с печью.

Закалка

Закалка – это нагрев до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры.

В результате закалки повышается прочность и твердость и понжается пластичность стали. Основные параметры при закалке – температура нагрева и скорость охлаждения. Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры – мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.

В зависимости от формы детали, марки стали и требуемого комплекса свойств применяют различные способы закалки.

Закалка в одном охладителе. Деталь нагревают до температуры закалки и охлаждают в одном охладителе (вода, масло).

Закалка в двух средах (прерывистая закалка) – это закалка при которой деталь охлаждают последовательно в двух средах: первая среда – охлаждающая жидкость (вода), вторая – воздух или масло.

Ступенчатая закалка. Нагретую до температуры закалки деталь охлаждают в расплавленных солях, после выдержки в течении времени необходимого для выравнивания температуры по всему сечению, деталь охлаждают на воздухе, что способствует снижению закалочных напряжений.

Изотермическая закалка так же, как и ступенчатая, производится в двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые или щелочные ванны) различна: она зависит от химического состава стали, но всегда на 20–100 °С выше точки мартенситного превращения для данной стали. Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе. Изотермическая закалка широко применяется для деталей из высоколегированных сталей. После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностные свойства, то есть сочетание высокой вязкости с прочностью.

Закалка с самоотпуском имеет широкое применение в инструментальном производстве. Процесс состоит в том, что детали выдерживаются в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а в определенный момент извлекаются из нее с целью сохранения в сердцевине детали некоторого количества тепла, за счет которого производится последующий отпуск.

Отпуск

Отпуск стали является завершающей операцией термической обработки, формирующей структуру, а следовательно, и свойства стали. Отпуск заключается в нагреве стали до различных температур (в зависимости от вида отпуска, но всегда ниже критической точки), выдержке при этой температуре и охлаждении с разными скоростями. Назначение отпуска – снять внутренние напряжения, возникающие в процессе закалки, и получить необходимую структуру.

В зависимости от температуры нагрева закаленной детали различают три вида отпуска: высокий, средний и низкий.

Высокий отпуск производится при температурах нагрева выше 350–600 °С, но ниже критической точки; такой отпуск применяется для конструкционных сталей.

Средний отпуск производится при температурах нагрева 350 – 500 °С; такой отпуск широко применяется для пружинной и рессорной сталей.

Низкий отпуск производится при температурах 150–250 °С. Твердость детали после закалки почти не изменяется; низкий отпуск применяется для углеродистых и легированных инструментальных сталей, для которых необходимы высокая твердость и износостойкость.

Контроль отпуска осуществляется по цветам побежалости, появляющимся на поверхности детали.

Старение

Старение –это процесс изменения свойств сплавов без заметного изменения микроструктуры. Известны два вида старения: термическое и деформационное.

Термическое старение протекает в результате изменения растворимости углерода в железе в зависимости от температуры.

Если изменение твердости, пластичности и прочности протекает при комнатной температуре, то такое старение называется естественным.

Если же процесс протекает при повышенной температуре, то старение называетсяискусственным.

Деформационное (механическое) старение протекает после холодной пластической деформации.

Обработка холодом

Новый вид термической обработки, для повышения твердости стали путем перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Это выполняется при охлаждении стали до температуры нижней мартенситной точки.

Методы поверхностного упрочнения

Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры выше критической и последующее охлаждение с целью получения в поверхностном слое структуры мартенсита.

Различают следующие виды: индукционная закалка; закалка в электролите, закалка при нагреве токами высокой частоты(ТВЧ), закалка с газопламенным нагревом.

Индукционная закалка основана на физическом явлении, сущность которого заключается в том, что электрический ток высокой частоты, проходя по проводнику, создает вокруг него электромагнитное поле. На поверхности детали, помещенной в этом поле, индуцируются вихревые токи, вызывая нагрев металла до высоких температур. Это обеспечивает возможность протекания фазовых превращений.

В зависимости от способа нагрева индукционная закалка подразделяется на три вида:

одновременный нагрев и закалка всей поверхности (используется для мелких деталей);

последовательный нагрев и закалка отдельных участков (используется для коленчатых валов и подобных им деталей);

непрерывно-последовательный нагрев и закалка перемещением (используется для длинных деталей).

Газопламенная закалка. Процесс газопламенной закалки заключается в быстром нагреве поверхности детали ацетилено-кислородным, газокислородным или кислородно-керосиновым пламенем до температуры закалки с последующим охлаждением водой или эмульсией.

Закалка в электролите. Процесс закалки в электролите заключается в следующем: в ванну с электролитом (5–10% раствор кальцинированной соли) опускают закаливаемую деталь и пропускают ток напряжением 220–250 В. В результате чего происходит нагрев детали до высоких температур. Охлаждение детали производят или в том же электролите (после выключения тока) или в специальном закалочном баке.

Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка (Т.М.О.) – новый метод упрочнения металлов и сплавов при сохранении достаточной пластичности, совмещающий пластическую деформацию и упрочняющую термическую обработку (закалку и отпуск). Различают три основных способа термомеханической обработки.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (Н.Т.М.О) основана на ступенчатой закалке, то есть пластическая деформация стали осуществляется при температурах относительной устойчивости аустенита с последующей закалкой и отпуском.

Высокотемпературная термомеханическая обработка(В.Т.М.О) при этом пластическую деформацию проводят при температурах устойчивости аустенита с последующей закалкой и отпуском.

Предварительная термомеханическая обработка (П.Т.М.О) деформация при этом может осуществляться при температурах Н.Т.М.О и В.Т.М.О или при температуре 20ºС. Далее осуществляется обычная термическая обработка: закалка и отпуск.

Термомеханическая обработка сталей и сплавов

Термомеханическая обработка металлов (ТМО) – это сочетание операций пластической деформации металла и термической обработки. Такое воздействие на металл позволяет повысить его прочность как в результате наклепа, который получается при пластической деформации, так и вследствие термообработки. Благодаря этому удается достичь высокого комплекса механических свойств сталей и сплавов.

Термомеханическая обработка металла существует с древних времен. Такому способу обработки подвергали клинки и мечи из стали. В фильмах о древних рыцарях можно увидеть кадры, когда кузнец бьет кувалдой по раскаленному мечу, после чего охлаждает оружие в воде, потом снова нагревает в домне и весь процесс повторяется заново. Это и есть термомеханическая обработка. Более широкое применение ТМО получила, когда появилась возможность объяснить физику процессов высокого упрочнения металла.

В настоящее время существует два основных способа термомеханической обработки стали:

1. ВТМО — высокотемпературная термомеханическая обработка

2. НТМО — низкотемпературная термомеханическая обработка

Высокотемпературная термомеханическая обработка стали заключается в том, что непосредственно после горячего воздействия давлением, когда металл имеет аустенитную структуру, проводится закалка стали. За короткое время между окончанием процесса деформации и закалкой не успевает произойти рекристаллизация. В связи с этим наклеп и упрочнение, которые возникли при пластической деформации во время прокатки или штамповки, не устраняются и остаются в материале после его остывания. После закалки, к этому добавляется еще упрочнение вследствие фазового наклепа твердой мартенситной структурой. Мартенсит, образующийся в этих условиях, кроме своих дислокаций, как бы наследует и те, которые возникли при наклепе. Ясно, что чем короче промежуток времени между окончанием всех процессов, когда сталь имеет высокую температуру, тем больше сохранится дислокаций и тем больше будет эффект упрочнения. Практически, этот отрезок времени составляет несколько секунд, в течение которых частично происходит рекристаллизация, что снижает эффект упрочнения. Рекристаллизация - один из главных недостатков способа высокотемпературной термомеханической обработки стали. Из-за этого явления степень деформации при ВТМО не превышает 20-30%.

При низкотемпературной термомеханической обработке металл нагревают до аустенитного состояния, затем охлаждают ниже температуры рекристаллизации, но выше температуры начала мартенситного превращения, т. е. температурный интервал пластической деформации составляет примерно 400 - 600°С. Деформация, как и при ВТМО, вызывает наклеп аустенита, рекристаллизации же в этих условиях не происходит. Затем проводится закалка: образуется мартенсит, который, как и в предыдущем способе, наследует дислокации, а значит и упрочнение, полученное при низкотемпературной термомеханической обработке стали. Здесь устранен недостаток первого способа, так как рекристаллизация практически отсутствует и потому наиболее полно используется эффект упрочнения от наклепа.

После закалки в обоих случаях следует низкотемпературный отпуск (100 — 300°С.). ТМО позволяет получить достаточно высокую прочность (σв = 2200-3000МПа) при хорошей пластичности и вязкости (δ = 6 - 8%, ψ = 50 — 60%). Для сравнения: после обычной закалки и низкого отпуска σв = 2000 — 2200МПа, δ = 3 — 4%.

Существует также высокотемпературная поверхностная термомеханическая обработка - ВТМПО. Сущность ее заключается в том, что деталь подвергается поверхностному нагреву ТВЧ и одновременно обкатывается роликами. В результате в поверхностном слое изделия, разогретом до аустенитного состояния, происходит наклеп и после закалки образуется мартенситная структура, в которой наследуется дополнительное упрочнение, полученное при обкатке. Метод ВТМПО очень эффективен при упрочнении шеек и галтелей коленчатых валов, пальцев шаровых опор подвески автомобиля и других ответственных деталей.

Возможность применения ТМО определяется тем, что на процессы структурных превращений существенное влияние оказывают присутствующие в реальных сплавах несовершенства строения (дислокации, дефекты упаковки, вакансии). С другой стороны, в результате некоторых структурных изменений образуются новые несовершенства, а также происходит перераспределение имеющихся несовершенств.

Температура проведения деформации при ВТМО лежит обычно выше верхней критической точки полиморфного превращения, поэтому неизбежны попытки проведения аналогии между ВТМО и термической обработкой с прокатного (или ковочного) нагрева. Принципиальное различие между этими видами обработки состоит в том, что при ВТМО создаются такие условия высокотемпературной пластической деформации и последующей закалки, при которых подавляется развитие рекристаллизационных процессов и создаётся особое структурное состояние, характеризующееся повышенной плотностью несовершенств и особым их распределением с образованием субструктуры полигонизации.

Развитие технологии ВТМО привело к созданию новой схемы — ВТМизО, в которой высокотемпературная деформация сочетается с изотермическим превращением. Изделия, обработанные по этой схеме, характеризуются повышенными служебными характеристиками.

ТМО широко применяется как для сталей, так и для цветных сплавов. ТМО имеет следующие разновидности:

ПТМО — предварительная термомеханическая обработка;

ВТМО — высокотемпературная термомеханическая обработка;

ВТМПО — высокотемпературная термомеханическая поверхностная обработка;

ВТМизО — высокотемпературная термомеханическая изотермическая обработка;

НТМО — низкотемпературная термомеханическая обработка;

НТМизО — низкотемпературная термомеханическая изотермическая обработка;

ВНТМО — высоко-низкотемпературная термомеханическая обработка;

НВТМО — низко-высокотемпературная термомеханическая обработка;

ДМО-1 — деформация мартенсита с последующим отпуском;

ДМО-2 — деформация мартенсита после ВТМО с последующим отпуском;

МТО — деформация немартенситных структур на площадке текучести;

МТО-1 — механико-термическая обработка деформацией при комнатной температуре со старением;

МТО-2 — механико-термическая обработка деформацией при повышенных температурах со старением;

Более наглядно эти схемы показаны в таблице:

Эффективность конкретного способа термомеханического упрочнения оценивается по комплексу механических свойств.

Применительно к дисперсионно-твердеющим сплавам, ТМО в промышленности осуществляют по следующим технологическим схемам:

а) нагрев до температуры закалки, деформация, немедленная закалка, старение (ВТМО);

б) закалка, деформация, старение (НТМО).

Первая схема сравнительно легко осуществима, но имеет недостаток — опасность сильного развития рекристаллизации в связи с высокой температурой деформации, проводимой при температуре закалки. Она широко используется в производстве прессованных изделий из многих алюминиевых сплавов, в которых небольшие добавки Mn, Сr и др. затрудняют рекристаллизацию. При осуществлении второй схемы могут возникать трудности, связанные с высоким сопротивлением деформации твёрдого раствора при комнатной температуре. Эта схема имеет ряд преимуществ: происходит старение с образованием весьма дисперсных фаз уже при холодной (или тёплой) деформации, создаётся более равномерное распределение выделений упрочняющих фаз, образующихся на дислокациях по всему объёму зёрен. Вторая схема ТМО успешно используется для повышения прочности стареющих медных и алюминиевых сплавов

Понимание физической сущности упрочнения в результате ТМО оказалось возможным лишь после того, как стали проясняться основные закономерности структурных изменений при горячей деформации. Старое представление о том, что горячая деформация всегда сопровождается рекристаллизацией, оказалось неверным. Отсюда и началась новая волна развития основных направлений термомеханической обработки.

Термомеханическая обработка (Т.М.О.) — метод упрочнения металлов и сплавов при сохранении достаточной пластичности, совмещающий пластическую деформацию и упрочняющую термическую обработку (закалку и отпуск).

Различают три основных способа термомеханической обработки.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (Н.Т.М.О). Основой служит ступенчатая закалка металла (пластическая деформация металла осуществляется при температурах относительной устойчивости аустенита с последующей закалкой и отпуском).
Высокотемпературная термомеханическая обработка (В.Т.М.О) - пластическая деформация проводится при температурах устойчивости аустенита с последующей закалкой и отпуском.
Предварительная термомеханическая обработка (П.Т.М.О) деформация при этом может осуществляться при температурах Н.Т.М.О и В.Т.М.О или при температуре 20С. Далее осуществляется обычная термическая обработка: закалка и отпуск.

Назначение и виды химико-термической обработки

Химико-термическая обработка — это процесс, который представляет собой взаимосвязь термического и химического воздействия, с целью изменения состава сплава или металла, его молекулярной структуры, а также свойств поверхностного слоя стали.

Цель химико-термической обработки — повышение поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости, коррозионной стойкости, жаростойкости (окалиностойкости), кислотоустойчивости металла или сплава.

Виды химико-термической обработки металлов и сплавов

цементация
нитроцементация
азотирование
цианирование,
диффузионная металлизация.

Цементация.

Процесс поверхностного насыщения углеродом, произведенный с целью поверхностного упрочнения деталей.

В зависимости от применяемого карбюризатора цементация подразделяется на три вида: цементация твердым карбюризатором; газовая цементация (метан, пропан, природный газ).

Газовая цементация.

Детали нагревают до 900–950єС в специальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подают цементующий углеродосодержащий газ [естественный (природный) или искусственный].

Процесс цементации в твердом карбюризаторе заключается в следующем. Детали, упакованные в ящик вместе с карбюризатором (смесь древесного угля с активизатором), нагревают до определенной температуры и в течении длительного времени выдерживают при этой температуре, затем охлаждают и подвергают термической обработке.

Цементации любым из рассмотренных выше способов подвергаются детали из углеродистой и легированной стали с содержанием углерода не более 0,2%. Цементация легированных сталей, содержащих карбидообразующие элементы Cr, W, V, дает особо хорошие результаты: у них, кроме повышения поверхностной твердости и износостойкости, увеличивается также предел усталости.

Нитроцементация.

Цианирование в газовых средах (нитроцементация). Процесс одновременного насыщения поверхности детали углеродом и азотом. Для этого детали нагревают в среде, состоящей из цементующего газа и аммиака, то есть нитроцементация совмещает в себе процессы газовой цементации и азотирования.

Азотирование.

Процесс насыщения поверхностного слоя различных металлов и сплавов, стальных изделий или деталей азотом при нагреве в соответствующей среде. Повышается твердость поверхности изделия, выносливости, износостойкости, повышение коррозионной стойкости.

Цианирование.

Насыщение поверхностного слоя изделий одновременно углеродом и азотом.

В зависимости от используемой среды различают цианирование:

в твердых средах;
в жидких средах;
в газовых средах.

В зависимости от температуры нагрева цианирование подразделяется на:

низкотемпературное
высокотемпературное.

Цианирование в жидких средах производят в ваннах с расплавленными солями.

Диффузионное насыщение металлами и металлоидами

Существуют и применяются в промышленности способы насыщения поверхности деталей различными металлами (алюминием, хромом и др.) и металлоидами (кремнием, бором и др.) Назначение такого насыщения – повышение окалиностойкости, коррозионностойкости, кислотостойкости, твердости и износостойкости деталей. В результате поверхностный слой приобретает особые свойства, что позволяет экономить легирующие элементы.

Алитирование – процесс насыщения поверхностного слоя стали алюминием для повышения жаростойкости (окалиностойкости) и сопротивления атмосферной коррозии. Алитирование проводят в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, в газовой среде и распыливанием жидкого алюминия.

Хромирование – процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом для повышении коррозионной стойкости и жаростойкости, а при хромировании высокоуглеродистых сталей – для повышения твердости и износостойкости.

Силицирование – процесс насыщения поверхностного слоя детали кремнием для повышения коррозионной стойкости и кислотостойкости. Силицированию подвергают детали из низко- и среднеуглеродистых сталей, а также из ковкого и высокопрочного чугунов.

Борирование – процесс насыщения поверхностного слоя детали бором. Назначение борирования – повысить твердость, сопротивление абразивному износу и коррозии в агрессивных средах, теплостойкость и жаростойкость стальных деталей. Существует два метода борирования: жидкостное электролизное и газовое борирование.

Сульфидирование – процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей серой для улучшения противозадирных свойств и повышения износостойкости деталей.

Сульфоцианирование – процесс поверхностного насыщения стальных деталей серой, углеродом и азотом. Совместное влияние серы и азота в поверхностном слое металла обеспечивает более высокие противозадирные свойства и износостойкость по сравнению насыщение только серой.

В чем заключается термомеханическая обработка стали?

Высокотемпературная термомеханическая обработка стали заключается в том, что непосредственно после горячего воздействия давлением, когда металл имеет аустенитную структуру, проводится закалка стали. За короткое время между окончанием процесса деформации и закалкой не успевает произойти рекристаллизация. В связи с этим наклеп и упрочнение, которые возникли при пластической деформации во время прокатки или штамповки, не устраняются и остаются в материале после его остывания. После закалки, к этому добавляется еще упрочнение вследствие фазового наклепа твердой мартенситной структурой. Мартенсит, образующийся в этих условиях, кроме своих дислокаций, как бы наследует и те, которые возникли при наклепе. Ясно, что чем короче промежуток времени между окончанием всех процессов, когда сталь имеет высокую температуру, тем больше сохранится дислокаций и тем больше будет эффект упрочнения. Практически, этот отрезок времени составляет несколько секунд, в течение которых частично происходит рекристаллизация, что снижает эффект упрочнения. Рекристаллизация — один из главных недостатков способа высокотемпературной термомеханической обработки стали. Из-за этого явления степень деформации при ВТМО не превышает 20-30%.

При низкотемпературной термомеханической обработке металл нагревают до аустенитного состояния, затем охлаждают ниже температуры рекристаллизации, но выше температуры начала мартенситного превращения, т. е. температурный интервал пластической деформации составляет примерно 400 — 600°С. Деформация, как и при ВТМО, вызывает наклеп аустенита, рекристаллизации же в этих условиях не происходит. Затем проводится закалка: образуется мартенсит, который, как и в предыдущем способе, наследует дислокации, а значит и упрочнение, полученное при низкотемпературной термомеханической обработке стали. Здесь устранен недостаток первого способа, так как рекристаллизация практически отсутствует и потому наиболее полно используется эффект упрочнения от наклепа.

После закалки в обоих случаях следует низкотемпературный отпуск (100 — 300°С.). ТМО позволяет получить достаточно высокую прочность (σв = 2200-3000МПа) при хорошей пластичности и вязкости (δ = 6 — 8%, ψ = 50 — 60%). Для сравнения: после обычной закалки и низкого отпуска σв = 2000 — 2200МПа, δ = 3 — 4%.

Существует также высокотемпературная поверхностная термомеханическая обработка — ВТМПО. Сущность ее заключается в том, что деталь подвергается поверхностному нагреву ТВЧ и одновременно обкатывается роликами. В результате в поверхностном слое изделия, разогретом до аустенитного состояния, происходит наклеп и после закалки образуется мартенситная структура, в которой наследуется дополнительное упрочнение, полученное при обкатке. Метод ВТМПО очень эффективен при упрочнении шеек и галтелей коленчатых валов, пальцев шаровых опор подвески автомобиля и других ответственных деталей.

Читайте также: