книги / Технология термического производства. Способы наноструктурирования материалов

чина зерна. Измельчения зерна в стали достигают за счет перекристаллизации α → γ. Авторы нового способа обработки – термоциклической обработки (ТЦО) – предложили отказаться от традиционного параметра термической обработки (время выдержки, τвыд), ввести многократную перекристаллизацию α ↔ γ и, следовательно, новый параметр nопт – оптимальное число нагревов и охлаждений (термоциклов) [35, 36, 38]. При ТЦО используют быстрые нагревы (например, нагрев в расплавах солей, индукционный и электроконтактный нагревы), что также способствует получению мелкого зерна.

При разработке способов и режимов ТЦО необходимо учитывать особенности фазовых и структурных превращений при ускоренных нагревах и охлаждениях, возможный термонаклеп и рекристаллизацию, термодиффузию и т.д. В работах И.Н. Кидина и др. [37, 35, 36] показана возможность смены диффузионного механизма в перестройке α → γ решеток железа на бездиффузионный (сдвиговой) у перлита при скоростях нагревания (7–8) 104 °С/с. В то же время при нагревании закаленных структур (мартенсит, бейнит) бездиффузионная α → γ перекристаллизация происходит и при умеренных (средних) скоростях нагрева. Следовательно, для конечного формирования структуры (в частности, размера зерна) важны исходная микроструктура, скорости нагрева в интервале превращения, химический состав стали.

Роль термонаклепа при ТЦО двояка. При быстрых нагреваниях и охлаждениях структурные составляющие сплава, обладая разными теплопроводностями, теплоемкостями, температурными коэффициентами расширения и прочностными свойствами, претерпевают внутреннее микропластическое деформирование [35]. Эта микродеформация вызывает увеличение плотности дислокаций, полос скольжения и других видов микродефектов, упрочняющих материал. Но основными при ТЦО являются все же структурные превращения.

191

Велика роль термонаклепа как фактора, ускоряющего структурные изменения в сплавах на основе железа. Внутренние термические микронапряжения снижают температуру начала фазового превращения при нагревании. У микродефектов феррита возникают зерна метастабильного аустенита. Термонаклеп, таким образом, увеличивает долю бездиффузионного α → γ превращения и тем самым способствует сокращению числа необходимых термоциклов при ТЦО.

Интенсивно происходящие фазовые превращения, в ходе которых перестраиваются кристаллические решетки, не только способствуют «перемешиванию» структурных составляющих, но и могут вызывать ускоренный распад метастабильных структур и химических соединений металла с углеродом, например цементита.

В данной работе не рассматриваются вопросы формоизменений и микроповреждений, которые возможны при сверхинтенсивных режимах ТЦО, так как при разработке конкретных способов упрочняющей ТЦО создавались такие режимы, чтобы при термоциклировании в материале не возникали повреждения. Изучению формоизменения при термоциклировании посвящена монография А.А. Баранова [35].

После термоциклирования стали имеют более высокие прочностные свойства без снижения пластичности и ударной вязкости, чем после традиционной упрочняющей термообработки. Одновременно с этим снижается порог хладноломкости. Возможность получения сверхмелкого зерна (до 14 номера шкалы ASTM, средний диаметр зерна 3–5 мкм) способствует повышению штампуемости сталей и даже переводу материала в сверхпластичное состояние. Регулирование размера зерна термоциклированием – перспективный путь к получению наноструктурного состояния компактных металлических материалов.

Использование ТЦО сплавов алюминия, титана, никеля повысило характеристики вязкости разрушения и усталост-

192

ной прочности [34, 36]. ТЦО сплавов системы Al–Mg–Si может с успехом заменить длительное искусственное старение с одновременным повышением пластичности в 1,5 раза.

Например, литейный алюминиевый сплав, который применяется в двигателестроении для изготовления поршней (кокильные отливки), после обработки по режиму – закалка 520 °С, 1 ч и старение 210 °С, 1,5 ч – приобретает свойства σВ

= 260 МПа, σ0,2 = 220 МПа, δ = 0,6 % и σ100300 = 45 МПа. При-

менение ТЦО по режиму 520 ↔ 340 °С 8 циклов и аналогичное старение обеспечивает σВ = 370 МПа, σ0,2 = 320 МПа при δ = 0,9 % и длительную прочность σ100300 = 55 МПа.

При исследовании α + β титановых сплавов ВТ 3-1 и ВТ9 получены структуры корзиночного плетения. После ТЦО пластинки α-фазы разбиты на субзерна, прослойки между ними β-фазы тоже фрагментарны. При этом при сохранении прочности и небольшом повышении пластичности су-

щественно повышается ударная вязкость (для ВТ 3-1 KCU с 57 до 74 Дж/см2).

Применение термоциклической обработки сталей

Наиболее разработаны схемы и режимы ТЦО для желе- зо-углеродистых сплавов. Подробно изучены и описаны [35, 36, 37] фазовые и структурные изменения при быстрых нагревах и термоциклировании. Основные схемы ТЦО сталей приведены на рис. 6.1.

Все способы термоциклической обработки сталей и чугунов можно условно подразделить на низко-, средне- и высокотемпературные. При низкотемпературных способах ТЦО нагревание осуществляют до температуры несколько ниже начала полиморфного α → γ превращения, т.е. без участия в структурных изменениях фазовых превращений.

193

Среднетемпературные способы ТЦО предусматривают нагревание до температур возникновения области двухфазного состояния, т.е. в области температур между точками Ас1 и Ас3. При высокотемпературных способах ТЦО нагревания производят до полного фазового превращения, т.е. выше точки Ас3.

Рис. 6.1. Схемы ТЦО сталей: а – маятниковая; б – среднетемпературная; в – высокотемпературная; г – низкотемпературная

Маятниковую ТЦО используют преимущественно для измельчения зерна углеродистых сталей с содержанием углерода 0,3 % и более. Средне- и высокотемпературную ТЦО используют как упрочняющую обработку для конструкционных сталей разных структурных классов. Низкотемпературную ТЦО применяют для чугунов и при старении сталей и сплавов. Рассмотрим на примере различных сталей возможности ТЦО.

ТЦО доэвтектоидных углеродистых сталей. В доэв-

тектоидных сталях путем последовательных нагреваний до температур несколько выше точки Ас1 и охлаждений на воздухе до комнатных температур можно получать мелкозернистую структуру стали и соответствующее улучшение ее механических свойств.

194

ваемого изделия. Оптимальными скоростями нагреваний стали являются скорости от 50 до 100 град/мин. Они достигаются при средних массах деталей (до 50 кг), если температура в печи 950−1100 °С. Экспериментальный подбор температуры печи для обеспечения нужной скорости нагревания производится путем построения кривых нагревания конкретных изделий. Скорость нагревания можно оценивать временем

(τнагр) до достижения заданной температуры (tнагр) (рис. 6.2). В дальнейшем нагревание контролируется по затрачиваемому времени. Максимальная температура и длительность нагревания тоже вначале определяются экспериментально. Впоследствии весь процесс ТЦО контролируется по времени нагревания и охлаждения.

Рис. 6.2. Схема кривых нагревания при разных температурах печи (разных скоростях нагрева)

Структурные изменения, происходящие при маятниковой ТЦО в стали 40, показаны на рис. 6.3. Для сравнения дана исходная структура стали после нормализации (а) и структуры после двух (б), трех (в) и пяти (г) термоциклов (× 100).

196

Аналитический расчет количества зерен (N) в удельном объеме (1 мм3) стали 45 (с размером зерен 5−6-й номер), выполненный по методике стереометрической металлографии, показал, что после нормализации N = 6,5 103 зерен/мм3, а после маятниковой ТЦО N = 6,2 106 зерен/мм3. Следовательно, получено зерно 11−12-го номеров. Это означает, что одно зерно дробится примерно на 1000 мелких зерен. Такие изменения в структуре положительно влияют на механические свойства конструкционных сталей.

Рис. 6.3. Изменение структуры стали 40 при термоциклировании

Изменение механических свойств после ТЦО в сравнении с нормализацией показано в табл. 6.1.

197

Таблица 6.1

Механические свойства доэвтектоидных сталей [36]

Из таблицы видно, что ТЦО существенно повышает упругость, пластичность и вязкость сталей. Предел текучести увеличивается на 6−15 %, пластичности на 10−25 %, а ударная вязкость − на 70−110 %, т. е. примерно в два раза. Термоциклирование повышает ударную вязкость при комнатных температурах и при пониженных, что особенно важно для техники, эксплуатируемой на Севере. На рис. 6.4 приведены зависимости ударной вязкости от температуры для стали 45 после нормализации (кривая 1) и ТЦО (кривая 2).

Рис. 6.4. Зависимость ударной вязкости стали 45 от температуры испытаний:

1 – нормализация; 2 – ТЦО

198

ТЦО автоматных сталей. В общем машиностроении широко применяют автоматные стали. Основными достоинствами автоматных сталей являются хорошая обрабатываемость резанием, получение гладкой высококачественной поверхности и дробленой, легко удаляемой со станка стружки. Эти положительные свойства обусловлены повышенным содержанием серы и фосфора в сталях («грязные» стали), а также введением таких добавок, как свинец, селен и теллур. Есть, однако, у автоматных сталей и свои недостатки: пониженные пластичность и ударная вязкость, большая склонность к хладноломкости по сравнению с качественными сталями.

С целью устранения этих недостатков изучалось влияние ТЦО на структуру и свойства автоматных сталей А12 и А40Г. Режим ТЦО был следующим: ускоренные 5-кратные нагревания стали А12 до 960−980 °С, а стали А40Г − до 780−800 °С с охлаждением на воздухе до температур ниже точки Аr, последнее охлаждение − до комнатных температур. Сравнить полученные после ТЦО свойства и свойства аналогичных качественных сталей позволяют данные табл. 6.2.

Таблица 6.2

Механические свойства автоматных и качественных сталей [36]

199

На основе этого сравнения можно считать, что применение ТЦО автоматных сталей существенно увеличивает их пластичность и вязкость. Поэтому можно уверенно заменять качественные стали автоматными, не снижая работоспособности и надежности изделий.

ТЦО стали 40Х. Сталь 40Х широко используется в машиностроении, поэтому целесообразно рассмотреть возможности применения ТЦО для этой стали. По результатам оптимизации режима ТЦО для получения наибольшей ударной вязкости для промышленного опробования был предложен следующий режим ТЦО: 6–8-кратное ускоренное нагревание со скоростью до 450 град/мин до температуры 800−830 °С с последующим охлаждением на воздухе до 600−650 °С; окончательное охлаждение на воздухе до комнатных температур.

Наибольшее значение ударной вязкости сталь 40Х обычно имеет после нормализации. Поэтому сопоставлялись данные, полученные после нормализации и после ТЦО: нормализация привела к KCU = 65 Дж/см2, а ТЦО дает 165 Дж/см2.

Поковки из стали 40Х диаметром 250 и длиной 500 мм обрабатывали по аналогичному режиму: 5-кратное нагревание со скоростью 3−5 град/мин до 780−800 °С, охлаждение на воздухе до 650−630 °С, после последнего нагревания охлаждение на воздухе до температуры цеха. Для сопоставления результатов часть поковок подвергалась стандартному отжигу, а часть − нормализации с отпуском при 470 °С. Результаты сопоставления механических свойств поковок приведены в табл. 6.3.

Описанный режим ТЦО рекомендовано применять в тех случаях, когда требуется повышенная ударная вязкость, например для техники в северном исполнении.

Сталь 40Х склонна к отпускной хрупкости после выдержек при 450–600 °С и медленного охлаждения.

200