5. ТЕРМИЧНА ОБРАБОТКА НА МЕТАЛИТЕ

ПРЕДГОВОРФАЗА – термодинамически равновесно състояние, характеризиращо се с разнороден строеж и отличаващо се по свойства от други възможни равновесни състояния на системата; свойствата на сплавта се определят от състава и съотношението на фазите, които се образуват в резултат на взаимодействието на компонентите. Течни разтвори – стопилка L, еднородна смес на 2 или повече компонента, разпределени равномерно във вид на отделни атоми, йони или молекули. неограничена разтворимостТвърди разтвори – фаза състояща се от 2 или повече компонента, единият запазва кристалната си решетка (разтворител), а атомите на другия се разпределят в нея без да изменят нейния вид, но изходните размери на решетката се променят; изкривяването на металната решетка обуславя изменението на свойствата на сплавите.

- Вместване – атомите на разтворения компонент се разполагат в междувъзлията на кристалната решетка; ограничена разтворимост;

ФЕРИТ и АУСТЕНИТ – твърди разтвори на вместване на въглерода C в α-Fe и γ-Fe- Заместване – атомите на Cu – Ni, Cu – Au, Ag – Au; ако притежават подобни

кристални решетки, близки атомни радиуси и еднаква валентност на външната електронна обвивка => неограничена разтворимост

Химични съединения – фази с постоянен състав, отношението на компонентите им се подчинява на правилото на валентностите; имат различни свойства и кристални решетки от тези на образувалите ги елементи; ЦЕМЕНТИТ – Fe3C, йонен тип връзка ГРАФИТ – свободен въглерод C

Други структури:механични смеси – структури състоящи се от няколко фази, когато са взаимно неразтворими, образуват ограничени разтвори или химични съединения

- евтектики – механична смес на няколко фази, които кристализират едновременно при постоянна температура на стопилката; ограничена разтворимост;

- перитектика – едната фаза се образува след взаимодействие на другата със стопилката или когато са взаимно неразтворими;

ПЕРЛИТ – механична смес (Ф + Ц), съдържа 0,8%C, при евтектоидно разпадане на АЛЕДЕБУРИТ - механична смес (А + Ц), при кристализация на сплав с 4,3%C

Равновесно състояние на системата от сплави се достига при неголеми скорости на охлаждане или при продължително нагряване на сплавта. Реалните сплави като правило се намират в неравновесно (метастабилно) състояние.

Процеси:- Дифузия – движение на атомите през кристалната решетка и стремеж за изравняване

на концентрацията им; при бавно охлаждане; обуславят равновесни структури;- Полиморфизъм – бездифузионно превръщане, протича с висока скорост;

Фазови превръщания в твърдо състояние – протичат след кристализацияохлаждането може да се провежда

- изотермично – нагретите образци се потапят в среда нагрята до определена температура (течни метали или соли) и се задържат в нея до пълното протичане на превръщането

- термокинетично – охлаждането е непрекъснато с определена скорост до стайна температура, скоростта зависи от охлаждащата среда - въздух, вода, масло.

При охлаждане на Аустенита превръщанията са:- Евтектоидно превръщане – дифузионен характер; 1 твърда фаза се разпада до 2 нови

и се образува механична смес; превръщане на аустенита в кристална смес от ферит+цементит (перлит); с повишаване степента на преохлаждане намалява и

размера на устойчивия зародиш на П; в зависимост от скоростта на охлаждане или темп. на изотермично охлаждане се образува:

груб едропластинчат П – малки скорости на охлаждане или изотермично охлаждане 700°Сдребнозърнест сорбит – при > скорости на охлаждане или изотермично охлаждане 600°Сфин троостит – при скорости близки до критичната или изотермично охлаждане 500-600°С

- Мартензитно превръщане – ако при охлаждане на А се блокира дифузията на Fe и C атоми; смяна на решетката от СЦК (А) до ОЦК (Ф) със запазване на концентрацията на C и изкривяване на решетката; получава се преситен α-твърд разтвор; мартензитът е еднофазна структура! Превръщането има деформационен характер; с нарастване на въглеродното съдържание в стоманата намалява и критичната скорост, при която настъпва мартензитно превръщане.

- Бейнитно – под 500°С дифузията на Fe атомите силно се затруднява, но атомите на C все още са дифузионно подвижни; смесено, носи белезите на мартензитно превръщане и евтектоидно разпадане; при нелегираните стомани може да се реализира само чрез изотермично охлаждане; горен бейнит – цементитната фаза се получава от аустенита в по-високотемпературната област, има груби цементитни кристали и е крехък; долен дейнит - цементитната фаза се получава от мартензита, структурата е иглеста със силно дисперсна циментитна фаза.

при нагряване фазовите превръщания са дифузионни- обратими – за сплави в равновесно положение; евтектоидно превръщане П-> А- необратими – за сплави в метастабилно състояние; разпадане на М, графитизация;

разпадане на мартензита при нагряване – необратимо фазово превръщане, което протича в закалените на мартензит структури (метастабилни) при нагряване. При разпадането на мартензита се осъществява отделяне на въглерода във вид на карбиди и тяхното коагулиране (намаляване на обема) и разпадане на остатъчния аустенит (нарастване на обема). На дилатометричната крива (зависимост изменение на дължина на образец – температура) се различават три стадия:

- първо превръщане от 80 до 200°С – от мартензита се отделят дисперсни метастабилни карбиди и твърдия разтвор обеднява неравномерно на въглерод.

- второ превръщане от 200 до 260°С – равномерно в целия обем протича дифузионно разпадане на мартензита. едновременно с него протича и бейнитно разпадане на остатъчния аустенит и превръщане на карбидите в цементит.

- Трето превръщане от 260 до 380°С – завършва разпадането на мартензита и той губи своята тетрагоналност на решетката и се превръща във ферит. Образува се дисперсна ферито-цементитна смес (перлит), като над 500°С пластинките на перлита сфероидизират.

След първото и второто превръщане структурата е отвърнат мартензит, а след края на третото – отвърнат троостит (с твърдост равна на троостита). При температури близки до А1 се получава груб зърнест перлит със сферични цементитни зърна. Може да се приеме, че цементитът уякчава феритната фаза, тъй като твърдата и крехка цементитна фаза съществено ограничава деформацията на по-меката феритна фаза в областите, прилежащи до границата. Степента на това влияние е съществено по-висока за фините перлитни структури (сорбит, троостит, бейнит), тъй като в тях има повече граници, отнесено към единица обем. Фазовите граници също възпрепятстват свободното движение на дислокациите във ферита. Тези две причини обясняват по-високите якостни свойства на фините Ф+Ц смеси.При сфероидизация на цементитните частици се постига съществено подобряване на пластичните характеристики на стоманата – относителният дял на фазовите граници става най-малък и се увеличава жилавостта. Мартензитът има почти нулева пластичност, което прави непригодни за експлоатация закалените изделия без отвръщане. Характерна особеност на продуктите на отвръщане

2

(сорбит, троостит) е, че в тях цементитните кристали имат зърнеста форма и са фино разпределени в непрекъснатата феритна матрица. Поради нейното наличие, отвърнатите структури имат доста по-висока жилавост и пластичност. Силно развитите фазови граници при големия брой и малките размери на цементитните частици уякчават ферита и имат бариерно действие спрямо движението на дислокациите, която обяснява високата твърдост. При повишаване температурата на отвръщане се ускоряват дифузионните процеси и нараства големината на цементитните зърна, намалява относителният дял на междуфазовите граници към единица обем и се снижава твърдостта.

ТЕРМИЧНО ОБРАБОТВАНЕ – параметри:температура нагряваневреме за престой – нагряване и задържанескорост и среда на охлаждане

5.1. ТЕХНОЛОГИЧНИ ПРОЦЕСИ НА ЗАКАЛЯВАНЕ - ОБЕМНО, ПОВЪРХНОСТНО, ИЗОТЕРМИЧНО, СТЕПЕННО, С ПРЕХВЪРЛЯНЕ. МАШИНИ И СЪОРЪЖЕНИЯ.Кънев, М., Металознание и термично обработване, Техника, 1988Бучков, Д., Термична обработка на металите, Техника, 1980

ЗАКАЛЯВАНЕТО представлява вид термична обработка, която се състои в нагряване и задържане до температури над тези на фазовите преходи (критични) и следващо достатъчно бързо охлаждане с цел фиксиране на неравновесно фазово състояние, обуславящо и нови механични и физични свойства. Закаляването може да бъде истинско – със запазване високотемпературно фазово състояние, или такова с полиморфно превръщане – протичане на бездифузионно фазово превръщане с образуване на нов тип структура – мартензит. При въглеродните стомани не е възможно „истинско закаляване“, т.е. фиксиране чрез бързо охлаждане на високотемпературното състояние аустенит. Това е така, защото преохладеният аустенит претърпява при определена температура полиморфно превръщане γ-Fe(C) до α-Fe(C). Стенноцентрираната решетка на аустенита се трансформира в обемноцентрирана тетрагонална решетка на мартензита (извършва се превръщане А-М). Бързото охлаждане довежда до почти пълно задържане на въглерод в решетката на мартензита, при което тя се оказва преситена с въглерод. Въглеродните атоми деформират решетката на α-Fe и я превръщат в тетрагонална с определена степен на тетрагоналност c/a. Следователно, основната цел на закаляването е получаване на мартензитна структура и повишаване твърдостта на материала (за въглеродни стомани със съдържание на въглерод 0,4÷0,6% тя може да достигне HRC60).Закаляеми стомани са тези, при които съдържанието на C е достатъчно високо, за да може:- да се получи тетрагонален мартензит с голяма твърдост;- да се гарантира (чрез допустимо за практиката бързо охлаждане) скорост, по-голяма

от критичната за закаляване.Закаляеми са въглеродните стомани със съдържание на въглерод над 0,3 %. Такова съдържание гарантира възможност чрез охлаждане във вода на изделие с относително малка дебелина да се получи мартензитна структура с НRС>45. При легираните стомани критичната скорост на закаляване е по-малка.На закаляване обикновено се подлагат готови детайли, поради което правилният избор на технологичните параметри на закаляването е решаващ за свойствата на изделията след термообработката им. Един от най-съществените параметри е температурата, до която следва да се нагрее изделието. Тя се определя от въглеродното съдържание на стоманата. За подевтектоидните стомани оптималният температурен интервал е от 20 до 50°С над линията GS (над критичната точка A3). При тази температура структурата е еднофазна - аустенит. Чрез следващо бързо охлаждане аустенитът се превръща в мартензит и остатъчно количество аустенит от 2 до 5%.

3

Прегряването на подевтектоидните стомани (<0,8%C) при закаляване е нежелателно и води до следните недостатъци. При високите температури аустенитните зърна наедряват и при следващо бързо охлаждане се получават по-едри мартензитни игли и се увеличава количеството на остатъчния аустенит. Грубият мартензит е по-крехък, а остатъчният аустенит намалява твърдостта на стоманата. Нагряването на металите до високи температури може да предизвика и процеси на окисляване и други вредни взаимодействия между изделията и средата, в която се извършва нагряването.При нагряване на подевтектоидните стомани до температура по-ниска от А3, т. е. в двуфазната област ферит и аустенит, и осигуряване на бързо охлаждане, превръщане претърпява само аустенитът. Наличието на ферит в структурата на закалената стомана намалява твърдостта й. Такъв режим на термообработка се нарича непълно закаляване.Надевтектоидните въглеродни стомани се нагряват за закаляване до температура от 20 до 50°С над линията SK (над А1 и под А3). Структурата при тази температура е двуфазна — аустенит и цементит. След закаляване се получава структура мартензит и цементит. Цементитът е химично съединение Fe3C и има най-голяма твърдост от всички фази (70 HRC). Желателно е още преди закаляването цементитът да бъде подготвен под формата на зърна. Ако той образува мрежа около мартензитните кристали, стоманата става крехка. След закаляването цементитните включвания се разполагат в мартензитната основа и повишават износоустойчивостта на стоманата.Нагряването на тези стомани над А3 трябва да се избягва, защото при тези температури цементитът се разтваря напълно в аустенита. Въглеродът стабилизира аустенита и при следващото бързо охлаждане се фиксира голямо количество остатъчен аустенит, поради което се понижава твърдостта на стоманата. Аустенитните зърна наедряват, получава се едроиглест мартензит, който е крехък. Освен това се получава повърхностно обезвъглеродяване. Възникват големи вътрешни напрежения, водещи до деформации и пукнатини.Следователно, най-подходящ температурен интервал за нагряване при закаляване на качествени въглеродни стомани е за подевтектоидните стомани от 20 до 50°С над линията GS (над А3), а за надевтектоидните стомани - от 20 до 50°С над линията SK (над A1).Детайлите за закаляване могат да се нагряват в камерни пещи с въздушна среда, във вани с разтопени соли или метали, в съоръжения с контролируема атмосфера или вакуум. Времето за нагряване до необходимата температура зависи от вида на нагряващата среда, от конфигурацията и масата на изделието, от топлопроводността на метала, от мощността и конструкцията на пещта, от начина на подреждане на детайлите в работното пространство на пещта. Допустимата скорост на нагряване за въглеродните стомани, имащи добра топлопроводност, практически е неограничена. Бързото загряване съкращава общото време на термичния цикъл, но не трябва да се допуска голяма разлика между температурата на повърхността и сърцевината. След достигане на необходимата температура детайлите се задържат, за да се хомогенизира структурата им. Времето на задържане зависи от скоростта на фазовите превръщания, която се определя от степента на прегряване над равновесната температура, от химичния състав на стоманата, от дисперсността на изходната структура. За определяне на времето за нагряване и задържане в практиката се използват таблици. Например за нагряване в камерна пещ с въздушна среда се препоръчва да се предвиди задържане по 1 минута за 1 mm условна дебелина. Под условна дебелина Sусл се разбира произведението на действителната дебелина S и коефициентът на формата, зависещ от съотношението на нагряваната повърхнина и обема на изделието.Охлаждащи среди за закаляване. Стоманите при закаляване трябва да се охлаждат с такава скорост, която да възпрепятства дифузионното аустенит-перлитно разпадане и да дава възможност за бездифузионно аустенит-мартензитно превръщане. Диаграмите на изотермичното разпадане на аустенита показват, че неговата стабилност в температурния интервал А1— Мн е различна. Линията, съответстваща на скоростта на охлаждане, не трябва

4

да пресича С-кривите. За въглеродните стомани е необходима скорост на охлаждане от 100 до 600°С/s.В същото време скоростта на охлаждане трябва да бъде малка в температурния интервал Мн - Мк с оглед да се намалят вътрешните (структурни и термични) напрежения, които довеждат до деформация на детайлите и образуване на пукнатини. Следователно се търси среда, която да охлажда бързо в интервала на минималната устойчивост на аустенита и бавно в мартензитния интервал. Такава идеална охлаждаща среда още не е намерена.Охлаждащата способност на средите за закаляване зависи от топлопоглъщаемостта, топлопроводността, вискозитета, температурата и от скритата топлина на изпарение на течността. Охлаждащите среди се разделят на две групи. Към първата група се отнасят средите, които не променят агрегатното си състояние при допир с горещия детайл. Това са въздух — спокоен или циркулиращ, охлаждане между метални плочи (медни или стоманени), разтопени метали или соли. Тези среди осигуряват равномерно и при сравнително малки скорости охлаждане. Втората група среди, които променят агрегатното си състояние при допир до горещия детайл, са средите на водна основа (вода спокойна или циркулираща, водовъздушна смес, вода с разтворени в нея соли, основи и др.) и минерални или растителни масла.Водата е най-евтината охлаждаща среда, но има съществен недостатък - голяма скорост на охлаждане в мартензитния интервал и намаляване на скоростта на охлаждане при повишаване на температурата й. Тя се използва за закаляване на средно-въглеродни стомани.Голяма и равномерна скорост на охлаждане осъществяват 8-12 %-ните водни разтвори на NaСl и NaOH, които намират широко приложение в практиката. Маслата охлаждат бавно в мартензитния интервал и това е предимството им, но охлаждат бавно и в интервал 650—550°С, поради което се използват за закаляване на стомани с достатъчно стабилен аустенит при тези температури (високовъглеродни и пружинно-ресорни стомани). В процеса на работа маслата променят охлаждащите свойства и трябва да се регенерират.

Методи за закаляване според начина на охлаждане:При закаляването на стоманите от особено значение са следните две изисквания:- температурната област на минимална стабилност на аустенита (извивките на С-кривите) да се преодолее с възможно голяма скорост Vохл;- в мартензитната област да се премине с възможно малка Vохл, за да не се получат големи вътрешни напрежения. Тези изисквания трудно могат да се изпълнят при непрекъснато охлаждане в една среда (обикновено закаляване, крива а на Фиг. 1). То е приложимо за ниско- и средновъглеродни стомани с малка склонност към деформации и вътрешни напрежения от закаляването.

5

Фиг. 1. Видове закаляване според начина на охлажданеЗакаляване с прехвърляне в друга среда (крива б) — провежда се при използването на две охлаждащи среди: едната охлаждаща среда осигурява голяма скорост на охлаждане в температурния интервал на малката устойчивост на аустенита, след което детайлът се прехвърля в друга среда с по-малка охлаждаща способност. При този начин се намаляват вътрешните напрежения. Най-често в практиката се използва комбинацията вода—масло. Прилага се при производството на режещи инструменти от инструментална въглеродна стомана.Степенно закаляване (междинно изотермично задържане, крива в) - детайлите се потапят в разтопена сол или метал с температура, малко по-висока от Мн за сплавта, и се задържат до изравняване на температурата по целия обем, след което се охлаждат бавно. Мартензитното превръщане протича едновременно по целия обем, което намалява вътрешните напрежения.При изотермичното закаляване се осигурява охлаждане с надкритична скорост и следващо задържане в баня с температура, малко по-висока от Мн, до пълното превръщане. Получената структура е бейнит, с по-ниска твърдост, но по-висока якост на удар. Намалени са термичните и структурните напрежения. След този начин на закаляване не се провежда отвръщане.Обработка със студ се прилага при стомани с въглеродно съдържание над 0,8%, за които Мк

е под стайната температура, с цел да се предизвика по-пълно мартензитно превръщане, като се намали количеството на остатъчния аустенит. Твърдостта се повишава с 2—4 единици HRC. Обработката се извършва веднага след закаляването.

Повърхностно закаляване Едно от изискванията към голяма част от машиностроителните детайли е съчетаването на висока твърдост и якост на повърхностните слоеве с висока якост на удар и жилава сърцевина. Така те могат да понасят големи статични и динамични натоварвания на огъване и усукване и едновременно с това да притежават висока твърдост и износоустойчивост. Един от начините за постигане на този комплекс от качества на машиностроителните детайли е повърхностното закаляване. То се състои в нагряване над Ас3 само на повърхностен слой с малка дълбочина и следващо закаляване. Нагряването обаче трябва да се извършва бързо с голяма мощност на топлинния източник, за да не се прогрее сърцевината чрез топлопредаване.При охлаждането се получава мартензит само в зоните, които са били нагрети до аустенитно състояние. За да се формира аустенитна структура за много кратко време и без задържане, температурата за закаляване трябва да бъде 80-100°C по-висока от температурата при обемно закаляване; повишава се уморната якост – създават се остатъчни натискови напрежения в повърхността; слабо окисляване. Един от методите за повърхностно закаляване е високочестотно нагряване с помощта на специални генератори за токове с висока честота (ТВЧ) и индуктори (устройства за генериране на т. нар. вихрови токове, нагряващи повърхността на изделията).Индукционното закаляване се основава на известния ог физиката скин-ефект. С увеличаване на честотата на тока нараства неравномерността на разпределението му в напречното сечение на проводника. При високи честоти може да се счита, че токът протича практически в тънък периферен слой. Детайлът се поставя в индуктор, през който се пропуска високочестотният ток, и индуцираните токове на Фуко също се концентрират в периферните му слоеве.При изделия с големи габаритни размери закаляването на повърхността става последователно, като непосредствено след нагревателя се разполага устройство за охлаждане — най-често душ, обливащ с някаква течност. При изделия с малки габаритни размери, които трябва да се закалят повърхностно в някаква малка зона, нагряването става едновременно във всички подлежащи на закаляване участъци. В този случай след нагряване изделието може да се прехвърли бързо в течна вана за охлаждане.

6

Най-характерна черта на индукционното закаляване са високите скорости на нагряване, които достигат до 300—400°С/s. Те са толкова големи, че изместват критичните точки на фазово превръщане до 100—200°С над нормалното им (равновесно) положение и оказват съществено влияние върху структурообразуването. Голямата степен на прегряване увеличава скоростта на образуване на зародиши и аустенитът е много дребнозърнест и след закаляване се превръща в дребнозърнест (безиглест) мартензит. Индукционното закаляване придава на стоманата по-висока твърдост, по-голяма статична якост и якост на умора при несъществено понижаване на якостта на удар. Това се дължи на издребнената структура и остатъчните напрежения на натиск в повърхностния слой, които сумирайки се с напреженията, създадени от външната натоварваща сила, образуват благоприятно разпределение на напреженията в напречното сечение.Друго важно предимство, свързано с краткото време за нагряване, е слабото окисляване на повърхността.Стоманите, които се подлагат на повърхностно закаляване, не е необходимо да имат голяма прокаляемост. Освен това, стоманите с голяма прокаляемост имат повишена склонност към образуване на пукнатини при рязко нагряване и охлаждане. Затова на повърхностно закаляване се подлагат стомани със средна или малка прокаляемост.За дълбочина на закаляване се приема тази, при която 50% от структурата е била аустенизирана и се е превърнала в мартензит, или тази, която съответства на някаква определена твърдост.

Освен индукционното повърхностно закаляване се прилагат още и газопламъчно, плазмено и от висококонцентрирани източници (лазерно, електронно-лъчево). Способи за повърхностно закаляване:

- Непрекъснато-последователно – използва се един нагревен източник за последователно закаляване и душ движещ се след него; при големи дължини на закаляваната повърхнина;

- Едновременен – цялата повърхност се нагрява едновременно и след това се охлажда с душ или потапяне във вана;

5.2. ОТГРЯВАНЕ. ТЕХНОЛОГИЧНИ ПРОЦЕСИ. ВИДОВЕ ОТГРЯВАНИЯ, СЪОБРАЗЕНИ С ВИДА НА ТЕРМИЧНАТА ОБРАБОТКА И ОСОБЕНОСТИТЕ НА МЕТАЛА.

ОТГРЯВАНЕ – термична обработка, при която материалите се нагряват до определена температура, задържат се продължително време и се охлаждат бавно с пещта; премахват се вътрешни напрежения, понижава се твърдостта, увеличават се жилавостта и пластичността;

Хомогенизиращо (дифузионно) отгряване – отгряване от I род, което се прилага, за да се отстрани дендритната ликвация в блокове и фасонни отливки, с което се подобряват технологичните свойства. Структурите с подчертана ликвационна нехомогенност имат понижена пластичност (наличие на твърда и крехка фаза отделена по границите на дендритните клетки), понижена корозионна устойчивост, силно изразена анизотропност при пластична деформация. Превръщане при температура на фазово равновесие е невъзможно без преохлаждане или прегряване, т.е. без енергиен стимул, обусловен от разликата между свободните енергии. Нехомогенизираните сплави имат изместен към по-ниските температури солидус (неравновесен). Неравновесни структури могат да се получат както в процеса на кристализация от стопилка, така и при следваща прекристализация в твърдо състояние. При реални условия на кристализация на стопилките и тяхното по-нататъшно охлаждане в твърдо състояние е възможно обрзуване както на нехомогенни по състав структури (кристална и зонална ликвация), така и неравновесни (преситени) по състав фази, а в някои случаи и на други метастабилни фази. В сплавите съдържащи метастабилни фази при хомогенизиращо отгряване освен изравняване на концентрацията в обема на зърната на твърдия разтвор

7

(ликвидиране на вътрешнозърнената ликвация), протича и разтваряне на метастабилните фази. Основен процес при хомогенизиращото отгряване е дифузията. Дифузията по границите на зърната и субграниците протича много по-бързо поради наличието на дефекти, които намаляват енергията на активация, особено при малка разтворимост на дифундиращия елемент в основния метал. Енергията на активация за елементи, разтварящи се чрез вместване, е по-малка от тази на разтварящите се чрез заместване. По тази причина блоковете от обикновена въглеродна стомана не се подлагат на хомогенизиращо отгряване, тъй като при нагряване за следващо валцоване дендритната ликвация изчезва много бързо, поради голяма дифузия на въглерода в аустенита. При легираните стомани отстраняването на дендритната ликвация и разтварянето на неравновесния излишък на карбиди от евтектичен тип налага специално хомогенизиращо отгряване при високи температури (1050-1250°C).Температурата е най-важния фактор за ускоряване на процеса отгряване. Обикновено хомогенизиращото отгряване се извършва при температури > (0,9-0,95) Тт, но по-ниски от солидуса. По-ефикасно е да се повишава температурата на отгряване, отколкото да се удължава времето на задържане. Скоростта на хомогенизиране зависи и от състоянието на изходната структура (предшестващата обработка). Намаленият размер на дендритните кристали (след бързо охлаждане, модифициране, отливане в кокили) ускорява дифузията, тъй като малкото сечение на кристалите увеличава концентрационния градиент в тях. Освен това малкият размер на дендритната клетка е причина и за намаляване размера на метастабилните фази и съкращаване времето за хомогенизиране. Високите температури са причина за чувствително нарастване на зърната на сплавите, които претърпяват фазова прекристализация при нагряване. При хомогенизиращо отгряване на легирани стомани аустенитното зърно нараства до такава степен, че се налага следващо отгряване от II род или нормализиране. Ако нагряването за хомогенизиране е съпроводено с частично разтваряне на втори фази, остатъците от тях могат да коагулират и да се окръглят с увеличаване продължителността на задържане. В някои случаи това е нежелателно, тъй като уедряването на тези фази влошава механичните свойства или прави структурата неблагоприятна за следваща пластична обработка. При хомогенизирането в някои сплави се развива и вторична порестост, която е толкова по-силно изразена, колкото по-висока е температурата. Тя се дължи на отделянето на водорода от преситения твърд разтвор образуван при ускорената кристализация. Главна цел на хомогенизиращото отгряване е увеличаването на пластичността и якостта на удар на сплавите. При разтваряне на крехки фази пластичността нараства и престава да се изменя след завършване на този процес. Хомогенизиращото отгряване е продължителен и скъп процес. Неговото прилагане е оправдано само за легираните стомани, когато трябва да се увеличи тяхната якост на удар (да се намали крехкостта им). Най-голямо е подобряването на якостта на удар при средни количества на примесите. Кристална ликвация при легираните стомани може да настъпи и по време на тяхната експлоатация или при продължително задържане в температурния интервал на двуфазно аустенитно-феритно състояние. Причина за това е различната разтворимост на легиращите елементи във Ф и А кристали. Химичната нехомогенност се отразява върху свойствата на стоманата особено след закаляване и отвръщане. Тя причинява неравномерна микротвърдост и понижена якост поради ликвационните прослойки по периферията на зърната. Хомогенизирането се извършва както в аустенитната, така и във феритната област. В легираните стомани с високо въглеродно съдържание особено силно е изразена карбидната ликвация, която прави твърдостта неравномерна, а при бързо охлаждане е причина за появяването на вътрешни пукнатини. Един от начините за ефикасно отстраняване или намаляване на карбидната нееднорост в структурата на стоманите е предварителната пластична деформация, която разделя (фрагментира) карбидите и облекчава дифузионното отгряване.

8

Алуминиевите сплави са изключително чувствителни към режима на отгряване, особено към температурата на процеса. Отливките на повечето деформируеми алуминиеви сплави се подлагат на хомогенизиращо отгряване за подобряване на обработваемостта чрез деформиране и за подобряване на механичните свойства на полуфабрикатите. Температурите на отгряване обикновено са в интервала 450-550°C. Магнезиевите сплави подлежащи на пластична обработка се хомогенизират при 390-405°C. Операцията се съчетава с нагряване преди пластична деформация. Хомогенизиращото отгряване не се прилага самостоятелно за фасонни отливки от алуминиеви и магнезиеви сплави. То се съчетава с нагряването за закаляване при такива температури, че в твърдия разтвор да премине максимално възможно количество метастабилни фази. За медни, никелови, титанови и цинкови сплави ефектът от хомогенизиращото отгряване е незначителен. Най-важният фактор за ускоряване процесите на хомогенизация и за по-пълно разтваряне на втори фази е повишаването на температурата на отгряване. Използваните в практиката максимални температури винаги са по-ниски от неравновесния солидус. Хомогенизиращото отгряване при температури над неравновесния солидус е известно като високотемпературно хомогенизиране. Прилага се за неотговорни отливки, тъй като при високотемпературната хомогенизация се променят якостните свойства и порестостта се развива по-интензивно (отделяне на водород, който образува газови пари).

Рекристализационно отгряванеПластичната деформация увеличава вътрешната енергия на металите. Скритата енергия на наклепа е неравномерно разпределена в метала. Основните ѝ носители са дефектите на кристалната решетка. Структурните изменения, предизвикани от деформацията, се изразяват предимно в изменение на формата и размерите на зърната, кристалографската и пространствената ориентация на кристалите и в изменение на вътрешния строеж на всеки кристалит. Формата и размерите на кристалитите се изменят от процесите на плъзгане и двойникуване. Те се изтеглят по направление на главната деформация на опън. При пластично деформиране възниква деформационна структура, която е следствие предимно на пространствената ориентация на кристалната решетка на зърната. Характерът на текстурата зависи от вида (схемата) на деформация, типа на кристалната решетка и енергията на дефектите. Степента на текстуриране на металите нараства с повишаване степента на деформация. Структурните изменения от деформацията са причина и за рязкото изменение на механичните и физичните свойства. Особено силно нарастват якостните и намаляват пластичните свойства. Важно значение има анизотропията на свойствата, която възниква при големи степени на деформация. Най-силно се проявява анизотропията на механичните (якост, граница на провлачване, модул на еластичност, относително удължение) и на магнитните свойства. Предизвикваните от пластичната деформация изменения в равновесната структура на металите се отстраняват със следващо нагряване, тъй като механизмите за възстановяване са термично активируеми. Съществуват редица нежелателни случаи на пластична деформация, предизвикана от термични и други напрежения, които възникват в процеса на кристализация, термична обработка и по време на фазови превръщания. Състоянието на наклепания метал е термодинамично неустойчиво при всички температури. Рекристализационно отгряване е термична обработка, с която се цели да се отстранят неравновесните отклонения в структурата и да се възстановят частично или напълно механичните и физичните свойства на металите. При нагряване на деформиран метал се развиват два основни процеса:

- Възвръщане, което включва в себе си явленията отдих, полигонизация, миграция на субграниците и коалесценция на субзърната. Когато възвръщането протече без образуване и миграция на субграниците се нарича отдих (възвръщане I род), а ако процесите на възвръщане се развиват с образуване и движение на субграници (малкоъглови) и нарастване на субзърна (коалесценция), то се нарича полигонизация (възвръщане II род).

9

- Рекристализация, която включва явленията първична, събирателна и вторична рекристализация.

При възвръщането се подобрява структурното съвършенство на наклепания метал чрез намаляване на точковите дефекти и чрез преразпределение на дислокациите без образуване на нови граници (отдих) или с образуване и движение само на малкоъглови граници (полигонизация). По време на отдих се развиват предимно процеси, които намаляват концентрацията на точкови дефекти - ваканциите мигрират към дислокациите и границите на зърната, където анихилират. Междувъзловите атоми анихилират в линейните дислокации и при среща с ваканциите. В основата на тези процеси е дифузията. При определени условия и по-високи температури на възвръщане може да се извърши процес на полигонизация, при който анихилират дислокациите с противоположен знак, а останалите се преразпределят така, че образуват устойчиви субграници с малък ъгъл на разориентация и малка кривина. Субзърната, които се образуват при полигонизацията, с увеличаване на температурата се стремят към уедряване. Това става чрез миграция на малкоъгловите субграници и коалесценция на субзърната. Понякога уедряването се развива в големи размери в границите на кристалографската ориентация на деформираните изходни зърна. Тази силно напреднала полигонизация се нарича местна рекристализация или рекристализация на място. При нея не се образуват нови зърна, отделени от матрицата с големоъглови граници. Коалесцирането (нарастването) на субзърната се извършва в резултат на плъзгане и пълзене на дислокациите, при което пълзенето като най-бавен процес играе водеща роля. Скоростта и температурата на полигонизация зависят от много фактори – степен на предшестваща деформация, предварителна термична обработка, примеси и др. Големите степени на деформация потискат полигонизацията, а примесите я затрудняват и изместват към по-високи температури. Първичната рекристализация възстановява най-радикално структурата и свойствата на деформирания метал. При първичната рекристализация се зараждат нови зърна с по-съвършена структура, които нарастват до пълното изчезване на деформираната структура. За разлика от възвръщането първичната рекристализация започва след определен инкубационен период, чиято продължителност намалява с повишаване на температурата. Новите зърна се зараждат предимно на границите на зърната на деформирания метал, двойниците, ивиците на прегъване на кристалната решетка, деформационните ивици и около включванията. Зародиши на рекристализация могат да бъдат и самите субзърна. Най-благоприятни места за образуване на рекристализационни зародиши са участъците от деформираната структура, които имат високо обемно структурно съвършенство (минимално количество дефекти) и голямоъглова граница със съседните зърна. Участъците с еластично деформирана (изкривена) кристална решетка, които кристалографски са силно разориентирани спрямо матрицата, са изключително благоприятни за образуване на зародиши с голямоъглови граници. Такива са ивиците на прегъване и двойниците в деформираната структура. След завършване на първичната рекристализация микроструктурата е още нестабилна. Миграцията на границите и нарастването на едни рекристализирали зърна за сметка на други се нарича събирателна рекристализация. Движещата сила на процесите, които водят към по-нататъшното уедряване на структурата, са естественият стремеж на метала към минимизиране на повърхностната му енергия и стремежът за уравновесяване на напреженията по границите (изправяне на границите). Ако отгряването продължи дълго след завършване на първичната рекристализация, нормалното нарастване на зърната може да бъде внезапно прекъснато от бързото нарастване на малък брой от тях за сметка на останалите – този процес се нарича вторична рекристализация. Едрината на зърната влияе много върху свойствата на металите. Вторичната рекристализация и силно развитата събирателна рекристализация с много едри зърна влошават показателите на пластичността. Дребнозърнестите сплави работят по-добре при топлинни удари, имат по-малка топлопроводност, по-добре се поддават на хомогенизиране (дифузионно отгряване). Големината на рекристализиралите зърна намалява с увеличаване на степента на деформация и с понижаване на температурата на отгряване.

10

В практиката рекристализационното огряване се разделя на пълно, непълно и текстуриращо. Пълното рекристализационно отгряване се прилага при производството на полуфабрикати – листове, ленти, тръби, пръти, които се деформират на студено. Тази обработка е по-разпространена за цветни метали и сплави, тъй като стоманите се обработват най-често чрез гореща пластична деформация. Непълното рекристализационно огряване се провежда в температурен интервал под температурата на края на рекристализация с цел частично отстраняване на наклепа. Прилага се в производството на алуминиеви листи, които не се уякчават термично. Частично рекристализиралата и частично полигонизираната структура ги прави по-твърди и еластични. Текстуриращото рекристализационно огряване е термична обработка на феромагнитните стомани. Докато при сплавите с фазови превръщания в твърдо състояние (стомани) недостатъците на деформираната структура могат да бъдат отстранени чрез отгряване II род (пълно, непълно отгряване, нормализация), за останалите сплави рекристализационното отгряване е единствен начин за постигане на тази цел.

Отгряване за намаляване на напреженията (релаксационно) При всеки технологичен процес (леене, заваряване, рязане, пластично деформиране) в металите възникват вътрешни напрежения, част от които остават след прекратяване на външните въздействия (термични, механични и др.). според големината на обемите, в които те се уравновесяват, се различават:

- Напрежения от I род са тези, които се уравновесят в сравнително големи (макроскопични) обеми на телата – макронапражения, зонални. Те са причина за изменения на формата на изделията и за изкривяването им. Дължат се на температурния градиент в напречно сечение по време на охлаждането, неедновременно протичане на фазови и структурни промени в отделните части на изделието, неравномерна степен на деформация на различни негови обеми или зоналната ликвация.

- Напреженията от II род се локализират и уравновесяват в обема на едно или няколко зърна. Те възникват вследствие на локална нееднородна деформация или фазово превръщане.

- Напреженията от III род са локализирани в още по-малки обеми и се дължат на изкривяване на кристалната решетка от неравномерното разпределение на дислокациите, които създават напрежения в границите на зърната. Високата якост на мартензита се дължи на тези напрежения възникнали от нееднаквото разстояние между атомите.

Докато напреженията от II и III род се създават за подобряване на якостните показатели на сплавите (деформация, дисперсно уякчаване, легиране), тези от I род са в общия случай нежелателни, тъй като сумирайки се със създадените от външните сили, могат да намалят съпротивителните способности на изделието. Когато остатъчните напрежения са по-малки от границата на провлачване σS, в метала се извършва процес на релаксация на напреженията чрез пълзене, което по същество е трансформиране на еластичната енергия в пластична. Избягването на нежелани структурни и фазови промени при отгряването става за сметка на степента на снемане на напреженията и избор на температура за отгряване. Стоманите се огряват при температури по-ниски от Ac1 (~600°C), което е достатъчно за пълно снемане на напреженията. Студено валцованите и щампованите детайли от мед, никел, титан и деформируемите сплави на тяхна основа се отгряват при температури < рекристализационната, ако трябва да се запазят повишените им механични качества от наклепа. Снемането на напреженията е неизбежен процес при прилагането на други видове термообработка – рекристализационно отгряване, хомогенизиращо отгряване, отвръщане на закалени стомани, графитизация на чугуни. Остатъчните напрежения (особено тези на опън) намаляват статичната и динамичната якост, корозионната устойчивост и са причина за

11

деформации и изкривяване на детайлите. При необходимост отгряването за снемане на напреженията се прилага като самостоятелна технологична операция.

5.3. НОРМАЛИЗАЦИЯ, ЗАКАЛЯВАНЕ, ОТВРЪЩАНЕ И СТАРЕЕНЕ. ПРЕДНАЗНАЧЕНИЕ, ОСОБЕНОСТИ НА ТЕХНОЛОГИЧНИТЕ ПРОЦЕСИ – СТРУКТУРНИ ПРОМЕНИ И ПРОМЕНИ В МЕХАНИЧНИТЕ СВОЙСТВА НА МЕТАЛИТЕ.

Отгряване от II род е термична обработка, която се състои в нагряване до температури, при които протича фазово превръщане (фазова прекристализация), задържане и следващо бавно охлаждане, което предизвиква равновесна прекристализация. Фазовите превръщания оказват решаващо влияние върху крайното фазово и структурно състояние. Бавното охлаждане не винаги означава на въздух. Охлаждането на въздух на обикновените въглеродни стомани е близко до равновесното, докато за легираните и високолегираните то може да се окаже условие за закаляване. Нормализацията (отгряване с охлаждане на въздух) може да се разглежда като разновидност на отгряване от II род само когато гарантира получаване на равновесна структура. Скоростта на охлаждане на въздух зависи от масата на детайла и размерите на напречните му сечения.

В основата на отгряването с фазова прекристализация е физическия процес фазова и структурна прекристализация при нагряване и охлаждане. Механизмът при прекристализация при нагряване включва ефекта на издребняване на структурата. Ако високотемпературната дребнозърнеста структура бъде запазена, тя става основа на обратната прекристализация, като се онаследява. При високи температури и продължително задържане започва уедряване на структурата чрез миграция на границите. При дадена температура на нагряване едрината на зърното може да се регулира чрез продължителността на задържане. Понякога уедряването на зърната е желан процес – едрозърнестата стомана притежава по-малка жилавост и се обработва по-добре чрез рязане. Отгряването с фазова прекристализация винаги е съпроводено и с премахване на наклепа в деформираните сплави. Премахват се също така остатъчните напрежения от I род, докато тези от II и III род зависят от скоростта на охлаждане, разликата в специфичните обеми на фазите и вида на примесите (легирането).

При отгряване с фазова прекристализация основното превръщане при нагряване на стоманите в равновесно положение е евтектоидното преминаване (обратимо) на перлита в аустенит. Структурата на подевтектоидните стомани (<0,8%C) при нагряване до температура AC1 е феритни и перлитни зърна. В точка AC1 започва фазова прекристализация на перлита, който се превръща в дребнозърнест аустенит. В точка AC3 фазовата прекристализация завършва с пълното преминаване на ферита в аустенит. При надевтектоидните стомани при нагряване до AC1 перлитът се превръща в дребнозърнест перлит, от AC1 до ACm вторичният цементит се разтваря в аустенита и над ACm цялата структура е аустенитна. Аустенитът се заражда на границата между ферита и цементита, като аустенитното зърно бързо нараства по посока на ферита. С увеличаване на размерите му се разкъсва кохерентността с ферита и се образува реална междуфазова граница. По-нататъшното нарастване на аустенита се извършва чрез движение на тази граница и разтваряне на въглерода от цементита. Процесът завършва с хомогенизиране на аустенита – изравняване на концентрацията на въглерода в целия обем на аустенитните зърна. Процесът на нарастване на аустенитното зърно е непрекъснат и продължава и след хомогенизирането на аустенита. Границите на зърната се движат и се стремят да намалят своята кривина и неуравновесените повърхностни напрежения. Тъй като в основата на фазовото превръщане П->А е дифузията, скоростта на процесите зависи силно от температурата. Повишаването на температурата увеличава скоростта на образуване и нарастване на зародишите. Когато превръщането се извършва при непрекъснато нагряване (термокинетично), то протича в температурен интервал, зависещ от скоростта на нагряване. Колкото по-големи са скоростите на нагряване, толкова по-високи са

12

температурите за начало и край на превръщането. Върху количеството на зародишите влияе и дисперснотта на перлита. Колкото перлитът е по-дисперсен, толкова скоростта на превръщане е по-голяма, тъй като рязко нараства площта на междуфазовата граница Ф/Ц в перлита. Големината на аустенитното зърно определя до голяма степен и свойствата на сплавта. Размерът на аустенитното зърно след завършване на превръщането е толкова по-дребно, колкото по-бързо е нагряването или и по-дисперсна изходната структура. С оглед на металургичния си начин на получаване, стоманите разкислени с алуминий имат наследствена дребнозърнестост – по границата на аустенитните зърна при нагряване се отлага алуминиев нитрид, което блокира бързото им нарастване. Подобно блокиращо действие има и присъствието в състава на стоманата на нитридо- и карбидообразуващи легиращи елементи (Ti, V, Nb, Zr, Al) – техните окиси и карбиди са препятствие за нарастващите аустенитни зърна. При стоманите, които не са разкислени с алуминий (наследствено едрозърнести) размерът на аустенитното зърно прогресивно нараства с увеличаване на температурата на превръщането.

При бавно охлаждане при отгряване евтектоидният аустенит се разпада до перлит - механична смес от две фази ферит и цементит. Разпадането на аустенита е съпроводено с интензивно дифузионно преразпределение на въглерода. Перлитът се образува от зародишни центрове по границите на зърната и расте във вид на редуващи се пластини ферит и цементит. Когато цементитният кристал започне да расте, той предизвиква обедняване на въглерод на околния аустенит – това създава условия за зараждане на ферит чрез полиморфно преустройство на решетката. Феритът се заражда кохерентно на повърхноста на цементита, след което двете фази растат едновременно. Наред с пластинките на цементита се образуват и феритните пластини. При изотермичното охлаждане скоростите на зараждане и нарастване на новите фази са постоянни за дадена степен на преохлаждане. Изотермитеното разпадане на аустенита се представя с С-криви, които дават началото и края на разпадането при различни температури. В повечето случаи перлитът се образува при непрекъснато охлаждане (термокинетично). В зависимост от скоростта на охлаждане или темп. на изотермично охлаждане се образува различна структура:

- груб едропластинчат П – при малки скорости на охлаждане или изотермично охлаждане до 650°С

- дребнозърнест сорбит – при > скорости на охлаждане или изотермично охлаждане до 600°С

- фин троостит – при скорости близки до критичната или изотермично охлаждане 500-600°С.

Перлитното разпадане на аустенита (включително до сорбит и троостит) се извършва до температури над върха на С-кривите - 550°С за евтектоидна стомана с 0,8%C. Под него се развива процеса на бейнитно (смесено) превръщане. При нелегираните стомани то може да се реализира само чрез изотермично охлаждане. С повишаване степента на преохлаждане намалява и размера на устойчивия зародиш на П. Легиращите елементи стабилизират преохладения аустенит, увеличават инкубационния период и изместват С-кривите надясно и надолу. Легиращите елементи затрудняват преразпределението на въглерода в аустенита чрез забавяне дифузията му, както и поетапното му освобождаване от различните карбиди при различни температури на нагряване. Легиращите елементи образуват карбиди с различна устойчивост и в зависимост от това трябва да се подбират температурите на нагряване.

Видове отгряване с фазова прекристализация при СТОМАНИТЕ:1. пълно отгряване

прилага се за подевтектоидни стомани за намаляване твърдостта и подобряване обработваемостта с режещи инструменти. Състои се в нагряване до температури 15-40°C над AC3, задържане и бавно охлаждане с пещта. Основно изискване е скоростта на охлаждане да

13

се съобразява с химичния състав на стоманата (легираните стомани трябва да се охлаждат с близо два пъти по-ниска скорост). Това се постига при необходимост чрез отваряне вратата на пещта, прехвърляне в охладителна камера, автоматично регулиране на температурата в пещта. При охлаждане на подевтектоидни стомани отначало се отделя структурно свободен ферит и при Ar1 аустенитът се разпада. Скоростта на охлаждане влияе най-силно върху отделянето на ферита, като го потиска. Това потискане се отразява както върху количеството на свободния ферит, така и върху неговата форма, големина и разпределение в основната структура. Легиращите елементи създават условия за локализирано отделяне на ферит. В стоманите легирани с манган и други елементи, които стабилизират аустенита и понижават A3, отделянето на свободен ферит става в местата, бедни на легиращи елементи, а на перлит – в обогатените. На отгряване се подлагат стоманите след леене, гореща пластична деформация, заваряване и закаляване, при които по време на кристализацията се образуват структури с различна степен на неравновесност и строеж. От стопилката кристализират едри дендритни кристали на аустенита, които проявяват структурна наследственост.

2. непълно отгряванеприлага се чрез нагряване до температури меджу AC1 и AC3. Подевтектоидните стомани рядко се обработват чрез непълно отгряване. При нагряване протича пълна прекристализация на перлита и частично преобразуване на ферита. Непълното отгряване се прилага, когато от предходната обработка не са нараснали зърната на стоманата, но е желателно да се промени дисперсността на перлита и понижат вътрешните напрежения. Непълното отгряване подобрява обработваемостта чрез рязане и замества пълното отгряване, ако горещото пластично деформиране е проведено правилно и не са се образували едри зърна.

3. сфероидизиращо отгряване по същество това е непълно отгряване на надевтектоидни стомани в температурния интервал AC1 и ACm. при нагряване нагряване до двуфазната област А+Ц2 голяма част от цементитните пластинки остават неразтворени. В тях съществува естествен стремеж за минимизиране на повърхностната енергия и придобиване на окръглена форма чрез дифузионно преразпределяне на въглерода. Едновременно с окръгляването се извършва и процес на локално уплътняване и разкъсване на цементитната пластинка, тъй като въглеродът се пренася през аустенита. При непълно отгряване частиците на неразтворения цементит служат и за центрове на кристализация на цементита, който се отделя при следващо охлаждане под A1. Освен температурата на отгряване, която изменя степента на разтваряне на цементита, върху сфероидизацията влияе и скоростта на охлаждане – колкото по-бавно е охлаждането, толкова по-големи са глобулите на цементита. Перлит с едрозърнест цементит има по-ниска твърдост и по-малка якост, но по-добра пластичност и добра отбработваемост чрез рязане. Зърнестият перлит е най-подходящата структура за закаляване, тъй като има по-малка склонност към нарастване на аустенитното зърно, по-широк интервал на температурите за закаляване, по-малка склонност към образуване на пукнатини при закаляване и по-голяма якост. Охлаждането се извършва обикновено заедно с пещта до 500-600°С, а след това на въздух. За да се ускори образуването на зърнестия перлит, се прилага и циклично нагряване.

4. изотермично отгряванеРавновесни структури могат да се получат и ако изделието се нагрее до температури за пълно или непълно отгряване и се охлади сравнително бързо (например на въздух) до температури по-ниски от критичните точки (под A1) и се задържи изтотермично достатъчно време, за да протече пълно фазово превръщане – разпадане на аустенита. Този вид термична обработка се нарича изотермично отгряване. Степента на неравновесност зависи от преохлаждането. Колкото преохлаждането е по-голямо, толкова по-малки са перлитните частици. В зависимост от степента на преохлаждане могат да се получат структури от еднопластинчат перлит до бейнит. По-добри и надеждни резултати се получават, когато

14

изотермичното отгряване се извършва в две пещи – в първата за аустенизиране, а във втората за изотермично задържане. При изотермичното отгряване целият процес на разпадане се провежда при предварително подбрани условия, които гарантират желана структура и повторяемост на резултатите, а структурата в напречните сечения е еднородна, тъй като разпадането на аустенита става при еднакво преохлаждане на всички части. За легираните стомани изотермичното отгряване е едиственият начин за получаване на перлитни структури, защото малката им критична скорост на охлаждане може да бъде причина за образуване на много твърди структури дори при охлаждане с пещта.

5. Нормализацияотгряваща термична обработка, която се състои в нагряване до температури 30-50° над A3 за подевтектоидни и ACm за надевтектоидни, продължително задържане за протичане на аустенизация и следващо охлаждане на спокоен въздух до равновесна структура перлит. При нормализация на нисковъглеродни стомани се извършват същите процеси, както при отгряването – издребняване на зърното. По-бързото охлаждане от това при отгряването е причина за образуване на по-голямо количество и по-дисперсен перлит, тъй като частично се потиска отделянето на свободен ферит. Нормализацията на високовъглеродните стомани не може да замени отгряването, защото твърдостта им е много по-висока. При някои средно и високолегирани стомани при охлаждане на въздух се образува структура мартензит (въздушно закаляване) – това охлаждане не е нормализация, тъй като не води до образуване на перлит. Уедрената структура на прегретите стомани след леене, гореща пластична деформация или други видове термична обработка се подобрява до голяма степен, а вътрешните напрежения се намаляват. В надевтектоидните стомани с нормализацията се отстранява грубата цементитна мрежа, а в подевтектоидните – едрите феритни кристали. Нормализацията се прилага за подобряване обработваемостта с режещи инструменти. Структурата и свойствата на подевтектоидните стомани след нормализация са по-добри вследствие малката склонност на нисковъглеродния аустенит към преохлаждане. При по-високовъглеродните и легирани стомани твърдостта след нормализация съществено нараства благодарение на повишената склонност на аустенита към преохлаждане и образуване на трооститни и бейнитни структури. Нормализацията създава и вътрешни напрежения, които могат да се се премахнат със следващо нискотемпературно отгряване. За стомани с много едро зърно издребняване на структурата и високи механични показатели се постигат чрез неколкократно нормализиране.

Основни разновидности на отгряване II род при ЧУГУНИТЕ са:A) Графитизиращо отгряване - Отгряване на бели чугуни - за получаване на ковък чугун

Ковкият чугун се получава при термична обработка на бял чугун, при което се извършва графитизация (отделяне на самостоятелен графит) за сметка на пълно или частично ликвидиране на цементитната фаза. Белият чугун, който се използва за получаване на ковък чугун, е подевтектичен с понижено съдържание на въглерод (2,2-3,1%C) и силиций. Изходният фазов състав е ферит и цементит, като цементитът е свободен или в структурата на перлита. Отначало протича перлит-аустенитно превръщане и след това разтваряне на цементит. При достигане на температурата на отгряване 900-1050°C структурата на чугуна е аустенит, остатъци от неразтворен вторичен цементит и евтектичен цементит. Процесът на графитизация започва с възникване на графитни центрове, които се зараждат най-лесно в местата на струпване на ваканции, микровсмукнатини и газови микропори, микропукнатини и разкъсани граници между аустенита и неметалните включвания. Следва непрекъснато разтваряне на цементита и пренасяне чрез дифузия на въглерод към границата с графита, където въглеродът се отделя от аустенита и се присъединява към графитния зародиш. Разтварянето на цементита в аустенита продължава до пълното му разпадане, след което между графита и аустенита се установява равновесие. Така се образува графит с типична компактна / гнездообразна форма. Температурата на отгряване и съставът на чугуна влияят

15

върху формата на графита. Колкото по-висока е температурата, толкова по-разкъсана и разклонена е периферията на графитните грезда. Силно разклонената форма на графита влошава механичните свойства. Охлаждането на чугуна може да се извърши чрез непрекъснато бавно охлаждане в температурния интервал A3 - A1 или чрез изотермично задържане под A1. феритен ковък чугун се получава при много бавно охлаждане или продължително изотермично задържане. Ако е необходима перлитна или ферито-перлитна структура, след нагряване и задържане чугунът се охлажда на въздух. За съкращаване на продължителността на отгряването са разработени различни начини за ускоряване на процеса – модифициране (с алуминий), предварително закаляване (в масло или вода), предварително нискотемпературно задържане (350-400°C) за увеличаване центровете на графитизация. Когато металната матрица е зърнест перлит, чугунът има висока якост, повишена пластичност, добра обработваемост и много добри антифрикционни свойства. От ковък чугун със зърнест перлит се изработват отговорни детайли като колянови валове. За получаване на ковък чугун със зърнест перлит се използва бял чугун с повишено съдържание на манган, който рязко забавя графитизацията на перлитния цементит и води до последващо превръщане на пластинчатия цементит в зърнест.

- Отгряване на избелени чугуни Прилага се отстраняване на избелването в тънките сечения и по повърхността на отливките от обикновени и високояки сферографитни чугуни. Подобрява се обработваемостта и пластичността им. Отгряването се извършва чрез нагряване 850-950°C в продължение на 2-3 часа и охлаждане на въздух или изотермично задържане. Бързото разпадане на цементита се обяснява с повишеното съдържание на Si в сивите чугуни.

Обикновените сиви и високояки чугуни се отгряват, за да се промени основно структурата на металната маса, което е съпроводено с промени в количеството на графита и в известна степен с изменение на формата и разпределението му.

B) нормализацияна нормализация се подлагат чугуни с феритна и ферито-перлитна матрица. Отливките се нагряват до 850-950°C и след задържане за обогатяване на аустенита с въглерод се охлаждат на спокоен въздух. При нагряване се извършва аустенитизиране и разтваряне в аустенита на въглерод от графита и цементита (ако в матрицата има перлит). Перлитното разпадане на аустенита при ускорено охлаждане на въздух може да се развие до сорбит с висока твърдост. Степента на уякчаване зависи от изходната структура и тя е най-голяма когато се обработва феритен чугун. Перлитните чугуни не подобряват съществено якостните си свойства, но увеличената дисперсност на перлита от нормализация с повишена скорост на охлаждане увеличава износоустойчивостта. Нормализацията на ковкия чугун трябва да се избягва.

ЗАКАЛЯВАНЕ – термична обработка, която се състои в нагряване до температури над тези на фазови преходи, задържане до получаване на хомогенен аустенит и достатъчно бързо охлаждане за фиксиране на неравновесно фазово състояние;За въглеродните стомани е възможно само бездифузионно полиморфно превръщане с образуване на мартензитна структура – преохладеният аустенит се превръща полиморфно в преситен α-твърд разтвор; основна цел на закаляването е получаване на неравновесна мартензитна структура и повишаване на твърдостта на материала;Закаляеми са стоманите със съдържание на въглерод >0,3% C;Т заг - 20÷50°C над A3 и над A1 за надевтектоидни стомани – при тях след закаляване се получава структура М + ЦСкорост на охлаждане – температурната област на мин. устойчивост (екстремума на С-кривите, ~550°C) на аустенита трябва да се премине бързо, а в интервала Мн(220°C за 0,8%С) – Мк скоростта на охлаждане трябва да е малка, за да се намалят вътрешните

16

напрежения; това не е възможно при охлаждане в 1 среда; прехвърляне във втора по-мека среда, междинно изотермично задържане, изотермично бейнитно закаляване;Закаляемост – свойството на стоманите да повишават твърдостта си при закаляване; зависи основно от съдържанието % C; закаляема е стомана, която след закаляване има твърдост >45HRC; при С>0,3% може да се постигне надкритична скорост на охлаждане и структура мартензит с голяма твърдост;прокаляемост – способността на стоманата да се закалява в дълбочина; зависи от съдържанието % C и легиращи елементи (те снижават критичната скорост); определя се от max (критичен) диаметър, в който след закаляване в сърцевината се образува структура М + троостит в съотношение 50/50;определя се чрез челна проба (Джомини);с увеличаване на C % и легиращи елементи се понижава Vкр и нараства прокаляемостта;

ОТВРЪЩАНЕ и подобряване След закаляване стоманата има висока твърдост и якост, но е крехка и сравнително лесно се разрушава от ударни и огъващи натоварвания поради появяването на вътрешни напрежения. За премахването им и за повишаване на жилавостта, въпреки известно намаляване на твърдостта, закалените детайли се подлагат на отвръщане.Отвръщането е термична обработка, която се прилага след закаляване на стомана, като детайлите се нагряват до температура, по-ниска от температурата на първото фазово превръщане (критичната точка Аc1), задържат се при тази температура определено време и се охлаждат до стайна температура. В зависимост от химичния състав на стоманите и режима на отвръщане се получават различни структури, обуславящи и съответни свойства.През първия стадий на превръщане при отвръщане с повишаване на температурата от 80 до 200°С се отчита намаляване на обема. Това се дължи на отделянето на въглерод от мартензита, който от тетрагонален се стреми да се превърне в по-устойчив отвърнат мартензит (кубичен). Установено е, че при тази температура на отвръщане се образува ε-карбид с хексагонална решетка и формула, близка до Fе2С. В резултат се образува хетерогенна смес от α-твърд разтвор (мартензит) с висока и с ниска концентрация на въглерод и кохерентно свързани карбидни частици. Процесът на отвръщане протича с образуване на нови и нови кристални карбидни частици в местата, където α-твърдият разтвор има висока концентрация.При нагряване в интервала 200÷300°С процесът, характеризиращ първия стадий на превръщане, продължава, като успоредно с това започва разпадането на остатъчния аустенит. Дилатометричната крива показва увеличаване на обема, тъй като продуктите на разпадането имат по-голям специфичен обем. Остатьчният аустенит се разпада на отвърнат мартензит и карбиди, по състав и свойства еднакви с тези, които се получават при същите температури от разпадането на мартензита. Това е вторият стадий на превръщането при отвръщане.В температурния интервал 300÷400°С протича третият стадий на превръщането, характерен с премахването на напреженията от II род и изграждането на кристалната решетка на карбидите до тази на цементита, т. е. ε -карбидите преминават в Fе3С. Съдържанието на въглерод в мартензита е намалено до 0,15÷0,20 %С. При температура 400°С структурата е изградена от феритни и цементитни частици и се нарича троостит на отвръщане.Следващото повишаване на температурата води до коагулация на частиците на ферита и цементита. Това е четвъртият стадий на процеса при отвръщане. Той започва още при 150°С, но най-интензивно протича при температури над 400°С. Отвръщането при температура 500 — 600°С води до получаването на структура сорбит на отвръщане. Над 650°С се получава перлит. Легиращите елементи променят кинетиката и механизма на превръщане при отвръщане.

17

Фиг. 2. Диференциална дилатометрична крива при отвръщане на стомани

Според температурата на нагряване се различават ниско-, средно- и високотемпературно отвръщане.Нискотемпературно отвръщане се провежда в температурния интервал 150÷250°С в маслени или солни вани и продължителност от 1 до 4 часа, при което се намаляват вътрешните напрежения. Структурата е отвърнат мартензит. Твърдостта е запазена. Закалената стомана със съдържание на въглерод от 0,5 до 1,3% след нискотемпературно отвръщане запазва твърдостта си в граници 58÷63 HRC (което осигурява висока износоустойчивост), но не понася динамични натоварвания. Такова отвръщане се прилага при режещи и измервателни инструменти от въглеродна и нисколегирана стомана или за детайли, които са повърхностно закалени. Следващото охлаждане се извършва на въздух.Среднотемпературно отвръщане се провежда в интервала 350÷500°С в солни вани или пещи с циркулираща газова среда. На такава обработка се подлагат пружини, ресори, щампи и др. Структурата след отвръщането е троостит на отвръщане с твърдост 40÷50 HRC, голяма еластичност и якост на удар.Високотемпературно отвръщане се провежда в интервала 500÷600°С в солни вани или пещи с циркулираща газова среда. Структурата след термообработката е сорбит на отвръщане с твърдост 30÷40 HRC, голяма якост на удар и на опън. Термична обработка, състояща се от закаляване и високотемпературно отвръщане, се нарича подобряване, а структурата - подобрена. На такава термична обработка се подлагат конструкционните качествени средновъглеродни (0,3÷0,5% С) стомани, спрямо които се предявяват високи изисквания по отношение на границата на провлачане и якостта на удар.

СТАРЕЕНЕЗакалените стомани се намират в нестабилно състояние с повишена свободна енергия. В тях съществува естествен стремеж за стабилизиране на структурата, който може да се прояви, ако дифузионната подвижност на атомите е достатъчно голяма. Процесите на стабилизация са необратими и е необходимо нагряване, за да се развият самопроизволно с приемлива скорост. Основен процес при стареенето и отвръщането е разпадането на преситените твърди разтвори, получени след закаляване. Стареене се получава за сплави, закалени без полиморфно превръщане, а отвръщането – за сплавите, закалени с полиморфно превръщане (стомани). За разлика от отвръщането, при стареенето матричният разтвор не променя съществено свойствата си. При стареене промените в свойствата се дължат най-вече на вида, формата, разпределението и плътността на частиците на отделящата се фаза. По отношение на структурообразуването стареенето може да се раздели на:

- стареене при относително високи температури – разпадане с отделяне на равновесни фази. Непрекъснато когато преситеният твърд разтвор непрекъснато обеднява в целия си обем и постепенно преминава в равновесно състояние, или прекъснато, при което изходният разтвор остава през цялото време с неизменна концентрация, като намалява само по количество. Непрекъснатото разпадане се предпочита, тъй като отделянето е по-равномерно по обема на изходните зърна. Прекъснатото отделяне се предотвратява като се избягват ниските температури на стареене или чрез легиране с елементи, които затрудняват дифузията на границите на зърната.

18

- стареене при относително ниски температури - разпадане с отделяне на неравновесни фази

Възприето е стареенето да се разделя на естествено (при стайна температура) и изкуствено – при повишени температури. в зависимост от степента на изменение на свойствата изкуственото стареене може да се подраздели на непълно (при по-ниски температури и за кратко време, с цел да се увеличи якостта, като се запази пластичносттапълно стареене – за достигане максимална якост, при продължително задържанепрестаряване – сплавта има повишена якост под максималната, добри пластичност и физични свойства. Съответства на голяма степен на разпадане на твърдия разтвор и коагулация на отделянията. Стабилизиращото отгряване е разновидност на престаряването, която цели стабилизиране на свойствата и размерите на детайлите.

Уякчаването на сплавите при стареене се дължи на три основни причини: затруднено движение на дислокациите от високите еластични деформации на матрицата от отделянията в нея, затруднено пресичане на отделените частици от движещата дислокация и силното изкривяване на дислокационната линия при обхождане на частиците. В основата на уякчаването е взаимодействието на дислокациите с отделените частици (близко и далечно).

При стоманите се различават термично и деформационно стареене. При термичното стареене разтворимостта на въглерода във ферита е ограничена и намалява с понижаване на температурата – от 0,025% при 727°C до 0,006% при 20°C. Затова нисковъглеродните стомани могат да се закаляват без полиморфно превръщане, ако се нагряват до AC1, и да стареят. Максимална твърдост се получава след естествено стареене. Най-голям ефект от термичното стареене се наблюдава в стомани с концентрация близка до максималната разтворимост на въглерода в α-Fe. С увеличаване на съдържанието на въглерод склонността на стомана към стареене намалява. Процеси на деформационно стареене се развиват в пластично деформирана стомана под температурата на рекристализация. Деформацията увеличава плътността на дислокациите и при стареене атомите на въглерода и азота се отделят (сегрегират) към тях. Независимо, че сплавта е фазово стабилизирана, дефектите увеличават свободната енергия и я правят нестабилна. Процесите се развиват в условията на ниска температура и затруднена дифузия, затова деформационното стареене се разглежда като разновидност на стареенето.

5.4. ХИМИКО-ТЕРМИЧНИ ОБРАБОТКИ. ПРЕДНАЗНАЧЕНИЕ, ЕФЕКТИ. ТЕХНОЛОГИЧНИ ПРОЦЕСИ ЗА: НАВЪГЛЕРОДЯВАНЕ, АЗОТИРАНЕ, АЗОТО-НАВЪГЛЕРОДЯВАНЕ.

Чрез повърхностната термична обработка се постига комплекс от свойства:- висока твърдост и контактна якост на повърхността, износоустойчивост и

устойчивост на умора от огъване и усукване;- жилавост и пластичност в сърцевината на детайлите;

(+) интензификация на процесите, по-ниски деформации, икономия на материал; мин. енергийни разходи; висока производителност и ниска себестойност на продукта;(-) скъпо технологично оборудване и необходимост от висока квалификация

С химико-термичната обработка се извършва дифузионно обогатяване на повърхностните слоеве на металите с нови елементи, при което се променя състава на структурата, а оттам и свойствата на работните повърхнини. Химико-термичната обработка представлява легиране на повърхностните слоеве в твърдо състояние, което се основава на дифузията. Повишаването на температурата рязко повишава скоростта на дифузия. В използваните в

19

практиката технологични процеси дифузията е свободна – дължи се само на коцентрационния градиент.

Условия и закономерности при протичане на процесите:- Дисоциация (разлагане) – създаване на среда от активни атоми на насищания елемент,

които са с висока енергия и могат да дифундират повърхността (активизиране); трябва да протича близо до повърхността на изделието; течна, твърда и газообразна среда;

- Адсорбция (отлагане) на активните атоми на насищащия елемент върху металната повърхност; създаване на концентрационен градиент и условия за проникване на атомите в дълбочина; намаляването на свободната енергия е самоволен процес;

- Дифузионно проникване на активните атоми в дълбочина на обработвания материал; процесът е възможен при образуване на твърд разтвор;

При ЦЕМЕНТАЦИЯТА1 се извършва повърхностно обогатяване на нисковъглеродни (цементуеми) стомани с въглерод. След закаляване навъглероденият слой става твърд и износоустойчив, а сърцевината остава мета с висока якост на удар. Така обработените детайли понасят големи динамични натоварвания. Твърда цементация – извършва се в твърда среда, наречена карбуризатор, която се състои от дървени въглища и активатори. Детайлите се подреждат в метална кутия и се засипват с карбуризатор. При нагряване 900-950°С кислородът от въздуха се съединява с въглерода и образува CO, който от контакта с металната повърхност се разлага на въглероден двуокис и въглерод. Този въглерод е активен, поглъща се от аустенита и дифундира в дълбочина. Следователно, при твърда цементация процесът протича в газова среда. Добавянето на активатори карбонати към дървените въглища интензифицира процеса на цементация вследствие образуването на допълнително количество въглероден окис и активен въглерод. За активатори се използват и карбонови соли, които при разлагане отделят голямо количество метан. Те са по-активни карбуризатори от карбонатите, което позволява да се заменят част от въглищата с каменовъглен полукокс. Твърдата цементация е продължителен и непроизводителен процес, не се поддава на автоматизация и създава лоши хигиенни условия в производството. Газовата цементация се прилага широко в масовото производство. Използват се камерни и проходни конвейерни пещи, през които се пропуска навъглеродяващ газ или се подава на капки въглеродсъдържащ течен карбуризатор, който при високата температура се разлага. Най-често се използва смес от ендотермичен и природен газ – от разлагането на въглеводородите и въглеродния окис се получава атомен въглерод. Най-разпространен от наситените въглеводороди е метанът. При употреба на течен карбуризатор (бензол), който се подава на капки в цементационната реторта на пещта, се образува газ, състоящ се главно от метан, въглероден окис и водород. На дебелината на слоя най-силно влияе температурата на нагряване, поради което тенденцията е тя да се повишава до 950-970°С. Съдържанието на въглерода в повърхностния слой се определя от граничната му разтворимост при температурата на цементация съгласно Fe-C диаграмата (линията SE). Затова колкото е по-висока температурата на цементация, толкова по-голямо е съдържанието на C на повърхността – препоръчва се в най-външния слой да е 1,1-1,2%. Цементованите детайли придобиват окончателните си качества след закаляване и ниско отвръщане (150-200°С). Отвръщането е необходимо, за да се понижат остатъчните вътрешни напрежения. Високите температури и продължителното задържане при цементация водят до уедряване зърното на аустенита. По-високото съдържание на въглерод в повърхностния слой увеличава количеството на остатъчния аустенит. Режимите на цементация се подбират в зависимост от условията на експлоатация:

1 Carburizing

20

- Ако е необходима само висока повърхностна твърдост, цементацията може да се извърши с непосредствено закаляване (директно от температурата на навъглеродяване) и отвръщане. При този режим деформациите на детайлите са по-малки, тъй като не се извършва повторно нагряване за закаляване, по-кратък и по-икономичен. Структурата е едрозърнест мартензит с повишеното съдържание на остатъчен аустенит, който намалява твърдостта.

- При стомани, чиято аустенитна структура не уедрява при цементация (наследствено дребнозърнеста), непосредственото закаляване след цементация се провежда с едно омекотяващо подохлаждане с пещта до температура ~ А1 за хомогенизация на цементования слой; намаляват се деформациите и остатъчния аустенит;

- Друг режим може да бъде с бавно охлаждане на въздух (нормализация) след навъглеродяването, нагряване до температури на закаляване, закаляване и отвръщане. При повторното нагряване до температура по-ниска от тази на цементацията, структурата наедрява в по-малка степен.

- При високи изисквания към механичните свойства се прилага двойно закаляване и отвръщане. Първото закаляване се извършва от нормална за стоманата на сърцевината температура, която е достатъчно висока, за да се разтвори в аустенита цементитната мрежа на цементования слой. Целта е издребняване на зърното в сърцевината чрез рекристализация. Второто закаляване се извършва от температура над Ac1, при която във високовъглеродния повърхностен слой се получава смес от дребнозърнест мартензит и цементитни частици. При тази температура в сърцевината протича непълно закаляване и крайната структура е мартензит + ферит, който прави структурата с по-висока якост на умора.

АЗОТИРАНЕТО е процес на дифузионно повърхностно обогатяване на стоманите с азот. Образувалият се азотиран слой е твърд и не се нуждае от допълнителна уякчаваща термична обработка. Азотираните детайли и инструменти са твърди, износоустойчиви и способни да понасят големи циклични натоварвания. Те са по-износоустойчиви от цементованите детайли със същата повърхностна твърдост и имат повишена корозионна устойчивост в слабо агресивни среди. Азотираният слой запазва високата си твърдост до високи работни температури. Поради високата разтворимост на азота във ферита, азотирането се провежда при по-ниска температура (под Ac1, в стоманата не протичат фазови превръщания), която допринася за малките обемни изменения и деформации на обработваните детайли. Повърхностното дифузионо обобогатяване с азот протича с образуване на нови фази - твърди разтвори на азот в α-Fe и γ-Fe, и химични съединения (нитриди). В зависимост от температурата на азотиране се получава различна микроструктура на слоя. С примесите и легиращите елементи в стоманените сплави азотът също образува разтвори и съединения, които се разпределят в слоевете във вид на дисперсни частици. Въглеродът участва в изграждането на нитридните фази на желязото. Много от легиращите елементи също образуват собствени нитриди. Едно от най-характерните свойства на азотирания слой е високата му твърдост, която се запазва без промяна до високи температури (500-600°С). Това е от съществено значение за инструменти, които трябва да запазват режещата си способност при нагряване. Високата твърдост на азотирания слой се обяснява с дисперсността на нитридите на легиращите елементи в стоманата. По време на зараждането им в металната матрица настъпват обемни изменения, които раздробяват вътрешната структура, а нитридите са разположени по субграниците. Малката подвижност на нитридообразуващите елементи е основна причина за изключителната дисперсност на отделянията. Наличието на тези отделяния, както и големите

21

еластични деформации и наклепа възпрепятстват движението на дислокациите. Некарбидообразуващите елементи (Ni, Co, Si) затрудняват дифузията на азота. По тази причина основните легиращи елементи в стомани предназначени за азотиране са алуминий и хром. За да се предотврати крехкостта при отвръщане вследствие продължителното задържане, стоманите се легират с Mo или W, които освен това също образуват устойчиви дисперсни нитриди. Повишаването на твърдостта и износноустойчивостта е основното предназначение на азотирането. Прилага се върху специални азотируеми стомани (нитралой – 38ХМЮА), съдържащи хром, молибден, алуминий, чиито нитриди са характерни с голямата си термична устойчивост. В азотирания слой се създават големи натискови напрежения, които увеличават якостта на умора. Азотирането повишава още и корозионната устойчивост.

При газовото азотиране2 се използва амоняк NH3, който в нагрятата пещ дисоциира и освобождава активен азот. Атомарният азот се абсорбира от повърхността на стоманата и дифундира през решетката на ферита. Детайлите се подреждат в хидравлично затворен контейнер (реторта), който се поставя в пещта. През контейнера непрекъснато се пропуска амоняк, който дисоциира в различна степен в зависимост от температурата на пещта и скоростта на газовия поток. Задължително условие е всички подлежащи на азотиране повърхнини да се обтичат добре от амоняка. Прилагат се два режима на азотиране:

1. Едностепенен – целият процес се извършва при една температура (500-520°С), характерен с голямата си продължителност и високата твърдост на слоя.

2. Двустепенно – температурата се повишава в процеса на азотиране до 570-600°С, когато дифузията протича интензивно и дебелината на слоя бързо нараства.

Достатъчно добри якостни свойства се получават при дебелина на слоя около 0,4mm. Голямата продължителност на процеса и разходът на амоняк, който замърсява, правят газовото азотиране неприемливо.

Течното азотиране3 по същество е нискотемпературно карбонитриране, тъй като се извършва обогатяване и с въглерод. Поради това, че температурите на обработка са ниски, обогатяването е предимно с азот. Извършва се в цианови вани при температура 540-580°С. Основното предимство на течното карбонитриране е малката продължителност на процеса и бързото образуване на карбонитриден слой с много добра износоустойчивост и противозадиращи свойства. Използването на токсични соли ограничава прилагането на процеса.

При йонното азотиране4 се използва благоприятното влияние на различни физични полета (тлеещ разряд) върху процеса на азотиране. Извършва се в специални вакуумни инсталации, в които може да се възбуди и поддържа горенето на силнотоков тлеещ разряд. При работа между детайлите (включени като катод към токозахранващия източник) и камерата (анод) се възбужда тлеещ разряд, който йонизира газа. Нагряването на детайлите се извършва само от тлеещата плазма. Като работна атмосфера се използва амоняк или смес от водород и азот. Азотирането се извършва в два последователни режима. Чрез режима на катодно разпрашаване се извършва почистване и подготовка на повърхнините за азотиране. Непосредствено след него се премината към самото азотиране. Спрямо газовото азотиране, при йонното азотиране процесът се ускорява в пъти, значително е намален разходът на енергия, има възможност за азотиране на дейтали със сложни и неограничени размери, тъй като тлеещата плазма обхваща плътно детайла и създава благоприятни условия за протичане на дифузионните процеси. Също така, обемните изменения са по-малко, а йонно азотираните слоеве имат по-голяма якост на удар и по-здрава връзка с основния метал. Процесът е нетоксичен и позволява да се постигнат слоеве с желана структура и фазов състав, като

2 Gas nitriding3 Salt bath nitriding4 Plasma (Ion) Nitriding

22

дифузионното насищане може да се управлява и оптимизира. Въпреки високото уякчаване на повърхнините при йонното азотиране е налице и сравнително добра пластичност на азотирания слой, което го прави пригоден за високи динамични натоварвания. Азотирането се използва широко и като метод за повишаване на якостта на умора и корозионната устойчивост на нелегираните и нисколегирани конструкционни стомани. В сравнение с цементованите детайли азотираните повърхнини издържат по-малки натоварвания, поради което азотирането се използва при по-малки контактни напрежения и при работа в условия на триене чрез плъзгане.

При КАРБОНИТРИРАНЕТО5 се извършва едновременно насищане с активни азотни и въглеродни атоми, което ускорява дифузионното изграждане на повърхностния слой и съкращава в пъти продължителността на процеса. Най-широко се прилагат методите на газовото карбонитриране в смес от амоняк и въглероден двуокис. Поради ниските температури на обработка, водещ е процесът на обогатяване с азот. По качества формирания слой не отстъпва на тези формирани при течното карбонитриране.

НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯТА6 е химико-термична обработка, при която става едновременно обогатяване на повърхностните слоеве с азот и въглерод. Процесът се извършва в газова среда – смес от въглеродсъдържащи (метан) и азотиращи газове (обикновено амоняк). С повишаване на температурата слоят обеднява на азот, но се обогатява на въглерод. При ниски температури стоманата е във феритно състояние и разтворимостта на въглерода е ниска. При повишаване на температурата и благоприятното влияние на разтворения азот настъпва фазово превръщане в матрицата и въглеродът дифундира по-бързо в аустенита. При съвместно обогатяване дифузионната способност на азота е по-голяма когато температурата е по-ниска от Ac3. Разтваряйки се в стоманата азотът понижава критичните точки и с това се подобряват условията за разтваряне на въглерода – обогатяването с него започва при по-ниска температура. Както при цементацията, изделията придобиват окончателни свойства след закаляване. При нитроцементацията слоят се характеризира с по-голямо съпротивление срещу износване, по-голяма твърдост и по-добро съпротивление срещу умора и корозия в сравнение с цементования слой.

5 Carbonitriding6 Nitrocarburizing

23