К карбидообразующим элементам относятся переходные металлы с недостроенной d-электронной оболочкой. Чем меньше электронов на оболочке, тем больше сродство к углероду.

В сталях карбидообразующими являются следующие элементы: Fe , Mn , Cr , Mo , W , V , Nb , Ti (элементы перечислены в порядке возрастания их карбидообразующей способности).

При введении в сталь карбидообразующего элемента в небольшом количестве (десятые доли процента; для несильных карбидообразователей – 1 – 2%) образования карбида этого элемента чаще всего не происходит. В этом случае атомы легирующего элемента частично замещают атомы железа в пространственной решетке цементита; образуется легированный цементит, мало отличающийся по свойствам от обычного цементита.

Карбид марганца не образуется при любых содержаниях марганца.

Формулу легированного цементита записывают обычно как ( Fe , Cr ) ₃ C или ( Fe , Mn ) ₃ C или в общем виде Me ₃ C. Последняя формула подчеркивает, что в карбидах цементитного типа на три металлических атома приходится один атом углерода.

Сильные карбидообразователи – Mo , W , V , Nb , Ti – образуют с углеродом фазы внедрения. При этом чаще всего карбиды имеют формулу MeC, т.е. на один металлический атом приходится один атом углерода. При известных условиях W и Mo образуют карбиды, более богатые металлом – Me ₂ C.

Фазы внедрения, отличающиеся очень высокой тугоплавкостью, практически нерастворимы в аустените.

Для распада и растворения таких карбидов, как TiC , NbC , WC, сталь необходимо нагреть до ~1300ºС. Вследствие нарастворимости фаз внедрения происходит обеднение аустенита углеродом при легировании стали сильными карбидообразователями.

Промежуточное положение по карбидообразующей способности занимает хром, который наиболее широко по сравнению с другими элементами используется как легирующая добавка в сталях.

Хром в низко- и высоколегированных сталях (до 10%) образует карбид Cr ₇ C ₃; в высоколегированных сталях образуется более богатый хромом карбид Cr ₂₃ C ₆. Карбиды хрома могут растворять железо и легирующие элементы стали в значительном количестве, поэтому часто в общем виде формулы этих карбидов записываются как Ме₇ C ₃ и Ме₂₃ C ₆.

Лекция. Термическая обработка сплавов

Виды термической обработки 

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств.

Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты.

Основные виды термической обработки – отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей.

Отжиг – термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающийся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.

Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охлаждения с температуры отжига обычно невелика, она лежит в пределах 30 – 200ºС/ч.

Закалка – термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения. Сильно упрочняются при закалке сплавы, претерпевающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо из-за понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящей к измельчению зерен, образующих эвтектоидную смесь. Если в результате закалки при 20 – 25ºС фиксируется состояние высокотемпературного твердого раствора, значительного упрочнения сплава непосредственно после закалки не происходит; основное упрочнение создается при повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при 20 – 25ºС.

В сплавах с особыми свойствами закалка позволяет изменить структурно-чувствительные физические или химические свойства: увеличить удельное электрическое сопротивление или коэрцитивную силу, повысить коррозионную стойкость и др.

Отпуск и старение – термические обработки, в результате которых в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электросопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием.

В большинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый раствор (или смесь, твердых растворов); в этом случае основной процесс, происходящий при отпуске или старении, – распад пересыщенного твердого раствора.

Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения за редким исключением не влияет на структуру и свойства сплавов.

Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение (двухфазные алюминиевые бронзы, некоторые сплавы на основе титана); термин «старение» применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения (сплавы на основе алюминия, аустенитные стали, никелевые сплавы и др.).

Принципиальная возможность применения того или другого вида термической обработки может быть определена на основании диаграмм состояния фазового равновесия. В связи с этим выделяют следующие основные группы сплавов:

1. Сплавы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии (см. рис. 3.3, 3.10);

2. Сплавы с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии (см. рис. 3.4);

3. Сплавы с эвтектоидным превращением (см. рис. 3.9).

Любой технологический процесс термической обработки состоит из трех основных этапов: нагрев, изотермическая выдержка и охлаждение. Нагрев, а иногда и весь процесс термической обработки (отжиг) проводят в термических печах.