Технология термической и химико-термической обработки

Термической обработкой называется нагрев металлических спла­вов в твердом состоянии до определенной температуры и последующее быстрое или медленное их охлаждение с целью получения желаемых физико-механических свойств этих сплавов путем соответствующего изменения их микроструктуры.

Рис. 5.2. График режима термической обработки

Следовательно, режим термической об­работки можно охарактеризовать четырьмя основными параметрами:

скоростью нагрева V_H,

максимальной температурой нагрева t_max,

временем выдержки t_B при этой температуре и

скоростью охлаждения v_охл.

На основании этого любой процесс (режим) термической обра­ботки может быть предс­тавлен графиком (рис. 5.2.), где тангенсы уг­ла наклона кривых опре­деляют скорости нагрева и охлаждения. Скорость нагрева металладолжна обеспечить максимальную производительность наг­ревательных устройств и предохранить деталь от высоких внутренних нап­ряжений, а также обеспе­чить протекание необхо­димых превращений. Она зависит от многих факто­ров: размеров и материа­ла детали, наличия концентраторов напряжений и др. Максимальная температура нагреваопределяется видом термической обработки. Время выдержкипри достижении максимальной (заданной) темпе­ратуры определяется в основном двумя факторами: 1) необходимостью достижения примерного выравнивания температуры по сечению или объему детали и 2) обеспечением полного протекания превращения в стали. Скорость охлаждения (степень переохлаждения) определяет про­текание тех или иных превращений в стали, следовательно, и ее конечную структуру и свойства.

В зависимости от t_max и V_охл различают следующие основные виды термической обработки: закалка, отпуск, отжиг и нормализа­ция.

Закалка стали.Закалкой стали называется нагрев ее выше тем­ператур перехода структурных составляющих в твердый раствор (аустенит) и последующее быстрое охлаждение. Она применяется для по­вышения прочности и твердости стали. Одновременно увеличивается хрупкость стали и понижается ее пластичность. Температура нагрева стали под закалку определяется ее хими­ческим составом и, главным образом, содержанием в ней углерода: для доэвтектоидных сталей она должна быть на 30-50^О выше крити­ческих точек Ас₃ (линия GS на диаграмме Fе-Fе₃С), а для эвтектоидной и заэвтектоидной сталей - на 30-50^OС выше критических точек Ac₁ (линия SK диаграммы). При этих температурах структура доэвтектоидной и эвтектоидной сталей состоит из аустенита, а структу­ра заэвтектоидной стали - из аустенита и вторичного цементита. Если сталь медленно охлаждать с этих областей температур, то про­изойдет полный распад аустенита и получаются устойчивые равновесные структуры сплавов, указанные на диаграмме Fe-Fe₃C. При быст­ром же охлаждении, например, погружая ее в воду или масло, аустенит превращается в неустойчивую (неравновесную) структуру, мартенсит.

Наряду с мартенситом в закаленной стали всегда присутствует остаточный аустенит, являющийся также неустойчивой структурой. Вследствие этого, длительная выдержка при комнатной температуре приводит к частичному превращению остаточного аустенита в мартен­сит. В результате чего происходит снижение твердости, износостойкости, а также некоторое изменение размеров детали. Последнее особенно недопустимо для мерительных инструментов, прецизионных деталей топливной аппаратуры (игла распылителя) и др. Поэтому для стабилизации

структуры сразу же после закалки следует производить обработку холодом, в противном случае произойдет стабилизация аустенита и он не полностью превратится в мартенсит.

Наиболее широкое применение получила непрерывная закалка, закалка в одном охладителе. Во многих случаях, особенно для изде­лий сложной формы и при необходимости уменьшения деформации, при­меняют другие способы закалки: прерывистую (в двух средах), с са­моотпуском, ступенчатую и изотермическую [Лахтин, Леонтьева, с.209-211].

При выполнении непрерывной и других способов закалки могут возникать различные дефекты: недостаточная твердость - из-за низ­кой температуры нагрева под закалку; образование мягких участков - из-за местного скопления феррита; повышенная хрупкость - из-за высоких температур закалки; окисление и обезуглероживание поверхности - из-за нагрева в пламенных печах без контролируемой атмос­феры; деформация, коробление, трещины - из-за неправильного выбо­ра скорости охлаждения (значительных внутренних напряжений) и др. Многие указанные дефекты можно устранить поверхностной закалкой, которая обеспечивает высокую твердость поверхностного слоя детали и сохраняет вязкость ее внутренних слоев, что спо­собствует повышению общей прочности за счет повышения предела ус­талости. Наиболее распространенным способом такой закалки является нагрев токами высокой частоты (закалка ТВЧ). Сущность закалки ТВЧ заключается в том, что деталь помещают в специальный индуктор (катушку), через который пропускают пере­менный ток большой силы (до 5000-8000 А) частотой промышленной (50 Гц) или повышенной (10⁴ Гц) или высокой (10⁵-10⁶ Гц). Ток создает магнитный поток, который индуктирует в той части детали, которая находится в индукторе, вихревые токи, вызывающие у по­верхности детали наибольшую плотность и осуществляющие нагрев по­верхностных слоев детали в течение нескольких секунд до 850-950^ОС. После нагрева на поверхность изделия подают воду, в результате чего поверхностный слой закаливается. Глубина закален­ного слоя, составляющая от долей до нескольких десятков мм, регу­лируется частотой тока и временем выдержки детали в индукторе. Поверхность детали остается почти не окисленной, что является большим преимуществом этого способа закалки. Закалке ТВЧ, на глубину 1,5-2,5 мм и твердостью HRС ³54, часто подвергают зубья шестерен, изготавливаемых из стали 40Х

Отпуск стали. Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур, лежащих ниже линии PSK диаграммы состояния Fe-Fе₃С, с последующим быстрым или медленным охлаждением. Назначение отпуска заключается в том, чтобы устранить внутренние напряжения, возни­кающие при закалке, и придать изделию желаемые механические и фи­зические свойства. Отпуск не является самостоятельной разновидностью термической обработки и применяется всегда после закалки и обработки холодом.

В зависимости от температуры нагрева различают низкий, сред­ний и высокий отпуск.

Нагрев до 180-200^OС не вызывает заметного распада мартенсита и способствует только снятию внутренних напряжений. Это так назы­ваемый низкий отпуск. Микроструктура стали после низкого отпуска - мартенсит отпуска или мартенсит + троостит. Такому отпуску под­вергаются инструментальные стали. При нагреве закаленной стали до 300-400^OС получается троостит отпуска. Такой отпуск называется средним. Ему подвергаются инструменты, работающие с ударами, а также пружины, шестерни и т.д. Большинство деталей машин, изготавливаемых из конструкцион­ных сталей, обычно подвергаются после закалки высокому отпуску при температуре от 500-600^ОС. В данном случае стремятся получить сорбитовую структуру стали, обладающую наряду с повышенной твер­достью и прочностью высокими вязкими свойствами. Обработку, заключающуюся в закалке и высоком отпуске, обычно называют улучшающей обработкой, поскольку в этом случае обеспечивается наилучшее со­четание прочности и пластичности стали. Кроме температуры нагрева, на результаты отпуска большое влияние оказывает время выдержки стали при температуре отпуска: чем больше выдержка, тем полнее протекает переход закаленной стали в более устойчивое состояние и в большей степени устраняются внутренние напряжения. Скорость охлаждения при отпуске не оказы­вает влияния на механические свойства стали.

Отжиг стали.Отжигом стали называется нагрев стали на 40-50^ОС выше температур фазовых превращении (линия GSK диаграммы состояния) с последующим очень медленным ее охлаждением, осущест­вляемым обычно вместе с печью. Отжиг стали производится с целью улучшения ее структуры и снятия внутренних напряжений, возникающих в результате горя­чей или холодной механической обработки. Отжиг уменьшает твер­дость и восстанавливает вязкость и, таким образом, облегчает ее дальнейшую механическую обработку. Структуры сталей, получаемые после отжига, равновесные (та­кие, которые приводятся на диаграмме Fe-Fe₃C сплавов). Различают следующие виды отжигов: полный, неполный, рекристаллизационный, диффузионный и отжиг для снятия остаточных напря­жений.

Нормализация стали.Нормализацией называется процесс нагрева стали до температуры, превышающей на 50-60^ОС линию GSE диаграммы состояния с последующим охлаждением на воздухе. Нормализацию обычно называют одной из разновидностью отжига либо промежуточной операцией между отжигом и закалкой. Основной целью нормализации является устранение полосчатой структуры, полученной в результате холодной механической обработки (прокатка, протяжка и т.д.) и создания нормальной мелкозернистой структуры. В результате нормализации тонкостенные изделия получают пре­имущественно сорбитовую структуру, так как охлаждение их на воз­духе совершается со скоростью, достаточной для зафиксирования сорбита. Нормализация массивных изделий оказывает такое же дейс­твие, как и отжиг с медленным охлаждением, но по сравнению с от­жигом является более простым и менее длительным процессом. Поэто­му нормализация часто применяется вместо отжига после ковки в го­рячем состоянии заготовок для крупных деталей (коленчатые валы, шестерни и т.д.). В этом случае нормализация производится как подготовительная операция перед закалкой и имеет целью размельче­ние зерна и снятие внутренних напряжений.

Среди методов химико-термической обработкинаибольшее приме­нение в судостроении и судоремонте нашли цементация и азотирова­ние.

Цементациейназывают процесс науглероживания поверхности деталей из низкоуглеродистых и низколегированных сталей при 850-950^ОС в углеродсодержащей среде (карбюризаторе). Глубина це­ментации - 0,5-2,0 мм с содержанием углерода в поверхностном слое 0,75-1,2%. После термической обработки деталей, подвергнутых це­ментации, структура поверхностного слоя состоит из мартенсита и избыточного цементита. Твердость поверхностного слоя 6000-7000 НВ, повышается усталостная прочность. Цементацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных карбюризаторах. В качестве твердого карбюризатора применяется древесный уголь и углекислые соли ВаСОз и Na₂CO₃. Активным науглероживающим элементом является окись углерода; углекислые соли ускоряют про­цесс образования окиси углерода. В качестве жидкого карбюризатора применяется среда, содержа­щая расплавленные соли Na₂CO₃, NaCl и SiC. Активным науглерожива­ющим элементом является карбид кремния. В качестве газового карбюризатора применяется среда, содер­жащая метан (СН₄), окись углерода, водород и другие элементы. Ак­тивными науглероживающими элементами являются метан и окись угле­рода. Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности к сердцевине детали. За эффек­тивную толщину цементованного слоя принимают сумму эаэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон. Обычно она составляет 0,5-1,8 мм при концентрации углерода в по­верхностном слое 0,8-1,0%. Для повышения контактной усталости ко­личество углерода может быть увеличено до 1,2 мм. Более высокое содержание углерода приводит к снижению механических свойств.

Для судовых деталей наиболее часто цементация применяется:

- для топливной и пусковой кулачной шайбы (сталь 15Х, глуби­на 1,5-2 мм HRC 56-62),

- для направляющей иглы форсунки СОД (сталь 18Х2Н4ВА, h-0,5-0,9, HRC 60),

- для толкателей топливного насоса и клапанов газораспределе­ния, ролика и оси ролика двигателя МТВН-40 (сталь 15Х, h= 0,8-1,2 мм, HRC 56-62) и др.

Азотированиемназывают процесс поверхностного насыщения де­талей азотом при 480-650^ОС в атмосфере аммиака (NH₃) для повыше­ния твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Азотиро­ванию подвергают детали из среднеуглеродистых и легированных ста­лей, которые подверглись закалке, отпуску и механической обработ­ке, включая шлифование. После азотирования проводится только окончательное шлифование или доводка. Азотированный слой

обычно получается толщиной 0,2-0,4 мм. Наибольшее применение получило газовое азотирование. Для ус­корения процесса азотирования используется тлеющий разряд. На практике азотированию подвергаются корпус и плунжер топ­ливного насоса СОД (сталь 38ХМЮА, h=0,3-0,5 мм, твердость по Виккерсу HV ³ 820).

Кроме указанных методов химико-термической обработки приме­няются: цианирование- процесс одновременного насыщения стали уг­леродом и азотом, диффузионная металлизация- процесс поверхност­ного насыщения стали алюминием (алитирование), хромом (хромирова­ние), кремнием (силицирование) и др.

Контрольные вопросы для самопроверки по подразделу 5.1 темы 5

1. Какое основное превращение происходят в стали при нагреве и в чем его сущность?

2. Какие превращения происходят в стали при охлаждении с различной скоростью от аустенитного состояния?

3. Какие структуры образуются в результате перлитного прев­ращения и в чем разница между ними?

4. В чем сущность мартенситного превращения?

5. Почему после закалки в структуре остается определенное количество аустенита?

6. Как перевести неравновесные структуры мартенсита и оста­точного аустенита в равновесные?

7. Какие превращения происходят в закаленной стали при наг­реве ее до различных температур?

8. Какая термическая обработка называется закалкой, отпус­ком?

9. В чем сущность химико-термической обработки?

10. Какие основные процессы происходят при химико-термичес­кой обработке стали?

11. Что понимают под толщиной диффузионного слоя?

Контрольные вопросы для самопроверки по подразделу 5.2 темы 5

1. Какие параметры характеризуют режим термической обработ­ки?

2. Какие превращения происходят в стали при охлаждении с различной скоростью от аустенитного состояния?

3. Как определяются структуры: сорбита, троостита, мартенси­та? В чем разница между ними?

4. Как определяются основные виды термической обработки: от­жиг, нормализация, закалка и отпуск?

5. В чем сущность и назначение закалки ТВЧ?

6. В чем сущность и назначение обработки холодом?

7. Какие основные дефекты возникают при закалке? Каковы методы их устранения (предупреждения)?

8. Какие бывают виды отпуска, каково их назначение?

9. Какие среды применяются при закалке стали и какова их относительная скорость охлаждения?

10. Какие методы химико-термической обработки нашли примене­ние для судовых деталей?

11. В чем сущность цементации и азотирования?

Иллюстрации к теме 5 – см. учебные пособия на сайте и др.