Виды термической и химико-термической обработки стали

Процессы термической обработки стали заключаются в ее нагреве и охлаждении, что вызывает изменение внут­реннего строения, а следовательно, и свойств. К основ­ным видам термической обработки относятся отжиг, нор­мализация, закалка, отпуск, патентирование и термоме­ханическая обработка.

Отжиг — это нагрев металла до 200—1200°C, дли­тельная выдержка при этой температуре и медленное (иногда вместе с печью) охлаждение В зависимости от исходного состояния стали и температуры нагрева раз­личают полный, неполный, низкий, изотермический, сфе­роидизирующий, гомогенизационный, рекристаллизацион­ный отжиг, а также отжиг для снятия остаточных напря­жений.

Полный отжиг применяется для сортового про­ката, поковок и фасонных отливок из стали с целью со­здания мелкозернистой структуры, повышения вязкости и пластичности Температура нагрева 730—950°C.

Неполный отжиг применяется для снижения твердости сталей и улучшения их обрабатываемости резаньем. Он осуществляется при температурах 730—950°C.

Изотермический отжиг (930—950°C) ис­пользуют обычно для штамповок, заготовок инструмен­тов и других изделий небольшого размера из легирован­ных сталей с целью улучшения обрабатываемости реза­ньем и повышения чистоты поверхности.

Низкому отжигу (650—680°C) подвергается обычно сортовой прокат из легированной стали (для сни­жения твердости) или углеродистые стали, если они пред­назначены для обработки резаньем, холодной высадки или волочения.

Сфероидизирующий отжиг (750—820°C) проводится для снижения твердости, повышения показа­телей относительного удлинения и сужения

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг (1100—1200°C) применяется для слитков и крупных отливок из легированной стали с целью умень­шения ликвации, рекристаллизационный (650—760°C) — для устранения наклепа и повышения пластичности стали, деформированной в холодном со­стоянии,

Отжиг для снятия остаточных напря­жений (200—700°C) применяют для уменьшения внут­ренних напряжений изделий, полученных литьем, свар­кой, резаньем и др.

2. Нормализация — это нагрев стали до 850—950°C, не­продолжительная выдержка и охлаждение на воздухе. В результате измельчается зерно полученных при литье, прокатке, ковке или штамповке изделий и заготовок. Нор­мализация широко применяется вместо отжига и закалки. Закалка — это нагрев стали до 227—860°C, выдерж­ка и быстрое охлаждение в воде, масле или другой среде. Ее применяют для повышения твердости, износостойко­сти и прочности инструментальных сталей, а также проч­ности, твердости, достаточно высокой износостойкости и пластичности конструкционных сталей. Основные пара­метры закалки — температура нагрева и скорость охлаж­дения. Последняя оказывает решающее влияние на ре­зультат закалки.

Для повышения твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия при сохранении вязкой и восприимчивой к ударным нагрузкам его серд­цевины осуществляют поверхностную закалку. Наиболее часто применяется поверхностная закалка с индукционным нагревом током высокой частоты. Для этого изделия помещают в переменное магнитное поле. Нагрев осуще­ствляется вследствие теплового действия индуктируемо­го в изделие тока. Поверхностной индукционной закалке, как правило, подвергаются углеродистые стали с содер­жанием углерода от 0,4 до 0,5 %.

Чтобы уменьшить хрупкость и внутренние напряже­ния, вызванные закалкой, а также получить сталь с опти­мальным сочетанием прочности, пластичности и ударной вязкости, ее подвергают отпуску. Этот процесс представ­ляет собой нагрев металла до 200—680°C, выдержку и последующее охлаждение с определенной скоростью.

Различают отпуск низкотемпературный (для режущего и мерительного инструмента из углеродистых и низколегированных сталей), среднетемпературный (для пружин и штампов) и высокотемпературный (для среднеуглеродистых конструкционных сталей, к ко­торым предъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости).

Патентирование — это процесс нагрева стали до 870— 950°C, охлаждения до 450—550°C, длительной выдержки при этой температуре и дальнейшего охлаждения на воздухе или в воде. Патентирование проводится для улуч­шения пластичности проволоки перед последующим ее волочением.

Термомеханическая обработка представляет собой со­четание пластической деформации (прокатки, ковки, штамповки и других способов обработки давлением) и закалки. В результате одновременно повышается сопро­тивление пластической деформации и разрушению.

Химико-термические методы обработки стали пред­полагают изменение не только структуры, но и химичес­кого состава ее поверхности Это осуществляется диффу­зионным насыщением поверхностного слоя соответствую­щими элементами, т. е нагревом стального изделия до заданной температуры и выдерживанием его в среде этих элементов. Наиболее распространенными видами хими­ко-термической обработки являются цементация, азоти­рование, нитроцементация, цианирование, борирование, силицирование и диффузионная металлизация.

Цементация (науглероживание) — это процесс насы­щения поверхности стали углеродом при температуре 930—950°C. После цементации изделия подвергаются за­калке и низкому отпуску В результате их поверхность становится более твердой (при температурах до 200— 225°C), износостойкой, выносливой при изгибе и круче­нии Цементация проводится в твердой или газообразной насыщающей среде (карбюризаторе). В качестве твердо­го карбюризатора используется древесный уголь или ка­менноугольный полукокс и торфяной кокс с углекислым: барием и кальцинированной содой. В качестве газообраз­ного карбюризатора используют природный газ.

Азотирование — это процесс насыщения поверхности стали азотом при нагреве до температуры 500—650°C в среде аммиака Посредством азотирования поверхности стали придается высокая твердость (сохраняется при на­греве до температуры 450—550°C), износостойкость, со­противление коррозии.

Нитроцементация — это процесс насыщения поверх­ности стали одновременно углеродом и азотом при 840— 860°C в среде природного газа и аммиака. В результате повышается твердость и износостойкость поверхностного слоя стальных деталей

Цианирование — это процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 820—950°C в расплавленных цианистых солях для повышения ее твердости, износостойкости и предела выносливости.

Борирование — это процесс насыщения поверхности стали бором при 850—950°C для повышения ее твердо­сти, абразивной, коррозионной износостойкости и тепло­стойкости.

Силицирование — это процесс насыщения поверхно­сти кремнием. Силицированный слой стали отличается высокой коррозионной стойкостью в морской воде, хими­ческой стойкостью в азотной, серной и соляной кислотах, а также устойчивостью против износа. Диффузионная металлизация — это процесс насыще­ния поверхности стали алюминием, хромом, цинком и другими металлами, придающими ей те или иные свой­ства. Насыщение алюминием (алитирование) произво­дится для повышения окалиностойкости и коррозионной стойкости в атмосфере и морской воде. Насыщение хро­мом (хромирование) обеспечивает коррозионную стой­кость в морской и пресной воде, азотной кислоте, окали­ностойкость, повышение твердости и износостойкости. Насыщение цинком (цинкование) применяется для по­вышения коррозионной стойкости в атмосфере, бензине, маслах и горючих газах, содержащих сероводород.