5.2. Особенности применения термической и химико-термической обработки

• К материалам, подвергаемым термической обработке, предьявляют повышенные требования с точки зрения химического состава (узкие пределы содержания углерода, легирующих элементов и примесей).

Эффективно применение сталей более высокого качества.

• При высокой температуре происходит химическое взаимодействие поверхности металла с окружающей средой и как следствие:

-обезуглероживание стали (выгорание углерода в поверхностных

слоях - С + О₂ = СО₂);

- окисление стали (с образованием на поверхности оксидов железа –

Fе₂О3 => Fе₃О₄ => FeO).

С повышением температуры процессы ускоряются.

Применение нейтрализующих технологий снижает негативное воздействие но не исключает его полностью. Это обстоятельство приводит к необходимости использовать термическое воздействие, как правило, до отделочной обработки и предусматривать проведение работ по восстановлению базовых поверхностей.

• В единичном и мелкосерийном производстве в качестве заготовок часто используют горячекатаный прокат различных форм сечения. Горячая обработка предполагает наличие у проката свойств материала, подвергнутого отжигу (пластичность, минимальная твёрдость, равновесность состояния). Такое допущение вполне приемлемо, для деталей испытывающих незначительные нагрузки в благоприятном диапазоне температур и других условий эксплуатации.

• Цементации, обычно, подвергают не все, а лишь отдельные поверхности заготовок, поэтому не цементируемые поверхности должны быть изолированы. Существуют различные способы изолирования: меднение, применение специальных обмазок; назначение припусков, удаляемых с поверхностей после цементации но до закалки.

В последнем случае, на первых этапах, обрабатывают поверхности заготовки, подлежащие цементации. Остальные поверхности либо не обрабатывают, либо обрабатывают, оставляя припуск в 1,5-2 раза превышающий глубину слоя цементации. После цементации защитный слой (припуск) удаляют с поверхностей и заготовку направляют на закалку.

5.3. Распространённые схемы применения термической и химико-термической обработки

• Малоуглеродистые стали (с содержанием С< 0,3%)

Стали этой группы не подвергаются термическому упрочнению вследствие незначительного содержания углерода (С). В качестве термического воздействия применяют нормализацию перед механической обработкой с целью получения более мелкозернистой структуры (см. схему рис.5.2).

Заготовка

Нормализация

Механическая обработка

Рис.5.2. Схема обработки

• Среднеуглеродистые стали (с содержанием 0,3%<С<0,6%) (см. рис.5.3).

Заготовка

Механическая обработка (черновая)

Закалка (объёмная) + высокий отпуск (для мелких деталей диаметром

10…15мм)

Механическая обработка (чистовая)

Закалка поверхностная +низкий отпуск (при необходимости)

Восстановление базовых поверхностей

(при необходимости)

Механическая обработка (отделочная)

Рис.5.3. Маршрут обработки (для деталей с неблагоприятным

режимом нагрузки)

Детали с умеренным режимом нагружения перед механической обработкой могут подвергаться только нормализации.

• Цементуемые стали (низкоуглеродистые и низкоуглеродистые легированные)

Часто применяемая схема показана на рис.5.4.

Заготовка (Сталь 20)

Нормализация (HRC_э 15)

Механическая обработка (черновая, …, чистовая)

Защита поверхностей от ХТО (при необходимости)

Цементация

Закалка + низкий отпуск (HRC_э60)

Удаление защитных покрытий (при необходимости)

Восстановление базовых поверхностей

Механическая обработка (отделочная)

Рис.5.4. Схема обработки деталей значительных размеров с глубиной упрочняемого слоя до 2,0мм

• Среднеуглеродистые стали, легированные нитридообразующими элементами (Al, Cr, Mo).

Детали значительных размеров с глубиной слоя упрочнения до 0,3…0,4мм (см. рис.5.5).

Заготовка

Нормализация

Механическая обработка (черновая)

Закалка + высокий отпуск

Восстановление базовых поверхностей

Механическая обработка (чистовая)

Азотирование

Механическая обработка (отделочная)

Рис.5.5. Схема маршрута обработки

5.4. Варианты реализации (на примере маршрутов изготовления валов (втулок)

Валы, в основном, изготавливают из сталей среднеуглеродистых и легированных. Предъявляемые требования к материалу - вязкость, хорошая обрабатываемость, малая чувствительность к концентрации напряжений, повышенная износостойкость. Требованиям отвечают стали марок 35, 40, 45, 40Г, 40ХН и др. В технических условиях указывается твердость материала или необходимость соответствующей термической обработки.

Заготовки подвергают нормализации или термически не обрабатывают, если значение твердости не превышает НВ 200...230. При недостаточной твёрдости проводят термическое улучшение (закалка + высокий отпуск).

При необходимости увеличения твёрдости поверхностного слоя применяют поверхностную закалку с низким отпуском. Метод обеспечивает твердость 48...55 HRС_э (для среднеуглеродистых сталей). Поверхности валов из низкоуглеродистых марок стали подвергают цементации на глубину 0,7...1,5 мм с последующей закалкой и низким отпуском. Таким способом можно обеспечить твердостьHRC_э55…60.

Рассмотрим варианты применения этих рекомендаций на примере рабочих чертежей деталей реальных конструкций (по материалам конструкторской документации).

Пример 1.На рис.5.6 показан фрагмент чертежа штока гидравлического цилиндра, изготовленного из стали 45Х (ГОСТ 4543-71). В технических требованиях указана твёрдость поверхностного слоя средней шейки – 55…60HRC_э на глубину(h) не менее 0,8…1,2мм. Назначен метод повышения твёрдости – цементация.

Технология изготовления подразумевает химико-термическую обработку (цементацию) и термическую обработку (закалка с низким отпуском) с дополнительными операциями по защите необрабатываемых поверхностей с их последующей механической обработкой. Возможны следующие варианты решения.

Вариант 1. Применение цементации, как указывалось выше, эффективно для малоуглеродистых сталей. В нашем случае используется сталь легированная среднеуглеродистая. Реализация требований конструктора нецелесообразна.

Рис.5.6. Эскиз штока гидравлического цилиндра ( материал – сталь 45Х)

Показатели качества поверхностного слоя могут быть достигнуты проведением только поверхностной закалки с последующим низким отпуском, при этом твёрдость поверхности составит 48..55HRC_э. Маршрут может быть представлен схемой рис. 5.7.