Тема 10. Термическая и химико-термическая обработка.

Вопросы:

1. Отжиг и нормализация стали.

2. Термообработка. Закалка. Виды закалки. Отпуск, его виды.

1. Термической обработкой называют совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлических сплавов, находящихся в твёрдом состоянии, для изменения их структуры и получения нужных физико – механических свойств.

Отжиг – нагрев стали до заданной температуры, выдержка и медленное охлаждение (вместе с печью) для получения ненапряжённой структуры и устранения ликвации.Существуют различные виды отжига:

Полный отжиг характеризуется нагревом стали на 30...50° выше температуры превращений А_С3 (доэвтектоидные стали) и последующим медленным охлажде­нием - происходит значительное сниже­ние твердости и устранение структурной неоднородности стали; структура её становится мелкозернистой. Полный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей.

Неполный отжиг характеризуется нагревом стали до температур в интервале А_С1 – А_С3 (доэвтектоидные стали) и А_С1 – А_Сm (заэвтектоидные стали) и последующим медленным охлаждением – снижается твердость, что улуч­шает обрабатываемость стали, снимаются внутренние напряжения и структура становится более однородной.

Изотермический отжиг (применяется только для легирован­ных сталей) состоит из нагрева их на 20...30° выше А_С3 выдержки и относительно быстрого охлаждения до тем­пературы ниже точки А_r1 (630...700°С). При этой температуре сталь выдерживают до полного распада аусте­нита, затем охлаждают на воздухе – стали приобретают такие же механические свойства, как и после полного отжига, но время обработки сокращается вдвое.

Отжиг на зернистый перлит (сфероидизация) заключается в нагреве немного выше точки А_С1 , дли­тельной выдержке при этой температуре и медленного охлаждения (25...30°С в час) до 600 °С, выдержки и последующего охлаждения на воздухе – карбиды принимают зернистую форму, понижается твердость стали и улучшается ее обработка резанием.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) состоит из нагрева стали до 1050...1150°С, длительной выдержки (10.. .15 ч) и последующего медленного охлаждения – выравнивается хими­ческая неоднородность стали, то есть уменьшение лик­вации в слитках, отливках, заготовках.

Рекристаллизационный (низкий) отжиг состоит из нагрева стали ниже точки А_С1 на 50...100°, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе – образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твер­достью и значительной вязкостью.

Нормализация – нагрев стали выше температуры фазовых превращений с последующим охлаждением на воздухе для улучшения микроструктуры стали и повышения механических свойств. При нормализации измельчается зерно перлита, разрушается сетка цементита в заэвтектоидных сталях и повышаются механические свойства стали. Нормализованная сталь более твердая, чем отожжен­ная (150…300 НВ). Нормализация обеспечи­вает большую производительность при обработке резанием и получение меньшей шероховатости обработанной поверхности.

2. Закалка – нагрев стали выше температуры фазовых превращений с последующим охлаждением по определённому режиму для получения нужной структуры и повышения твердости и прочности.

Процесс закалки стали заключается в ее нагреве до определенной температуры (на 30…50° выше линии GSK по диаграмме Fе – Fе₃С), выдержке и последующем быстром охлаждении в воде, масле, расплавленных солях или других средах.

Доэвтектоидные стали надо на­гревать примерно на 30...50° выше критической точки А_с3 (линия GS): t_зак = А_с3 + 30…50°С

Заэвтектоидные стали следует нагревать под закалку выше А_с1 (линия SK) на 30...50°.

Масла имеют скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения в 10 раз меньшую, чем вода, что уменьшает возможность возникновения дефектов при закалке.

Существуют следующие виды закалок:

Закалка в одном охладителе – самая распространен­ная – нагретое до температуры закалки изделие погружают в охлаж­дающую среду до полного охлаждения. (угле­родистые стали в воде, а легированные стали – в масле). Этот способ прост, но может вызвать значительные внутренние на­пряжения.

Прерывистая закалка (закалка в двух средах) при­меняется для предупреждения появления внутренних напряжений в изделии. Этот способ используют при закалке крупных изделий из конструк­ционной углеродистой и низколегированной стали. Нагретое до нужной температуры изделие сначала резко охлаждают в воде до 300...200 °С, затем переносят в масло или на воздух, где оно медленно охлаждается. Недостаток – трудность регулирования времени вы­держки.

Ступенчатая закалка - на­гретое изделие охлаждают, погружая в соляную ванну, температура которой превышает температуру начала мартенситного превращения данной стали. Затем изде­лие выдерживают в ванне для выравнивания темпера­туры по всему его объему и охлаждают на воздухе до нормальной температуры, что снижает внутренние на­пряжения. Её приме­няют для тонких стальных изделий из углеродистой стали.

Закалка с самоотпуском (закалка по цветам побежалости) заключается в том, что изделие охлаждают от температуры закалки в охлаждающей среде только в течение времени, которое необходимо для его прока­ливания на определенную глубину. Дальнейшее охлаж­дение идет на воздухе. При этом осуществляется отпуск за счет теплоотдачи из внутренних слоев изделия. Дан­ный способ применяют для закалки ударного инстру­мента (зубила, кузнечный инструмент и др.).

Поверхностная закалка применяется для увеличения износостойкости, твёрдости и прочности деталей, воспринимающих ударную нагрузку (зубчатые колеса, валы и др.). Она включает нагрев по­верхностного слоя изделия до температуры закалки и охлаждение для получения мартенситной структуры в поверхностном слое при сохранении вязкой сердцевины.

Различают следующие виды нагрева при поверхност­ной закалке: нагрев пламенем газовой горелки и нагрев токами высокой частоты.

Отпуск – это нагрев закаленной стали до температуры ниже критической А_с1, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение (обычно на воздухе).

Различают следующие виды отпуска: низкий, средний, высокий.

Низкий отпуск – нагрев закаленной стали до 250°С для снижения внутренних напряжений при сохранении высокой твердости. Его применяют для инструментов и изделий, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью. Получаемая структура – мартенсит отпуска.

Средний отпуск – нагрев закаленной стали до 350...450°С, который приводит к пони­жению твердости и повышению вязкости стали по срав­нению с низким отпуском. Получаемая микроструктура троостит. Его применяют для пру­жин, штампов, рессор, ударного инструмента и др.

Высокий отпуск – нагрев закаленной стали до 450...650°С, который способствует по­лучению наибольшей вязкости при сохранении доста­точно высокой прочности. Твердость закаленной стали сильно снижается и обра­зуется структура сорбит. Закалку деталей машин на мартенсит с последую­щим высоким отпуском на сорбит назы­вают улучшением. Сорбит отпуска с зернистой формой цементита имеет более высокие показатели прочности и вязкости, чем сорбит закалки с пластинчатой формой цементита.

Обработка холодом – заключается в обработке закаленных изделий холодом при температурах порядка –80°С и ниже. Об­работка холодом основана на том, что остаточный аустенит, находящийся в структуре закаленной стали при низких температурах, распадается в результате возникновения внутренних на­пряжений. Данный метод повышает твердость режущего инструмента, стабилизирует размеры измерительных ин­струментов и др. В промышленности применяют спе­циальные установки, в которых охладителями служат жидкий кислород (-183 °С), жидкий азот (-195 °С), смесь из твердой углекислоты (сухой лед) с денатурированным спиртом (-78,5 °С).

3. Химико-термическая обработка – это про­цесс поверхностного насыщения стали химическими эле­ментами (углеродом, азотом, хромом, алюминием, крем­нием и др.) для повышения износостойкости, твердости, жаростойкости и других свойств.

Цементация – процесс поверхностного науглерожи­вания стальных изделий для придания им высокой поверхностной твердости при сохранении вязкой сердце­вины (поршне­вые пальцы, зубчатые колеса, кулачки распределитель­ных валиков и др.). Для цементации применяют стали с содержанием углерода 0,15...0,35 %. Вещества, предназначенные для науглероживания стали, называют карбюризаторами. При цементации в твердом карбюризаторе детали за­гружают в металлический контейнер, наполненный кар­бюризатором, и нагревают в печи до температуры 900...950 °С. Выдержку по времени определяют из рас­чета, что за 1 ч получается цементованный слой глуби­ной 0,1 мм. Карбюризатором служит состав из 75% березового угля и 25 % ВаСОз или NaСО₃.

Азотирование – процесс насыщения поверхности ста­ли азотом для повышения твердости, износостойкости и устойчивости против коррозии (гильзы цилиндров, клапаны, а также измерительный инструмент). Его про­водят в специальных герметических печах при 500...600°С. Через печь пропускают аммиак NН₃, предварительно просушенный хлористым кальцием, ко­торый при нагреве диссоциирует по реакции 2NН₃ = 2N + 6Н. Образующийся азот поглощается поверхностью стали и проникает в глубь детали, образуя твердые растворы и соеди­нения, называемые нитридами.

Цианирование – процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом для повышения твердости и износостойкости, а также для увеличения сопротивляемости коррозии (шестерни). Чем выше температура цианирования, тем сильнее поверхностный слой насыща­ется углеродом, чем ниже – азотом. Цианирование бы­вает высокотемпературным – при 800...950°С и низко­температурным – при 500...600 °С.

Применяют виды цианирования: жидкостное в цианистой ванне, содержащей 45% NаСN, 35% NаСО₃, 20% NаСI, и газовое (нитроцементация) в среде, состоящей из 80 % науглероживающего газа и 20 % аммиака.

Диффузионная металлизация – процесс насыщения поверхностного слоя различными металлами (алюми­нием, хромом, кремнием и др.) для придания окалиностойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости, твердости и износостойкости. Насыщение изделий из стали и чугуна алюминием (алитирование) придает им высокую жаростойкость (газоотвод­ные трубы двигателей, колосники и другие изделия, работающие при высоких температурах).

Насыщение поверхностного слоя хромом (хромиро­вание) приводит к увеличению коррозионной стойкости, окалиностойкости, твердости и износостойкости сталь­ных и чугунных изделий (обработка поршневых колец, режущий инструмент, детали форсунок и насосов и др.).

Насыщение стали кремнием (силицирование) при­дает ей коррозионную стойкость в некоторых агрессив­ных средах, несколько повышает ее износостойкость и жаростойкость.