ТЕХНО ЛО Г ИЯ ТЕРМИЧЕСКО Й ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Термическая обработка – это процесс нагрева и охлаждения изделий из металлов и сплавов с целью изменения их структуры и свойств в заданном на­правлении.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Любую термическую обработку можно выразить в виде графика в коорди­натах температура нагрева t^oC – время τ.

Bpe.-fn^ V - истинная скорость охлаждения (te a)

Вид ы термической обработки отличаются типом фазовых и структурных превращений, проходящих при нагреве и охлаждении.

Собственно терми­ческая - только те­пловое воздействие.

Химико-термическая -тепловое и химическое воздействие (ХТО).

Термо-механическая тепловое и деформацион­ное воздействие (ТМО).

 

 

СОБСТ ВЕННО ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ТО) применяется для обработки как полуфабрикатов, та к и готовых изделий.

ОТЖИГ I РОДА

Эта термическая обработка не зависит от фазовых превращений, проте­кающих при нагреве или охлаждении.

Цель отжига I рода – устранить химическую и физическую неоднородность, созданную предшествующими обработками.

I

I

Гомогенизация (диффузионный отжиг) – слитки или отливки с це­лью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации. Т_отж ≈ Т_пл – 100⁰С Т_отж стали – 1000-1250⁰С Т_отж сплавов Аl – 420-520⁰С

Рекристаллизационный отжиг - де­формированные полуфабрикаты или изделия для снятия наклепа и вос-с тановления пл а с тич н о с ти Т_отж > Т⁰ порога р е к р ис та л л из а ции (Т п.р.)

Отжиг для снятия оста-то ч ных напряжений – отливки, сварные со­единения, детали после обработки резанием, ковки и т.д.

Тотж. стали < 727⁰С

Тотж.

латуни

250-300⁰С

ОТЖИГ II РОДА

Результат отжига 2 рода зависит от фазовых превращений, проте­кающих при нагреве и охлаждении в тв ер до м состоянии.

I

I

 

Полный отжиг – нагрев выше точ -ки АС₃ на 30-50⁰С, выдержка для полного завершения фазового пре­вращения и медленное охлаждение с печью до ~ 600⁰С, далее на возду­хе.

Це л ь : с нижение тв е р д о с ти, повы­шение пл а с ти ч н о с ти , вязкости, улучшение обрабатываемости ре­занием, измельчение зерна. По д в е р г а ют поковки, прокат, тр у -бы, листы, отливки и т.д.

Не по л ный отжиг – нагрев стали вы­ше то чк и АС₁ (АС_m) на 30-50⁰С, вы­держка, медленное охлаждение. Це л ь : улучшение обрабатываемости резанием, получение структуры зер-нис того перлита.

Сфероидизация заэвтектоидн ых сталей (маятниковый отжиг)

Из о те р м и ч е с к и й отжиг – нагрев выше А₃ (А_m), выдержка, охлаж-д е н и е быс трое до 620-680⁰С, вы-держ ка 3-6 час (п о л н ы й рас пад ау -с те н и та ), охлаждение н а в оз духе. Це л ь : с ниж ение тв е р д о с ти , улуч-ш е н и е обрабатыв аемос ти рез ани-ем. П о д в е р г а ю т штамповки, по -ковки, заготовки и н с тр у м е н та , де­та л и пос ле цементации.

i

НОРМАЛИЗАЦИЯ

Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, поковке или штамповке.

Наг рев под нормализацию – доэвтектоидные стали выше АС₃, заэвтекто-идные стали – выше АС_m на 30-50⁰С выдержка для прогрева и завершения фазовых превращений и охлаждение на воздухе.

Це л ь : для низкоуглеродистых сталей вместо отжига, для отливок из сред-неуглеродистой стали вместо закалки и высокого отпуска (снижение де­формации изделия при термообработке), устранения цементитной сетки заэвтектоидных сталей, ис правление структуры пос ле предварительных технологических операций.

Схема нормализации доэвтектоидной стали и диаграмма изотермическо­го распада аустенита углеродистой стали

1 – охлаждение при отжиге;

2 – охлаждение при нормализации.

>|ЗАКАЛКА С ПОЛИМОРФНЫМ ПРЕВРАЩЕНИЕМ

I

ЗАКАЛКА

I

Цель закалки стали – получение высокой тв ердо с ти (структуры мартенсит) и прочности, закалка, не окончательная термическая обработка.

I

На г р е в под закалку на 30-50⁰С вы­ше критичес ких то ч е к АС₃ и АС ₁.

I

Скорость охлаждения выше крити­ческой V_{кр .}

V

для углеродистых сталей 400-1400 ⁰/с. Для легированных 10-150 ⁰/с.

I

Охлаждающие среды – вода Н₂О, технические масла, 10 % водный раствор NaOH или NaCl, расплавы солей, водные растворы полиме­ров.

Основное требование – бы­строе охлаждение в области температур наименьшей ус­тойчивости аус тенита и медленное в области те м пе-ратур мартенситного пре­вращения.

Режим охлаждения должны быть так им , чтобы не возникали высокие за­калочные (внутренние) напряжения, которые могут привести к измене­нию формы изделия и образованию трещ ин.

Внутренние напряжения ( +- растягивающие, -- сжимающие)

Тепловые (термические) – возни­кают из-за разницы температур по с ечению детали при нагреве или охлаждении, а так же при умень­шении удельного объема при ох­лаждении.

Разная величина те р м ич е с к о г о сжатия внутренних и наружных слоев изделия в период охлажде­ния приводит к образованию на поверхности о с та то ч ных напря­жений сжатия, а в середине – рас­тяжения. Это приводит к короб­лению (изменению формы) изде­лия. Д – диаметр сечения детали.

Структурные (фазовые) напряжения возникают при закалке из-за нерав­номерности протекания мартенситно-го превращения в разных то ч к ах се­чения изделия. Мартенситное пре­вращение связано с увеличением удельного объема.

Чем выше температура закалки и скорость охлаждения в мартенситном интервале Мн-Мк, тем выше уровень фазовых напряжений и опасность об­разования тр е щ и н .

Д – диаметр сечения детали.

 

При закалке возни­кают одновременно и тепловые и фазо­вые напряжения, ко­торые суммируются (σтепл >σстр ).

/to®

 

Суммарные напряжения

С целью снижения о с тато чных напряжений и уменьшения скорости ох­лаждения в интервале Мн-Мк применяют разные способы закалки.

СПОСОБЫ ЗАКАЛКИ

а – закалка в одном охладителе

(непрерывная). Пр и м е ня е тс я для закалки мелких деталей (до 5 мм) из углеродистой стали и большого сечения из легированной стали. b - прерывистая закалка (в двух средах) – изделие быстро охлаж­дают в одной среде (например в воде), а затем медленно в другой (масло). Медленное охлаждение проходит в мартенситном интерва­ле температур. Пр им е няют для за­калки инструментальных сталей.

с - ступенчатая закалка - охлаждение в среде, нагретой до темпера­туры 180-200°С, выдержка при этой температуре (t° > Мн) и охлажде­ние на воздухе. Снижение всех видов напряжений. Применяют для изделий, склонных к короблению.

d - изотермическая закалка - проводится подобно ступенчатой за­калке, длительность ступеньки должна быть такой, чтобы закончился распад аустенита с образованием нижнего бейнита. Применяется для повышения конструктивной прочности легированных сталей. Закалка с самоотпуском - охлаждение прерывают, когда

1°серед > t°поверх > Мн.

Отпуск за счет выравнивания температуры по сечению от нагретой се­редины к поверхности. Применяют для обработки ударного инструмента (керны, зубила, молотки и т.д.).

>

Свойства стали после закалки зависят от закаливаемости и прокаливаемости стали.

 

г

г

 

Закаливаемость – способность стали повышать тв ер д о с ть при за­калке (образовывать в структуре мартенсит).

Закаливаемость зависит от содер­жания углерода в стали.

а – нагрев выше АС₃; б – нагрев выше АС₁; в – тв е р д о с ть мартенсита.

Прокаливаемость – глубина зака­ленной зоны со структурой мартен­сита или троостомартенсита. Прокаливаемость зависит от кри-тичес к о й скорости охлаждения стали, которая зависит от ее соста­ва.

V_{кр 1} > с корос ти охлаж дения с е ч е н и я , сквозная пр о к ал ив аем о с ть.; V_{кр 2} – а – г л у б ина прокалив аемос ти; V_{кр 3} – б – г л у б ина прок алив аемос ти.

Характеристики прокаливаемости – к р итич ес к ий диаметр Д_кр – на иб о л ьш ий раз мер ц и л и н д р а и з д а н н о й стали, кото­рый по с л е закалки имеет структуру мартенсит по всему с е ч е нию (Д_99,9)

те м

выше прокали-и охлаж-

V

кр=

(чем меньше

в аем ос ть). Д_кр зависит от V_к

дающей среды. Допускается по л у м ар -

те н с и тн а я структур а ( 50 % мартенс ита

и 50 % троос тита в ц е н тр е образ ца (Д₅₀).

Т.к. состав стали одной и то й же марки, размер зерна, форма изделия и др. могут меняться в широких пределах, прокаливаемость каждой стали харак­тер из у ют полосой (а не кривой) прокаливаемости (max и min Д_кр).

Полоса прокаливаемости для разн ых сталей На г л яд но видно влияние легирования на прокаливаемость.

Глубина прокаливаемости определяет свойства стали после термической обработки (закалка и высокий отпуск).

Не с к в о з ная прокаливаемость

В с ердцевине наблюдается не­большое снижение тв е р д о с ти, пре­дела прочности и значительное с нижение вязкости и предела тек у -чести.

Сквозная прокаливаемость

По всему сечению структура сор­бит отпуска, свойства одинаковы.

Закалка не является окончательной обработкой, после нее необходимо провести отпуск.

>

ОТПУСК ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ

I

Эта обработка проводится после закалки с полиморфным превращением и является окончательной операцией термической обработки стали. Цель отпуска – снятие закалочных напряжений и придание стали заданных свойств прочности, тв е р д о с ти и п л а с тич но с ти .

I

ВИДЫ ОТПУСКА

Низ к ий отпуск - температура нагрева < 250⁰С, выдержка до 2,5 час. Охлаждение на возду­хе (мартенсит закалки пре­вращается в мартенсит отпус­ка).

М_з → М_от Снимаются закалочные мак­ронапряжения. Повышается вязкость, тв е р д о с ть практиче­ски не с нижаетс я. Применение: инс трументаль-ные стали для режущего и из­мерительного инструмента, стали после ХТО.

Вы с о к ий отпуск – 500-680⁰С, τ - 1,6 час. Структура – сорбит отпуска. Отпуск дает наилуч­шее сочетание свойств проч-нос ти, п л а с ти ч но с ти и вязко­сти, полное снятие закалочных напряжений. Закалка с высо­ким отпуском называется улучшение, наилучшие резуль­таты обработки получаются при сквозной прокаливаемо-сти.

Применение: изделия из сред-неуглеродистых сталей (0,3 – 0,5%С).

Средний отпуск – температура нагрева 350 – 500⁰С, время выдержки зависит от размеров изделия, охлаждение в во­де.

Охлаждение в воде с температуры отпуска создает сжи­мающие напряжения на поверхности изделия, что приво­дит к повышению предела выносливости σ_-1. Структура троостит отпуска обеспечивает высокий предел упругости и выносливос ти, релакс ационную стойкость. Применение: для рессорно-пружинных сталей, штампо-вых сталей.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА

I

Цель обработки – сочетание высокой тв ердо с ти и прочности поверхност­ного слоя изделия и вязкой сердцевины. В аус тенитное состояние перево­дится то л ьк о поверхностный слой заданной толщины, поэтому нагрев должен быть очень быстрым.

I

I

Поверхностная закалка током вы­сокой частоты – закалка ТВЧ – нагрев детали в индукторе, частота то к а 10^-3 – 10^-5 Гц, индуцируется то к в поверхностный слой детали. Скорость нагрева на 2-4 порядка выше, чем в печи. Охлаждение че­рез душевое устройство (спрейер) сразу после нагрева.

1 деталь; 2 индуктор; 3 маг­нитные силовые линии Глубина закаленного слоя

у = 4,46-Ю⁵ ^IJTf

f - частота тока, ji- магнитная про­ницаемость, р- удельное электро­сопротивление.

Преимущества: выше твердость, мельче зерно, сокращается длитель­ность обработки, уменьшается короб­ление, легко применить при се рийном автоматизированном производстве. Применение для деталей, работаю­щих на износ (среднеуглеродистые стали).

Закалка при нагреве лазером - осно­вана на трансформации световой энергии лазера в тепловую. Ско­рость нагрева очень высокая - 10" -10~⁷ с до Т_пл. Охлаждение за счет те-плоотвода вглубь металла, т.е. не требуется закалочная среда; форми­руется очень мелкое зерно, остаются нерастворенные дисперсные карби­ды. В результате закалки лазером растет о_в, предел контактной вынос­ливости - на 60 - 70 %. Нет окисле­ния поверхности. Применяют для изделий сложной формы из сталей 35, 40, 40Х, ШХ15, 40Х12 и др., а также чугуна.

Для поверхностной закалки крупно­габаритных деталей – прокатные валки, крупные шестерни, червяки – закалка с нагревом пламенем газо­вой горелки. Газокислородное пламя с Т⁰ 2000-3000⁰С на пр а в л яе тс я на по -

верхнос ть и р аз о г р ев ает слой в 2- 4 мм до Т⁰ > АС₃ охлаждение водой из охлаждающей части горелки. Недостаток – возможен перегрев.

ЗАКАЛКА БЕЗ ПОЛ ИМОРФНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

Эта термическая обработка, фиксирующая при комнатной температуре со­стояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре. При этом подавляются диффузионные процессы, приводящие к выделению вто­рой фазы.

Т⁰ нагрева (Т_зак.) должна обеспечивать растворение кристаллов второй фазы. V_охл. – подавление процесса выделения вторичных кристаллов.

аbd – температура нагрева под закалку (ниже линии солидуса); охлаждение,

чаще всего в воде.

В структуре образуется пересыщенный вторым компонентом (Cu) α - тв ер -

дый раствор за счет фиксирования высокотемпературного состояния сплава

с максимальной растворимостью (Cu) в α-растворе (растворимость В(Cu) в

А(Al) при Т_ком определяется то ч к ой С и составляет 0,2 %).

Це л ь обработки: подготовка сплава к упрочняющей обработке – старению.

Этот вид обработки рекомендуется сплавам на основе алюминия, меди,

цинка, так ж е аустенитным сталям.

I

Пос л е закалки без полиморфного превращения обязательно проводится термическая обработка – старение.

СТ АР ЕНИЕ

Старение – это термическая обработка, при которой в сплаве, подвергнуто м закалке без полиморфного превращения, главным процессом является распад пересыщенного тв е р д о г о раствора. Эта термообработка приводит к измене­нию свойств сплава за счет уменьшения концентрации пересыщенного ком­понента в тв ер до м растворе и выделения упрочняющих фаз.

I

Процесс естественного старения проходит при комнатной температуре, ис-куственного – при нагреве до 150-250⁰С. Наг рев увеличивает скорость диф­фузии, распад пересыщенного тв ер до г о раствора проходит быстрее и полнее.

I

несколько ста-

Процесс старения протекает в

дий (сплавы на основе Аl, Mg, Zn, Ni, Fe).

T

I

 

Образование

зон

Гинье-Пр е с то н а

(ГП) – образование в пересыщенном тв е р д о м растворе участков, обога­щенных вторым компонентом. Раз­меры этих зон субмикроскопиче­ские, сохраняется решетка раствори-тел я, имеют форму дисков или вы-тян у ты х плас тин.

Зоны ГП 1 – диаметр 30-60 A& (3-6 нм), толщина несколько атомных

слоев (5 – 10 A& ).

Зоны ГП 2 – укрупненные до диа­метра 200-300 A& (20-30 нм) и то л -щиной 10-40 A& (1-4 нм) зоны ГП1.

>

Выделение метастабильной фазы (промежуто чной). На базе зон ГП2 выделяется фаза с кристаллической ре­шеткой, отличной от α-раствора и некогерентной границей (II фаза).

Выделение стабильной фа­зы с кристаллической ре­шеткой, отличной от α-раствора и некогерентной границей (II фаза).

I

Зоны ГП и выделения второй фазы тормозят движение дислокации через кристалл, что приводит к упрочнению сплава.

Выделения II фазы склонны к укрупнению лесценции. Пр и этом прочность падает.

процесс коагуляции или коа-

Термомеханическая обработка заключается в сочетании пластической де­формации стали и термической обработки (закалки и отпуска).

Высокотемпературная термоме­ханическая обработка (ВТ М О ) – нагрев стали до температуры ау-стенитного состояния (выше АС₃), деформация при этой тем пературе (наклеп аус тенита) и немедленная закалка с низким отпуском.

Структура после обработки – мелкокристаллический мартенсит отпуска.

ВТ МО обеспечивает рост прочно­сти с одновременным повышени­ем вязкости разрушения, пониже­ния порога хладноломкости при хорошей пл а с ти ч н о с ти . Вы с о к и е механические свойства объясня­ются большой плотностью дисло­каций в мартенсите, дроблением его кристаллов на отдельные суб­зерна.

Низкотемпературная термомеханиче­ская обработка (НТ МО) – переохлаж­денный до Т⁰ 600-400⁰ аустенит де­формируется (ε = 75-90 %), наклепы-вается, после чего – низкий отпуск.

Структура после обработки – мар­тенсит отпуска с повышенной плотностью дислокаций. НТМО обеспечивает высокую прочность, но снижение пластичности, т.к. деформация проводится при тем­пературах ниже температуры рек­ристаллизации, что ограничивает область применения НТМО).

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ

1. Что так ое термическая обработка, какими параметрами можно ее охарактери-

зовать (режим термической обработки)?

2. Что так о е отжиг I рода, с какой целью проводится эта обработка?

3. Что так о е отжиг II рода, цель обработки, для каких материалов может быть

проведен отжиг II рода?

4. Какое влияние оказывает отжиг на пл а с тич но с ть и вязкость стали?

5. Как изменяется структура после полного и неполного отжига?

6. Какой отжиг применяется для доэвтектоидных сталей?

7. С какой целью проводится изотермический отжиг, чем отличается структура

стали У8 после обычного и изотермического отжига?

8. Что так о е нормализация и в каких случаях можно рекомендовать этот вид обработки?

9. В чем отличие структуры стали 45 после отжига и нормализации, как это различие влияет на свойства?

10. У с та но в ите температуры нагрева под полный отжиг и нормализацию для
сталей 40, У12, У8.

11. Что так о е закалка стали и с какой целью она проводится?

12. Что та к о е закаливаемость стали, от чего зависит закаливаемость?

13. Что так ое полная и неполная закалка? Для каких целей проводятся эти виды закалки?

 

14. С какой скоростью надо охлаждать изделия при закалке? Что можно ис­пользовать в виде охлаждающей среды?

15. Что так о е прокаливаемость стали и от чего она зависит? Характеристики прокаливаемости.

 

16. Какие виды (способы) закалки вы знаете, с какой целью их применяют на практике?

17. В чем отличие изотермической и ступенчатой закалки. Каковы преимуще­ства каждого вида обработки?

18. Что та к о е о с та то ч ные напряжения при термической обработке, какие виды напряжений вы знаете?

19. Что называется отпуском, цель этого вида обработки?

20. Какие виды отпуска вы знаете?

21. Какая структура отпущенной стали обеспечивает получение максимальной пл а с тич но с ти и вязкости в с очетании с хорошей прочностью?

22. Что так о е улучшение?

23. Чем отличается структура сорбит отпуска от сорбита, полученного при
нормализации, как это отличие влияет на свойства?

24. Что так о е закалка без полиморфного превращения, для чего проводят этот вид обработки?

25. Как выбрать температуру нагрева под закалку без полиморфного превраще­ния?

26. Что та к о е старение сплавов?

27. Что та к о е зоны Гинье-Пр е с то на и как их появление влияет на механичес кие свойства?

28. Что та к о е ес тес твенное и искус твенное старение?

29. Как провести закалку поверхностного слоя изделия?

30. Какие стали можно закалить то к о м высокой частоты?

31. Чем регулируется глубина закаленного слоя при закалке ТВЧ?

32. Какие особенности закалки при нагреве лазером?

33. Для чего применяют закалку при нагреве лазером?

34. Для чего применяется газопламенная закалка? Дос тоинства и недостатки
процесса.

35. Что так о е термомеханическая обработка?

36. Что так о е ВТ М О , почему свойства стали после этой обработки выше, чем после закалки?

37. Что так о е НТ МО, для чего применяют этот процесс? Каковы технологиче­ские трудности проведения этого процесса?

Задача № 1

Образцы из стали 40 были подвергнуты полной и неполной закалке. При этом получили разную тв е р д о с ть . Чем объяснить это явление?

Задача № 2

Термической обработке – закалке подвергаются детали, у которых недо­пустимо образование даже микроскопических закалочных тр ещ ин в поверхно­стном слое. Какой режим охлаждения необходимо дать этой детали и почему он содействуют предотвращению образования тр ещ ин?

Задача № 3

На завод поступили заготовки из стали с 1,2 %С, имеющие структуру зернис того перлита. Эту сталь предусмотрено использовать для режущего ин­струмента – фрез. Какой вид обработки надо дать этой стали для получения ра­бочей структуры М_от + К?

Задача № 4

Ва л переменного с ечения из стали был нагрет на температуру АС₃ + 50⁰ и закален в масло. В разных сечениях вала тв е р д о с ть оказалась разная, в сече­нии > 100 мм она была ниже, чем в меньших сечениях. Объясните причину это­го явления.

Задача № 5

Стали 35 и У8 после закалки в воде имели различную тв ер д о с ть. Чем можно объяснить это явление?

Задача № 6

Для стальных деталей закалка в масло заменена изотермической закал­кой. Как изменится структура и свойства сталей после так о й обработки?

Задача № 7

Стальной лист после пластического деформирования имеет высокую тв е р д о с ть , низкую пл ас тич но с ть, что затрудняет его дальнейший технологиче­ский передел. Какую обработку следует рекомендовать для повышения пла-стичнос ти?

Задача № 8

С помощью диаграммы состояния Fe-Fe₃C определите температуры пол­ного и неполного отжига, а так ж е нормализации для сталей 20, 60, У12. Оха­рактеризуйте микроструктуру и свойства каждой стали после этих видов тер -мической обработки.

Задача № 9

Слитки стали были нагреты на температуру 1150⁰С с длительной вы­держкой, а потом были медленно охлаждены на воздухе. Какой вид обработки был дан отливкам, с какой целью и какая структура при этом образовалась?

Задача № 10

Необходимо улучшить обрабатываемость резанием инструментальной стали У9. Какую обработку надо дать заготовке из этой стали и почему эта об­работка улучшит режущие свойства стали У9?

Задача № 11

По с л е отливки в изложницу сталь имела ярко выраженную дендритную ликвацию, что могло бы отрицательно сказаться на ее свойствах после плас ти-ческой деформации слитка. Какую обработку необходимо дать слитку для уст­ранения подобного явления и что является причиной устранения ликвации?

Задача № 12

По с л е обработки резанием поверхность детали получила значительный наклеп за счет давления резца на ее поверхность. Появление наклепанного слоя может привести к дефектам на поверхности детали. Каким способом можно устранить это явление, какие процессы, проходящие при этом в стали, способ­ствуют этому?

Задача № 13

Вы б е р и те температуру закалки для сплавов I, II, III. Укажите состав спла­вов, у которых при старении будет выделяться максимальное количество уп­рочняющих фаз.

Задача № 14

В сплаве на основе алюминия в процессе естественного старения снизи­лась п л а с тич но с ть . Что является причиной этого, как повыс ить п л а с ти ч но с ть снова?

Задача № 15

По с л е определенного времени выдержки при искусственном старении прочность сплава Д16 на основе Аl стала с нижатьс я. Что является причиной данного явления?

Задача № 16

Поверхностная закалка с использованием нагрева ТВЧ позволяет намного повысить усталостную прочность изделия из стали 45. Что является причиной этого?

Задача № 17

Наг р ев под закалку то к ам и высокой частоты проводится до температур 1100-1150⁰С, однако при этом не наблюдается потери вязкости, как при печном нагреве под закалку до этих же температур. Что является причиной этого явле­ния?

Задача № 18

Необходимо упрочнить поверхности крупных прокатных валков. Какой вид обработки надо применить и почему?

Задача № 19

Необходимо повысить тв ер дос ть и износостойкость внутреннего отвер­стия в детали сложной формы. Какой вид термической обработки надо реко­мендовать в этом случае и почему?

Задача № 20

Кольцо подшипника из стали ШХ1 5СТ изготавливают путем раскатки за­готовки при температуре 1000⁰С. Как будут отличаться механические свойства, если закалку провести сразу после пластического деформирования (раскатки), а не после охлаждения на воздухе и повторной закалки по обычному режиму?

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ХТО)

При химико-термической обработке повышение свойств поверхности изде­лия достигается изменением химического состава и структуры поверхност­ных слоев при нагреве в активных средах. Пр и ХТО одновременно проте­кают несколько процессов.

Образ ов ание

активных

атомов элем ента

нас ыщ ающ ег о за счет диссо­циации нас ыщ ающ ей сре­ды (т в е р д о й , жидкой, газо­образ ной). На п р и м е р , дис -с о ц и а ц и я аммиака: 2NH₃ → 3Н₂ + 2N_{ато м .}

Адсорбция (поглощение поверхностью) активных атомов, образование связей между ионами насыщающего элемента и основного металла (хемосорбция).

Диффузия адсор­бированных ато­мов вглубь ме­талла с образова­нием диффузи­онного слоя.

L

Толщина образовавшегося слоя d₀ зависит от растворимости на­сыщающего элемента в материале, температуры нагрева и време­ни выдержки (а,б) при этой температуре, а также концентрации атомов насыщающего элемента на поверхности (в).

а б в

Под общей толщиной диффузионного слоя понимают кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до слоя со структурой сердцевины изделия.

Эффективная толщина слоя – расстояние от поверхности до уча­стка слоя с заданными параметрами (концентрация, твердость или другие характеристики).

■DT

1

Структура диффузионного слоя образуется в то й же последовательности, что однофазные области на двойной диаграмме Ме – насыщающий элемент при данной температуре. При переходе от одной фазы к другой отмечается скачок концентраций.

Компонент А насыщается компонентом В при температуре t1. Области диаграммы cd и ab - переходные, где в равновесии находятся две фазы, имеющие состав, определяемый точками а (ос-фаза) и b (у-фаза), с Су-фаза) и d (Р-фаза), концентрация компонента В в слое меняется скачком. В структуре слоя нет переходных зон, только однофазные области.

ХТО повышает тв ер дос ть, износостойкость, кавитационную и коррозион­ную стойкость, увеличивает надежность и долговечность изделия.

ЦЕМЕНТ АЦИЯ

Цементацией называется ХТО, заключающаяся в диффузионном насыще­нии поверхности стали углеродом при нагреве в соответствующей среде карбюризаторе. Цементации подвергаются низкоуглеродистые стали (0,1-0,35 %С).

В зависимости от применяемого карбюризатора различают два вида обра­ботки – насыщение в тв е р д о й жидкой среде.

Цементация в твердом кар­бюризаторе насыщающая среда - древесный уголь или торфяной кокс с добавками активизаторов процесса -ВаС0₃ и Na₂C0₃ (СаС0₃). Процесс проводят в ящиках, детали упакованы в карбюри-

заторе Температура процес-

са - 910-930 С; время вы­держки т - в зависимости от размера ящика - до 14 час. Охлаждение на воздухе. Реакции при насыщении: 2С + О₂ -> 2СО 2СО -> СО₂ + С_ат С_ат -> Fe_Y -> Fe_Y (С) актив изатор:

ВаСО₃ + С -> ВаО + 2СО. Используют в мелкосерий­ном производстве.

Цементация в газовом карбюризаторе -нагрев в среде газов, содержащих углерод. Карбюризатор - природный газ, состоя­щий в основном из метана, а также керо­син и бензин, каплями подающиеся в печь, получаемые в специальных генераторах контролируемые атмосферы. Реакции при насыщении:

СН4 -> 2Н₂ + С_ат 2СО -> СО₂ + С_ат С_ат -> Fe_Y -> Fe_Y (С) Температура процесса - 910-930°С; Время выдержки т - 6-12 час. Толщина слоя 0,1 - 0,7 мм. Преимущества газовой цементации:

1. Возможность автоматизации и механи­
зации процесса;

2. Возможность поддерживать заданное
количество углерода (углеродный потен­
циал) в среде, а следовательно, в слое.

3. Ускорение процесса за счет проведения
последующей термической обработки не­
посредственно после цементационного на­
грева.

4. Ввиду меньшей продолжительности
процесса рост зерна меньше, структура
дисперснее. Процесс газовой цементации
используют в массовом производстве.

Пос л е процесса цементации обязательно проводится термическая обработка для получения заданных свойств цементованного слоя и с ердцевины изде-

лия.

>

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

ЦЕМЕНТ ОВАННЫХ ИЗД ЕЛ ИЙ

(ц – цементация, з – закалка, о – отпуск).

Для деталей из наследс твенно-мелкозернистых сталей, у которых тр е б у е тс я то л ь к о высокая тв е р -дость поверхности, закалка прово­дится непос редственно с тем пе р а -туры цементации или с подстужи-ванием. Далее - низкий отпуск.

Для деталей из наследс твенно-крупнозернис тых сталей при по­вышенных требованиях к структуре и свойствам детали. По с л е цемен­тации – охлаждение на воздухе, за­тем закалка от 850-900⁰С и низкий отпуск. Закалка с повторного на­греве проводится для устранения перегрева.

Особо высокие требования к свойствам после термообра­ботки. Двойная закалка для измельчения структуры слоя (II) и структуры сердцевины (I) последующий низкий от­пуск.

Структура цементованного изделия после термической обработки – поверх­ностный слой имеет структуру мартенсит отпуска с включениями глобу­лярных карбидов; сердцевина, в зависимости от состава стали, может иметь структуру сорбита, троостита или даже низкоуглеродистого мартенсита. Твердость поверхности НRC 58 - 62, сердцевины – HRC 38 – 42.

АЗОТ ИРОВАНИЕ СТАЛИ

Азотирование – процесс поверхности стали азотом.

диффузионного насыщения

 

I

I

 

Цель азотирования – повыше­ние износостойкости, тв ер д о -сти, предела выносливос ти, коррозионной стойкости. Твердость азотированного слоя HV 1000-1200. Твердость сохраняется при работе до 500-600⁰С.

Азотированию подвергаются углероди­стые и легированные стали. Содержание углерода ≈ 0,4 %С, легирование Al, Mo, V, Ti, Cr, Mn, образующими нитриды. Образование азотированного слоя при­водит к увеличению удельного объема и возникновению о с та то ч ных сжимаю­щих напряжений, повышающих σ_-1.

 

I

I

Азотирование проводят в герметических камерах, куда с определенной скоростью подается аммиак. Температура азотирования 500-650⁰С. Пр и этой температуре аммиак диссоциирует:

2NH₃ → 6H + 2N_атом Атомарный азот адсорбирует на поверхность детали и диффундирует в ме-

тал л .

Азотирование – окончательная обработка изделия, перед азоти­рованием проводят закалку с высоким отпуском для упрочнения сердцевины изделия (структура сорбит отпуска) и механическую обработку для получения окончательных размеров детали (азо­тирование для повышения прочностных характеристик).

i

СТРУКТУРА АЗОТИРОВАННОГО СЛОЯ

Структура азотированного слоя определяется диаграммой Fe-N.

Система железо-углерод Из диаграммы видно, что если процесс вести при 550°С, возможно образо­вание следующих фаз в слое:

£, - промежуточная фаза нитрид Fe2N переменного состава; У- нитрид Fe4N переменного состава; а- азотистый феррит.

Толщина слоя зависит от температуры и времени выдержки. Чем выше Т°, тем меньше времени требуется для получения заданной глубины слоя.

Для ускорения процесса иногда проводят двухступенчатое азотирование: при 500-520⁰С, затем при 540-560⁰С. Охлаждение с печью в потоке аммиака.

1_______________

РАЗНОВИДНОСТИ ПРОЦЕССА АЗОТИРОВАНИЯ

I

I

 

Ионное азотирование (в тл еющ ем разряде) – между ка-то до м (деталью) и анодом (контейнер установки) возбу­ждается тл е ющ ий разряд. Происходит ионизация азото-содержащего газа и ионы азо­та, бомбардируя поверхность катода, нагревают до Т⁰ насы­щения.

Пр еим у щ е с тв о – ускорение процесса (1 – 24) при те м пер а -туре 470 – 580⁰С и давлении 1,3⋅10² - 13⋅10² Па.

Азотирование в жидких средах (тенифер – про­цесс) – проводят при 570⁰ в жидкой среде – 40% КСNO и 60 % NaCN + 15 % (NH₂)₂ CO₃ и 45 % Na₂CO₃. Соли расплавляют в тиг л е из титана ; общая то л щ ина слоя 150 – 500 мкм. Пр еим у щ е с тв о : незна­чительное изменение размеров детали, отсут­ствие коробления.

Азотирование с добавками углес о держащих газов (углеродоа-зотирование) проводится при 570°С, в течение 1,5 - 3 ч в ат­мосфере аммиака и пропана (метана).

На поверхности образуется карбонитридный слой Fe₂-₃ (N, С), обладающий меньшей хрупкостью, чем е-фаза. Значительно повышается предел выносливости.

Азотированию подвергают цилиндры двигателей, шес­терни, втулки, копиры станков, матрицы, пуансоны штампов, детали для повышения коррозионной стойко­сти, коленчатые валы, пресс-формы.

Нитроцементация – осуществ­ляется в газовой среде – смесь науглераживающего газа и аммиака при температуре 830-870⁰ С. После нитроцемента-ции проводится закалка и низ­кий отпуск при 150 – 180⁰С. Поверхностная твердость – HRC 56-62.

Структура поверхности – М_{мел ко кр} + карбонитриды + Ао ст.

Толщина слоя – 0,2 – 0,8 мм. Применяется вместо газовой цементации, имеет преимуще­ства: более низкая температу­ра процесса, мельче зерно, меньше коробление, выше со­противление износу, но стои­мость процесса выше. Обычно процесс рекомендуют для де­талей сложной конфигурации, которые склонны к коробле­нию.

Цианирование – проводят в расплавленных солях, содер­жащих группу СN при Т⁰ 820-950⁰ С. Соли NaCN, NaCl, BaCl₂.

Ba ( CN ) ₂ + NaCN→2NaCl + Ba(CN)₂

Ba ( C N ) ₂→Ba СN₂ + C_ат.

BaCN₂→BaO + CO + 2N_ат.

Требует меньше времени на­
сыщения. После цианирования
- закалка с низким отпуском.
Низкотемпературное цианиро­
вание: проводится при 570⁰С,
выдержка до 3 часов. Пре­
имущественное насыщение
поверхности азотом из-за не­
высокой температуры процес­
са. Применяется для инстру­
мента из быстрорежущих и
штамповых сталей для повы­
шения износостойкости.
Недостатком цианирования
является токсичность процес­
са, что требует принятия спе­
циальных мер защиты.

Борирование – насыщение поверх­ностного слоя деталей бором. Слой состоит из боридов FeB и Fe₂B , то л щ ина с лоя 0,1 – 0,2 мм. Процесс проводят в газовой среде, расплавленных солях или электро­лизом Буры Na₂B₄O₇. Температура 850-950⁰С, время выдержки – 2-6 часов.

При борировании повышается из­носостойкость (до 10 раз), окали-ностойкость, те п л о с то й к о с ть , кор­розионная стойкость. Пр им е няют для деталей, работающих на износ, штампов, деталей пресс-форм и машин литья под давлением.

I

Силицирование – насыще­ние поверхности Si. Струк­тура слоя - α-тв е р д ый рас-тв о р Si в Fe_α. Толщина слоя 0,3 –0,5 мм. Повышение коррозионной стойкости.

Диффузионное насыщение металлами (металлизация). Цел ь обработки – повышение кор­розионной стойкости, жаростойко­сти деталей машин. Насыщение металлами – Al, Cr, Zn. Диффузионная металлизация мо­жет проводиться в тв ерд ых, жид­ких или газообразных средах при повышенных температурах.

ВИДЫ ДИФФУЗИОННОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ

I

насыщение алюминием, температуре α-тв ер д ый

Алитирование поверхности

проводится при 800-1000⁰С.

Структура слоя раствор А в Fe(α) и слой Аl₂O₃. Толщина слоя 0,2 – 0,5 мм. Главная цель – повышение коррозионной стойкости.

 

Хромирование – насыщение по­верхности хромом. Структура слоя - α-тв ер д ый раствор и кар­биды (Fe, Cr)₇C₃, (Fe, Cr)₂₃C₆. Толщина слоя 0,1 – 0,2 мм. Повышение коррозионной стой­кости, износостойкости.

<■

Цинкование – нас ыщение поверх­ности цинком. Пр им е няе тс я для повышения коррозионной стойко-с ти полуфабрикатов и с пециаль-ных деталей холодильников, ком­прессоров и др.

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ

1. Что так о е химико-термическая обработка и для чего она проводится? Ви д ы ХТО.

2. Какие основные процессы протекают при проведении ХТО?

3. От чего зависит глубина образующегося диффузионного слоя?

4. Что называется цементацией, какие виды цементации вы знаете?

5. Какую термическую обработку проводят после цементации и зачем?

6. Что та к о е азотирование стали? Какие цели преследуют, подвергая сталь этой обработке?

7. Что та к о е цианирование и нитроцементация, чем отличаются эти обработки?

8. Какие виды диффузионного насыщения металлами вы знаете, для чего про­водят эти процессы?

9. Какие виды азотирования вы знаете, в чем их преимущества перед обычным процессом?

Задача № 1

Как меняется структура цементованного слоя от поверхности вглубь из­делия, если концентрация углерода на поверхности 1,2 % (используйте диа­грамму Fe-Fe₃C)?

Задача № 2

Шес тер не из стали с содержанием углерода 0,2 % необходимо обеспечить высокую тв ер дос ть и износостойкость поверхности при достаточно вязкой сердцевине. Наз нач ьте вид, режимы термообработки, которая поможет решить эту задачу.

Задача № 3

Какому виду ХТО необходимо подвергнуть деталь для придания ей высо­кой коррозионной стойкости в морской воде?

Задача № 4

Какой способ обработки ХТО рационально использовать для повышения окалиностойкости чугунных колосников топок котлов?