Основы термической обработки

ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Термической обработкой называют технологические процессы теплового воздействия, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий по определенным режи­мам с целью изменения структуры и свойств сплава.

Любой процесс термической обработки может быть описан графиком в координатах тем­пература — время (рис. 30). Параметрами про­цесса термической обработки являются макси­мальная температура нагрева (t _max ) сплава; вре­мя выдержки ( τ _k ) сплава при температуре нагре­ва; скорость нагрева (V_н ) и охлаждения (V_o ). На практике обычно подсчитывают среднюю ско­рость нагрева или охлаждения. Она равна мак­симальной температуре нагрева, поделенной на время нагрева или охлаждения, т. е. Vн.ср = t _max / τ _н и

Vо.cp = t _max / τ _o .

Рис 30 График термической обработки

По классификации Бочвара А.А. различают четыре основных вида термической обработки:1) отжиг 1 рода; 2) отжиг 2 рода; 3) закалка; 4) отпуск

А- общая сжема; б – отжиг 2 рода; 3- закалка ; г отпуск

Отжиг 1 рода – не обусловлен фазовыми преобразованиями в твердом состояни;

А0 повышается подвижность атомов;

Б) частично иполностью устраняет химическую неоднородность;

В0 уменьшает внутреннее напряжение, т.о. способствуе получению более равномерного состояния

Основное значение - температуры нагрева и время выдержки.

Виды отжига .

Диффузионный (гомогенизирующий) для устранения химической неоднородности благодаря диффузии, скорость котоорого завмсит от температцры Е= 0,8- 0.9 Т пл

Время –определяется опытным путем

10 диффузионный;

2) полный;

3) изотермический;

4) неполный;

5) сфероиздизирующий;

- рекристаллизационный

Рекристаллизационный отжиг

Применяют после холодной пластической деформации ( холодной обработки давлением) для снятия наклепа и получения равновесного состояния сплава.

В результатае рекристаллизации в деформируемом металле образуются новые зерна, снимается напряжения и восстанавливается пластичность металла.

Отжиг для снятия напряжений, возникают при ковке, сварке, литье и т.п., котрые могут вызвать коробление, т.е. изменение формы, размеров и даже разрушение изделий.

Отжиг 2 рода- фазовые превращения при нагреве и охлаждении

α →β β →α

нагрев охлаждение

α → β → α

Для сплавов – 1) полиморфные;

20 эвтектоидные;

3) перетектоидные превращения

Термическая обработка изменяет в нужном направлении прочностные, пластические и другие свойства материала изделий.

В основе теории термической обработки ле­жат фазовые и структурные превращения, проте­кающие при нагреве и охлаждении металлов и сплавов. Эти превращения характеризуются оп­ределенными критическими точками. При мед­ленном нагреве от комнатной температуры до 727°С в сплаве I фазовых изменений не происхо­дит (рис. 31).

Рис. 31. «Стальной» участок диаграммы состояния желе­зо—цементит:

1 - доэвтектоидная сталь, II - эвтектоидная сталь, III — заэвтектоидная сталь

При температуре 727°С перлит превращается в аустенит (точка а). Точку а) на диаграмме называют нижней критиче­ской точкой и обозначают Ac ₁ (при охлаж­дении — Ar ₁ ). Буквы с и г указывают на то, что превращение происходит соответственно при на­греве или охлаждении стали, а индекс единица внизу этих букв — на точки, образующие линию PSK. При дальнейшем нагреве сплава 1 зерна феррита растворяются_в аустените.

Растворение аустенита заканчивается в точке a₁ (линия GS), которую называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве Ас₃ , охлаждении Аг ₃ .

Если нагревать эвтектоидный сплав II, то перлит в точке S (линия PSK) при 727°С превращается в аустенит. Критические точки Ac₁ и Ac₃ при этом совпадают.

Перлит сплава III при 727°С превращается в аустенит (точка b). Даль­нейший нагрев сплава III вызывает растворение цементита (вторичного) в аустените. В точке b₁ лежащей на линии SE, процесс растворения за­канчивается. Эту точку обозначают А _cm .

Таким образом, на диаграмме железо - цементит критические точки, образующие линию PSK, обозначают A с₁ (при нагреве) и Ar ₁ (при охлаждении), точки по линии GS – Ас ₃ и Аг ₃ , по линии SE - А _cm . Знание критических точек об­легчает изучение процессов термической обра­ботки сталей.

Превращения в стали при нагреве.

Нагрев стали при термической обработке используют для получения аустенита. Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критической точки Ac₁ состоит из зерен перлита и феррита. В точ­ке Ac ₁ происходит превращение перлита в мелко­зернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ac₁ до Ас₃ избыточный феррит растворяет­ся в аустените и в точке Ас₃ (линия GS) превра­щения заканчиваются. Выше точки Ас₃ структу­ра стали состоит из аустенита.

Таким же образом происходят превращения при нагреве заэвтектоидной стали, но с той лишь разницей, что при дальнейшем повышении темпе­ратуры от точки Ac₁ до точки А _cm в аустените начинает растворяться избыточный цементит (вторичный). Выше точки А _cm (линия SE) струк­тура состоит только из аустенита. Вновь образовавшийся аустенит неоднороден даже в объеме одного зерна. В тех местах, где раньше были пла­стинки цементита, содержание углерода значи­тельно больше, чем в тех местах, где находились пластинки феррита.

Для выравнивания химического состава и по­лучения однородного аустенита доэвтектоидную сталь нагревают немного выше верхней критической точки Ас₃ и выдерживают некоторое время при этой температуре для завершения диффузнойных процессов.

По окончании процесса превращения перлита в аустенит образуется большое количество мел­ких аустенитных зерен. Эти зерна называют начальными зернами аустенита .

Дальнейший нагрев стали или увеличение вы­держки приводит к росту аустенитного зерна. Размер зерна, полученный в стали в результате той или иной термической обработки, называют действительным зерном . Величина та­кого зерна зависит не только от термической об­работки, но и от способа выплавки стали. Одна­ко склонность к росту аустенитных зерен с повы­шением температуры нагрева различная. Стали, раскисленные в процессе плавки кремнием и мар­ганцем, обладают большой склонностью к непре­рывному росту зерен аустенита при повышении температуры. Такие стали называют наследственно крупнозернистыми . К ним от­носят кипящие стали.

Стали, раскисляемые в процессе выплавки дополнительно алюминием и в особенности легированные титаном или ванадием, мало склонны к росту зерна аустенита при нагреве до 950 - 1000°С. Такие стали называют наследствен­но мелкозернистыми . К ним относят спо­койные стали.

Размер наследственного зерна не оказывает влияния на свойства стали. От размера действи­тельного зерна зависят механические свойства стали, главным образом ударная вязкость, она значительно понижается с увеличением размера зерна. Размер действительного зерна в стали за­висит от размера зерна аустенита. Как правило, чем крупнее зерна аустенита, тем крупнее дейст­вительные зерна.

Размер наследственного зерна оказывает влияние на технологические свойства стали. Ес­ли сталь наследственно мелкозернистая, то ее можно нагревать до более высокой температуры и выдерживать при ней более длительное время, не опасаясь чрезмерного роста зерна по сравнению с наследственно крупнозернистой сталью. Горячую обработку давлением — прокатку, ковку, объемную штамповку наследственно мелкозернистой стали — можно начинать и оканчи­вать при более высокой температуре, не опасаясь получения крупнозернистой структуры.

Для определения размера наследственного (аустенитного) зерна применяют различные методы. Например, для низкоуглеродистых цементуемых сталей применяют метод цементации, т.е. науглероживание поверхности стали. При нагре­ве стали до 930 ±10°C в углеродсодержащей смеси и выдержке при данной температуре в течение 8 ч поверхностный слой ее насыщается углеродом до заэвтектоидного состава. При охлаж­дении из аустенита выделяется избыточный це­ментит, который располагается по границам зе­рен аустенита в виде сетки. После полного ох­лаждения эта цементитная сетка окружает зерна перлита и показывает размер бывшего при на­греве аустенитного зерна. Подготовленную таким образом структуру стали рассматривают в мик­роскоп при 100^х увеличении, видимые под микро­скопом зерна сравнивают с эталонными, предус­мотренными стандартной шкалой размеров зерна (рис. 32). Зерна от № 1 до № 4 считают крупны­ми, а с № 5 — мелкими.

Рис. 32. Шкала для определения размера зерна: 1-10- номера зерен при 100^х увеличении

Превращения в стали при охлаждении. Аустенит является устойчивым только при температу­ре выше 727°С (точка Ar ₁ ). При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния (ниже точки, Аr₁ ), аустснит становится неустойчивым — начинается его превращение. Такое превращение может начаться только лишь при некотором переохлаждении аустенита. Для случая эвтектоидной углеродистой стали аустенит превратится в перлит, т. е. в механическую смесь феррита и цементита. При этом, с одной стороны, чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение и тем быстрее будет происходить превращение аустенита в перлит. С другой стороны, это превращение сопровождает­ся диффузионным перераспределением углерода и чем ниже температура переохлаждения, тем медленнее протекает процесс диффузии, что в свою очередь замедляет превращение аустенита в перлит. Такое противоположное действие обо­их названных факторов (переохлаждения и диф­фузии) приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигая при определенной величине переохлаждения максимума, а затем убывает.

Процесс превращения аустенита в перлит экспериментально проводят при постоянной тем­пературе, т. е. в изотермических условиях. Для этого образцы из стали нагревают до температу­ры, при которой ее структура состоит из одно­родного аустенита, а затем быстро переносят в термостаты с заданной температурой.

ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ

Отжиг. Это процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной тем­пературы, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение.

В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига (рис. 39): 1 — диффузионный; 2 -— пол­ный; 3 — изотермический; 4 — неполный; 5 — сфероидизирующий; 6 — рекристаллизационный.

Рис. 39. Режимы различных видов отжига

Диффузионный отжиг (гомогенизи­рующий) - применяют для уменьшения химиче­ской неоднородности стальных слитков и фасонных отливок. Слитки (отливки), особенно из легированной стали, имеют неоднородное строение. Неоднородность строения обусловлена карбид­ной и дендритной ликвациями, так как в местах образования карбидов или в средней части дендритов возникают скопления легирующих элемен­тов. Для выравнивания химического состава слиток или отливку нагревают до высокой темпе­ратуры, при которой атомы элементов приобрета­ют большую подвижность. Благодаря этому происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией химических элементов в места с меньшей концентрацией. В результате такой диф­фузии обеспечивается выравнивание химического состава слитка или отливки по объему.

Для обеспечения необходимой скорости диф­фузии атомов отжиг стали проводят при высокой температуре (1100—1200°С) с выдержкой 10— 20 ч (рис. 39, кривая 1).

Полный отжиг (рис. 39, кривая 2) при­меняют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Это достигается нагре­вом стали на 30 - 50°С выше верхней критиче­ской точки Ас₃ и медленным охлаждением.

При нагреве стали выше температуры Ас₃ пер­лит превращается в аустенит. Это происходит пу­тем образования в начальной стадии мельчайших зародышей кристалликов аустенита и постепен­ного их роста по мере повышения температуры. При небольшом превышении температуры Ас₃ (на 30 - 50°С) образовавшиеся кристаллики аус­тенита остаются еще мелкими. В дальнейшем, при охлаждении ниже температуры Ac₁ , образу­ется однородная мелкозернистая структура ферритно-перлитного типа. При этом в пределах од­ного аустенитного зерна возникает несколько перлитных зерен, которые значительно мельче, чем аустенитное зерно, из которого они образова­лись.

Температуру нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, определяют по диаграм­ме состояния, а для легированных ста­лей - по положению их критической точки Ас₃ , имеющейся в справочных таблицах.

Время выдержки при отжиге складывается из времени, необходимого для полного прогрева де­тали, и времени, нужного для окончания струк­турных превращений.

Неполный отжиг (рис. 39, кривая 4) обеспечивается при нагреве изделий из заэвтектоидной стали выше температуры Ас ₁ на 30 - 50°С, выдержке и последующем медленном охлажде­нии.

При неполном отжиге происходит снятие внутренних напряжений, снижение твердости, повы­шение пластичности, улучшение обрабатывае­мости резанием. Поскольку температура нагрева требуется меньшая, чем при полном отжиге, то на обработку тратится меньше времени и тепло­ты, что обеспечивает экономичность процесса.

Неполному отжигу подвергают высокоуглеро­дистые заэвтектоидные стали и стали инструмен­тальные, шарикоподшипниковые и др.

Изотермический отжиг (рис. 39. кривая 3) от­личается от других видов отжига тем, что распад аустенита на ферритно-цементитную-смесь происходит при постоянной температуре. При других видах отжига такой распад происходит в период охлаждения в условиях непрерывного снижения температуры. После того как уже произошел рас­пад аустенита, скорость охлаждения не имеет существенного значения, и поэтому охлаждение после изотермической выдержки можно прово­дить на воздухе.

Изотермический отжиг заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30 - 50°С вы­ше точки Ас₃ (конструкционные стали) и выше точки Ac₁ на 50 - 100°С (инструментальные ста­ли). После выдержки сталь медленно охлаждают в расплавленной соли до температуры несколько ниже точки Ar₁ (680—700°С). При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита в перлит, а затем охлаждают на спокойном воздухе. Изотермический отжиг сокращает продолжительность термической обработки неболь­ших по размерам изделий из легированных ста­лей в 2 - 3 раза по сравнению с полным отжи­гом. Для крупных изделий такого выигрыша по времени не получается, так как требуется боль­шое время для выравнивания температуры по объему изделия. Изотермический отжиг является лучшим способом снижения твердости и улучше­ния обрабатываемости резанием сложнолегированных сталей, например 18Х2НЧВА.

Сфероидизирующий отжиг (рис. 39, кривая 5) обеспечивает превращение пластинча­того перлита в зернистый, сфероидизированный. Это улучшает обрабатывамость сталей резанием.

Отжиг на зернистый перлит производят по режи­му: нагрев стали немного выше точки Ac₁ с по­следующим охлаждением сначала до 700°С. за­тем до 550—600°С и далее на воздухе. Сфероидизирующий отжиг применяют для сталей, содер­жащих более 0,65 % углерода, например шарико­подшипниковые стали типа ШХ15.

Рекристаллизационный отжиг (рис. 39, кривая 6) применяют для снятия накле­па, вызванного пластической деформацией ме­талла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Наклепом называют упрочне­ние металла, появляющееся в результате холод­ной пластической деформации металла.

При холодной прокатке, штамповке, волоче­нии зерна металла деформируются, дробятся. Это повышает твердость металла, снижает его пластичность и вызывает хрупкость. В этом и заключается сущность наклепа.

Рекристаллизационный отжиг выполняют пу­тем нагрева до температуры ниже Ас ₁ (650 - 700°С), выдержки и последующего замедленного охлаждения. При нагреве металла до 650 - 700°С (рекристаллизационный отжиг) возрастает диффузионная подвижность атомов и в твердом состоянии происходят вторичные кристаллиза­ционные процессы (рекристаллизация). На грани­цах деформированных зерен возникают новые центры кристаллизации, вокруг которых заново строится решетка. Вместо старых деформирован­ных зерен вырастают новые равноосные зерна и деформированная структура полностью исчезает. При этом восстанавливаются первоначальная структура и свойства металла.

Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры на 30—50°С выше верхних критических точек Ас₃ к А _см , затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией). При нормализации уменьшаются внутренние напряжения, происхо­дит перекристаллизация стали, измельчающая крупнозернистую структуру металла сварных швов, отливок или поковок.

Нормализация стали по сравнению с отжи­гом является более коротким процессом термиче­ской обработки, а следовательно, и более произ­водительным. Поэтому углеродистые и низколе­гированные стали подвергают, как правило, не отжигу, а нормализации.

С повышением содержания углерода в стали увеличивается различие в свойствах между отож­женной и нормализованной сталью. Для сталей, содержащих до 0,2 % углерода, предпочтительнее нормализация. Для сталей, содержащих 0,3 - 0,4 % углерода, при нормализации по сравнению с отжигом существенно увеличивается твердость, что необходимо учитывать. Поэтому нормализа­ция не всегда может заменить отжиг.

Сплавы после нормализации приобретают мелкозернистую структуру и несколько большую прочность и твердость, чем при отжиге. Норма­лизацию применяют для исправления крупнозер­нистой структуры, улучшения обрабатываемости стали резанием, улучшения структуры перед за­калкой. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет сетку вторичного цементита.

ЗАКАЛКА И ОТПУСК

Закалка. Это процесс термической обработ­ки, при которой сталь нагревают до оптималь­ной температуры, выдерживают при этой темпе­ратуре и затем быстро охлаждают с целью по­лучения неравновесной структуры. В результате закалки- повышается прочность и твердость и понижается пластичность конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Качество за­калки зависит от температуры и скорости на­грева, времени выдержки и охлаждения. Основ­ными параметрами закалки являются темпера­тура нагрева и скорость охлаждения.

Скорость нагрева и время вы­держки зависят от химического состава ста­ли, размеров, массы и конфигурации закаливае­мых деталей, типа нагревательных печей и на­гревательной среды. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей, тем медленнее происходит нагрев. Детали из вы­сокоуглеродистых и легированных сталей, име­ющих пониженную теплопроводность, нагревают медленно и с более длительной выдержкой при нагреве по сравнению с деталями из низкоугле­родистых сталей. Это делается для того, чтобы уменьшить деформацию деталей при нагреве.

Скорость нагрева и продолжительность вы­держки определяют экспериментально или по технологическим картам, в которых указывают температуру, время нагрева для каждого вида деталей или инструмента. Ориентировочно вре­мя нагрева в электрических печах принимают 1,5—2 мин на 1 мм сечения изделия.

Оборудованием для нагрева стали служат на­гревательные термические печи и печи-ванны, которые подразделяют на электрические и топ­ливные, обогреваемые за счет сгорания топлива (газа, мазута, угля и др.).

Средой, в которой нагревают сталь, являют­ся в печах - газовая среда (воздух, продукты сгорания топлива), нейтральный газ; в печах - ваннах - минеральные масла, расплавленные соли и металлы.

Закалочные среды (вода, масло) действуют следующим образом. На первом этапе, в момент погружения изделия в закалочную среду, вокруг изделия образуется пленка перегретого пара (паровая рубашка).Через слой паровой рубашки охлаждение изделия происходит относительно медленно. Это этап пленочного кипения. Затем паровая рубашка разрывается и охлаж­дающая жидкость начинает кипеть на поверхности изделия. Это этап пузырчатого кипения. На этом втором этапе охлаждение изделия происходит быстро. Когда температура поверхности изделия станет ниже температуры кипения жидкости, жидкость не кипит и охлаждение изделия замедлится. Это третий этап — этап конвективного теплообмена. Чем шире интервал этапа пузырчатого кипения, тем интенсивнее охлаждает сталь закалочная жидкость.

ДЕФЕКТЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Дефекты при отжиге и нормализации. В про­цессе отжига и нормализации могут возникнуть следующие дефекты: окисление, обезуглерожи­вание, перегрев и пережог металла.

При нагреве в пламенных печах поверхность стальных деталей взаимодействует с печными газами. В результате металл окисляется и на деталях образуется окалина — химическое соединение металла с кислородом. С повышени­ем температуры и увеличением времени выдержки окисление резко возрастает. Образование окалины не только вызывает угар (потерю) металла на окалину, но и повреждает поверхность в деталей. Поверхность стали под окалиной получается разъеденной и неровной, что затрудняет и обработку металла режущим инструментом.

Окалину с поверхности деталей удаляют травлением в растворе серной кислоты в воде, очисткой в дробеструйных установках или галтовкой в барабанах.

Обезуглероживание, т. е. выгорание углерода с поверхности деталей, происходит при окислении стали. Обезуглероживание резко снижает прочностные свойства конструкционной стали. Кроме того, обезуглероживание.поверхно­сти может вызвать образование закалочных тре­щин и коробление (поводку детали).

Для предохранения деталей от окисления, а следовательно, и от обезуглероживания при от­жиге, нормализации и закалке применяют безокислительные (защитные) газы, которые вво­дят в рабочее пространство печи.

При нагреве стали выше определенных тем­ператур и длительных выдержках в ней проис­ходит быстрый рост зерен, ведущий к возникно­вению крупнокристаллической структуры. Это явление называют перегревом. Перегрев ве­дет к понижению пластических свойств стали. В перегретой стали при закалке образуются тре­щины. Перегрев металла может быть исправлен последующей термической обработкой — отжи­гом или нормализацией.

Пережог получается в результате дли­тельного пребывания металла в печи при высо­кой температуре, близкой к температуре плав­ления. Физическая сущность пережога состоит в том, что кислород из окружающей атмосферы при высокой температуре проникает в глубь на­греваемого металла и окисляет границы зерен. В результате окисления границ зерен механиче­ская связь между зернами ослабевает, металл теряет пластичность и становится хрупким. Пе­режог является неисправимым браком.

Дефекты при закалке. В процессе нагрева под закалку и при закалке могут появляться следующие дефекты: трещины, деформация и коробление, обезуглероживание, мягкие пятна и низкая твердость.

Закалочные трещины - это неиспра­вимый брак, образующийся в процессе термиче­ской обработки. Они являются следствием воз­никновения больших внутренних напряжений. В штампах крупных размеров закалочные трещи­ны могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому штампы целесообразно охлаждать до 150 - 200°С с быстрым последующим отпуском.

Трещины возникают при неправильном на­греве (перегреве) и большой скорости охлаж­дения в деталях, конструкция которых имеет резкие переходы поверхностей, грубые риски, оставшиеся после механической обработки, ост­рые углы, тонкие стенки и т д.

Закалочные трещины, обычно расположен­ные в углах деталей или инструмента, имеют дугообразный или извилистый вид.

Деформация и коробление деталей происходят в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных пре­вращений, обусловливающих возникновение внутренних напряжений в металле при нагреве и охлаждении.

При закалке стали коробление деталей мо­жет происходить и без. значительных объемных изменений в результате неравномерного нагрева и охлаждения. Если, например, деталь неболь­шого сечения и большой длины нагревать толь­ко с одной стороны, то она изгибается. При этом нагреваемая сторона детали удлиняется и ста­новится выпуклой, а ее противоположная сторо­на — вогнутой. Нагревать и охлаждать детали при закалке следует равномерно.

При погружении деталей и инструмента в закалочную среду надо учитывать их форму и размеры. Детали, имеющие толстые и тонкие части, погружают в закалочную среду сначала толстой частью, длинные детали (штоки, про­тяжки, сверла, метчики и т. д.) опускают в стро­го вертикальном положении, а тонкие плоские (диски, отрезные фрезы, пластинки и др.) — ребром.

Окисление и обезуглероживание происходит в основном при нагреве под закалку от взаимодействия печных газов или расплав­ленных солей с поверхностными слоями детали. Этот дефект особенно опасен на режущем инст­рументе, так как он в несколько раз снижает его стойкость.

Окисление и обезуглероживание поверхности .изделия-предупреждается строгим соблюдением установленного режима термической обработки, а также нагревом в среде нейтральных газов (азоте, аргоне).

Мягкие пятна - это участки на по­верхности детали или инструмента с понижен­ной твердостью. Такие дефекты образуются при закалке в процессе охлаждения в закалочной среде, когда на поверхности детали имелась ока­лина, следы загрязнений и участки с обезуглероженной поверхностью, а также в случае недо­статочно быстрого движения детали в закалоч­ной среде и образования на поверхности детали паровой рубашки.

Низкая твердость чаще всего наблюда­ется при закалке инструмента. Причинами низ­кой твердости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной -среде, низкая темпе­ратура закалки, а так же недостаточная выдерж­ка при нагреве под закалку. Для исправления этого дефекта деталь следует подвергнуть высо­кому отпуску и снова закалить.

Перегрев деталей под закалку увеличива­ет зернистость металла и, следовательно, ухуд­шает его механические свойства. Металл приоб­ретает повышенную хрупкость. Для повторной закалки деталей их следует подвергнуть отжигу для измельчения зерна.

Недогрев получается в том случае, если температура закалки была ниже, критической точки Ас ₃ (для доэвтектоидных сталей) и Ас ₁ (заэвтектоидных сталей). Недогрев исправляют отжигом, после которого деталь снова закали­вают.

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Термомеханическая обработка (ТМО) — но­вый метод упрочнения стали при сохранении до­статочной пластичности, совмещающий пласти­ческую деформацию и упрочняющую термиче­скую обработку (закалку и отпуск). При ТМО деформации подвергают сталь в аустенитном со­стоянии, а при последующем быстром охлажде­нии формирование структуры закаленной стали (мартенсита) происходит в условиях наклепа аустенита, в связи с чем и повышаются механи­ческие свойства стали. Пластическое деформи­рование при ТМО возможно прокаткой, ковкой, штамповкой и другими способами обработки металлов давлением. Различают два способа тер­момеханической обработки — высокотемператур­ную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО).

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛИ

Химико-термическая обработка - процесс химического и термического воздействия на поверхностый слой стали с целью изменения состава, структуры и свойств. Химико-термическая обработка повышает твердость поверхности стали, ее износостойкость, коррозионную стойкость, кислотоустойчивость и другие свойства. Химико- термическая обработка нашла широкое применение в машиностроении, так как является од­ним из наиболее эффективных методов упрочне­ния стальных деталей для повышения их долго­вечности.

Химико-термической обработке можно под­вергать различные по размерам и форме детали и получать обработанный слой одинаковой тол­щины. При химико-термической обработке за счет изменения химического состава, поверхност­ного слоя достигается большое различие свойств поверхности и сердцевины детали. Недостатком процессов химико-термической обработки явля­ется их малая производительность.

Химико-термическая обработка основана на диффузии атомов различных химических эле­ментов в кристаллическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы.

Химико-термическая обработка состоит из трех процессов: диссоциации - получения насы­щающего элемента в активном атомарном со­стоянии:

2 NH₃ = 2N + 3H ₂ ; СН ₄ = С + 2Н и т. д.;

абсорбции - поглощения активных атомов на­сыщающего элемента поверхностью металла; диффузии — перемещения атомов насыщающего элемента с поверхности в глубь металла.

Наиболее распространенными видами хими­ко-термической обработки является цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом), цианирование (углеродом и азотом), борирование (бором), алитирование (алюминием) и др.

Цементация — процесс химико-термиче­ской обработки, заключающийся в диффузион­ном насыщении поверхностного слоя углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цемента­ция придает поверхностному слою высокую твер­дость- и износостойкость, повышает предел вы­носливости при изгибе и кручении. Цементируют детали, работающие в условиях трения, при больших давлениях и циклических нагрузках — шестерни, поршневые пальцы, распределитель­ные валы и др.

Азотирование – процесс химико- термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя азотом для придания этому устойчивости против коррозии.

Твердость азотированного слоя выше , чем цементованного, и сохраняется до выслких температур 400 – 600 ⁰ С, тогда как твердость цементированного слоя с мартенситовой структурой сохраняющейся лишь до 200 – 250^о С.

Нитроцементация – процесс химико- термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя одновременно азотом и углеродом в газовой среде.

Цианирование — процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя одновременно азотом и углеродом в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN.

Борирование -- процесс химико-термическои обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя бором при нагревании в борсодержащей среде (бура, треххлористый бор и др.).

Алитирование — это процесс диффузи­онного насыщения поверхностного слоя стали, содержащей 6,1 - 0,2 % С алюминием.

Хромирование — это процесс диффу­зионного насыщения поверхностного слоя хромом.

Поверхностное упрочнение стали.

Для повышения твердости поверхностных слоев, предела выносливости и сопротивляемости истиранию многие детали машин подвергают поверхностному упрочнению. Существует три основных мето­да поверхностного упрочнения: поверхностная закалка, упрочнение пластическим деформиро­ванием и рассмотренная выше химико-термиче­ская обработка.

Основное назначение поверхностной закалки - повышение твердости, износостой­кости и предела выносливости разнообразных деталей (зубьев шестерен, шеек валов (рис. 46), направляющих станин металлорежущих станков и др.). Сердцевина детали после поверхностной закалки остается вязкой и хорошо воспринима­ет ударные и другие нагрузки. В промышленно­сти применяют следующие способы поверхност­ной закалки: газопламенную закалку; закалку с индукционным нагревом токами высокой часто­ты (ТВЧ); закалку в электролите. Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры выше критической точки Ас₃ с последую­щим быстрым охлаждением для получения мар­тенсита.

Рис. 46. Коленчатый вал, закаленный ТВЧ:

I - низкая сердцевина вала, 2 - закаленная шейка, 3 - закаленная галтель

Контрольные в опросы

1. Расскажите о превращениях, происходящих в стали при ее нагреве и охлаждении.

2. Что представляет собой мартенситная структура за­каленной стали?

3. Назовите основные виды термической обработки.

4. Дайте определение закаливаемости и прокаливаемости стали.

5. Перечислите основные дефекты термической обра­ботки.

6. Расскажите о термомеханической обработке стали. ?

7. В чем сущность химико-термической обработки стали?