2015-09-06
1105
1. Поняття про термічну обробку.
2. Зміна структури металів при нагріванні і охолоджуванні.
3. Види термічної обробки.
4. Поверхневий гарт сталі.
5. Хіміко-термічна обробка сталі.
1. Термічна обробка металів є сукупністю операцій їх нагрівання і охолоджування, що проводяться за певними режимами, з метою додання їм такої структури, яка б забезпечила отримання необхідних службових і технологічних властивостей.
Таким чином, за рахунок термічної обробки можна не міняючи хімічний склад сталі змінювати її властивості в дуже широкому діапазоні. Наприклад, відпалена сталь 40 має твердість 150 кгс/мм2 НВ, а загартована - 600 і т.д.
2. Якщо нагрівати сталь до температури більш 727°С, то перліт, що входить в її структуру, перетворюється на аустеніт. При подальшому підвищенні температури у доевтектоїдних сталей (що містять менше 0,8% вуглецю) в аустеніті розчинятиметься ферит, що зберігся при 727°С, а у заевтектоїдних (що містять більше 0,8% вуглецю) в ньому розчинятиметься цементит. Розчинення закінчиться при температурах Т2=750-1100°С і сталь прийме аустенітну структуру.
Для прискорення дифузійних процесів, виробляючих вміст вуглецю в зернах аустеніту, сталь звичайно нагрівають до температури вище Т2 на 30-50°С і роблять при ній витримку, достатню для вирівнювання складу у всіх зернах. Нагрів до більш високих температур небажаний через зростання аустенітних зерен, що ведуть до погіршення міцнисних властивостей сталі. Нагрів сталевих деталей для термообробки проводиться в спеціальних сконструйованих термічних печах, що мають камеру для завантаження деталей.
Охолоджування деталей при термообробці проводиться в газоподібних або рідких охолоджуючих середовищах, вибираних так, щоб отримати необхідну швидкість охолоджування аустеніту, необхідну для перетворення його в бажану структуру.
Найповільніше охолоджування виходить в печі із закритими дверцями при включеному опалюванні. При відкритих дверцях охолоджування швидшає. Ще швидше йде охолоджування при видачі деталі на повітря. Для помірного прискореного охолоджування застосовується машинне масло, а для швидкого вода, причому, чим холодніше вода, тим швидше охолоджування. Розчинення у воді солей або лугів підвищує її охолоджуючу здатність.
Від швидкості охолоджування аустеніту, тобто від вибору охолоджуючого середовища, залежать будова і характер продуктів, що виходять при його розпаді. При прискореному охолоджуванні твердість і крихкість збільшуються, а пластичність і в'язкість зменшуються, іншими словами, змінюючи швидкість охолоджування аустеніту можна одержувати продукти з різними властивостями - від найм'якших і пластичних до найтвердіших і крихких.
3. Для отримання різних властивостей металів у промисловості часто і широко використовують такі види термічної обробки: відпал, нормалізацію і гарт.
Відпал служить головним чином для зниження твердості сталевих заготовок перед механічною обробкою. Для його проведення заготовки із сталі нагрівають до аустенітного стану, роблять витримку для вирівнювання складу аустеніту і поволі охолоджують, вимкнувши джерело теплопостачання печі із закритими дверцями, а іноді з відкритими дверцями.
Нормалізацією може бути досягнутий ряд цілей: подрібнення зерна сталі, що виросло із якоїсь причини, руйнування утрудняючої механічну обробку цементітної сітки навколо зерен, а так само перекристалізацію грубої і крихкої структури литої сталі в дрібнозернисту, рівноосну.
Для заготовок з м'якої низьковуглецевої сталі нормалізація проводиться з метою економії часу замість відпалу, а для деталей невідповідального призначення з будь-якої сталі замінює гарт. При нормалізації сталь нагрівають до Т=900-1200°С, а потім роблять витримку і охолоджують на спокійному повітрі. При такому охолоджуванні низьковуглецева сталь виходить більш тонка за будовою, ніж при відпалі. Середньо і особливо високовуглецеві сталі при цьому виявляються міцніше, ніж при відпалі, і легше обробляються різальним інструментом.
Гарт є першою операцією остаточної обробки виробів. Під остаточною розуміють таку обробку, яка додає сталі ту структуру і властивості, які необхідні виробу для виконання своїх експлуатаційних функцій. При гарті, а потім відповідному виду відпуски можна отримати у сталі якнайкращий комплекс механічних властивостей, тобто найсприятливіше поєднання твердості, міцності, в'язкості і пластичності, необхідне для надійної і довговічної роботи виробу.
Для гарту сталь нагрівають до Т=800-950°С, витримують для вирівнювання аустеніту по вуглецю і розчиненими в ньому іншими елементами, а потім охолоджують з мінімальною швидкістю. Це дає більш м'які структури, забезпечуючі більш низькі комплекси механічних властивостей.
Відпуск сталі є заключною операцією термообробки, виконуваною після гарту. Її метою є трансформація отриманої в результаті структури, володіючої оптимальним комплексом в¢язкісно-міцнісних властивостей, що забезпечують надійну і довговічну роботу виробу в заданих умовах експлуатації.
У загартованій сталі при відпустці, завдяки розвитку дифузійних процесів, поступово усуваються викривлення кристалічних граток, «розсмоктуються» дислокації, унаслідок чого усувається крихкість, знижується міцність, підвищується пластичність і в'язкість.
Існують три види відпуски:
n низька відпуска - при Т=150-180°С (220-250°С). Ця структура має високу міцність (різальні та інші види інструментів);
n середня відпуска - при Т=350-450°С. Вона володіє високими пружними властивостями, достатньою довговічністю роботи і в'язкістю (пружини);
n висока відпустка - при Т=500-650°С. Вона має максимальну в'язкість, пластичність і цілком задовільну межу текучості (вироби, що витримують значні ударні, циклічні і знакозмінні навантаження).
4. У деяких випадках від матеріалу виробу одночасно потрібна висока стійкість проти спрацювання (опір стиранню), твердість і висока в'язкість (стійкість проти руйнування при тривалих ударних навантаженнях). Це зуби шестерень, кулачки розподільних валів тракторних двигунів і т.і. У подібних випадках вся деталь виготовляється з такого матеріалу, який володіє достатньо високою пластичністю і в'язкістю, а потім тим місцям, від яких потрібна висока твердість і стійкість проти спрацювання, дається додаткова поверхнева зміцнююча обробка. Для вказаної мети найбільш часто застосовують поверхневий гарт і хіміко-термічну обробку.
При поверхневому гартуванні деталь виготовляється з середньовуглецевої сталі. Спочатку для додання остаточних властивостей серцевині всю деталь нормалізують або покращують, а потім зміцненому місцю дають поверхневий гарт на глибину до 2 мм. Нагрів під гартування проводиться частіше за все індуктором, що має форму контура зміцнюваної поверхні і струмом високої частоти. За дуже короткий час оброблювана поверхня прогрівається на необхідну глибину, після чого охолоджується струменями води. Після поверхневого гартування деталь проходить низьку відпуску. Таким чином, тверда поверхня добре протистоїть зносу, а серцевина, що збереглася в'язкою, добре сприймає і поглинає ударні навантаження.
5. Хіміко-термічна обробка має на меті дифузійним способом насичити поверхню деталі яким-небудь елементом - зміцнювачем і, таким чином, забезпечити отримання високої твердості, стійкості проти спрацювання. Для цієї мети застосовуються:
- цементація - насичення зміцнюваної поверхні вуглецем на глибину до 2 мм з метою отримання при наступному гарті з низькою відпускою високої твердості і стійкості проти спрацювання. Щоб серцевина деталі виявилася в'язкою і ударостійкою, деталь виготовляється, як правило, з низьковуглецевої легованої сталі 18ХГТ, 20Х і т.д. Добрі результати дає газова цементація оксидом вуглецю С або метаном СН у спеціальній герметичній камері при температурі 900 - 950°С. Цементації піддають такі деталі, які працюють одночасно на стирання і на удар.
- азотування - поверхневе зміцнення сталі проводиться шляхом насичення її азотом. Найтвердішими і термостійкими нітридами, що утворюються при азотуванні і забезпечуючими зміцнюваному шару високу твердість і стійкість проти спрацювання не тільки при кімнатній, але і при підвищеній температурі, є нітриди хрому алюмінію і молібдену (CrN, AlN, MoN). Тому деталі, що піддаються азотизації, повинні виготовлятися з середньовуглецевої сталі, що містить згадані легуючі елементи, наприклад із сталі 35ХМЮА. Оскільки азотування проводиться при температурі 500-600°С в газовому середовищі аміаку і вказана температура відповідає температурі високої відпуски, то за існуючою технологією перед азотизацією деталь покращують, одержуючи у її матеріалі міцну і в'язку структуру сорбіту. В результаті складається вдале поєднання дуже твердих, стійких проти спрацювання і термостійких нітридів поверхневого шару і в'язкої серцевини сорбіту. На відміну від цементації азотуванню піддають деталі, які при експлуатації випробовують тертя і нагріваються (наприклад, гільзи циліндрів деяких двигунів внутрішнього згорання).
- ціанування є одночасним насиченням зміцнюваної поверхні вуглецем і азотом у розплавленій ціаністій солі. Проте внаслідок небезпеки поводження з ціанистим середовищем на заводах більш широке застосування знайшла нітроцементація- поверхневе зміцнення сталевих деталей у газовому середовищі, що складається з суміші близько 92% цементуючого газу (ендогаз + природний газ) і до 8% аміаку. Процес йде в спеціальній камері при температурі біля 870°С.
