Термомеханическая обработка (ТМО)

Относится к числу наиболее эффективных способов повышения сопротивления высокопрочных сталей хрупкому разрушению. ТМО состоит в пластическом деформировании аустенита с последующим быстрым охлаждением и низким отпуском.

Пластическая деформация приводит к дроблению зерен аустенита и образованию блочной структуры с высокой плотностью. Быстрое охлаждение позволяет сохранить мелкоблочную аустенитную структуру до начала мартенситного превращения.

Химико-термическая обработка (ХТО)

ХТО – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя изделия. Проводят с целью повышения твердости, износостойкости, защиты от электрохимической и газовой коррозии. ХТО – основной способ поверхностного упрочнения деталей.

Цементация – вид ХТО, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950℃. Концентрация углерода на поверхности доводится до 0,8…1,0%. После цементации изделие подвергается закалке и низкому отпуску. Используют среды (карбюризатор), легко отдающие углерод – природный газ, керосин, бензол, древесный уголь с добавками карбоната бария/кальция.

Азотирование – ХТО, при которой поверхностные слои насыщаются азотом. При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но и коррозионная стойкость. Изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак. Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан, т.к. нитриды этих элементов обладают высокой твердостью и термической устойчивостью. Температура 500…700℃.

Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом. Осуществляется в ваннах с расправленными цианистыми солями, например, NaCN с добавками солей NaCl, BaCl и др. Цианированный слой обладает высокой твердостью и хорошо сопротивляется износу. Недостатком является токсичность цианистых солей. Высокотемпературное цианирование - 800…950℃, низкотемпературное - 540…600℃.

Нитроцементация – газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементирующего газа и диссоциированного аммиака. Состав газа и температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки. Высокотемпературная нитроцементация - 830…950℃, низкотемпературная - 530…570℃.

Диффузионная металлизация – ХТО, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами – алюминием, хромом, кремнием, бором и т.д. Проводят в твердых, жидких и газообразных средах.

Процесс дорогостоящий, высокотемпературный (1000…1200℃) и длительный, т.к. диффузия металлов протекает очень медленно в силу образования растворов замещения.

Одно из основных свойств металлизированных поверхностей – жаростойкость, поэтому детали для рабочих температур 1000…1200℃ изготавливают из углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.

Классификация сталей

По прочностным свойствам:

- Обычной прочности (s_y<29 кН/см²);

- Повышенной прочности (s_y=29…40 кН/см²);

- Высокой прочности (s_y>40 кН/см²).

По химическому составу:

- Углеродистые;

- Легированные.

По содержанию углерода:

- низкоуглеродистые – не более 0,25% С;

- среднеуглеродистые – 0,25…0,6% С;

- высокоуглеродистые – свыше 0,6% С.

Для строительных металлических конструкций применяют только малоуглеродистые стали (С<0,22%).

В зависимости от состава легированные стали подразделятся на:

- никелевые;

- хромистые;

- хромоникелевые и т.п.

По общему количеству легирующих элементов стали подразделяют на:

- низколегированные – до 5% легирующих элементов;

- среднелегированные – 5…10% легирующих элементов;

- высоколегированные – более 10%.

По структуре в равновесном состоянии:

- доэвтектоидные (феррит + перлит);

- эвтектоидные (перлит);

- заэвтектоидные (пердит + цементит).

По структуре после охлаждения на воздухе:

- перлитные;

- мартенситные;

- аустенитные.

По качеству (в зависимости от содержания вредных примесей – кислорода, водорода, азота, серы, фосфора):

- обыкновенного качества – до 0,06% S и до 0,07% P;

- качественные – до 0,04% S и до 0,035% P;

- высококачественные – до 0,025% S и до 0,025% P;

- особовысококачественные – до 0,015% S и до 0,025% P.

По назначению:

- конструкционные;

- инструментальные;

- стали и сплавы с особыми свойствами – нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие и т.д.

В зависимости от вида поставки:

- Горячекатаные;

- Термообработанные.

В зависимости от степени раскисления:

- Кипящие (кп) - кипят при разливке вследствие загрязненности газами. Кипящие стали имеют высокие показатели по пределу текучести и прочности, хуже сопротивляются хрупкому разрушению и старению.

- Спокойные (сп) - не кипят при разливке. Раскислены добавками кремния (0,12…0,3 %) или алюминия (до 0,1%). Спокойные стали более однородны, лучше сопротивляются динамическим воздействиям и хрупкому разрушению, лучше свариваются. Применяются для изготовления ответственных конструкций, подвергающихся динамическим нагрузкам. На 12% дороже кипящих. 

- Полуспокойные (пс) - являются промежуточными по качеству. Раскисляется кремнием в количестве 0,05…0,15% (редко – алюминием).

Стали обычной прочности – низкоуглеродистые стали различной степени раскисления, поставляемые в горячекатаном состоянии (С235–С285). Особенности свойств:

- Относительно небольшая прочность;

- Высокая пластичность: протяженность площадки текучести 2,5% и более, соотношение s_y/s_u=0,6…0,7.

- Хорошая свариваемость обеспечивается низким содержанием углерода (не более 0,22%) и кремния.

- Обладают средней коррозионной стойкостью.

- Склонность к хрупкому разрушению при низкой температуре.

- Невысокая стоимость.

- Хорошие технологические свойства.

- Потребление таких сталей составляет свыше 50% общего объема.

Стали повышенной прочности – стали С345–С390 получают либо введением легирующих добавок, в основном, марганца и кремния, реже – никеля и хрома, либо термоупрочнением низкоуглеродистой стали (С345Т). Особенности свойств:

- Пластичность снижена, протяженность площадки текучести уменьшена до 1–1,5%;

- Стали повышенной прочности несколько хуже свариваются;

- По коррозионной стойкости эти стали близки к низкоуглеродистым;

- Вследствие мелкозернистой структуры характеризуются более высоким сопротивлением хрупкому разрушению;

- Высокое значение ударной вязкости сохраняется и при температуре до –40°С и ниже;

- За счет более высоких прочностных свойств экономия металла составляет до 20–25%.

Стали высокой прочности – получают путем легирования и термической обработки (С440–С590). Особенности свойств:

- Могут не иметь площадки текучести, а относительное удлинение составляет 14% и ниже;

- Характеризуются большим сопротивлением хрупкому разрушению;

- Высокая ударная вязкость при температуре до –70°С;

- Низкая технологичность;

- Проблемы со сваркой. Разупрочнение шва может составлять 5–30%;

- Применение стали высокой прочности приводит к экономии металла до 25–30% и особенно целесообразно в большепролетных и тяжело нагруженных конструкциях.

Нормирование сталей