2015-02-04
1726
Основной задачей термообработки заготовок являются изменения структуры и свойствих материала, направленные, в подавляющем большинстве случаев, на получение более мелкого зерна. Термической обработке подвергают слитки, отливки, поковки, сварные соединения, заготовки, получаемые из проката, а также детали, изготовляемые из разнообразных металлов или сплавов. Основными видамитермической обработки заготовок из сталей являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Отжиг заготовок из сталей проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры. При отжиге полностью устраняются остаточные напряжения.
Отжиг проводят нагревом заготовок до температуры, превышающей Ас3 на 30 - 50 оС, и после сквозного нагрева заготовки охлаждают. Скорость охлаждения при отжиге выбирают в зависимости от степени легированности стали. Для углеродистых сталей скорость охлаждения составляет 100 - 200 оС/ч, для легированных сталей - 20-70 оС/ч.
Диаграмма состояния железоуглеродистых сталей.
Температура оС
1147оС
E
1100
 |
Ас3
G
 |
727оС
700 Р S
Ас1
600
 |
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,14
Содержание углерода, %
В результате отжига в фасонном литье устраняется грубозернистая структура, снижающая механические свойства заготовки. В катаных и кованых заготовках устраняются последствия различия условий деформирования и охлаждения их различных частей, структура материала приобретает однородность.
Нормализация отличается от отжига условиями охлаждения; после нагрева до температуры на 50 - 70 оС выше Ас3 заготовку из стали охлаждают на воздухе. Нормализация сообщает стали более высокую прочность, чем отжиг, из-за большей скорости охлаждения.
Легированные конструкционные стали после нормализации приобретают высокую твердость, затрудняющую в дальнейшем обработку резанием, и нуждаются в последующем отпуске.
Структура нормализованных сталей из-за большей скорости охлаждения отличается от структуры отожженных сталей и в значительной мере зависит от размеров заготовок и сеченийих отдельных частей.
Закалку заготовок из сталей ведут для получения структур наивысшей твердости. При последующем отпуске твердость может быть снижена, но повышена пластичность.
В зависимости от температуры нагрева закалку называют полной или неполной. При полной закалке заготовку нагревают выше критической температуры Ас3при неполной закалке температура нагрева находится в промежутке между Ас1 и Ас3. Выбор вида закалки зависит от исходной структуры стали и механических свойств, приобретаемых в результате закалки.
Охлаждение при закалке осуществляется погружением закаливаемой заготовки в воду или масло, имеющих температуру 20 - 25 °С. Значительные напряжения разного рода, обусловленные неравномерностью упругих и пластических деформаций при нагревании и охлаждении заготовки, изменениями объемов при фазовых превращениях и др., могут привести к возникновению закалочных трещин и короблению заготовок. Уменьшению остаточных напряжений в материалах заготовок в значительной мере могут способствовать закалка в двух средах и ступенчатая закалка.
Заготовки из легированных сталей, для которых температура конца мартенситного превращения значительно ниже 20 - 25 °С, подвергают обработке холодом сразу же после закалки. Температура охлаждения этих заготовок может находиться в диапазоне от - 40 до -196 °С.
При закалке невозможно добиться одинаковой скорости охлаждения поверхности и сердцевины заготовки, поэтому сталь способна закаляться лишь на определенную глубину. Эту способность называют прокаливаемостью, а степень прокаливаемости условились характеризовать глубиной материала, на которую распространяется не менее 50 % мартенсита. Прокаливаемость одной и тойже марки стали в зависимости от изменений химического состава, температуры нагрева, размера и формы детали колеблется в широких пределах и отражается на механических свойствах детали.
В ряде случаев целесообразно упрочнять только поверхностные слои заготовки. Тогда до закалочной температуры нагревают только этот слой и быстро охлаждают его, оставляя сердцевину незакаленной Нагрев осуществляют газопламенным способом, токами высокой частоты, низкотемпературной плазмой, лазером. Охлаждают водой следом за движущимся тепловым индуктором. Регулируя скорость движения индуктора, сообщаемую тепловую энергию и скорость охлаждения, изменяют глубину и свойства закаленного слоя.
Отпуск осуществляют при нагреве заготовки до температур, не превышающих уровень Ас1. Во время отпуска идут структурные изменения, обеспечивающие большую пластичность материала и снятие остаточных напряжений.
В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкий при 120 - 250 °С, средний при 350 - 450 оС и высокий при 500 - 680 °С. Каждому виду отпуска соответствует своя продолжительность выдержки. При низком отпуске продолжительность выдержки составляет 0,5-2 ч. хотя при нагреве до 100-120 оС выдержка может доходить и до 10-15 ч. Такой режим отпуска применяют, когда нежелательно падение твердости, достигнутой в результате закалки. Продолжительность среднего и высокого отпуска обычно составляет от 1 до 2 ч для деталей небольшой массы и от 3 до 8 ч для деталей массой от 200 до 1000 кг.
Так как структура отпускаемой стали формируется в период выдержки при температуре отпуска, то скорость охлаждения не влияет на структурное состояние стали. Обычно охлаждают заготовки на воздухе.
Комплексную термическую обработку заготовок из конструкционных сталей, состоящую из полной закалки и высокого отпуска, называют улучшением.
Получение требуемых свойств материала заготовки, подвергаемой термообработке, зависит от химического состава стали, степени се однородности и чистоты, наличия остаточных напряжений, формыиразмеров заготовки. В неменьшей мере свойства материала зависят от правильного выбора соблюдения режимов термообработки: скорости и температуры нагрева заготовки, длительности выдержки, скорости охлаждения, охлаждающей среды. Всякое несоответствие режимов термообработки исходным свойствам материала заготовки может привести к возникновению различных дефектов.
Дефекты материала заготовок, возникающие при термообработке
| Дефект Перегрев Пережог Высокая твердость отожженной стали Окисление Коробление Недостаточная твердость после закалки Мягкие пятна Повышенная твердость после отпуска Пониженная твердость после отпуска Обезуглероживание Закалочные трещины Деформирование при закалке Эрозия Разъедание | Характеристика Крупнозернистость, пониженные пластичность и особенно ударная вязкость Наличие по границам зерен участков, обогащенных углеродом, неокисленных пустот и пузырей, включений окислов железа. Низкие пластические свойства Дефект структуры из-за повышенной скорости охлаждения при отжиге или низкой температуры выдержки Значительный слой окалины на поверхности заготовки Деформация заготовки после закалки Дефект структуры из-за пониженной температуры нагрева, недостаточной выдержки или малой скорости охлаждения Наличие на поверхностях закаленной заготовки участков с пониженной твердостью Дефект структуры из-за пониженной температуры нагрева или недостаточной выдержки Дефект структуры из-за отпуска при температуре выше нормальной Выгорание углерода в поверхностных слоях. Пониженная твердость после закалки. Пониженный предел выносливости Неисправимый дефект заготовки Изменение объема (размеров) заготовки после закалки Уменьшение размеров заготовки или искажение профиля вследствие окисления и уноса металла с поверхности Точечное или ручьеобразное поражение поверхности заготовки |
Химико-термическую обработку применяют для поверхностного упрочнения и противодействия влиянию на поверхность внешних агрессивных сред. Наибольшее распространение в машиностроении получили процессы цементации, цианирования и азотирования. Значительно реже применяют алитирование, сульфидирование, хромирование, цинкование, борирование и др.
Цементация представляет собой процесс обогащения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали углеродом. Последующая термообработка сообщает поверхностному слою высокую твердость и вязкость сердцевине и повышает износостойкость и усталостную прочность детали.
Цементацию ведут на глубину 0.5-2,2мм, реже на меньшую глубину. Однако при изготовлении крупных деталей глубина цементированного слоя может доходить до 6мм. Твердость поверхностного слоя после закалки составляет HRC 64-66. Цементацию осуществляют в твердом или газовом карбюризаторе при температуре 920—1050 °С. Длительность насыщения поверхностного слоя углеродом зависит от заданной глубины цементации и марки материала. Длительность выдержки может составлять от 2 до 24 ч.
В связи с длительной выдержкой заготовок при температуре науглероживания структура материала получается крупнозернистой. Для обеспечения не только высокой твердости поверхности, но и высокой прочности и ударной вязкости материала необходимо получить мелкое зерно как на поверхности, так и в сердцевине заготовки. Для этого заготовки после цементации подвергают двойной закалке и низкому отпуску, уменьшающему остаточные напряжения и сохраняющему твердость стали.
Обычно цементации подвергают не все, а лишь отдельные поверхности заготовки, которым должна быть придана высокая твердость, поэтому нецементируемые поверхности должны быть изолированы. Существуют различные способы защиты нецементируемых поверхностей. Ких числу относят гальваническое омеднение, применение специальных обмазок, забивку отверстий медными пробками и надевание на наружные поверхности колпачков. Защитой от цементации может служить припуск, удаляемый с заготовки после цементации до закалки. В этом случае технологический процесс изготовления детали строят с таким расчетом, чтобы на первых его стадиях обработать поверхности заготовки, подлежащие цементации, с припуском под обработку после закалки. Остальные поверхности заготовки либо не обрабатывают, либо обрабатывают с припуском, в 1,5 - 2 раза превышающим заданную глубину цементованного слоя. После цементации защитные и цементованные слои с этих поверхностей удаляют, и заготовку направляют на закалку, в результате которой высокую твердость приобретут только цементозанные поверхности.
Цианирование обеспечивает повышение поверхностной твердости, износостойкости и усталостной прочности. Процесс насыщения поверхностного слоя материала углеродом ведут при температуре 820 - 950 °С в жидких, газовых средах или твердых упаковках с применением цианистых соединений в качестве карбюризаторов.
Микроструктура цианированной стали в закаленном и отожженном состоянии аналогична микроструктуре цементованной стали. Отличие в содержании в поверхностном слое азота, придающего цианированной стали большую износостойкость.
Азотирование применяют для повышения поверхностной твердости, износостойкости и предела выносливости деталей машин, изготовляемых из легированных сталей и чугуна. До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску, проводят чистовую обработку заготовки, а после азотирования — отделочную обработку (тонкое шлифование, притирку, доводку и т.п.).
Диффузионное насыщение поверхностей заготовки азотом ведут при температуре 500—600 оС в муфелях или контейнерах, через которые пропускают аммиак. Так как азотированию обычно подвергают лишь отдельные поверхности изготовляемой детали, то ее другие поверхности требуют защиты. Наиболее распространенным средством защиты является гальваническое лужение.
Азотирование — это более длительный процесс, чем цементация, требующий 50—60 ч выдержки. Толщина азотированного слоя обычно не превышает 0,5мм. В связи сэтим азотирование используют реже, чем цементацию, хотя оно и обеспечивает более высокую твердость и износостойкость поверхностей деталей.
В ряде случаев диффузионное насыщение стали одновременно углеродом и азотом дает определенные преимущества. Азот, способствуя диффузии углерода, дает возможность понизить температуру насыщения углеродом до 850 оС и получить то же науглероживание. что и при цементации. Такой процесс называют нитроцементацией. Нитроцементируемый слой хорошо сопротивляется изнашиванию и коррозии.
