1 Понятие о термической обработке.
2 Изменение структуры металлов при нагревании и охлаждении.
3 Виды термической обработки.
4 Поверхностная закалка стали.
5 Химико-термическая обработка стали.
1. Термическая обработка металлов является совокупностью операций их нагрева и охлаждения, которые проводятся по определенным режимам, с целью придания им такой структуры, которая бы обеспечивала получение необходимых служебных и технологических свойств.
Таким образом, за счет термической обработки можно не меняя химический состав стали изменять ее свойства в очень широком диапазоне. Например, отожженная сталь 40 имеет твердость 150 кгс/мм2 НВ, а закаленная - 600 и т.д.
2. Если нагреть сталь до температуры более 727°С, то входящий в ее структуру перлит превращается в аустенит. При дальнейшем повышении температуры в доэвтектоидных сталях (содержащих менее 0,8% углерода) в аустените будет растворяться феррит, который сохранился при 727°С, а в заэвтектоидных (содержащих более 0,8% углерода) в нем будет растворяться цементит. Растворение закончится при температурах около Т2 =750-1100°С и сталь примет аустенитную структуру.
Для ускорения диффузных процессов, вырабатывающих содержание углерода в зернах аустенита, сталь обычно нагревают до температуры выше Т2 на 30-50°С и делают при ней выдержку, достаточную для выравнивания состава во всех зернах. Нагрев до более высоких температур нежелательный из-за роста аустенитных зерен, что приводит к ухудшению прочностных свойств стали. Нагрев стальных деталей для термообработки проводится в специально сконструированных термических печах, которые имеют камеру для загрузки деталей.
Охлаждение деталей при термообработке проводится в газообразных или жидких охлаждающих средах, выбранных так, чтобы получить необходимую скорость охлаждения аустенита, необходимую для превращения его в желательную структуру.
Самое медленное охлаждение получается в печи с закрытой дверцей при включенном отоплении. При открытой дверце охлаждение ускоряется. Еще быстрее идет охлаждение при выдаче детали на воздух. Для умеренного ускоренного охлаждения применяется машинное масло, а для быстрого – вода. Причем, чем холоднее вода, тем более быстрое охлаждение. Растворение в воде солей или щелочей повышает ее охлаждающую способность.
От скорости охлаждения аустенита, т.е. от выбора охлаждающей среды, зависят строение и характер получившихся при его распаде продуктов. При ускоренном охлаждении твердость и хрупкость увеличиваются, а пластичность и вязкость уменьшаются, другими словами, изменяя скорость охлаждения аустенита можно получать продукты с различными свойствами - от самых мягких и пластичных до наиболее твердых и хрупких.
3. Для получения различных свойств металлов в промышленности часто и широко используют такие виды термической обработки: отжиг, нормализацию и закалку.
Отжиг служит, главным образом, для снижения твердости стальных заготовок перед механической обработкой. Для его проведения заготовки из стали нагревают до аустенитного состояния, делают выдержку для выравнивания состава аустенита и медленно охлаждают, выключив источник теплоснабжения печи с закрытой дверцей, а иногда с открытой дверцей.
Нормализацией может быть достигнут ряд целей: измельчение зерна стали, которое выросло по какой-то причине, разрушение затрудняющей механическую обработку цементитной сетки вокруг зерен, а так же перекристаллизацию грубой и хрупкой структуры литой стали в мелкозернистую, равноосную.
Для заготовок из мягкой низкоуглеродистой стали нормализация проводится с целью экономии времени вместо отжига, а для деталей неответственного назначения из любой стали заменяет закалку. При нормализации сталь нагревают до температуры 900-1200°С, а потом делают выдержку и охлаждают на спокойном воздухе. При таком охлаждении низкоуглеродистая сталь получается более тонкая по строению, чем при отжиге. Средне и особенно высокоуглеродистые стали при этом оказываются прочнее, чем при отжиге, и легче обрабатываются режущим инструментом.
Закалка является первой операцией окончательной обработки изделий. Под окончательной понимают такую обработку, которая придает стали ту структуру и свойства, которые необходимы изделию для выполнения своих эксплуатационных функций. При закалке, а потом соответствующему виду отпуска можно получить у стали наилучший комплекс механических свойств, т.е. наиболее благоприятное сочетание твердости, прочности, вязкости и пластичности, необходимое для надежной и долговечной работы изделия.
Для закалки сталь нагревают до температуры 800-950°С, выдерживают для выравнивания аустенита по углероду и другим растворенным в нем элементах, а потом охлаждают со скоростью не менее критической. Для углеродистых сталей закалочной средой является вода. Закалка с меньше скоростью дает более мягкие структуры, обеспечивающие более низкие комплексы механических свойств.
Отпуск стали является заключительной операцией термообработки, выполняемой после закалки. Ее целью является трансформирование полученного в результате закалки мартенсита в структуры, обладающую оптимальным комплексом вязкостно-прочностных свойств, которые обеспечивают надежную и долговечную работу изделия в заданных условиях эксплуатации.
В закаленной стали при отпуске, благодаря развитию диффузных процессов, постепенно устраняются искажения кристаллических решеток, «рассасываются» дислокации, вследствие чего устраняется хрупкость, снижается прочность, повышается пластичность и вязкость.
Существуют три вида отпуска:
n низкий отпуск - при Т =150-180°С (220-250°С). Эта структура имеет высокую прочность (режущие и другие виды инструментов);
n средний отпуск - при Т =350-450°С. Структура владеет высокими упругими свойствами, достаточной долговечностью работы и вязкостью (пружины);
n высокий отпуск - при Т =500-650°С. Структура имеет максимальную вязкость, пластичность и вполне удовлетворительный предел текучести (изделия, испытывающие значительные ударные, циклические и знакопеременные нагрузки).
4. В некоторых случаях от материала изделия одновременно нужна высокая стойкость против срабатывания (сопротивление стиранию), твердость и высокая вязкость (стойкость против разрушения при продолжительных ударных нагрузках). Это зубья шестерен, кулачки распределительных валов автотракторных двигателей и другие подвергающиеся трению с ударами элементам деталей машин. В подобных случаях вся деталь изготовляется из такого материала, который владеет достаточно высокой пластичностью и вязкостью, а потом тем местам, от которых нужна высокая твердость и износостойкость, дается дополнительная поверхностная упрочняющая обработка.
Для указанной цели наиболее часто применяют поверхностная закалка и химико-термическая обработка.
При поверхностной закалке деталь изготовляется из середнеуглеродистой стали. Вначале для придания окончательных свойств сердцевине всю деталь нормалируют или улучшают, а потом упрочняемому месту дают поверхностную закалку на глубину до 2 м. Нагрев под закалку проводится чаще за все индуктором, который имеет форму контура упрочняемой поверхности и питающимся током высокой частоты. За очень короткое время обрабатываемая поверхность прогревается до аустенитного состояния на требуемую глубину, после чего охлаждается струями воды. После поверхностной закалки деталь проходит низкий отпуска.
Таким образом, твердая поверхность хорошо противостоит износу, а сохранившаяся вязкой сердцевина изделия хорошо воспринимает и поглощает ударные нагрузки.
5. Химико-термическая обработка имеет целью диффузным способом насытить поверхность детали каким-нибудь элементом-упрочнителем и, таким образом, обеспечить получение высокой твердости и износостойкости. Для этой цели применяются:
- цементация - насыщение упрочняемой поверхности детали углеродом на глубину до 2 мм с целью получения при последующей закалке с низким отпуском высокой твердости и износостойкости. Чтобы сердцевина детали оказалась вязкой и ударостойкой, деталь изготовляется из низкоуглеродистой, как правило, легированной стали 18ХГТ, 20Х и т.д. Хорощие результаты дает газовая цементация оксидом углерода СО или метаном СН4 в специальной герметичной камере при температуре 900 - 950°С. Цементации подвергают такие детали, которые работают одновременно на стирание и на удар.
- азотирование - поверхностное упрочнение стали, которое проводится путем насыщения ее азотом. Наиболее твердыми и термостойкими нитридами, которые образовываются при азотировании и обеспечивают упрочняемому слою высокую твердость и износостойкость не только при комнатной, но и при повышенной температуре, являются нитриды хрома алюминия и молибдена (Cr, Al, Mo). Поэтому детали, которые подвергаются азотированию, должны изготовляться из середнеуглеродистой стали, содержащей упомянутые легирующие элементы, например из стали 35ХМЮА. В отличие от цементации азотированию подвергают детали, которые при эксплуатации испытывают трение и нагреваются (например, гильзы цилиндров некоторых двигателей внутреннего сгорания).
- цианирование является одновременным насыщением упрочняемой поверхности углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли. Тем не менее вследствие опасности обращения с цианистой средой на заводах более широкое применение нашла нитроцементация- поверхностное упрочнение стальных деталей в газовой среде, которая состоит из смеси около 92% цементирующего газа (эндогаз + природный газ) и до 8% аммиака. Процесс идет в специальной камере при температуре около 870°С.
Список литературы:
1. Журавлева Л.В. Электроматериаловедение. –М.: Издательский центр «Академия», 2004 год. – 312 с.
2. Конструкционные и электротехнические материалы. Под редакцией В.А. Филикова. –М.: Высшая школа, 1990. –296 с.
3. В.М. Никифоров. Технология металлов и конструкционные материалы. –М.: Высшая школа, 1980. – 360 с.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
1 С какой целью проводят термообработку сталей и сплавов?
2 Чем отличается термическая обработка от химико-термической?
3 Из каких операций состоит термообработка?
| Термообработка | = | + | + |