Высококачественная термообработка
10 373 448 кг металла в год

Отжиг - это нагрев стали до температуры выше критической, выдержка при этой температуре и медленной охлаждение вместе с печью. На самом деле это общее определение, под которое попадают не все виды отжига. Режимы отжига зависят в первую очередь от конечных требований к стали или изделию, в первую очередь это требования по механическим или технологическим свойствам металла.
Виды отжига:

1. ОТЖИГ ПЕРВОГО РОДА (І-ГО РОДА)
   

Отжиг І рода – термическая операция, состоящая в нагреве металла в неустойчивом состоянии, полученном предшествующими обработками, для приведения металла в более устойчивое состояние. Этот вид отжига может включать в себя процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости и снятия остаточных напряжений. Особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы протекают независимо от того происходят ли фазовые превращения при термообработке или нет. Различают гомогенизационный (диффузионный), рекристаллизационный отжиг и отжиг, уменьшающий напряжения и снижающий твердость.

1. ГОМОГЕНИЗАЦИОННЫЙ (ДИФФУЗИОННЫЙ) ОТЖИГ

Гомогенизационный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной и внутрикристаллитной ликвации в слитках сталей. Ликвация повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкости, анизотропии свойств и таким дефектам, как шиферность (слоистый излом) и флокены. Устранение ликвации достигается за счет диффузионных процессов. Для обеспечения высокой скорости диффузии сталь нагревают до высоких (1000–1200 °С) температур в аустенитной области. При этих температурах делается длительная (10–20 час.) выдержка и медленное охлаждение с печью. Диффузионные процессы наиболее активно протекают в начале выдержки. Поэтому во избежание большого количества окалины, охлаждение с печью обычно проводят до температуры 800 — 820°С, а далее на воздухе. При гомогенизационном отжиге вырастает крупное аустенитное зерно. Избавиться от этого нежелательного явления можно последующей обработкой давлением или термической обработкой с полной перекристаллизацией сплава. Выравнивание состава стали при гомогенизационном отжиге положительно сказывается на механических свойствах, особенно пластичности.

1.2. РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЙ ОТЖИГ СТАЛИ

Рекристаллизационный отжиг, применяемый для сталей после холодной обработки давлением – это термическая обработка деформированного металла или сплава. Может применяться как окончательная, так и промежуточная операция между операциями холодного деформирования. Главным процессом этого вида отжига являются возврат и рекристаллизация соответственно. Возвратом называют все изменения в тонкой структуре, которые не сопровождаются изменениями микроструктуры деформированного металла (размер и форма зерен не изменяется). Возврат сталей происходит при относительно низких (300–400°С) температурах. При этом процессе наблюдается восстановление искажений кристаллической решетки.

1. ОТЖИГ ДЛЯ СНЯТИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

Отжиг для снятия напряжений – это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений. Такие напряжения возникают при обработке давлением или резанием, литье, сварке, шлифовании и других технологических процессах. Внутренние напряжения сохраняются в деталях после окончания технологического процесса и называются остаточными. Избавиться от нежелательных напряжений можно путем нагрева сталей от 150 до 650°С в зависимости от марки стали и способа предыдущей обработки.

II. ОТЖИГ ВТОРОГО РОДА (ΙΙ-ГО РОДА)

Отжиг ΙΙ рода основан на использовании фазовых превращений сплавов и состоит в нагреве выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого структурного состояния сплавов.

2.1. ПОЛНЫЙ ОТЖИГ

Полный отжиг производится для доэвтектоидных сталей. Для этого стальную деталь нагревают выше критической точки А3 на 30–50°С и после прогрева проводят медленное охлаждение. Как правило, детали охлаждают вместе с печью со скоростью 30–100°С/час. Структура доэвтектоидной стали после отжига состоит из избыточного феррита и перлита.

ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ ПОЛНОГО ОТЖИГА:

- устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячая деформация, сварка, термообработка), – крупнозернистости и видманштеттовой структуры;

- смягчение стали перед обработкой резанием – получение крупнозернистости для улучшения качества поверхности и большей ломкости стружки низкоуглеродистых сталей;

- уменьшение напряжений.

2.2. НЕПОЛНЫЙ ОТЖИГ

Неполный отжиг отличается от полного тем, что нагрев производится на 30–50 °С выше критической точки А1 (линия РSК на диаграмме «Железо – цементит»). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей проводят для улучшения обрабатываемости резанием. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали — вследствие перехода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Такой отжиг проводится при температуре 770 — 750°С с последующим охлаждением со скоростью 30 — 60°С/с до 600°С, далее на воздухе.

Неполный отжиг широко применяется для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. Нагрев этих сталей на 10 — 30°С выше Ас1 вызывает практически полную перекристаллизацию сплава и позволяет получить зернистую (сферическую) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией. В результате нагрева до температуры значительно выше А1 и растворения большей части цементита и более полной гомогенизации аустенита последующее выделение цементита ниже А1 происходит в пластинчатой форме. Если избыточный цементит находился в виде сетки, то перед этим отжигом нужно сделать нормализацию с нагревом выше Асm (желательно с охлаждением в направленном потоке воздуха).

Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий температурный интервал нагрева (750 — 760°С) для отжига на зернистый цементит, для заэвтектоидных сталей интервал рсширяется до 770 — 790°С. Легированные заэвтектоидные стали можно нагревать до более высоких температур 770 — 820°С. Охлаждение и сфероидизация цементита происходит медленно. Охлаждение должно обеспечить распад аустенита на феррито-карбидную структуру, сфероидизацию и коагуляцию образовавшихся карбидов до 620 — 680°С.

2.3. ОТЖИГ НА ЗЕРНИСТЫЙ ПЕРЛИТ (МАЯТНИКОВЫЙ ОТЖИГ)

Для получения зернистого перлита применяют отжиг с различными вариациями термоциклирования в надкритическом и межкритическом интервале температур, маятниковые виды отжига с различными выдержками и количеством циклов.

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость, временное сопротивление разрыву и соответственно более высокие значения характеристик пластичности. Например эвтектоидная сталь с пластинчатым перлитом имеет твердость 228НВ, а с зернистым 163НВ и соответственно временное сопротивление 820 и 630МПа, относительное удлинение 15 и 20%.

После отжига на зернистый перлит стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, при этом достигается более высокая чистота поверхности. В ряде случаев, отжиг на зернистый перлит является обязательной предварительной операцией. Например для избежания трещинообразования при высадке болтов и заклепок.

Нормализация (нормализационный отжиг) — вид термической обработки, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем охлаждении. Данный вид применяется преимущественно при термообработке стали. Также применяется при термообработке чугуна, сплавов меди и некоторых других сплавов.

При нормализации доэвтектоидные стали нагреваются до температуры на 50 °C выше критической точки завершения превращения избыточного феррита в аустенит A_C3, а заэвтектоидные до температуры на 50 °C выше точки завершения превращения избыточного цементита в аустенит A_cm. Нагревание ведется до полной перекристаллизации. Охлаждение производится на воздухе в цехе. В результате сталь приобретает мелкозернистую, однородную структуру. Твердость, прочность стали после нормализации выше на 10-15 %, чем после отжига.

Структура низкоуглеродистой стали после нормализации феррито-перлитная, такая же, как и после отжига, а у средне- и высокоуглеродистой стали — сорбитная. В некоторых случаях нормализация может заменить для низкоуглеродистой стали отжиг, а для высокоуглеродистой — улучшение (закалку с высоким отпуском). Часто нормализацию используют для подготовки стали к закалке. Нормализация обеспечивает большую производительность и лучшее качество поверхности при обработке резанием.


Нормализацию используют в различных целях. Путем осуществления данных работ как повышают, так и наоборот снижают твердость стали, ударную вязкость и прочность. Это определяется термической и механической историей материала. Данную технологию применяют с целью сокращения остаточных напряжений либо улучшения степени обрабатываемости материала различными методами.

Получаемые путем обработки давлением предметы нормализуют после ковки и прокатки для сокращения разнозернистости структуры и ее полосчатости соответственно.


Нормализация с отпуском служит в качестве замены закалки для предметов сложной формы либо с резкими перепадами по сечению (для сталей, закаливающихся при охлаждении на воздухе). Данный способ позволяет избежать дефектов.


Кроме того, нормализацию используют с целью измельчения крупнозернистой структуры, улучшения структуры перед закалкой, повышения обрабатываемости резанием, устранения сетки вторичного цемента в заэвтектоидной стали, подготовки к завершающей термической обработке стали после нормализации.

Закалка — вид термической обработки материалов (металлы, сплавы металлов, стекло), заключающийся в их нагреве выше критической точки (температуры изменения типа кристаллической решетки, то есть полиморфного превращения, либо температуры, при которой в матрице растворяются фазы, существующие при низкой температуре), с последующим быстрым охлаждением (со скоростью выше критической). Закалку металла для получения избытка вакансий не следует смешивать с обычной закалкой, для проведения которой необходимо, чтобы были возможные фазовые превращения в сплаве. Чаще всего охлаждение осуществляется в воде или масле, но существуют и другие способы охлаждения: в псевдокипящем слое твёрдого теплоносителя, струёй сжатого воздуха, водяным туманом, в жидкую полимерную закалочную среду и т. д. Материал, подвергшийся закалке, приобретает бо́льшую твёрдость, но становится хрупким, менее пластичным и менее вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение.

Объемная закалка

Закалкой – называется нагрев стали на 30 – 50 ºС выше температуры аустенизации (Ас₃) для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей, или выше температуры полного растворения перлита (Ас₁) для заэвтектоидных сталей, выдержке при данной температуре для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической.

Для углеродистых сталей критическая скорость охлаждения велика (400-1200 ºС/сек), поэтому охлаждение обычно проводят в воде или водных растворах. Для легированных сталей, аустенит которых более устойчив, критическая скорость охлаждения меньше, поэтому их охлаждают в масле и в других средах.

В большинстве случаев закалка металла не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить остаточные напряжения и хрупкость, вызванные закалкой, сталь после закалки подвергают отпуску. Достаточно часто при отпуске можно подкорректировать объемные изменения, вызванные закалкой, и стабилизировать размеры, что важно для прецизионных стальных деталей.

Охлаждающие среды для закалки стали

Охлаждение при закалке стали должно обеспечивать получение мартенсита в заданном сечении

детали, и не должно при этом вызывать дефекты: коробление, трещины, излишне высокие остаточные напряжения и т.п.

В качестве охлаждающих сред для закалки стали обычно используют следующие жидкости: воду, водные растворы солей и щелочей, керосин, закалочные минеральные масла, полимерные закалочные жидкости.

Основные виды объемной закалки

Непрерывная закалка

Непрерывной закалкой называют закалку в одном охладителе. Это самый распространенный вид закалки подходящий для большинства марок сталей и деталей относительно простой геометрии. Все остальные виды закалки, как правило, применяются для деталей сложной формы, деталей с переменными сечениями, а также для случаев, когда частично можно пожертвовать твердостью закаленной детали ради достижения максимальной конструктивной прочности и вязкости.

Прерывистая закалка

Прерывистой закалкой называют последовательную закалку в двух охлаждающих средах. Наиболее часто применяемый вид прерывистой закалки заключается в предварительном охлаждении в воде (или водных растворах) до температуры несколько выше М_н, а затем в быстром переносе в менее интенсивный охладитель (чаще всего в масло), в котором деталь остывает окончательно. Второй, также распространенный вид прерывистой закалки, это прерывистая закалка в масле с последующим охлаждением на воздухе в интервале (М_н – М_к).

Этот вид закалки часто применяется для высоколегированных высокопрочных сталей эксплуатируемых в сложнонапряженном состоянии. Основным достоинством прерывистой закалки является уменьшение внутренних напряжений и увеличение конструктивной прочности закаленной стали.

Ступенчатая закалка

При ступенчатой закалке сталь подвергают охлаждению, как только она нагревается до заданной температуры, и исключают дополнительную выдержку для завершения фазовых превращений. Такой вид закалки подходит только для нелегированных и некоторых низколегированных сталей, фазовые превращения в которых протекают с высокой скоростью. Для остальных классов сталей такая закалка не применима. Выигрыш, которого позволяет достичь ступенчатая закалка, заключается в уменьшении коробления и фазовых напряжений.

Закалка с индукционным нагревом током высокой частоты (закалка ТВЧ) – операция, при которой нагрев детали осуществляется с помощью индуктора. Переменный ток высокой частоты, протекая по индуктору, создает переменное магнитное поле. В результате в поверхностном слое детали возникают вихревые токи и выделяется тепло. Происходит быстрый нагрев поверхности до температуры закалки.

Охлаждение нагретой для закалки детали производится либо в баке (с водой, эмульсией или маслом), либо душевым устройством – спрейером. Глубина закаленного слоя, в зависимости от условий работы детали, – 1,5 – 4,0 мм. После закалки ТВЧ деталь подвергают низкому отпуску, или самоотпуску.

Поверхностную индукционную закалку применяют для углеродистых сталей (0,4 – 1 % углерода) и легированных сталей. После закалки ТВЧ твердость поверхности на две – три единицы HRC выше, чем после обычной закалки, а действительное зерно более мелкое (10-й – 12-й балл). Сопротивление усталостному разрушению повышается в 1,5 – 2 раза.

Индукционный нагрев позволяет сократить длительность термической обработки и повысить производительность труда, получить поверхность без окалины, уменьшить деформацию и коробление деталей при закалке.

Установка для закалки с нагревом ТВЧ состоит из генератора тока высокой частоты, конденсаторной батареи, трансформатора, индуктора, приспособления для охлаждения (спрейера) и оснастки для позиционирования и вращения детали. Основные параметры процесса: температура, скорость, глубина нагрева.

Закалка ТВЧ создает условия для полной механизации и автоматизации, обеспечивает термообработку в поточной линии без разрыва технологического процесса. Особенно эффективен этот метод для серийного и массового производства.

Отпуск - это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной стали до температур ниже точки Ас1, c целью получения равновесной структуры и заданного комплекса механических свойств.

Существует 3 вида отпуска закаленных сталей:

- низкий отпуск,
- средний отпуск,
- высокий отпуск.
Низкий отпуск сталей

Низкий отпуск стали проводят при температуре до 250°С. При этом процессе из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц (ε-карбидов). ε-карбиды выделяются в виде пластин или стержней и они когерентно связаны с решеткой мартенсита. Распад остаточного аустенита при низком отпуске происходит по механизму бейнитного превращения: образуется гетерогенная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. Продуктом низкого отпуска является мартенсит отпуска, который отличается от мартенсита закалки меньшей концентрацией углерода и наличием в нем карбидов (ε-карбидов), которые когерентно связаны с решеткой мартенсита.

При температуре около 250°С начинается превращение карбида в цементит; при этом когерентность решеток α-твердого раствора мартенсита и карбидов нарушается.

Низкому отпуску подвергают инструментальные железоуглеродистые материалы (режущий и мерительный инструмент), а также стали, которые подвергались цементации, нитроцементации. Часто низкий отпуск делают для сталей после термообработки токами высокой частоты.

Средний отпуск сталей

Средний отпуск проводится при температурах 350–450 °С. При этом из мартенсита выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональность (степень тетрагональности) решетки железа уменьшается, она становится кубической. В результате вместо мартенсита остается феррит. Такая феррито-цементитная смесь называется трооститом отпуска, а процесс, приводящий к таким изменениям, среднетемпературным отпуском. При среднем отпуске снижается плотность дислокаций и уменьшаются внутренние напряжения в стали.

Средний отпуск применяется при термообработке упругих деталей: рессор, пружин и др.

Высокий отпуск сталей

Высокий отпуск стали — это вид термообработки, который заключается в нагреве стали до температуры от 450 до 700 градусов и охлаждении на воздухе или ускоренно (для устранения отпускной хрупкости). Данный способ является самым эффективным, поскольку при таком нагреве происходит полигонизация и рекристаллизация материала, что позволяет устранить все напряжения внутри металла. Обычно длится от 2 до 3 часов. В случае обработки сложных конструкций рекомендованное время может увеличиваться до 6 часов.

Во время высокого отпуска (450-550°С и выше) в углеродистых сталях происходят изменения структуры, не связанные с фазовыми превращениями: изменяются форма, размер карбидов и структура феррита. С повышением температуры происходит коагуляция – укрупнение частиц цементита. Форма кристаллов постепенно становится сферической – этот процесс называется сфероидизацией.

Коагуляция и сфероидизация карбидов начинают происходить более интенсивно с температуры 400°С. Зерна феррита становятся крупными, и их форма приближается к равноосной. Феррито-карбидная смесь, которая образуется после отпуска при температуре 400–600 °С, называется сорбитом отпуска. При температуре, близкой к точке А1, образуется достаточно грубая феррито-цементитная смесь – перлит.

Высокий отпуск при температурах 450-700°С применяется для большинства конструкционных сталей. Его широко используют при термообработке различных втулок, опор, крепежных изделий, работающих на растяжение-сжатие и других изделий, которые испытывают статические нагрузки.

Отпуск сварных конструкций применяют для изменения структуры и свойств металла и снижения остаточных напряжений. Применение отпуска для снижения остаточных напряжений целесообразно, если предъявляются повышенные требования в отношении точности сварных конструкций, а также, когда необходимо повысить сопротивляемость хрупким разрушениям при низких температурах. В ряде случаев применение отпуска не оправдано.

Для снижения напряжений в сварных конструкциях применяют общий отпуск, когда изделие нагревают полностью и равномерно, и местный отпуск – нагревают лишь часть конструкции в зоне сварного соединения, и поэлементный отпуск – термической обработке подвергают узлы сварной конструкции, а затем сваривают их между собой. Более распространен общий высокий отпуск при 550–680° С.

Основное преимущество общего отпуска в том, что снижение напряжений происходит во всей сварной конструкции независимо от ее сложности. Степень снятия напряжений при высоких температурах отпуска достигает 80–90% от исходного уровня и более. Одновременно с напряжениями первого рода снижаются напряжения второго и третьего рода. Отпуск сварных конструкций но объему своего применения значительно превосходит все остальные методы снижения напряжений.

Отпуск заметно повышает стоимость изготовления сварных конструкций, поэтому режимы его должны быть наиболее экономичными. Операция отпуска состоит из четырех стадий: нагрева, выравнивания температур по длине и сечению детали, выдержки и охлаждения.

Продолжительность нагрева зависит от мощности печи и допустимой скорости подъема температуры. Для пластичных металлов, в которых практически исключено появление разрушений при нагреве, скорость его может достигать нескольких сотен градусов в 1 ч.

Продолжительность выравнивания температур зависит от размеров сечения деталей, продолжительность выдержки – как от необходимой степени полноты протекания структурных превращений, так и от необходимой степени снижения остаточных напряжений. При температуре отпуска 650–680° С пластичность низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей, утраченная в результате деформационного старения, восстанавливается через 2-3 ч. Снижение остаточных напряжений при температурах отпуска 550–680° С в основном происходит в процессе нагрева. В большинстве конструкционных сталей наблюдается линейная зависимость снижения одноосных напряжений в процессе нагрева.

Данная закономерность не соблюдается при напряжениях σ₀, близких к пределу текучести или малых значениях. Напряжения, равные пределу текучести, снижаются в большей степени, а близкие к нулю – в меньшей.

Степень снижения напряжений при нагреве не зависит от скорости нагрева (исследован диапазон от 120 до 300 град/ч), а полностью определяется маркой стали и достигнутой температурой.

В процессе выдержки напряжения снижаются медленно.

Добиваться значительного снижения напряжений путем увеличения продолжительности выдержки нецелесообразно. Больший эффект достигается при повышении температуры отпуска на несколько десятков градусов.

Снижение одноосных напряжений в процессе отпуска весьма близко к снижению напряжений при простой релаксации. Трехосные растягивающие напряжения снижаются в меньшей степени, чем одноосные и двухосные, но закономерность снижения остается примерно такой же, как и одноосных напряжений.


Точное определение величины трехосных и двухосных напряжений в процессе отпуска может быть выполнено расчетно-экспериментальным путем. Заводская практика выработала нормативы назначения продолжительности выдержки при отпуске, исходя из толщины металла, например 1 ч на 25-50 мм толщины. Такой подход приводит к неоправданно завышенной продолжительности периода выдержки и стоимости отпуска. Независимо от толщины металла достаточно после выравнивания температур по всему сечению дать выдержку около 3 ч, после чего начать охлаждение.

При местном отпуске необходимо добиваться более плавного изменения температур на участке перехода от не нагретой к нагретой части детали. Это создает меньшие остаточные напряжения после полного остывания. Местный отпуск сварных швов проводится с помощью гибких или жестких индукторов, или шинопроводов, подключаемых к специальным установкам. Местный отпуск проводится преимущественно в полевых условиях или в случаях, когда невозможно провести общий отпуск.


После поэлементного отпуска сварные узлы целесообразно соединять стыковыми швами при высоком качестве технологического процесса. При остывании в сварных соединениях из металлов с различными коэффициентами линейного расширения вновь образуются остаточные напряжения, величина которых зависит от разности температурной деформации. Поэлементный отпуск сварных швов проводится редко и в тех случаях, когда такой отпуск технически обоснован.

Правка — слесарная операция по обработке металлов давлением с целью устранения на заготовках и деталях вмятин, выпучин, волнистостей, искривлений, короблений и других дефектов. Это подготовительная операция, предшествующая дальнейшей технологической обработке заготовки.

Правка осуществляется при холодном либо горячем состоянии заготовки (при больших ее сечениях); она выполняется ручным или машинным способом.

Горячая правка производится при температуре 850... 1100 °С для стальных заготовок, 350...470 °С для заготовок из дюралюминия. Нагрев выше указанных температур приводит к перегреву, а затем и к пережогу заготовок. Правке подвергают только пластичные металлы и сплавы. Бронза и чугун правке не подлежат.

Как правило, правка выполняется на правильных столах с помощью правильных прессов и средств механизации.

Рихтовка — слесарная операция по правке закаленных деталей, а также деталей, изогнутых через ребро жесткости. Устранение дефектов при рихтовке происходит за счет растяжения (т.е. удлинения) той или иной части металла детали. Рихтовка обычно выполняется ударами носком молотка или специальным рихтовальным молотком по детали; при этом используют рихтовальные бабки. Рабочая часть поверхности рихтовальной бабки может быть цилиндрической или сферической формы с радиусом закругления 150...200 мм. Точность рихтовки достигает 0,05 мм.

Ручная правка выполняется на стальных или чугунных правильных плитах, имеющих ровную и чистую рабочую поверхность. Самые распространенные размеры плит — 400 х 400, 750 х 1000, 1000 х 1500 мм. Устанавливают плиты на металлические или деревянные подставки высотой 800...900 мм. Мелкие детали правят на наковальнях.

В качестве инструмента для ручной правки используют слесарный молоток с круглым полированным бойком (молоток с квадратным бойком оставляет на заготовке вмятины); молотки со вставными бойками из мягких металлов — меди, свинца, а также дерева; деревянные молотки (киянки); гладилки (деревянные или металлические бруски). Для правки закаленных деталей применяют рихтовальные молотки с радиусными бойками массой 400...500 г.

Молотки со вставными бойками из мягких металлов применяют при правке деталей с окончательно обработанной поверхностью и деталей или заготовок из цветных металлов и сплавов, а гладилки и киянки — для правки тонкого листового и полосового металла и сплавов.

Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.

Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.

В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура.

Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.

В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Например, 2NH₃ → 2N + 3H₂ или CH₄ → C + 2H₂
Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.
Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.
Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

• цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);
  
• азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);
  
• нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);
  

1. Цементация
   

Цементация –химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры900…950 ^oС.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита (h.=1…2мм).

Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более1,2 %).

Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.

На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).

Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.

1. Цементация в твердом карбюризаторе.
   

Почти готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Используется древесный уголь, каменноугольный полукокс, торфяной кокс с добавками углекислых солей ВаСО₃, Na₂CO₃ в количестве 10…40 %. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950 ^oС.

За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода по реакции:

Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.

Недостатками данного способа являются:

• значительные затраты времени (для цементации на глубину 0,1мм затрачивается1час);
  
• низкая производительность процесса;
  
• громоздкое оборудование;
  
• сложность автоматизации процесса.
  

Цементация в твердом карбюризаторе применяется в мелкосерийном производстве.

1. Газовая цементация.

Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором.

Атмосфера углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, которые образуют газ-носитель, а также окись углерода, метан и другие углеводороды, которые являются активными газами.

Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.

Преимущества способа:

• возможность получения заданной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);
  
• сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;
  
• возможность полной механизации и автоматизации процесса.
  

Газовая цементация применяется в серийном и массовом производстве.

Термическая обработка после цементации

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.

Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия.

Если сталь наследственно мелкозернистая или изделия неответственного назначения, то проводят однократную закалку с температуры 820…850^oС. При этом обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементованном слое, а также частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.

При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а затем проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку).

Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, применяют двойную закалку.

Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880…900^oС для исправления структуры сердцевины.

Вторая закалка проводится с температуры 760…780^oС для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.

Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150…180^oС. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, частично снимаются напряжения.

Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики и другие детали, к которым предъявляются требования по высокой твердости и износостойкости поверхности и достаточно вязкой сердцевине.

1. Азотирование

Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.

Впервые азотирование осуществил Чижевский И.П., промышленное применение – в двадцатые годы (1920-е).

При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.

При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH₃ c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции:

2NH₃>2N+3H₂.

Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.

Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.

Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.

Типовые азотируемые стали: 38Х2МЮА, 35Х2МЮА, 30ХТ2Н3Ю.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:

• для повышения поверхностной твердости и износостойкости;
  
• для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).
  

В первом случае процесс проводят при температуре 500…560^oС в течение 24…90 часов, так как скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет 10…12 %, толщина слоя (h) – 0,3…0,6мм. На поверхности получают твердость около 1000 HV. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.

Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение 5…60 мин при напряжении 1100…1400 В и давлении 0,1…0,2мм рт. ст., рабочее напряжение 400…1100 В, продолжительность процесса до24 часов.

Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700^o С, продолжительность процесса –10 часов. На поверхности образуется слой— фазы толщиной 0,01…0,03 мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии. (ε–фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe₃N, имеющий гексагональную решетку).

Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.

1. Цианирование и нитроцементация

Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом.

Осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например NaCNс добавками солей NаCl, BaCl и др. При окислении цианистого натрия образуется атомарный азот и окись углерода:

Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности.

Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62 HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.

Продолжительности процесса 0,5…2 часа.

Высокотемпературное цианирование – проводится при температуре 800…950^oС, сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до 0,6…1,2 % (жидкостная цементация). Содержание азота в цианированном слое 0,2…0,6 %, толщина слоя 0,15…2 мм. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe₂(C, N), а затем азотистый мартенсит.

По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.

Низкотемпературное цианирование – проводится при температуре 540…600^oС, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом.

Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.

Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.

Нитроцементация – газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементующего 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 проводится при температуре 830…950^oС, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском. Твердость достигает 56…62 HRC.

На ВАЗе 95 % деталей подвергаются нитроцементации.

Низкотемпературной нитроцементации подвергают инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (закалки и отпуска). Процесс проводят при температуре 530…570^oС, в течение 1,5…3 часов. Образуется поверхностный слой толщиной 0,02…0,004 мм с твердостью 900…1200 HV.

Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе и низкой стоимостью.