ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Термической обработкой деталей из металлов и сплавов называется тепловое воздействие с целью придания им необходимых свойств. Тепловое воздействие может сочетаться одновременно с химическим воздействием. Такие процессы относятся к химико-термическим.
Различают следующие виды термической обработки: отжиг, закалку, отпуск и старение.
Отжиг бывает 1-го и 2-го рода. Сущность отжига 1-го рода заключается в нагреве заготовок выше температуры фазового превращения с последующим медленным охлаждением (иногда вместе с печью). Различают следующие разновидности отжига 1-го рода:
гомогенизационный, применяемый для выравнивания структуры, особенно крупных стальных отливок, поковок; рекристаллизационный, устраняющий изменения структуры, возникающие, в частности, в процессе обработки металлов давлением, при котором они получают наклеп, сопровождаемый заметным повышением твердости и снижением пластичности;
отжиг, снимающий или уменьшающий остаточные внутренние напряжения, возникающие при различных технологических операциях (холодной обработке давлением, сварке и др.).
С помощью отжига 2-го рода, или полного отжига, изменяют структуру сплава и устраняют внутренние напряжения. Заготовки нагревают до температуры, превышающей на 30 — 50 °С температуру фазового превращения, и медленно охлаждают вместе с печью. Такой процесс термообработки проводят после штамповки, отливки заготовок, а также после черновой механической обработки с целью понижения твердости.
Разновидностью отжига 2-го рода является нормализации, при которой заготовки охлаждают на воздухе. В отдельных случаях нормализация улучшает обрабатываемость материалов резанием (например, очень вязких сталей), вызывая некоторое повышение механической прочности.
Закалка — это процесс, осуществляемый для повышения твердости и прочности материала. При закалке заготовки (наиболее часто стальные) нагревают выше температуры превращения и быстро охлаждают в воде, минеральном масле, растворах солей или в расплавленных солях (270 — 290 °С). Тип охлаждающей среды определяет скорость охлаждения, которая влияет на получение той или иной структуры.
Большинство конструкционных сталей нагревают при закалке до температуры 850 —900 °С, а охлаждают в воде, масле или соляных растворах. Охлаждение в расплавленных солях применяют для высоколегированных сталей, например для инструментальных, быстрорежущих сталей, содержащих большое количество легирующих элементов (вольфрама, хрома и др.).
В зависимости от температуры нагрева различают закалку полную и неполную. При полной закалке углеродистых сталей (при нагреве выше линии GSE, см. рис. 16.4) в холодной воде получают структуру мартенсита с некоторым количеством аустенита. Мартенсит — это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железо, имеющий весьма высокую твердость и большую хрупкость. Если охлаждение стали вести менее интенсивно, то можно получить менее твердые и напряженные структуры троостита или сорбита закалки. Для уменьшения хрупкости и внутренних напряжений, вызванных закалкой стали, т. е. получения необходимых механических свойств, стали подвергают отпуску.
При необходимости получить высокую твердость лишь поверхностного слоя применяют поверхностную закалку заготовок, нагревая их токами высокой частоты с последующим быстрым охлаждением окунанием в жидкость или на дождевальной установке.
Отпуск — нагрев закаленных заготовок до температур, лежащих ниже температуры фазового превращения, и охлаждение их на воздухе. Повышая температуру отпуска, можно повысить пластичность и вязкость материала при одновременном понижении твердости и прочности. Отпуск при высоких температурах нагрева называют улучшением.
Различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск, т. е. нагрев стали до небольшой температуры (150 —200 °С), ведет к понижению остаточных внутренних напряжений при сохранении ее высокой твердости и износостойкости. Средний отпуск, сохраняя повышенную твердость (HRC40 —45), обеспечивает достаточную прочность, упругость и выносливость. Его часто применяют при изготовлении пружин и рессор.
При высоком отпуске получают достаточно высокий предел упругости при достаточной ударной вязкости и твердости (HRC30 —40). В результате высокого отпуска получают структуру, которая необходима для деталей машин, подвергающихся действию высоких напряжений и ударным переменным нагрузкам (для шатунов, болтов, кулачков и др.).
При всех процессах получения заготовок деталей их материал приходит в напряженное состояние, характеризуемое определенным уровнем внутренних напряжений. Поэтому перед началом механической обработки или перед окончательными операциями технологического процесса механической обработки часто проводят старение, которое ускоряет релаксацию внутренних напряжений.
Различают естественное старение — длительное выдерживание деталей на складах, заводских дворах при воздействии на них непрерывно изменяющихся атмосферных факторов (температуры, влажности и т. д.), а также искусственное старение с нагревом заготовок в печах до температуры 100—150°С и охлаждением вместе с печью.
Для ряда изделий из закаленных легированных (в том числе инструментальных) сталей назначают термическую обработку при отрицательных, температурах ( — 60... — 70 °С и ниже), получившую название «обработки холодом». В этом случае материал получает стабильную структуру и размеры и одновременно некоторое повышение твердости, износостойкости.
В качестве охлаждающей среды часто используется твердая углекислота («сухой лед»). Обработка холодом выполняется непосредственно после закалки, перед отпуском.
За последние годы на ряде производств получила распространение термохимическая обработка как комбинированный метод, соединяющий закалку легированных сталей с одновременным механическим деформированием их. После термохимической обработки материал получает повышенную пластичность, прочность и ударную вязкость.
Теория термической обработки металлов и сплавов была развита в основном в XX в. благодаря исследованиям А. А. Бочвара, Г. Я. Курдюмова, Н. А. Минкевича, В. Д. Садовского и других советских ученых.
Химико-термическая обработка
Химико-термическая обработка — тепловая обработка металлов в различных химически активных средах с целью изменения химического состава и структуры поверхностного слоя металла, повышающих его свойства (твердость, износостойкость).
В зависимости от элемента, насыщающего поверхность заготовки, различают следующие виды химико-термической обработки: цементацию, азотирование, цианирование, диффузионную металлизацию.
Цементацией называется процесс насыщения углеродом поверхностного слоя заготовок из низкоуглеродистой (до 0,3% С) стали для создания в них после термической обработки твердой поверхности при достаточной вязкости сердцевины. Различают цементацию в твердом карбюризаторе (древесном угле с добавками различных углекислых солей), жидкую и газовую.
Поверхности заготовок, не подлежащие цементации, защищают омеднением, т. е. нанесением тонкого слоя меди и другими способами.
Азотирование — процесс диффузионного насыщения азотом поверхностного слоя заготовок, изготовленных из легированных сталей и чугуна. Такие легирующие элементы, как алюминий, хром, молибден, ванадий, а также железо, при азотировании образуют с азотом твердые и стойкие химические соединения — нитриды.
При высоких требованиях к механическим свойствам сердцевины деталей их заготовки подвергают перед азотированием закалке с высоким отпуском.
Азотирование протекает при более низкой температуре, нежели цементация, что является его преимуществом. Азотированная поверхность имеет более высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость, которые сохраняются практически неизменными при повторных нагревах вплоть до 500 —600 °С.
Азотирование назначают как последнюю операцию при изготовлении деталей, так как после этого процесса они сохраняют светлую чистую поверхность, не требующую дополнительной обработки.
Цианирование заключается в одновременном насыщении поверхностей заготовок стальных деталей азотом и углеродом. Процесс цианирования может выполняться в жидкой и газовой среде. В зависимости от температуры цианирование подразделяется на низкотемпературное (530 — 650 °С) и высокотемпературное (800 — 930 °С). При цианировании используются ядовитые вещества, что требует особой осторожности при его выполнении и строгого соблюдения правил техники безопасности.
Жидкостное цианирование осуществляется в ваннах, содержащих цианистые и нейтральные соли. Скорость разложения этих солей увеличивается с повышением температуры; одновременно возрастает скорость диффузии углерода и тормозится насыщение поверхности азотом. При температуре, равной примерно 900 °С, поверхности незначительно насыщаются азотом и цианирование практически превращается в процесс цементации. Низкотемпературное цианирование незначительно отличается от азотирования. После цианирования детали подвергают термической обработке.
Газовое цианирование, или нитроцементация, выполняется в газовой среде, состоящей из цементирующего и нитрирующего газов. При высокотемпературной нитроцементации глубина цианированного слоя может достичь 1,8 мм при длительности процесса 6 —7 ч.
Диффузионная металлизация — это процесс насыщения поверхностного слоя заготовок различными химическими элементами (алюминием, хромом, кремнием, бором и др.) при совместном их нагревании и выдержке. В зависимости от используемого элемента процессы металлизации получили названия: алитирова-ние, хромирование, силицированиге, борирование и т. д. Кроме того, применяют комплексную металлизацию в печах-ваннах при 800—1300°С (например, хромоникелирование, хромоалитирование и др.).
Диффузионная металлизация может выполняться в твердых, жидких и газообразных средах. Этот процесс обеспечивает повышение твердости, коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости поверхностей деталей.
Основным недостатком диффузионной металлизации является малая глубина металлизированного слоя (0,2 — 0,4 мм) при относительно большой длительности процесса.
Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 2306;