3.7 Электрофизические и электромеханические методы размерной обработки

3.8 Термическая обработка деталей

Цель состоит в измерении свойств сплава путём изменения его структуры в результате теплового воздействия.

Сталь с низкой твёрдостью и прочностью после термической обработки может получить высокие характеристики и наоборот, твёрдая сталь может быть размягчена.

Основными видами термической обработки являются: закалка, отпуск и отжиг. При термической обработке структурные изменения происходят в основном по всему объёму металла; в том же случае, когда нужно повысит поверхностную твёрдость, износостойкость или коррозионную стойкость, проводится химико-термическая обработка стали, т. е. диффузионное насыщение стали различными элементами. На практике применяют: цементацию, азотирование, цианирование и диффузионную металлизацию. Химико-термическая обработка обычно сочетается с термической или предшествующей ей, или следует за ней.

Рассмотрим прежде процессы термической обработки.

По диаграмме железо-углерод можно видеть, какие происходят изменения в структурах стали с различным содержанием углерода, при нагревании или охлаждении. Согласно линий этой диаграммы установлены критические точки А1, А2, Аст, по достижении которых в данной стали происходят изменения т.е. переход к перлиту, аустениту и т. д.

Любой процесс термообработки состоит из нагрева, выдержки и охлаждения. Например, сталь У8 при низких температурах имеет перлитную структуру, при нагреве до 727°С структура превращается в аустенит, т.е. получается мелкозернистая структура, однако повышение температуры выше критической точки ведёт к росту аустенитных зёрен и это явление называется перегревом, а если по границам зёрен образуются окислы железа, то будет пережёг и получится неисправимый брак.

Если посмотреть на диаграмму изотермического превращения аустенита, то получается, что с понижением температуры от 727°С он последовательно превращается в перлит, сорбит, троостит, мартенсит:

НВ = 200 → 300 → 400 → 600

Механические свойства перлита изменяются в связи с изменением так называемого межпластиночного расстояния L, и чтобы подчеркнуть различие в свойствах перлитные структуры названы сорбит (L = 0,25μ), троостит (L = 0,1μ), а при температурах ниже 200°С получается мартенсит, который имеет игольчатую структуру (600-700).

Получение той или иной нужными твёрдостями связано со скоростью охлаждения, если небольшая скорость, то аустенит перейдёт в перлит, при более высокой в сорбит и т. д. Для получения твёрдой структуры (мартенсита) нужно большая скорость охлаждения.

Минимальная скорость охлаждения, при которой в структуре получается только мартенсит, называемый критической скоростью закалки.

На практике применяют различные скорости охлаждения, так скорость охлаждения в воде может быть 1000°С и это обеспечивает получение мартенсита, на воздухе 5% получается сорбит, в масле ~ 50% - троостит, при других температурах может получиться сплошная трооститно-мартенситная структура.

Закалка стали

Закалка производится для повышения, износостойкости и предела упругости. При закалке сталь нагревают выше критических точек, а затем быстро охлаждают, при этом может быть резкая или сильная закалка на мартенсит, и умеренная – на троостит, первая в воду, вторая в масло(для углеродистых сталей).

Температура нагрева под закалку должно быть такой, чтобы сталь полностью перешла в аустенитное состояние; для конструкционной стали tзак = Ас3 + (30 ÷ 50°С). При нагреве ниже Ас3 (область рGS), в структуре сохраняется непревращённый феррит и он будет снижать твёрдость. Такая закалка называется неполной.

В целях снижения хрупкости для инструментов стали, всегда применяют неполную закалку. По достижении заданной температуры изделие выдерживается в печи для полного прогрева по сечению. Для углеродистых сталей это время принимают равным 1 мин. на 1 мм. сечения.

Далее следует охлаждение, причём действительная скорость закалки должна быть равна или больше критической, однако большие скорости охлаждения приводят к закалочным напряжениям и трещинам.

Идеальный охладитель должен охлаждать быстро в интервале минимальной устойчивости аустенита (500 ÷ 600°) и медленно в интервале образования напряжений (200 ÷ 300°). Снизить напряжённость и одновременно получить высокую твёрдость можно, применяя различные способы охлаждения; например, закалка в воде с переброской в масло, при ступенчатой закалке охлаждение производят расплавах солей с последующим доохлаждением на воздухе.

Есть ещё два понятия: заливаемость и прокаливаемость. Закаливаемость – способность получать высокую твёрдость. Прокаливаемость – глубина закаленной зоны.

Скорость охлаждения неодинакова и потому может оказаться, что сердцевина не получит мартенситные структуры; диаметр сечения, который прокаливается в данном охладителе называется критическим диаметром.

На прокаливаемость влияет также, химический состав стали. Для обеспечения поверхностной твёрдости производят поверхностную закалку(индукционную, ТВЧ). Прочность стали можно повысить совмещая закалку с пластической деформацией, такая обработка называется термомеханической.

Отпуск стали

Эта операция производится для снижения хрупкости закалённой стали и состоит в нагревании до Ас, с тем, чтобы не уничтожить результаты закалки полностью. Отпуску в основном подвергают стали закалённые на мартенсит, он может быть высокий (500°С), средний (350°С) и низкий (200°С).

Улучшением стали называется двойная термическая обработка: закалка и отпуск. Инструментальные углеродистые стали подвергают низкому отпуску.

При отпуске формирование структуры происходит во время выдержки, тогда как при закалке в процессе охлаждения до 1,5 часов.

Отжиг стали

Производят для снижения твердости, увеличения пластичности, вязкости и улучшения обрабатываемости. Применяют смягчающий, диффузионный, рекристализационный и отжиг для снятия остаточных напряжений. Смягчающий основан на полной или частичной фазовой рекристаллизации и состоит в нагреве и медленном остывании вместе с печью, а если на воздухе, то это будет нормализация. Нагрев до t выше Ас3 на 30-50 °С и охлаждение с ν = 20 ÷ 50 °С/ч – конструкционная сталь.

Диффузионный отжиг – для уничтожения неоднородности химического состава при высокой температуре (1050-1150°С, 8-15 час.).

Рекристаллизационный отжиг для наклёпа между операциями. Отжиг для снятия остаточных напряжений производят в основном для отливок и сварных соединений (температура = 600°С, длительность 20 часов.).

Оборудование

Печи – камерные, шахтные, ванны, непрерывного действия.

Закалочные баки. Оборудование для очистки: промывочные и травильные ванны, дробеструйные и пескоструйные аппараты.

Химико-термическая обработка

Смысл этой обработки состоит в том, что при диссоциации соответствующих соединений выделяется диффузирующий элемент в атомарном виде и далее следует проникновение (диффузия) его в глубь металла и образуется диффузионный слой.

Цементация стали

Это процесс насыщения поверхности углеродом, после чего обязательно следует закалка и отпуск. Обычно цементируют малоуглеродистые стали. Толщина слоя не превышает 1-1,5 мм, а концентрация углерода в нём 0,8-1,0 %. Различают цементацию твёрдым карбюризатором и газовую.

При использование твёрдого карбюризатора детали укладывают в металлические ящики и засыпают древесным углём и карбонатами ВаСО3 и Nа2СО3. Ящик герметизируют огнеупорной глиной и помещают в печь, где t = 900-950 °С; продолжительность от 10 до 20 часов. В ящике идут процессы: ВаСО3 + С → ВаО + 2СО, 2СО → СО2 + Сат, Feγ + Сат → Fev[C] – угарный газ.

При термической обработке детали сначала охлаждаются на воздухе (нормализация), а с 760-780° закаливаются с последующим низким отпуском при t = 160-180 °С.

При массовом производстве проводят газовую цементацию в герметически закрытых печах с подачей туда окиси углерода, из которой и выделяется атомарный углерод. Процесс идёт в 2 раза быстрее т.к. не надо прогревать ящики.

Азотирование стали

Производится для повышения твёрдости и износостойкости. Поверхность насыщается азотом при диссоциации аммиака: 2NH3 → 2Nат + 3Н2.

Для азотирования в основном применяют легированные стали.

При прочностном азотировании температура печи 500-520 °С, при антикоррозионном – 600-700°С.

Износостойкость азотированной стали выше, чем закалённой или цементированной.

Твёрдость азотированного слоя получается сразу без термообработки, за счёт образования твёрдых нитридов Fe4N и Fe3N.

Цианирование

Производят в расплавленных слоях, содержащих NaCN (цианистый натрий). При окислении цианистых солей атомарные азот (до1,2%) и углерод (до 0,7%) насыщают поверхность детали. После производят закалку и низкий отпуск (820-860°С, 2-10 часов).

Диффузионная металлизация

Это насыщение стальной детали металлами, например, алюминием(алитирование), хром (хромирование). Процесс аналогичен цементации, с той разницей, что при нагреве выделяется атомарный алюминий или хром.

Для повторения – жаростойкость, коррозионная стойкость, износостойкость и твёрдость.

Определение твёрдости

Твёрдостью называют свойство материала оказывать сопротивление при контактном приложении нагрузки. Твёрдость определяют вдавливанием в материал твёрдых наконечников, или шарика, или алмазного конуса, и затем определяют площадь или глубину отпечатка. По Бринеллю вдавливают шарик и число твёрдости НВ есть отношение нагрузки к площади отпечатка. Имеется набор нагрузок и шариков. Максимальная нагрузка 3000 кг., а диаметр шарика 10 мм. По Роксвеллу вдавливают или конус, или шарик и твёрдость оценивается глубиной проникновения. HRC – при использовании алмазной пирамиды; HRB – при использовании закалённого шарика.

Условные единицы связаны с глубиной:

(53)

Здесь 100 – число делений на шкале;

H – глубина;

0,002 – цена деления на измерительной шкале. Шарик используется для более мягких материалов. По шарику – оценка по величине отскока.

3.9 Покрытия химические (гальванические и лакокрасочные; см. старый конспект)