2.6. Термомеханическая обработка стали

Термомеханическая обработка (ТМО) является сравнительно новым методом обработки, позволяющим повысить механические свойства металлических материалов. ТМО — это совокупность операций пластической дефор­мации и термической обработки, совмещенных в одном технологическом процессе, который включает нагрев, пластическое деформирование и охлаждение. Термомеханическое воздействие приводит к получению структур­ного состояния, которое обеспечивает повышение механических свойств.

Оптимальное сочетание пластической деформации и фазовых превращений приводит к повышению плотности и более правильному расположению несовершенств кристаллической решетки металла.

Различают два основных вида ТМО:

• высокотемпера­турную термомеханическую обработку (ВТМО) (рис. 2.15, а);

• низкотемпературную термомеханическую обра­ботку (НТМО) (рис. 2.15, б).

При ВТМО деформация производится при температу­ре выше температуры рекристаллизации (при этом сталь имеет аустенитную структуру). Степень деформации 20...30 %. Во избежание рекристаллизации вслед за дефор­мацией незамедлительно производится закалка (1150 °С) с последующим низкотемпературным отпуском (100...200 °С).

НТМО применяется только для легированных сталей, обладающих значительной устойчивостью переохлажденного аустенита. При НТМО деформация производится ниже температуры рекристаллизации (400…600 °С), степень деформации 75...95 %. Закалку производят сразу после деформации, а затем следует низкотемпературный отпуск (100...200 °С).

Недостатками НТМО являются, во-первых, необходи­мость использования мощного оборудования для деформирования, во-вторых, стали после НТМО имеют невысокую сопротивляемость хрупкому разрушению.

Рис. 2.15. Схемы термомеханической обработки:

а — высокотемпературная; б — низкотемпературная

Если при обычной термической обработке сталь имеет временное сопротивление при растяжении 2000...2200 МПа, то после ТМО оно достигает 2200...3000 МПа, при этом пластичность увеличивается в два раза (удлинение с 3...4 % повышается до 6...8 %).

Лекция 9 - 2.7. Химико-термическая обработка стали

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами с целью придания ей соответствующих свойств. Она отличается от других видов термической обработки тем, что при этой обработке кроме структур­ных изменении происходят изменения состава и строе­ния поверхности за счет диффузии в нее элементов в атомарном состоянии из внешней среды при высоких температурах. Основная цель — упрочнение поверхности деталей, повышение твердости, износостойкости, усталостной прочности и т. п. и повышение стойкости против воздействия агрессивных сред. К процессам химико-тер­мической обработки относятся цементация, азотирование, цианирование, алитирование, хромирование, силицирование, борирование и др.

ХТО характеризуется тремя одновременно протекаю­щими процессами. Первый процесс—диссоциация—за­ключается в распаде молекул и образовании диффундирующего элемента в атомарном состоянии

2СО → СО₂ + С атомарный,

2NН_з → ЗН₂ + 2N атомарный.

Второй процесс, называемый абсорбцией, представляет собой взаимодействие атомов диффундирующего эле­мента с поверхностью изделия и проникновение их в решетку железа. Третий процесс—диффузия заключа­ется в проникновении атомов насыщенного элемента вглубь металла.

Рассмотрим кратко некоторые виды химико-термической обработки.

Цементацией называется процесс насыщения поверх­ности изделия углеродом. Цель цементации—придание поверхности твердости при сохранении мягкой сердцевины. Обычно цементации подвергают детали из низкоуглеродистой стали, содержащей не более 0,25 % С (стали марок 10, 15, 20, А12, 15Х, 25ХГМ и др.), работающие в условиях переменных ударных нагрузок и подвергающиеся износу, например зубья автомобильных зубчатых колес, шестерни, втулки, поршневые пальцы и т. д. Температура цементация 900...970 °С. Глубина цементованного слоя от 0,1 до 3...4 мм.

В поверхностном слое содержание углерода составляет 0,8...1,0 %. При более высоком содержании углерода появляется охрупчивание цементованного слоя вследствие наличия свободного цементита. Концентрация углерода уменьшается по мере удаления от поверхности в глубину металла (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Влияние температуры и време-ни выдержки на глубину цементиро-ванного слоя

Цементацию проводят в твердых, жидких и газообразных средах, называемых карбюризаторами. В качестве твердого карбюризатора применяют древесный уголь в смеси с другими компо­нентами.

Газовую цементацию проводят в атмосфере метана, керосина, бензола и др. Применяют для массового производства мелких деталей. Жидкие карбюризаторы (смесь цианистого калия с бурой, содой и другими веществами) применяют в тех случаях, когда нужно полу­чить тонкий цементированный слой с высоким содержани­ем углерода. Этот способ требует применения специаль­ных мер защиты.

В зависимости от назначения детали применяют различные варианты термической обработки после цементации (рис. 2.17).

Детали менее ответственного назначения подвергают закалке непосредственно с нагрева под цементацию с последующим низким отпуском (рис. 2.17, а). Такая обработка приводит к образованию неблагоприятной для свойств структуры: в поверхностном слое образуется глубокристалический мартенсит, а во внутрених слоях крупнозернистая феррито – перлитская структура. Эти недостатки обусловлены образованием крупнозернистого аустенита юлагодаря длительной выдержке при цементации

При более высоких требованиях к структуре детали после цементации подвергают охлаждению на воздухе, затем однократной закалке с нагрева выше А_С3 и низкому отпуску (рис. 2.17, б). Такая обработка приводит к перекристаллизации и изменению зерна по всему объему металла. Однако в поверхностном высокоуглеродистом слое происходит некоторый перегрев, так как оптимальный закалочный нагрев заэвтектоидных сталей – это нагрев выше А_с1, но ниже А_см.

Детали особо ответственного назначения после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рис. 2.17, в ).

Рис. 2.17. Режимы термической обработки стали после цементации

При первой закалке с температурой на 30….50 °С выше А_с3 происходит перекристаллизация сердцевины с образованием мелкого аустенистого зерна, обеспечивающего также мелкозернистость продуктов распада. Одновременно происходит в поверхностном слое растворение цементационной сетки. При нагреве под вторую закалку мартенсит, полученный после первой закалки, претерпевает отпуск и при этом образуется глобулярные карбиды, увеличивающие твердость поверхностного заэвтектоидного слоя.. Кроме того при второй закалке с температуры выше А_с1 на 30…50 ^оС обеспечивается мелкое зерно в поверхностном слое. Таким образом, поверхностный слой после такой двойной закалки будет содержать отпущенный мартенсит с глобулярными карбидами, а внутрений слой будет определяться химическим составом стали. При цементации углеродистой стали из-за низкой прокаливаемости сердцевина имеет феррито-перлитную структуру. Легированная сталь после цементации позволяет получить в сердцевине структуру сорбита, троостита или даже мартенсита, но благодаря низкой концентрации углерода сердцевина будет иметь высокую ударную вязкость.

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. Цель азотирования — придать поверхности высокую твердость, износостойкость, устойчивость против коррозии и усталостную прочность. Процесс заключает­ся в воздействии на сталь аммиака (газовое азотирование) при температуре 500...600°С. Образовавшийся свободный азот, находящийся в атомарном состоянии, воздействует на сталь и образует с элементами, входящими в ее состав (Сг, Rе, А1 и др.), различные нитриды, обладающие высокой твердостью (до НRС 70). Азотированный слой сохраняет свою твердость до 400...600 °С, в то время как твердость цементированного слоя с мартенситной структурой сохраняется лишь до 200...250 °С. Толщина азотированного слоя 0,25...0,82 мм (рис. 2.18). Азотирование железа и углеродистой стали, не приво­дит к значительному повышению твердости. Поэтому азотированию подвергают легированные стали, например 35ХМЮА, 18ХГТ, 40ХНМА, 38Х2МЮА и др.

Перед азотированием детали подвергают закалке и высокому отпуску (600...675 °С) с целью улучшения их механических свойств. Процесс азотирования продолжительный и составляет 24...60 ч. Для ускорения процесса используют двухступенчатую обработку, сначала проводят азотирование при 500...520 °С, а затем при 560...600 °С. Повышение температуры ускоряет процесс диф­фузии и почти не сказывается на твердости поверхностного слоя.

Рис. 2.18. Влияние температуры и време-ни выдержки на глубину азотрованного слоя

Достоинством процесса азотирования по сравнению с цементацией является незначительное изменение размеров и отсутствие коробления вследствие низкой температуры нагрева. Азотированные поверхности имеют большую химическую стойкость на воздухе, а также в пресной и соленой воде. Отрицательные стороны этого процесса заключаются в необходимости применения специальных сталей и значительной длительности процесса.

Азотирование в жидких средах производится при температуре 570 °С в расплавленных цианистых солях в течение 0,5...3 ч. Общая толщина слоя 150...500 мкм, твердость 600...1100 НV. Жидкое азотирование повышает сопротивление износу и предел выносливости. Недостат­ком его является токсичность и высокая стоимость процесса. Его используют для обработки деталей автомоби­ля (коленчатые валы, шестерни и т. д.), а также штам­пов, пресс-форм и др.

Цианированием называют насыщение поверхности изделий одновременно углеродом и азотом в расплавленных цианистых солях при температуре 820...950 °С. Различают низкотемпературное и высокотемператур­ное цианирование. При низкотемпературном цианировании детали нагревают до 820...860 °С в расплавленных солях, содержащих NаСN, в течение 0,5..1,5 ч, при этом получают слой толщиной 150...350 мкм. Затем производят закалку непосредственно с температуры цианирования с последующим низкотемпе-ратурным отпуском (180... ...200 °С). Твердость после термической обработки со­ставляет НRС 58...62. Такой обработке обычно подвергают детали из среднеуглеродистых сталей и инструменты из быстрорежущих сталей.

Для получения более толстого слоя (500.. .2000 мкм) применяют высокотемпературное цианирование при 930... ...950 °С со временем выдержки 1,5...6 ч. После такой обработки детали охлаждают на воздухе, производят за­калку и низкотемпературный отпуск. Недостатком этого процесса является токсичность цианистых солей. Это вы­зывает необходимость проводить работу в специальном помещении с соблюдением мер безопасности.

Нитроцементация представляет собой процесс насы­щения поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом в газовой среде азота 40 %, водорода 40 % и оксида углерода 20 % при температуре 850...870 °С в течение 4...10 ч. Назначение—повышение износостойкости, предела выносливости при изгибе, твердости и коррозионной стойкости. После закалки и низкого от­пуска (160...180 °С) твердость поверхностного слоя составляет 58...60 НRС и толщина слоя 0,2...0,8 мм; они за­висят от температуры и времени выдержки.

Нитроцементацию широко используют в автомобильном и автотракторном производстве. Нитроцементация имеет определенные преимущества по сравнению с газовой цементацией — более низкая температура процесса, снижение деформации и коробления и др.

Борирование заключается в насыщении поверхност­ного слоя изделий из низко- и среднеуглеродистых сталей 20, 40, 40Х, 30ХГС и других бором при нагревании в борсодержащей среде. Борирование применяют для повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и окалиностойкости тяжело нагруженных деталей (нефтяное оборудование, штампы, пресс-формы и др.). Процесс проводится при температуре 850...950 °С в те­чение 2...6 ч. Поверхностный слой состоит из боридов, толщина слоя 0,1...0,2 мм, твердость его 1800...2000 НV.

Диффузионная металлизация — процесс диффузион­ного насыщения поверхности стальных деталей металлами с целью придания их поверхности жаростойкости, коррозионной стойкости, твердости, износостойкости и др. Диффузионная металлизация может осуществляться в твердых, жидких и газообразных средах. Для твердой диффузионной металлизации используют ферросплавы с добавлением хлористого аммиака (0,5...5 %). Жидкую диффузионную металлизацию проводят, погружая дета­ли в расплавленный металл. Газовую диф­фузионную металлизацию проводят в газовых средах —• хлоридах различных металлов. Поверхностное насыщение проводится при температурах 900... 1200 °С, В последнее время применяют и многокомпонентное насыщение поверхности стали (два и больше компонентов).

Рассмотрим кратко наиболее часто применяемые про­цессы диффузионной металлизации.

Силицирование—термодиффузионное насыщение по­верхности изделия кремнием с целью повышения корро­зионной стойкости, жаростойкости, износостойкости и кислотостойкости материалов в агрессивных жидких и газовых средах. Силицирование применяют, например, для гнезд клапанов, вкладышей подшипников, роторов водяных насосов, рубашек цилиндров, трубопроводной арматуры, труб судовых механизмов и др.

Алитирование—процесс насыщения поверхностного слоя стали алюминием для повышения окалиностойкости (жаростойкости), коррозионной и эрозионной стойкости стали, чугунов и медных сплавов. Алитирование осуще­ствляют в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, в газовой среде и распылением жид­кого алюминия. Наибольшее распространение получило алитирование в порошках, с насыщением из газовой фазы. На поверхности образуется плотная пленка оксида алюминия (А1₂0₃), предохраняющая от окисления алитированные изделия. Алитирование производят при 950...1050 °С в течение 3...12 ч. Толщина слоя составляет в среднем 0,2...0,8 мм.

В частности, алитируют чехлы термопар, детали раз­ливочных ковшей, клапаны и другие изделия, работающие при высоких температурах. Следует отметить, что при использовании вакуумного алитирования можно по­лучать покрытия высокой чистоты.

Хромирование — процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом, при этом повышается коррозионная стойкость, твердость и износостойкость. Наибольшее применение получило хромирование в порошкообразных сме­сях феррохрома или хрома, хлористого аммония и окси­да алюминия. Хромирование производится при 1000... ...1050 °С в течение 6...12 ч. Толщина получаемого слоя не более 0,2 мм. Хромируют обычно низкоуглеродистые ста­ли: структура слоя состоит из твердого раствора хрома в α-железе и содержит 30...40 % хрома. При хромировании средне- и высокоуглеродистой стали получаемый слой состоит из карбидов хрома (Сг, Fе)₇С_з и др. Хро­мированию подвергают клапаны компрессоров, матрицы штампов для холодной высадки и др.

Цинкование наиболее широко используется в технике. На долю цинковых покрытий приходится около 60 % от общей поверхности металлических покрытий. Цинковые покрытия хорошо защищают железо и его сплавы от коррозии на воздухе и в воде. Толщина цинкового покрытия 6...36 мкм зависит от условий эксплуатации изделий. Оцинкованные листы и полосы применяются в жилищном строительстве (кровля, водосточные трубы), для изго­товления емкостей, в автомобильном и железнодорожном транспорте и др.

Контроль качества термической и химико-термической обработки включает в себя послеоперационный контроль всех деталей в процессе обработки по твердости, структуре и глубине обработанного слоя. Особое внимание при термической обработке следует обратить на дефекты деталей (трещины, коробление и т. д.). Контроль мелких трещин в закаленных деталях производят методом магнитной или рентгенодефектоскопии. В част­ности, этот метод используется для контроля пружин, рессорных листов, деталей управления автомашин и др. Некоторые виды брака цементированных деталей, напри­мер недостаточная толщина слоя или пониженное содер­жание углерода на поверхности, могут быть исправлены путем дополнительной химико-термической обработки по специальному режиму.

При термической и химико-термической обработке следует строго придерживаться инструкций по охране труда. Особое внимание надо обратить на обслуживание печей, работающих на газовом и электрическом нагреве. При обслуживании электрических печей основное вни­мание нужно обратить на выполнение правил электробезопасности. Рабочие места должны быть обеспечены инструкциями по технике безопасности, охране труда и экс­плуатации установок электрооборудования. Рабочие, не прошедшие инструктаж, к работе не допускаются.

Мероприятия по охране окружающей среды при термической и химико-термической обработке во многом сходны с мероприятиями, проводимыми в металлургическом производстве. Особое внимание уделяется при этом улавливанию и обезвреживанию газов, выделяющихся при проведении ХТО.

Лекция 10 -Раздел III. Легированные и инструментальные стали