3. Термическая обработка стали.

Проводится с целью изменения ее структуры и свойств. При термической обработке сталь обычно нагревают до температур, при которых образуется минерал аустенит, и охлаждают. За счет фазовых превращений получается более устойчивая структура металла. В зависимости от требований к полуфабрикатам (отливка, поковка, прокат и др.) и изделиям применяют отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.

Отжиг и нормализация.

Отжигом называют термическую обработку стали, получившей неустойчивое состояние в предыдущей обработке, путем нагрева выше линии фазовых превращений и медленное охлаждение с печью, что приводит сталь в более устойчивое положение. Отжиг производят для устранения некоторых дефектов от предыдущей горячей обработки (литва, ковка и др.) или для подготовки структуры стали к последующим операциям (например, закалке, резанием). Различают отжиг 1-го и 2-го рода. Отжиг 1-го рода производят с целью снятия остаточных напряжений в металле и уменьшения ее неоднородности. Его осуществляют при температуре 650 – 1200°С для отливок, деталей, обработанных резанием, после сварки, для холоднодеформируемой стали.

Отжигу 2-го рода подвергают отливки, поковки и прокат для повышения пластичности и вязкости. После отжига сталь имеет низкую прочность и твердость, что облегчает обработку резанием высокоуглеродистой стали.

Нормализация (нормализационный отжиг) производят также нагреванием на 50°С выше точки образования аустенита, недолго выдерживают при температуре прогрева и охлаждают на воздухе. Нормализация приводит к образованию более дисперсной структуры, что на 10 – 15% повышает прочность и твердость обрабатываемых сталей.

Закалка. Сталь разогревают до температуры на 30 – 50°С выше температуры образования аустенита, выдерживают при этой температуре для завершения фазовых превращений и быстро охлаждают до низких температур (для углеродистых сталей в воде), а легированных – в масле.

Способы закалки выбирают в зависимости от состава стали, формы и размеров изделий и требуемых свойств закаленной стали. Используют непрерывную, прерывистую и ступенчатую закалку.

Отпуск стали. Состояние закаленной стали является неустойчивым, в ней даже без нагрева происходят неконтролируемые структурные изменения.

Отпуском называют температурную обработку, состоящую из нагрева закаленной стали ниже температуры фазового равновесия, выдержки при этой температуре и охлаждении на воздухе. Различают: низкотемпературную (нагрев до 250°С), среднетемпературную (350 – 500°С) и высокотемператур-ную (500 – 680°С) технологию отпуска. При отпуске изменяются предел упругости, выносливость и вязкость стали.

Существует поверхностная закалка стали с сохранением вязкой ее сердцевины, что придает изделию износостойкость и высокую динамическую прочность. Поверхностной закалке подвергают обычные углеродистые стали, содержащие 0,4% углерода и выше.

4. Химико-термическая обработка стали.

Представляет собой сочетание химического воздействия и термической обработки с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. Суть обработки состоит в помещении металлической детали в среду с большим содержанием легирующего элемента, диффундирующего в металл. Поверхностный слой насыщается элементами (C, N, Al, Cr, Si и другие) при высокой температуре нужен его диффузии в активном атомарном состоянии из внешней твердой, газовой (чаще всего), паровой или жидкой среды.

Применяют: цементацию, азотирование, циатирование, диффузионную металлизацию и др.

Цементация стали происходит путем диффузного насыщения поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в среде, называемой карбюризатором, в результате чего этот слой становится высокоуглеродистым. Цементизация производится при температуре 930 – 950°С. После цементизации производят закалку и низкий отпуск углерода. Поверхностный слой приобретает высокую твердость и износостойкость. Цементации повергают низкоуглеродистые чаще легированные стали.

Различают два вида цементизации – твердую и газовую.

По твердой цементизации применяют высокоуглеродистые карбюризаторы (древесный уголь, кокс чаще с добавками активизаторов (BaSО₄+NaCO₃ до 40% от массы угля). Используют печи при температуре 910 – 930°С. Операция продолжается от нескольких часов до нескольких десятков часов.

При газовой цементизации изделия нагревают в печах при температуре 910 – 930°С в среде газов, содержащихся углерод (CO₂ или CH₄). После закалки при температуре 850°С и последующем отпуске (130 – 160°С) сталь приобретает желаемые свойства.

Азотирование стали – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее до 500 – 650°С в среде газа аммиака NH₃ с целью повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости.

Азотированный слой стали имеет большую твердость, что обусловлено высокой дисперсностью образующихся в нем нитридов. Азотируют в основном легированные стали (нержавеющие, жаростойкие, инструментальные). Азотированию подвергают готовые изделия после их окончательной термической обработки (закалка и высокого обжига) и шлифовка.

Циатирование стали – процесс одновременно диффузионного насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом при нагреве с целью повышения ее твердости и износостойкости. Циатируют низкоуглеродистые конструкцион-ные и инструментальные стали. Различают твердое, жидкое и газовое циатирование.

Наиболее широко применяют жидкое циатирование при температуре 820 … 950°С в расплавленных цианистых (NaCN) и нейтральных (NaCl, NaCO₃ и др.) солях. После циатирования производят закалку и низкотемпературный отпуск (180 – 200°С) стали.

Преимущества – менее продолжительный процесс, меньшие деформации стали, большая их твердость и износоустойчивость. Недостаток – ядовитость соли высокая стоимость процесса.

Диффузионная металлизация сталей – процесс диффузионного насыщения ее поверхности металлами – алюминием, хромом, цинком и др. Подвергнутые металлизации изделия приобретают повышенную твердость и износостойкость, высокую коррозионную стойкость и жаростойкость. Применяют:

а) погружение стального изделия в расплавленный металл при низкой температуре его плавления;

б) насыщение поверхностного слоя изделия расплавленными солями, содержащими диффундирующий элемент;

в) насыщение из газовой среды галогенных соединений диффундирующего элемента и др. Чаще используют алитирование, хромирование и цинкование.

Алитирование – насыщение поверхностного слоя стали алюминием. Слой становится коррозионностойким на воздухе и в морской воде. Алитированию подвергают стальные изделия, работающие при высоких температурах.

Хромирование – насыщение поверхностного слоя стали хромом. Сталь приобретает высокую коррозионную стойкость в воде, в том числе и морской, в азотной кислоте, устойчивость при температуре до 800°С.

Хромируют многие изделия хозяйственного назначения, в том числе и детали паросилового оборудования.

Цинкование – процесс насыщения поверхностного слоя стали цинком при нагреве до 300 … 500°С и 700 … 1000°С в порошке, расплавленном цинке или в парах цинка. Применяют для повышения стойкости против коррозии стальных полуфабрикатов и изделий (проволоки, листов, труб и др.), эксплуатируемых в том числе и в условиях горячих газов.

_______________