Шкала твердостей

HRC	HV	HB	HRC	HV	HB
70	1076	-	44	435	415
69	1004	-	43	424	404
68	942	-	42	413	393
67	894	-	41	403	383
66	854	-	40	393	372
65	820	-	39	383	362
64	789	-	38	373	352
62	739	-	36	353	332
58	655	-	32	317	294
56	617	-	30	301	283
54	580	-	28	285	270
52	545	-	26	271	260
50	513	-	24	257	250
48	485	-	22	246	240
46	458	-	20	236	230

Термообработка сталей

Многие значения твердости металлов достижимы только после специальной термообработки. Термической обработкой называют технологический процесс тепловой обработки металлов и сплавов, в результате которого происходит изменения внутреннего строения, механических, физических и физико-химических свойств.

Термообработка зависит от температуры нагрева, продолжи­тельность выдержки при данной температуре, скорости нагрева и ох­лаждения. Изменяя эти параметры, можно получить различные свойства. Термообработка является важным технологическим процес­сом улучшения эксплуатационных характеристик деталей АРИ (осо­бенно движущих механизмов), инструмента их механообработки (ре­заки, фрезы), измерительного инструмента (метрологического) и ме­таллообрабатывающих станков. Термообработка в большинстве слу­чаев указывается в чертежах деталей АРИ.

Основными видами термообработки являются: отжиг, норма­лизация, закалка и отпуск. Первые два вида относят к предваритель­ной, а вторые - к окончательной термообработке. Цель предвари­тельной термообработки заключается в измельчении зернистости ста­ли, снятии внутренних напряжений, увеличения пластичности и снижения твердости. Предварительной термообработке подвергаются заготовки деталей и другие полуфабрикаты (штамповки, поковки и т.п.) для улучшения мех обработки на станках. Окончательной термо­обработке подвергаются или полностью готовые детали и инструмент или перед последними технологическими операциями, например, перед чистовым шлифованием ведущие валы, оси и другие. Оконча­тельная термообработка придает деталям заданную в чертеже твер­дость.

Отжигом называется термообработка, которая включает на­грев стали до определенной температуры, выдержка при ней и по­следующее медленное охлаждение. Отжигу подвергаются главным образом литые, сварные, наплавленные твердосплавные заготовки режущего инструмента, детали штампов. Устанавливают при этом режимы его проведения: температуру нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Например, для сталей ХВГ, широко используемой для ведущих валов ДМ профессионального и специального назначения металлорежущего лезвийного инструмента стали У1 - У13, X, 9Х, 9ХС, 7X3, 8X3, температура нагрева составляет 670 - 700 °С, для сталей Х12, Х12М, Х12Ф1, Х12ВМ - 730 - 750 °С, для быст­рорежущих сталей Р18, Р9 - 760 - 780 °С. При этом происходит пол­ная перекристаллизация металла, структура получается мелкозерни­стой. Выдерживают до полного нагрева деталей, после чего со ско­ростью 20 - 60 °С в час медленно охлаждают до температуры свобод­ного отжига 500°-600°С в печи или ящиках с песком или золой.

Далее изделия охлаждают на спокойном воздухе. При этом твердость оставит НВ 207-255(18-20 НRС).

Нормализация уменьшает зернистость стали и увеличивает ее прокалываемость, заключается в нагреве до температуры свободного отжига (сталь ХВГ 500°-600°С) и охлаждения на спокойном воздухе. Твердость при этом составляется НRС 28...32. нормализация уменьшает коробление сталей, особенно хромистых (20X13, 40XЗ). Норма­лизованная сталь обладает большой твердостью и меньшей вязкостью, чем отожженная, почти полностью заменила отжиг для малоуглеродистых сталей.

Для многих деталей ДМ (оси, стойки, нормализация является единственным видом термообработки)

Закалка необходима для повышения твердости и прочности сталей. Заключается в нагреве до заданной температуры, выдержке при этой температуре и последующего быстрого охлаждения в воде, масле или на воздухе. При закалке ставятся разные цели в зависимо­сти от назначения стали: конструкционным сталям сообщается по­вышенная прочность и твердость, инструментальным - наибольшую твердость, что обеспечивает высокие режущие свойства и износо­стойкость. Требуемая скорость охлаждения нагретой стали достигает­ся за счёт выбора охлаждающей среды. Для закалки инструменталь­ных сталей (инструментов) со сложной конфигурацией для охлаж­дающей среды применяют 50 % раствор нагретой каустической соды (50-60°С). Детали при этом получаются светлыми (светлая закалка). Для закалки легированных сталей применяют минеральные масла, а если температура их составляет свыше 100°С, тогда появление тре­щин не наблюдается. При применении изотермической или ступенча­той закалки в качестве охлаждающей среды используют горячее мас­ло, легкоплавкие соли и расплавленные щёлочи. Температура их не должна превышать 200°С.

Вышеупомянутая легированная сталь ХВГ закаливается сле­дующим образом: нагрев до температуры 820-840°С, охлаждение в среде нагретого масла, расплавленных щелочей при температура 150-160°С (до этой температуры), а затем охлаждение на спокойном (без вентиляции) воздухе. Твёрдость при этом составляет НЯС 62...64. При термообработке режущего инструмента находит применение светлая закалка в расплавленных щелочах или вакууме. Она повышает каче­ство инструмента или деталей, исключает операции травления и чист­ки, так как после светлой закалки инструмент получается без окалины и с минимальными поводками. Например, для стали ХВГ применяет­ся ванна с 75 % составом КОН + NаОН при температуре 145°С, по­следующее охлаждение на воздухе.

Светлая закалка в вакууме выполняется печах с токами высокой частоты с нагревом до 1020 С, выдержке при этой температуре 1 час, и охлаждением на воздухе. Затем выполняется отпуск при температу­ре 320-340°С (для стали ХВГ).

Отпуск состоит в снятии внутренних напряжений и обеспече­нию материалу более мелкозернистой структуры. Заключается в на­греве сталей углеродистых и легированных до температуры 150 -250°С, выдержке при данной температуре 1-2 час и последующего свободного охлаждения на воздухе. Хромоникелевые нержавеющие стали маркировок 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, Х15Н9Ю после отпуска в интервале температур 450 - 650°С надо охладить в масле или воде, так как при охлаждении на воздухе они становятся хрупкими. При температуре 120 - 160°С отпускают измерительный инструмент для предотвращения деформации и снятия внутренних напряжений после шлифования.

Старение стали и других черных металлов также относится к термообработке, снимает все внутренние напряжения, снимает пла­стичность и вязкость. Для некоторых видов черных металлов, а имен­но, чугунов, применяемых при литье станин всего металлообрабаты­вающего оборудования (станков) старение является самым главным видом ТО.

Старенье бывает естественное и искусственное.

Естественное старение происходит при комнатной или улич­ной температуре. Максимальный положительный эффект проявляется только при очень длительной выдержке (1-3 года). Это применяется обязательно для чугунных станин станков, что в дальнейшем не по­зволяет им иметь временные поводки в действующем оборудовании. Станины и другие крупные детали после литья в землю выставляют под навес во двор и там 1 -3 года они проходят естественное старение.

Искусственное старение происходит при нагреве стали до температуры 100-170°С. Нагрев сильно ускоряет процесс старения. Искусственное старение применяется для стабилизации свойств и размеров измерительного инструмента. Кроме того, искусственное старение применяют после холодной обработке малоуглеродистых сталей (глубокая вытяжка и др.).

Химико-термическая обработка (ХТО) стали, заключаются в насыщении поверхностей готовых деталей химическими элементами - углеродом, азотом, алюминием, кремнием, хромом и др. При этом по­вышается резко твердость наружного слоя при сохранений вязкости сердцевиной, повышаются износоустойчивость при нормальной и по­вышенных температурах, усталостная прочность и коррозионная стойкость. ХТО основана на использовании процесса диффузии, ко­гда диффузионный элемент проникает в основной металл изделия. Изделие подвергают ХТО после окончательной механической обра­ботки с небольшим припуском на окончательное шлифование. Места деталей, не подлежащие ХТО, предохраняют нанесением специаль­ных обмазок, тонкого слоя меди или оставляя припуск, удаляемый потом механической обработкой. ХТО применяется тогда, когда де­тали работают на износ и подвержены ударным нагрузкам, т.е. где нужны твердая оболочка и мягкая сердцевина, например, зубчатые колеса, пальцы, втулки, гильзы, валы и др.

ХТО для ДМ АРИ применяют в виде азотирования и цианированния.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Цементация является наиболее распространен­ной операцией ХТО. Цементации подвергают распредвалы, кулачки, оси, валы, рычаги, червяки зубчатых передач, подшипники. Цемента­ции подвергают углеродистые и легированные стали с низким содер­жанием углерода (0,1-0,2 %), наружный слой при этом может полу­чить содержание углерода 0,9-1,2 %. Для цементации детали поме­щают в среду, богатую углеродом, так называемые карбюризаторы.

Цементация в твердом карбюризаторе. Очищенные детали загружают в металлический ящик (рис. 2-3, а) наполненный карбюризатором, в качестве которого берут размолотый древесный уголь, с добавкой различных углеродистых солей, ускоряющих про­цесс цементации (сода и др.). Наибольшее применение получил кар­бюризатор с составом: углекислый барий 20-25 %, сода 3-5 %, кокс-5 %, остальное древесный уголь. Металлический ящик плотно закры­вают крышкой с обмазанной по периметру соединения и подвергают нагреву в цементационной печи. Процесс цементации длительный и зависит от необходимой только цементированного слоя. Температура нагрева деталей из сталей составляет 900-950°С. Для получения тол­щины поверхностного цементированного слоя 0,4-0,7мм необходимо время 4-5 час., для толщины 0,8-1,2мм - 6,5...10 час., для толщины 1,2-1,6мм - время составляет 10-14 час. И т.д. глубину цементации прове­ряют с помощью "свидетелей "- образов той же стали, что и цементи­руемые детали. "Свидетели" вынимают и по излому судят о глубине цементации.

Описанная технология приемлема для индивидуального произ­водства, отличается большой трудоемкостью и низкой производи­тельностью.

Газовая цементация заключается в насыщении поверхностно­го слоя деталей углеродом при нагреве их в атмосфере углеродосодержащих газов (окись углерода, углеводороды: метан этан и др.). Га­зовая цементация широко применяется в массовом и крупносерийном производстве. При газовой цементации детали помещают в специаль­ные камеры - муфели, через который пропускают цементирующий газ (смесь). В муфели поддерживается ТВУ температура 900-930°С. Для получения глубины цементации 0,5-1,5мм время составляет 2-3 часа.

Газовая цементация имеет следующие преимущества: значи­тельно выше производительность, проще протекает процесс пъезоконтроль, возможность автоматизации, уменьшается площадь под оборудование, меньшее время процесса.

Азотирование стали заключается в насыщении поверхности стальных деталей азотом. Этому процессу подвергают в основном де­талей, работающие на истирание, например, зубчатые колеса, веду­щие валы ДМ и др. самая распространенная легированная сталь для азотирования марки 38ХМЮА (0,3-0,4 %С; 1,35-1,65 % Сr; 0,2-0,3% Мg; 0,7-1,2% Аl). Схема установки для азотирования приведена на рис. 2-3, б.

Печь с деталями разогревается до 600-620°С, поступающий в нее аммиак разлагается с выделением атомарного азота, который диффундируется в поверхностный слой деталей. После окончания процесса печь с деталями остывает до нормальной температуры, и де­тали из нее извлекаются. Твердость после азотирования достигает (200 Мн/м² по НRV, около 80 HRС).

Преимущества азотирования перед цементацией: твердость слоя 1,5-2 раза выше, меньшая температура нагрева, закалка азотиро­ванных деталей производится перед азотацией, а цементируемых - после, что может привести к короблению (поводке), выше коррозион­ная стойкость. Недостатком является дороговизна, неэффективность азотирования углеродистых (только легированные) сталей.

Цианирование стали заключается в одновременном насыще­нии поверхностного слоя деталей углеродом и азотом. При этом при­меняется жидкое и газовое цианирование, последнее имеет большее преимущество и заключается в следующем. Цементирующий газ (пиролизный, генераторный, саратовский и амиак-25 %), разлагаются в нагретой до 800-840°С печи с деталями, выделяя атомарный углерод и активный азот. Время выдержки от 1 до 6 часов. После цианирования глубина поверхностного слоя составляет 0,4-0,6 мм, а твердость не ниже НRС 56. Преимущество - меньшее время процесса.