Черновая обработка
Термическая
обработка
Чистовая обработка
П
оверхностная
ТО
Химико-термическая
обработка
Отделочная обработка
Рис.5.1. Схема применения ТО и ХТО
Наиболее часто применяют следующие методы термической обработки.
Закалка - подразумевает нагрев стали до температуры А3 + (30…50 град. С) с последующим быстрым охлаждением (со скоростью больше критической). В результате получают структуру мартенсита закалки, обладающую высокой твёрдостью, хрупкостью и пониженной вязкостью. После закалки, для получения необходимого комплекса механических свойств, всегда проводят операцию отпуска.
Отпуск предполагает нагрев закалённой стали до температуры ниже А1 с вы-
держкой и последующим охлаждением, как правило, на воздухе.
Отпуск решает следующие задачи:
- снятие внутренних напряжений, возникших при закалке;
- получение структуры с необходимым комплексом свойств.
Для конструкционных сталей, в большинстве случаев, проводят высокий отпускс нагревом до температуры 550-650 град. С. Закалка с высоким отпуском (термическое улучшение) позволяет получить хорошие показатели прочности и надёжности для среднеуглеродистых сталей, но с ограничением по размерам сечения (мелкие детали с диаметром не более 10…15 мм). Причина заключается в недостаточной прокаливаемости.
Ограничение может быть снято в случае применения легированных сталей. Рекомендации по размерам сечения деталей, подвергаемых улучшению, для групп легированных сталей, представлены в работе [6].
Необходимо иметь в виду, что низкоуглеродистые нелегированные стали (например, Сталь 10) закалить практически невозможно, так как углерода (С) недостаточно.
Для получения твёрдого поверхностного слоя с вязкой сердцевиной (сочетание износоустойчивости с высокой динамической прочностью) применяют методы поверхностной закалки- нагрев поверхностного слоя с последующим быстрым охлаждением. Поверхностной закалке с последующим низким отпуском подвергают среднеуглеродистые стали, что позволяет сформировать твёрдый поверхностный слой (структура - отпущенный мартенсит) с достаточно вязкой и прочной сердцевиной.
Схема обработки применима для ответственных деталей в условиях средних режимов нагрузки.
Вторым направлением решения задачи упрочнения поверхностного слоя является применение методов химико-термической обработки (ХТО).
Сущность методов заключается в том, что изделие помещается в среду, насыщенную элементом, который диффундирует в металл. В результате образуется слой с концентрацией элемента, уменьшающейся в направлении от поверхности к сердцевине.
Метод может быть реализован, если элемент образует с металлом систему твёр-
дых растворов, т.е. основан на способности металлов растворять различные эле-
менты.
Диффузионное насыщение возможно как неметаллами, так и металлами.
ХТО уступает закалке по производительности, но имеет ряд преимуществ:
- результаты не зависят от внешней формы изделия;
- обеспечиваются большие различия свойств поверхности и сердцевины.
В отраслевом машиностроении наиболее распространена цементация – насыщение углеродом поверхностного слоя изделия (поверхности, участка поверхности). Окончательное формирование свойств обеспечивает закалка, при которой на поверхности образуется высокоуглеродистый мартенсит. Последующий низкий отпуск снимает внутренние (закалочные) напряжения. В результате поверхность имеет твёрдостьHRCэ58…62, а сердцевинаHRCэ25….35 для легированных сталей и менееHRCэ18 для низкоуглеродистых сталей.
Цементации подвергают низкоуглеродистые и низкоуглеродистые легированные стали (с содержанием углерода 0,1…0,25%). Глубина слоя цементации достигает 1,5…2,0 мм.
Применение сталей, легированных нитридообразующими элементами
(Al, Cr, Mo), позволяет провестиазотирование - насыщение поверхностного слоя азотом за счёт диффузии, что обеспечивает повышение твёрдости, износоустойчивости, усталостной прочности и сопротивления коррозии.
До азотирования заготовку подвергают закалке и высокому отпуску, проводят чистовую обработку. После азотирования выполняют отделочные операции (тонкое шлифование, притирку, доводку и т.п.). Азотированию подвергают лишь отдельные поверхности, все остальные участки защищают гальваническим лужением. Процесс имеет существенный недостаток – низкую производительность, что ограничивает возможности использования.
Для получения более высокого сопротивления износу, большей твёрдости, лучшего сопротивления коррозии, повышенной усталостной прочности применяют нитроцементацию.
Нитроцементация стали – процесс одновременного насыщения поверхностного слоя углеродом и азотом при использовании газообразной среды. После нитроцементации сразу проводят закалку с низким отпуском, обеспечивая высокую твёрдость.
Состояние 3 (готовая деталь).
Состояние поверхностей соответствует окончанию отделочной (чистовой) обработки. Воздействие (механическое, термическое, химическое и др.) ухудшит качество изделия и возможно только для решения задач консервации поверхностей. Исключение может составлять азотирование, которое часто проводят на готовых деталях, прошедших окончательную термическую обработку и шлифование, т.к. проявления коробления и образования оксидов незначительны.