Материаловедение и технология конструкционных материалов

Средний отпуск проводят при нагреве до 350...500 °С, затем следует выдержка от 1 до 8 ч в зависимости от массы детали и охлаждение, как правило, на спокойном воздухе. Этот вид отпуска применяют для пружин, рессор и некоторых видов штампового инструмента. В результате такой обработки достигаются высокие значения пределов упругости и выносливости, образуется структура — троостит отпуска (рис. 4.16, г) или троосто-мартен- сит, твердость стали — 40...50 HRC3.

Высокий отпуск проводят при температурах 500...680 °С в течение 1...6 ч в зависимости от габаритов изделия и затем из­ делия охлаждают на воздухе. Для легированных сталей при­ меняют охлаждение в воде или масле с целью предотвращения отпускной хрупкости. Этот вид отпуска используют для нагру­ женных конструкционных деталей из среднеуглеродистых кон­ струкционных сталей с целью обеспечения наилучшего соотно­ шения прочности и вязкости. После высокого отпуска структу­ ра стали состоит из сорбита отпуска (рис. 4.16, д). Твердость — 25...30 HRC3.

Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Улучшение значительно повы­ шает конструкционную прочность стали, уменьшая ее чувстви­ тельность к концентраторам напряжений, увеличивая работу развития трещин и снижая температуру порога хладноломкости.

.3. Термомеханическая обработка стали

Тер момеханическая обработка (ТМО) стали заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном со­ стоянии с последующей закалкой. В зависимости от температу­ ры, при которой деформируют сталь, различают высокотемпе­ ратурную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) термомеха­ ническую обработку.

При ВТМО сталь нагревают до температуры вышеАс3, пласти­ чески деформируют при этой температуре и закаливают. Степень деформации составляет 20...30 %. Закалка следует немедленно после деформации во избежание развития рекристаллизации. Схема процесса приведена на рис. 4.17, а.

t, °С

&фор;

мирова-

ТГИЯ

А->М

X, с

М„

Рис. 4.17. Схемы режимов термомеханической обработки

иструктуры стали:

а— высокотемпературного; б — низкотемпературного

При НТМО сталь нагревают до температур выше Ас3, выдержи­ вают при этой температуре, охлаждают до температуры выше точки М н (400...600 °С), но ниже температуры рекристаллиза­ ции, при этой температуре осуществляют обработку давлением (степень деформации 75...95 %), а затем сразу же производят закалку и низкотемпературный отпуск (рис. 4.17, б).

ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО — только стали с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита, т.е. легированные. С помощью ТМО удается повысить предел проч­ ности и пластичность стали по сравнению с обычной закалкой и отпуском. В табл. 4.3 приведены усредненные механические свойства сталей после различных видов обработки.

Повышение прочности в процессе ТМО по сравнению с обыч­ ной закалкой объясняется предварительным наклепом аустени­ та, в котором в результате деформации создается повышенная плотность дислокаций, наследуемая образующимся при закалке

мартенситом. Такое структурное состояние обеспечивает проте­ кание пластической релаксации локальных напряжений, вызван­ ных повышенной плотностью дислокаций. Как следствие, обра­ зующийся при отпуске мартенсит, несмотря на более высокую по сравнению с обычной термической обработкой плотность дис­ локаций, имеет меньший уровень остаточных напряжений. Это обеспечивает более высокие значения как прочности, так и удар­ ной вязкости и пластичности одновременно.

Таблица 4.3

В ли ян и е вида обработки на механические свойства сталей

Более высокая прочность стали после НТМО по сравнению

сВТМО объясняется тем, что при высоких температурах, по-ви­ димому, происходит частичная рекристаллизация стали. Однако после ВТМО сильнее повышаются пластичность и ударная вяз­ кость.

Внастоящее время более широко используется ВТМО, так как она обеспечивает высокие характеристики прочности (наряду

свысокой пластичностью и ударной вязкостью стали) и для ее осуществления требуется меньше энергии в связи с меньшей степенью деформации. ВТМО осуществляют в цехах прокатно­ го производства на металлургических заводах для упрочнения прутков нефтенасосных штанг, рессорных полос, труб и пружин.

Д Д Термическая обработка чугуна _________

В чугунах, как и в сталях, в твердом состоянии происходят фазовые превращения, поэтому для них могут быть использо­ ваны те же виды термической обработки, что и для стали. Чу­ гунные отливки подвергаются отжигу, нормализации, закалке с отпуском.

Отжиг для снятия внутренних напряжений отливок из серого

ивысокопрочного чугунов проводят при температуре 500...550 °С

втечение 3...5 ч с последующим медленным охлаждением со ско­ ростью 30...60 °С/ч до 200 °С вместе с печью, а затем на воздухе. При таком отжиге не только уменьшаются внутренние напряже­ ния в отливках, но и достигается стабильность размеров и умень­ шается вероятность образования трещин при механической обра­ ботке и в процессе эксплуатации.

Графитизирующим отжигом отливок из белого доэвтектического чугуна получают ковкий чугун. Отливки нагревают до 950...1000 °С и выдерживают при этой температуре 10...15 ч до полного распада цементита, продуктами которого являются ау­ стенит и графит.

При ускоренном охлаждении отливок до комнатной темпера­ туры получают ковкий чугун на перлитной основе.

Для получения ковкого чугуна на ферритной основе отливки после завершения первой стадии графитизации охлаждают ни­ же Агхи делают вторую длительную выдержку при температуре 680. ..750 °С для распада цементита, входящего в состав перлита. В результате второй стадии графитизации весь углерод выделя­ ется в структурно-свободном состоянии, что приводит к форми­ рованию ферритной основы.

Закалку и нормализацию для серого, высокопрочного и ковкого чугунов проводят для повышения твердости и износостойкости.

При нормализации отливки нагревают до 850...950 °С, вы­ держивают при данной температуре и охлаждают на воздухе. При нагреве и выдержке часть графита растворяется в аустените, обогащает его углеродом. В результате ускоренного охлаждения на воздухе в отливках образуется чисто перлитная структура ме­ таллической основы вместо ферритной или ферритно-перлитной.

Для закалки чугунные отливки нагревают до 850...930 °С, выдерживают 0,5...3 ч и охлаждают в воде или масле для полу­ чения мартенситной структуры с твердостью 55...60 HRCa.

После закалки проводят отпуск, температура которого зави­ сит от требуемой твердости. Для деталей, работающих на износ, температура отпуска составляет 250...350 °С. Однако рациональ­ нее чугунные отливки подвергать поверхностной закалке, так как в этом случае не наблюдается коробление и трещинообразование в деталях.

116 Раздел I. Материаловедение

Д л я п р е д о х р а н е н и я о т о к и с л е н и я и о б е з у гл е р о ж и в а н и я д е т а л и н е о бхо ди м о н а гр е в а ть в п е ч а х с к о н тр о л и р у е м о й з а щ и тн о й и л и н е й тр а л ь н о й атм о сф е р о й .

Деформации, коробление и трещины образуются при слишком резком или неравномерном охлаждении или нагреве деталей. Для предотвращения указанных дефектов необходимо правильно на­ значать режимы термической обработки.

Д ля определения природы фаз, образующихся при химико­ термической обработке, и выбора ее режимов служат двойные диаграммы состояния. Главными факторами, определяющими состав и структуру поверхностного слоя, являются температура процесса, концентрация на поверхности изделия активного хи­ мического компонента и время выдержки в активной среде.

Наиболее широкое распространение в промышленности нашли такие виды химико-термической обработки, как цементация, азотирование и нитроцементация. Углерод и азот легко усваи­ ваются поверхностью стальных изделий, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро формируют диффузионные слои значительной толщины.

Цементацией называется технологический процесс диффу­ зионного насыщения поверхности стальных изделий углеродом. Цементация применяется для деталей, работающих в условиях трения и высоких контактных давлений (например, зубчатые ко­ леса, валы, пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т.д.). Обработке подвергаются детали с припуском на шлифо­ вание из низкоуглеродистых сталей, содержащих 0,1...0,25 % углерода, и низколегированных сталей типа 20Х, 15ХР, 20ХН, 18ХГТ, 12ХНЗ, 18Х2Н4 и др. Глубина цементованного слоя ко­ леблется от 0,5 до 4 мм. После цементации изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. В результате такой обработки твер­ дость поверхностного слоя достигает 58...62 HRG, при сохране­ нии вязкой сердцевины детали. В основном применяют два вида цементации: твердую и газовую.

При твердой цементации карбюризатором, т.е. науглерожи­ вающим веществом, служит смесь древесного угля и углекис­ лых солей BaC03, Na2C03, К2С03. Углекислые соли добавляют к древесному углю в количестве 10...30 % в качестве катализа­ торов. Детали укладывают в металлические ящики и пересыпа­ ют твердым карбюризатором так, чтобы они не соприкасались друг с другом, со стенками и дном ящика. Сверху ящик закры­ вают крышкой и щели замазывают огнеупорной глиной. Ящики устанавливают в печь и нагревают до температуры 910...950 °С.

При такой температуре уголь взаимодействует с кислородом воз­ духа, сохранившегося в порах засыпки, по реакции:

2С -Н0 2 —^ 2СО.

Оксид углерода разлагается на диоксид углерода С02 и ато­ марный углерод Сат:

2СО С02 + Сат.

Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют в глубь металла. Углекислые соли ин­ тенсифицируют процесс (ВаС03), предотвращают спекание частиц карбюризатора (СаС03), а также, разлагаясь, увеличивают ко­ личество СО и С02 и обогащают среду атомарным углеродом по схеме:

ВаС03 —> ВаО + С02, С02 + С(уголь) 2СО, 2СО -> С02 + Сат.

Цементация в твердом карбюризаторе — длительная опера­ ция, скорость которой составляет 0,10...0,121 мм/ч при темпе­ ратуре 930 °С, а длительность зависит от толщины требуемого цементованного слоя. Для получения цементованного слоя глу­ биной 1 мм при температуре 930 °С длительность процесса со­ ставляет около 10 ч.

После окончания цементации ящики вынимают из печи, охла­ ждают на воздухе, а затем распаковывают и вынимают детали.

Цементация в твердом карбюризаторе — малопроизводитель­ ный процесс, который применяется только при мелкосерийном и индивидуальном способе производства.

Газовая цементация наиболее широко применяется в массо­ вом производстве. Основной реакцией, обеспечивающей выде­ ление свободного атомарного углерода, является диссоциация метана и оксида углерода по реакции:

СН4 2Н2 + Сат,

2СО -> С02 + Сат.

В качестве карбюризатора используют разбавленный природ­ ный газ (метан), контролируемые атмосферы, получаемые в спе­ циальных генераторах, а также пары жидких углеводородов.