Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория и методы технологического воздействия на среду и объекты с помощью термической обработки материалов в сельскохозяйственном производстве. Учебно.pdf
При отжиге она минимальная и составляет 0,05…0,1 °С/с (ох-
Ar
tV−
лаждение вместе с печью).
При нормализации – 1…10 °С/с (охлаждение на спокойном воздухе).
При закалке в масле – 50…100 °С/с, а при закалке в воде –
350…500 °С/с, что превышает критическую скорость закалки.
Критическая скорость закалки Vкр(°С/с) – минимальная скорость охлаждения, при которой образуется только мартенситная
структура, определяется по формуле:
1 min
⋅τ
,
min
=
кр
1, 5
где Аr1 – температура критической точки, °С;
t
– температура минимальной устойчивости аустенита, °С;
min
τ
– время минимальной устойчивости аустенита, с.
min
Все эти величины для каждой заданной марки стали можно
установить по соответствующей диаграмме изотермического или
термокинетического превращения аустенита.
Скорость охлаждения при отпуске изделий из углеродистой
стали не лимитируется.
2.4.2.4 Закалка стали с последующей обработкой холодом
Обработку стали холодом применяют для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленных высокоуглеродистых сталях (см. рис. 6), у которых температура конца мартенситного превращения находится в области отрицательных температур, и в этом случае в сталях после закалки наряду с мартенситом остается сравнительно большое количество аустенита, который снижает твердость
закаленной стали, ухудшает ее износостойкость, изменяет размеры
детали. При охлаждении до –70…–190 °С остаточный аустенит превращается в мартенсит.
Обработку холодом проводят непосредственно после закалки
путем погружения изделий в смесь авиационного бензина с жидким
азотом на 1–1,5 часа.
41
Обработка холодом обычно применяется:
– для инструмента из быстрорежущих сталей и деталей шарикоподшипников с целью повышения твердости;
– для улучшения свойств постоянных магнитов;
– для стабилизации размеров точного измерительного инструмента (например, калибров).
Все закаленные детали подвергают отпуску.
2.4.3 Отпуск
Отпуск является заключительной операцией ТО. Он производится после любой закалки (как бы она ни называлась); желательно,
а для некоторых сталей обязательно, проводить его сразу после закалки.
Целью отпуска является получение требуемых от детали эксплуатационных свойств, обеспечивающих надежность и долговечность машины, механизма, узла.
Необходимость проведения отпуска объясняется тем, что полученная после закалки структура мартенсит имеет огромный запас
внутренних напряжений, которые делают ее ненадежной и от которых она стремится избавиться. Отпуск помогает этому стремлению
осуществиться, следовательно, повышает вязкость, пластичность
стали, т.е. формируются окончательная (эксплуатационная) структура стали и ее свойства.
В зависимости от температуры нагрева и полученных при этом
структур и свойств стали различают низкий, средний и высокий
виды отпуска.
2.4.3.1 Низкий отпуск
Проводится с целью чуть-чуть снизить остаточные напряжения
без существенного снижения твердости.
Режимы: 1. Температура нагрева t = 150…250 °С. 2. Время
в печи = 1…4 ч (в зависимости от размеров, массы и формы детали,
типа печи и др.). 3. Охлаждение – любое, т.е. допускается на воздухе,
в воде и др.
При этом отпуске твердость практически не снижается (может
на 1–3 НRC увеличиваться или уменьшаться) и составляет обычно
58–62 HRC, что обеспечивает износостойкость детали. Внутренние
42
напряжения снижаются незначительно (на 10–25 %), строение практически не изменяется, и структура называется мартенсит отпуска.
Отпуск при температурах до 250 °С применяют обычно для
изделий из конструкционной стали, предварительно подвергнутых
цементации, нитроцементации, цианированию и поверхностной
закалке.
Применяется низкий отпуск для деталей, работающих на износ (инструмент режущий и измерительный, почвообрабатывающие
орудия, зубчатые колеса и др.).
2.4.3.2 Средний отпуск
Средний отпуск проводят с целью более полно снять напряжения и повысить ударную вязкость за счет более значительного снижения твердости.
Режимы: 1. Температура нагрева t = 350…500 °С. 2. Время
в печи = 1…4 ч. 3. Охлаждение – любое.
При этом отпуске значительно (на 60–80 %) снижаются внутренние напряжения, изменяется строение стали, обеспечивая самую высокую упругость при твердости 40–50 HRC. Получающаяся структура называется троостит отпуска; состоит она из мелких зерен феррита
(Ф) и округлых мелких зерен (включений) цементита (Ц). Применяется
средний отпуск для рессор, пружин, торсионных валов и др.
2.4.3.3 Высокий отпуск
Высокий отпуск проводят обычно для деталей из легированных
сталей с целью получить хорошее сочетание прочности и ударной
вязкости.
Режимы: 1. Температура нагрева t = 550…600 °С. 2. Время
в печи = 1…4 ч. 3. Охлаждение: углеродистые стали – любое (предпочтительно на воздухе), легированные стали – в воде или масле.
При высоком отпуске внутренние напряжения снимаются практически полностью, твердость уменьшается до 25–35 HRC, получающаяся структура называется сорбит отпуска и состоит из зерен Ф
и включений глобулей (шаров) Ц, которые примерно в три раза больше, чем у троостита отпуска. Структура сорбит отпуска имеет максимальную вязкость, т.е. это наиболее надежная из всех структур.
Поэтому высокий отпуск применяется для деталей, работающих
43
при циклических или переменных нагрузках (валы, оси, шестерни,
5000 ,h
f
ρ
≈
µ⋅
шатуны и др.).
Полная закалка среднеуглеродистых сталей (С = 0,4–0,6 %)
с последующим высоким отпуском называется улучшением стали,
т.к. дает самую надежную структуру (максимальную вязкость).
2.4.4 Поверхностная закалка
Чтобы получилась поверхностная закалка, необходимо нагреть
до закалочных температур только поверхностный слой на нужную глубину. В этом случае закалится только поверхностный слой,
а сердцевина не закалится, т.к. там для закалки не хватает температуры нагрева. Следовательно, поверхностный слой надо нагревать очень быстро, так, чтобы теплопроводность не успела передать
тепло в глубину. Это можно сделать токами высокой частоты, газои керосинопламенным нагревом, нагревом в расплавах солей или
металлов, электро-контактным нагревом, электродуговым нагревом,
нагревом электронным или лазерным лучом, потоком плазмы.
Закалка с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Этот метод разработан в 1923–1924 гг. В.П. Вологодиным. Суть его заключаются в следующем: в индуктор, изготовленный из трубок чистой
меди, внутри которых циркулирует холодная вода под давлением
и повторяющий форму детали, ставится сама деталь. Затем включается ТВЧ, и переменное электромагнитное поле индуктирует в поверхности детали вихревые точки, которые, по закону Джоуля-Ленца, выделяют огромное количество тепла (Q = 0,24I2∙Rt). Изменяя
силу тока I, можно в широких пределах изменять скорость нагрева.
Плотность тока по сечению детали неравномерна и преимущественно концентрируется в поверхностном слое, глубина которого может
быть рассчитана по формуле:
мм,
где ρ – удельное электросопротивление , Ом∙мм2/м;
μ – магнитная проницаемость, Г∙с/Э;
f – частота тока, Гц.
44
Из формулы следует, что толщину h прогреваемого слоя можно регулировать, меняя частоту тока f. Обычно применяются частоты тока от 500 до 107 Гц, и толщина закаленного слоя составляет
2…100 мм, а время нагрева 1…15 с. Так как нагрев производится
очень быстро, то допускается и рекомендуется нагрев стали под закалку на 100…200 °С выше, чем при обычной закалке (здесь перегрев позволяет быстро закончить фазовую перекристаллизацию,
а малое время не позволяет зернам аустенита вырасти). Сразу после нагрева (немедленно) деталь быстро охлаждают либо спрейером (душ со всех сторон) или в емкости с охлаждающей средой
(причем правило охлаждения «углеродистые стали в воде, а легированные в масле» сохраняется). В результате такой закалки твердость поверхности детали на 2…4 HRC больше, чем при обычной
закалке этой стали.
После закалки ТВЧ детали подвергают низкому отпуску при
температуре 150…200 °С, и они готовы к работе, имея твердую износостойкую поверхность и вязкую надежную сердцевину.
Закалке ТВЧ подвергают детали, изготовленные из среднеуглеродистых сталей (С = 0,3–0,6 %) и низколегированных с таким же
содержанием углерода. Такой закалке подвергают зубья шестерен,
звездочек, шейки валов, головку рельсов и др.
Преимущества закалки ТВЧ по сравнению с обычной закалкой
следующие:
1) большая экономичность, т.к. нет необходимости расходовать
тепло на нагрев всей детали;
2) значительно меньше брак по короблению и образованию за-
калочных трещин;
3) меньше окалинообразование и выгорание углерода из стали;
4) эксплуатационные свойства детали после закалки ТВЧ выше,
чем при обычной закалке;
5) легко можно регулировать толщину закаленного слоя;
6) процесс закалки легко автоматизируется и без затруднения
вписывается в поточные линии механических цехов завода;
7) высокая производительность труда;
8) позволяет в ряде случаев заменить легированные стали более дешевыми углеродистыми без ущерба для надежности и долговечности детали (машины).
45
Недостатки закалки ТВЧ:
1) необходимость дорогого специализированного оборудования;
2) необходимость для каждой детали иметь свой индуктор.
Контрольные вопросы
1. От чего зависят свойства сплава?
2. Что такое термообработка и с какой целью она производится?
3. Перечислить основные операции термической обработки.
4. Что такое аустенит и при каких температурах для углеродистых сталей эта структура устойчива?
5. Что такое мартенсит и каковы его свойства?
6. Цель закалки и как она достигается?
7. В каких случаях необходимо применять полную, в каких неполную закалку?
8. Что такое критическая скорость закалки?
9. Какие структуры получаются при охлаждении стали, нагретой до аустенитного состояния со скоростью ниже критической?
10. Что такое троостит и сорбит и в чем их отличие?
11. При каких условиях из мартенсита получаются сорбит
и троостит?
12. Какой интервал температур применяется при закалке?
13. Какие применяются виды отпусков?
14. Каковы причины изменения механических свойств закаленной стали в процессе ее отпуска?
15. Какие интервалы температур применяются при отпуске?
3 ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
3.1 Общие положения
Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс,
сочетающий в себе поверхностное насыщение стали тем или иным
элементом при высокой температуре и термическую обработку, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.
Химико-термическая обработка (ХТО) – сочетание химического и термического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении. При этом происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (C, N, B, Al, Cr, Si, Ti
и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды
(твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.
Виды химико-термической обработки:
– цементация (насыщение С);
– азотирование (насыщение N);
– цианирование (насыщение С и N);
– диффузионная металлизация (насыщение Сг, А1, Si В и др.) –
хромирование, алитирование, силицирование, борирование и т.д.
ХТО применяют с целью:
– поверхностного упрочнения металлов и сплавов (повышения твердости, износостойкости, усталостной и коррозионно-усталостной прочности, сопротивления кавитации и т.д.);
– сопротивления химической и электрохимической коррозии
в различных агрессивных средах при комнатной и повышенных температурах;
– придания изделиям требуемых физических свойств (электрических, магнитных, тепловых и т.д.);
– придания изделиям соответствующего декоративного вида
(преимущественно с целью окрашивания изделий в различные цвета);
– облегчения технологических операций обработки металлов
(давлением, резанием и др.).
47
Требуемые свойства диффузионных (поверхностных) слоев могут формироваться как в процессе химико-термической обработки
(азотирование, хромирование, борирование и др.), так и при последующей термообработке (цементация, нитроцементация).
При химико-термической обработке происходят следующие
процессы.
1. Диссоциация химических соединений, в состав которых
входит насыщающий элемент.
2. Адсорбция (поглощение) поверхностью детали насыщаю-
щих атомов.
3. Диффузия – проникновение насыщающих атомов в глубь
металла детали. Характеризуется свойствами металла и элементов
внедрения (в частности, коэффициентами диффузии).
Различают два вида диффузии:
а) самодиффузия, когда происходит перемещение атомов ос-
новного металла в собственной кристаллической решетке;
б) гетеродиффузия, когда происходит перемещение инородных
(растворенных) атомов в чужой кристаллической решетке.
Скорость диффузии при проникновении диффузионных атомов
в решетке Fe неодинакова и зависит от типа образующегося твердого раствора. При насыщении углеродом или азотом, образующими
с Fe твердые растворы внедрения, диффузия протекает обычно значительно легче, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения.
Распределение элементов внедрения по сечению неравномерно.
Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала
по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим
составом называется сердцевиной.
Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от активности окружающей среды, обеспечивающей приток
атомов этого элемента к поверхности, и скорости диффузионных процессов, приводящих к проникновению этих атомов в глубь металла.
Глубина проникновения зависит от температуры и продолжительности насыщения, а также от концентрации диффундирующего
элемента на поверхности (С, %).
Толщина диффузионного слоя в зависимости от продолжительности процесса τ при данной температуре. C увеличением времени
48
выдержки скорость увеличения толщины слоя непрерывно уменьшается. Толщина диффузионного слоя при прочих равных условиях
тем больше, чем выше концентрация С, % , диффузионного элемента на поверхности металла. При повышении температуры скорость
диффузии увеличивается. Поэтому с повышением температуры толщина слоя возрастает.
Из этого следует, что успешнее всего ХТО можно вести при высокой температуре нагрева.
3.2 Цементация
Цементацией называется процесс насыщения углеродом поверхностного слоя деталей, изготовленных из малоуглеродистых
(0,1–0,3 % С) сталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические (ударные) или переменные нагрузки. После насыщения поверхностного слоя деталей
углеродом на глубину 1…2 мм и последующей их термообработки
(закалка + низкий отпуск) получается твердая износостойкая поверхность и вязкая надежная сердцевина детали, что обеспечивает ее
долговечность и надежность. К таким деталям относятся: зубчатые
колеса, шейки валов, оси, рычаги, поршневые пальцы, крупногабаритные детали и др., изготавливаемые из сталей, которые в исходном (до цементации) состоянии не закаливаются или их нет смысла
закаливать из-за недостаточной закаливаемости (твердости после закалки) или износостойкости.
Различают два основных вида цементации: твердую углеродосодержащую смесь (карбюризаторы) и газовую.
Целью цементации является получение твердой износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного
слоя углеродом до концентрации 0,8–1,2 % и последующей закалкой
с низким отпуском.
Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают предел выносливости.
Для цементации обычно используют низкоуглеродистые качественные стали 0,1…0,18 % (стали 08, 10, 15 и 20). Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием
49
углерода (0,2…0,3 %), легированные 15Х, 20Х, 12ХН2 и др., для
тяжелонагруженных деталей – стали 18ХГТ, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А.
Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки. Твердость поверхностного слоя для
углеродистой стали составляет 60…64 HRC, а для легированной –
58…61 HRC; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.
Цементации подвергают детали после механической обработки
с припуском на шлифование от 0,05 мм до 0,1 мм. Места, не подлежащие цементации, защищают (обмазывают) глиной, асбестом,
покрывают медью.
При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают
в ящики, засыпают древесным углем. Ящики закрывают стальной
крышкой, а щели замазывают огнеупорной глиной. Затем ящики закатывают в печь, нагретую до температуры 930…950 °С, и выдерживают там из расчета скорости цементации 0,1 мм в час. Таким
образом, если нам нужна глубина науглероженного слоя h = 2,0 мм,
то ящики будут находиться в печи 20 часов, после чего их выкатят
и охладят на воздухе.
При нагреве углерод древесного угля, соединяясь с кислородом
воздуха, образует оксид углерода, который, в свою очередь, взаимодействуя с железом, дает атомарный углерод. Этот активный углерод
поглощается аустенитом и диффундирует в глубь изделия. Для ускорения процесса цементации к древесному углю (коксу) добавляют
активизаторы: углекислый барий (ВаСО3) и кальцинированную соду
(Na2CO3) в количестве 10…40 % от массы угля.
Для газовой цементации в качестве карбюризатора используют
природный газ, жидкие углеводороды (керосин, бензин и т.д.) или контролируемые атмосферы. При нагреве образуется атомарный углерод:
2CO→CO2 + C
или CH4→2H2 + C
атом
атом
.
Атомарный углерод поглощается поверхностью стальных деталей, находящихся при этой температуре в аустенитном состоянии.
В результате образуется цементованный слой.
50