16.2. Отпуск

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Он частично или полностью устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке.

Отпуск имеет важное практическое значение. Именно в процессе отпуска стальные изделия приобретают свойства, определяющие их поведение в эксплуатации. Температура отпуска обусловливается требованиями механических свойств детали.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 250С. Цель - сниже-ние внутренних напряжений. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Высокая твердость и износостойкость сохраняются. Сохраняется также низкая ударная вязкость. Данному отпуску подвергается металлорежущий инструмент.

Среднетемпературный (средний) отпуск проводится при температурах 350-500С, структура мартенсита переходит в тростит отпуска. Такой отпуск обеспечивает наиболее вы-сокий предел упругости и несколько повышает вязкость. Такой отпуск применяется для рессор, пружин, а также инструмента, испытывающего ударные нагрузки.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при температуре 500-680С, структура стали после высоко отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилуч-шие соотношения прочности и вязкости.

Таблица 10

Влияние термической обработки на механические свойства стали с 0,45%С

Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) повышает временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Термообработку, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением.

Продолжительность отпуска зависит от конкретных изделий. Обычно в течение 1,5 часов напряжения снижаются до минимальной величины, соответствующей данной темпе-ратуре отпуска. Некоторым изделиям (измерительный инструмент) делают более продолжи-тельный отпуск.

12.1. Цементация

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс насыщения поверхности деталей углеродом (цементация), азотом (азотирование), углеродом и азотом (цианирова-ние), алюминием (алитирование), хромом (хромирование), бором (борирование) и другими элементами с последующей, если это необходимо, термической обработкой с целью измене-ния химического состава, структуры и механических свойств поверхностных слоёв деталей.

При ХТО одновременно протекают несколько процессов:

1. Образование в окружающей среде (или в отдельном реакционном объеме) диффунди-рующего элемента в атомарном (ионизированном) состоянии; насыщающая атмосфера должна обеспечивать высокую концентрацию диффундирующего элемента на поверх-ность обрабатываемого металла (изделия). Количество атомов, поступающих из насы-щенной среды в металл, в основном определяется скоростью химических реакций (или испарения), связанной с выделением насыщающего вещества;

2. Адсорбция атомов (ионов) на поверхность металла с образованием химических связей между ионами насыщающего элемента основного металла (хемосорбция);

3. Диффузия адсорбированных атомов от поверхности в глубь обрабатываемого металла (изделия).

В результате диффузии образуется диффузионный слой, под которым понимаю слой материала детали у поверхности насыщения, отличающего от исходного по химическому составу, структуре и свойствам. Концентрация диффундирующего элемента уменьшается от поверхности металла в глубь металла (рис. 59). Как следствие этого изменяется структура и свойства.

ХТО широко применяют для упрочнения деталей машин. Это объясняется тем, что большинство деталей машин работают в условиях изнашивания кавитации, циклических нагрузок, коррозии при криогенных и высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжений. ХТО, повышая твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость и создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность деталей машин.

Цементация - процесс насыщения поверхности деталей углеродом с последующей термической обработкой..

Цель цементации - повышение прочности, твёрдости и изменения стойкости поверх-ностных слоёв деталей при сохранении вязкой сердцевины. Цементации подвергаются угле-родистые (стали 10,15,20и25) или низколегированные (15Х, 15ХР, 20ХН, 20Х, 20ХГР, 20ХНР, 18ХГТ, 12ХНГЗ и др.) стали, содержащие до 0,25%С. После цементации поверхно-стные слои должны содержать до 0,8-1,1%С на глубине до 2,5 мм. Процесс насыщения угле-родом в среде, содержащей атомарный углерод (карбюризатор), происходит при высокой (930-9500С) температуре, обеспечивающей высокую растворимость углерода в железе. Леги-рующие элементы, оказывая влияние на процессы адсорбции и диффузии атомов углерода и стали, увеличивают степень науглероживания (Мо, W, Ti, Mn, Cr и др.) или уменьшают (Ni, Si и др.). В зависимости от типа карбюризатора различают два вида цементации: в твёрдом кар-бюризаторе и газовая цементация.

• При цементации в твёрдом карбюризаторе детали помещают в металлический ящик с древесным (чаще берёзовым) углем и добавками углекислых солей бария (ВаСО3) и натрия (Na2CO3) в количестве 10-40% от веса угля. Ящик закрывают крышкой, герметизируют огне-упорной глиной и нагревают до 930-9500С. При этой температуре происходит образование атомарного углерода из древесного угля:

2С + О2 + 2 СО;

2 СО СО2 + С,

из углекислого бария:

ВаСО3  ВаО + СО2;

СО2 + С  2 СО;

2СО  СО2 + С,

из углекислого натрия:

Na2CO3 + C  Na2O + 2 CO;

2 CO  CO + C.

Образовавшийся углерод диффундирует в поверхностные слои детали.

• При газовой цементации карбюризаторами могут быть метан (СН4), этан (С2Н6), пропан (С3Н8) и окись углерода (СО). Продолжительность цементации зависит от глубины и температуры цементации.

После цементации твёрдость увеличивается, но на неполную величину.

Для получения максимальной твёрдости и износостойкости поверхности детали после це-ментации необходима термическая обработка, которая может быть трёх видов:

а) для деталей, от которых требуется только поверхностная твёрдость, проводится за-калка с температуры нагрева под цементацию и низкий отпуск;

б) при повышенных требованиях к структуре и свойствам деталей проводят охлажде-ние после цементации на воздухе, закалку с температуры 850 - 9000С и низкий отпуск;

в) для обеспечения особо высоких требований к цементированным деталям проводят охлаждение после цементации на воздухе, первую закалку с температуры 850 - 9000С (для измельчения структуры сердцевины и устранения цементитной сетки), вторую закалку с температуры 760 - 8000С (для улучшения свойств поверхности) и низкий отпуск.

После термической обработки поверхность и цементованный слой имеет струк-туру мартенсита отпуска, а сердцевина - низкоуглеродистого мартенсита (если закалка про-изводилась с 9000С) или мартенсита с ферритом (если закалка производилась с 7600С). В обоих случаях сердцевина является пластичной.

12.2. Диффузионное насыщение металлами

Поверхностное насыщение стали алюминием, хромом и цинком и другими элементами называют диффузионным насыщением металлами.

Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относятся высокая жаростойкость, коррозионностойкость, повы-шенная износостойкость и твердость.

В зависимости от методов переноса диффузионного элемента на насыщающую по-верхность различают следующие основные способы диффузионного насыщения металлами:

• погружения в расплавленный металл, если диффундирующий элемент имеет низкую температуру плавления ( например, алюминий, цинк);

• насыщение из расплавленных солей, содержащих диффундирующий элемент (с электро-лизом и без электролиза);

• насыщения из сублимированной фазы путем испарения диффундирующего элемента;

• насыщение из газовой фазы (контактным и неконтактным методом), состоящей из гало-генных соединений диффундирующего элемента.

На границе раздела газовая фаза - обрабатываемая поверхность могут протекать сле-дующие реакции.:

1. реакция обмена: МГn + Fe  Fe Гn + M;

2. реакция диссоциации: МГn  МГn;

3. реакция диспропорционирования: МГn  M + M Гm, где М - диффундирующий металл; Г - соответствующий галоид (Cl, F, Br); n и m - стехиометрические коэффициенты (целые числа).

Алитирование - насыщение поверхности стали алюминия. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 850 -9000С), так как в процессе нагрева на поверхности алитированных изделий образуется плотная пленка окиси алюминия Al2O3, предохраняющая металл от окисления.

Структура алитированного слоя представляет собой твердый раствор алюминия в -железе. Твердость алитированного слоя (на поверхности) до 500 HV, износостойкость низ-кая.

Хромирование - насыщение поверхности стальных изделий хромом. Это процесс обес-печивает повышенную устойчивость стали к газовой коррозии (оклиностойкость) при температуре до 8000С, высокую коррозионную стойкость в таких средах, как вода, морская вода и азотная кислота. Хромирование сталей, содержащих свыше 0,3 - 0,4 % С, повышает также твердость и износостойкость. Диффузионный слой, получаемый при хромировании технического железа, состоит из твердого раствора хрома в -железе. Карбидный слой обладает высокой твердостью. Твердость слоя, полученного хромирования железа, 250 - 300 HV, а хромированием стали - 1200 - 1300 HV.