10. Термомеханическая и химико-термическая обработка стали

10.1. Термомеханическая обработка стали

Термомеханическая обработка позволяет повысить механические свой­ства стали по сравнению с полученными при обычной закалке и отпуске. Она сочетает пластическую деформацию стали в аустенитом состоянии с закал­кой. Различают два основных способа термомеханической обработки: высо­котемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпера­турную термомеханическую обработку (НТМО).

При высокотемпературной термомеханической обработке - сталь дефор­мируется при температуре выше точки А ₃, при которой сталь имеет аустенитную структуру (степень деформации при этом составляет 20-30%) с последую­щей немедленной закалкой (во избежание процесса рекристаллизации) (рис. 10,1);

При низкотемпературной термомеханической обработке - сталь дефор­мируют в температурной зоне существования переохлажденного аустенита (400-600 °С), температура деформации должна быть выше точки М_т, но ниже точки температуры рекристаллизации. Степень деформации обычно состав­ляет 75-95%. Закалку осуществляют сразу после деформации.

После закалки в общих случаях следует низкотемпературный отпуск (100-300°С).

Высокотемпературная термомеханическая обработка практически ус­траняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале температур, рез­ко повышает ударную вязкость при комнатных и пониженных температу­рах, понижает температурный порог хладноломкости, повышает сопротив­ление хрупкому разрушению стали, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термической обработке.

Низкотемпературная термомеханическая обработка позволяет полу­чить более высокую прочность, но не устраняет отпускную хрупкость. По­этому на машиностроительных заводах применяют в основном ВТМО. Вы­сокие механические свойства после термической обработки объясняются большой плотностью дислокаций в мартенсите, дроблением его кристаллов на отдельные фрагменты. Дислокационная структура формирующаяся в аустените при деформации унаследуется после закалки мартенситом. После де­формации аустенита последующая закалка приводит к образованию плот­ных скоплений дислокаций и соответственно к упрочнению стали.

ВТМО эффективно использовать для углеродистых, легированных, кон­струкционных и инструментальных сталей. Деформирование может осуществ­ляется различными способами - прокаткой, ковкой, волочением и кручением.

Новыми методами упрочняющей обработки является термомеханико – магнитная обработка, при которой ВТМО происходит при наложении маг­нитного поля, содействующее дроблению блоков и термоультразвуковая обработка, она заключается в закалке в жидкости, в которой возбуждены ультразвуковые колебания разрушающие паровую рубашку(что увеличива­ет прокаливаемость и повышает механические свойства

10.2. Химико-термическая обработка стали

Химико-термической обработкой (ХТО) - называют поверхностное насыщение стали соответствующим элементом путем его диффузии в атмос­ферном состоянии из внешней среды при высокой температуре. При ХТО происходят следующие процессы:

• диссоциация химических соединений, в состав которых входит на­сыщающий элемент;

• адсорбция (поглощение) поверхностью металла свободных атомов и растворения их в металле;

• диффузия проникновение насыщенного элемента вглубь металла.

В результате диффузии на поверхности образуется максимальная кон­центрация диффундирующего элемента, которая понижается по мере удале­ния от поверхности.

При определении толщины диффузионного слоя, полученного при на­сыщении стали элементами обычно указывается не полная толщина слоя с из­мененным составом, а только толщина до определенной твердости (концент­рации диффузионного элемента) - эффективная толщина диффузионного слоя.

10.2.1 ЦЕМЕНТАЦИЯ

При цементации поверхностные слои стали насыщают углеродом. Це­лью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом и последую­щей закалкой с низким отпуском. Для цементации используют низкоуглеро­дистые стали (0,12-0,23%С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия не насыщающаяся углеродом при цементации сохраня­ла высокую вязкость после закалки.

Различают два основных вида цементации: твердыми углеродосодержащими компонентами и газовую. В первом случае изделие укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором (обычно дре­весным углем). Сверху ящик закрывают крышкой, а щели замазывают огне­упорной глиной. Ящики укладывают в печь и выдерживают при Т=930-950°С (с учетом, что для получения каждого 0,1-0,12 мм цементированного слоя при Т=930 °С требуется 1 час).

Процесс газовой цементации осуществляется в печах с герметичной каме­рой, наполненной газовым карбюризатором. Цементирующими газами явля­ются углеводороды содержащие большое количество метана (природный газ).

Термическая обработка деталей после цементации. В зависимости от условий работы детали, а также от выбранной для нее стали режим упрочня­ющей термической обработки может быть различен.

Для тяжело нагруженных и испытывающих динамическое нагружение деталей необходимо обеспечить не только высокую поверхностную твердость,

но и высокую прочность, ударную вязкость. Указанные свойства достига­ются при условии мелкозернистой структуры как на поверхности изделия, так и в его сердцевине. Для получения такой структуры цементированные детали подвергают сложной термической обработке: двум последовательно проводимым закалкам и низкому отпуску.

При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30-50 °С выше температуры А_с3 цементируемой стали. Это вызывает кристаллизацию серд­цевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что и обеспечит мелкозернистость продуктов распада.

При второй закалке деталь нагревают до температуры А_с1 с превыше­нием на 30-50 °С. В процессе нагрева мартенсит полученный в результате первой закалки отпускается, что сопровождается образованием глобуляр­ных карбидов.

Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердость стали.

Детали менее ответственного назначения после цементации подверга­ют одной закалке и низкому отпуску.

Если для цементации используют наследственно мелкозернистые ста­ли и содержание углерода на поверхности стали близко к эвтектоидному, то и при одной закалке получают удовлетворительные свойства как в сердцеви­не, так и цементированном слое.

10.2.2. АЗОТИРОВАНИЕ

При азотировании поверхностные слои стали насыщают азотом, с це­лью повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и кор­розионной стойкости.

Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементированной стали и сохраняется при нагреве до более высоких температур (550-600 °С), тогда как твердость цементированного слоя с мартенситной структурой со­храняется только до 200-225 °С.

Азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали. Азотирование железа и нелегированной стали не приводит к получению вы­сокой твердости. Это объясняется тем, что легирующие элементы имеют боль­шее сродство с азотом, чем железо с азотом. В результате чего вокруг скоп­лений азота повышается концентрация легирующих элементов, приводящая к упругим искажением пространственной решетки твердого раствора, и, со­ответственно к высокой твердости азотированного слоя.

Технология процесса азотирования состоит из следующих стадий:

1) предварительной термической обработки заготовок (закалки и вы­сокого отпуска, для получения повышенной прочности и вязкости в сердце­вине изделия);

2. механической обработки деталей для придания окончательных раз­меров изделия;

3. защиты участков не подлежащих азотированию нанесением тонко­го слоя олова или жидкого стекла;

4. азотирования.

Азотирование рекомендуется выполнять при Т-500-520 °С. Оно осу­ществляется в печах, через рабочее пространство которых пропускается ам­миак. Диффузия азота в глубь детали идет с малой скоростью, поэтому для получения слоев толщиной 0,4-0,6 мм требуется выдержка 50-80 часов.

В последнее время получило распространение азотирование в тлеющем разряде. В этом процессе азотируемая деталь, служащая катодом, непрерыв­но бомбардируется ионами азота и при этом разогревается до температуры азотирования 500-520°С. Анодом служит контейнер. Азотирование в тлею­щем разряде позволяет сократить технологический процесс и получать ме­нее хрупкие слои.

Азотирование в жидких средах (тенифер - процесс) проводят в расплаве 40%CN0+60%NaCl при 570°С в течении 0,5-3,0 часа, путем пропускания через расплав сухого воздуха. Недостаток метода является высокая токсичность.

Азотированию подвергают цилиндры двигателей, насосов, втулки, клапана внутреннего сгорания, матрицы и пуансоны штампов.

10.2.3. НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ (ЦИАНИРОВАНИЕ) СТАЛЕЙ

Нитроцементация – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом при Т=840-860 °С в газовой среде состоящей из науглероживающего газа и аммиака. После нитроцементации применяют закалку и низкий отпуск при Т=160-180°С. Нитроцементации подвергаются детали сложной конфигурации склонные к короблению (за счет того, что процесс проходит при более низкой температуре 840-860°С вместо 910-930°С при цементации получается меньшая деформация и коробление. Цементацию широко применяют на автомобильных и тракторных заводах .

Цианирование- процесс диффузионного насыщения азотом и углеро­дом при Т=820-950 °С в расплавленных солях содержащих группу CN.

Различают среднетемпературное цианирование и высокотемпертурное цианирование. Среднетемпературное цианирование проводят при 820-860°С в расплаве 20-25% NaCN, 25-50% NaCl, 25-50% Na₂C0₃ с последующей закал­кой и низким отпуском (180-200°С). Оно применяется для упрочнения мел­ких деталей и режущего инструмента (толщина слоя 0,15-0,35 мм).

Высокотемпертурное цианирование проводят при 930-950°С в распла­ве 8% NaCN, 82% ВаС1₂, 10% NaCl. Охлаждение производят на воздухе, за­калку в соляной ванне. После высокотемпературного цианирования прово­дят низкотемпературный отпуск. Высокотемпературное цианирование по­зволяет получить слои большой толщины 0,5-2,0 мм.

Если за 100% принять стоимость газовой цементации, то стоимость цианирования составляет 134%, а нитроцементация-70%.

10.2.4. ДИФФУЗИОННОЕ НАСЫЩЕНИЕ МЕТАЛЛАМИ

Диффузионное насыщение металлами производится с целью упрочне­ния или придания особых физико-химических свойств поверхностному слою изделия. Диффузионная металлизация может проводиться в твердых жид­ких и газовых средах.

Диффузионное насыщение проводят при высоких температурах 900- 1100 "С. При этом существует два способа переноса диффузионного элемен­та на насыщаемую поверхность:

1. перенос путем испарения диффундирующих элементов в вакууме или в среде нейтральных газов.

2. перенос в результате обменных или обратимых химических реакций.

Диффузионное алитирование - проводят с целью повышения окалино-

стойкости до 850-900 °С. Оно осуществляется в расплавленном аммоните при 750-800 °С. Алитированию подвергаются чехлы термопар клапаны и другие детали работающие при высокой температуре.

Диффузионное хромирование - применяется для повышения окалиностойкости до 800°С и коррозионной стойкости.

Промышленное применение нашел процесс вакуумного хромирования. Хромированию подвергают детали паропроводной арматуры, а также дета­ли работающие на износ в агрессивных средах.

Силицирование - насыщение поверхности изделий кремнием - прово­дят для повышения коррозионнной стойкости в морской воде в азотной и соляной кислоте.

Применение комплексной диффузионной металлизации сталей алю­минием и кремнием повышает пластичность, жаростойкость и износос­тойкость покрытий.

Бороалитирование повышает пластичность жаростойкость и износос­тойкость поверхностного слоя.

Упрочнение методом пластической деформации (наклепом) -применяется для повышения усталостной прочности изделий. Осуществляется двумя спо­собами: дробеструйной обработкой и обработкой роликами. Этому виду об­работки подвергаются изделия типа пружин и рессор, звеньев цепей, зубчатые колеса. Сущность упрочения сводится к повышению плотности дислокации.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НА ПАМЯТЬ

1. Различают два основных способа термомеханической обработки: высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотем­пературную термомеханическую обработку (НТМО) .

2. Высокотемпературная термомеханическая обработка практичес­ки устраняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале темпера­тур, резко повышает ударную вязкость при комнатных и пониженных тем­пературах, понижает температурный порог хладноломкости, повышает со­противление хрупкому разрушению стали, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термической обработке.

Низкотемпературная термомеханическая обработка позволяет полу­чить более высокую прочность, но не устраняет отпускную хрупкость.

3. Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом и последующей закалкой с низким отпуском. Для цементации используют низкоуглеродистые стали (0,12-0,23%С).

4. При азотировании осуществляют насыщение поверхностного слоя стали азотом, с целью повышения твердости, износостойкости, предела вы­носливости и коррозийной стойкости. Азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали.

5. Нитроцементация - процесс диффузионного насыщения поверх­ностного слоя одновременно углеродом и азотом при Т=840-860 °С в газо­вой среде состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Нитроцементации подвергаются детали сложной конфигурации склонные к короблению.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Чем отличается высокотемпературная термомеханическая обра­ботка от низкотемпературной термомеханической обработки?

2. Чем объясняются высокие механические свойства после высоко­температурной термомеханической обработки?

3. Какие процессы происходят на поверхности стали при химико- термической обработке?

4. Что называется эффективной толщиной диффузионного слоя?

5. Почему для цементации используют низкоуглеродистые стали?

6. Какие различают виды цементации?

7. Какая термообработка применяется для деталей после цементации?

8. Почему азотирование железа и нелегированной стали не приво­дит к получению высокой твердости?

9. В чем отличие нитроцементации от цианирования?