21 Закалка стали. Способы закалки. Охлаждающие среды

В зависимости от состава стали, формы и детали выбирают способ закалки. К основным способам закалки относятся: закалка в одном охладителе, прерывистая закалка, изотермическая закалка и различные сочетания этих способов.

Закалка в одном охладителе – это наиболее распространенный способ закалки, заключается в нагреве стали выше T, соответствующих критической точке A_c1 и A_c3 с последующей выдержкой и охлаждением со V(скоростью) выше критической в охладителе.

Закалка в двух средах – заключается в том, что нагретую до необходимой T деталь, выдержанную при этой T, переносят в охладитель, обеспечивающий такую скорость охлаждения, которая предотвратила бы распад переохлажденного аустенита в области T-ы минимальной устойчивости аустенита.

Струйчатая закалка – этот способ применяется тогда, когда нет необходимости закаливать деталь на одинаковую твердость по всей поверхности. Для таких деталей, как зубило с высокой твердостью рубящей кромки и сохранении вязкого хвостовика;

Закалка самоотпуском – этот способ практически несет то же функциональное назначение, что и струйчатая закалка, например зубило, нагревают до заданной T и переносят в охлаждающую среду только рабочую часть, затем после извлечения из закалочной среды проводят выдержку на воздухе, в результате которой рабочая часть отпускается за счет нагрева от нерабочей, неохлажденной части.

Ступенчатая закалка – этот способ является разновидностью способа закалки в двух средах. Однако является более эффективной с точки зрения обработки детали деталь переменного сечения.

Изотермическая закалка – в отличие от ступенчатой при изотермической закалке деталь помещают в охлаждающую среду с T несколько выше T начала мартенситного превращения и выдерживают в этой среде до полного завершения превращения.

Закалка с обработкой холодом – после закалки в высокоуглеродистых и особенно легированных сталей в структуре сохраняется аустенит остаточный, количество которого может достигать 40%. В результате обработки холодом повышается твердость и стабилизируются размеры деталей. Наиболее распространенной охлаждающей средой служит смесь ацетона с углекислотой (-78°С).

22 Отпуск. Виды отпуска, назначение, микроструктуры.

Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур ниже критической точки А_с1 выдержка при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе). Отпуск является окончательной термической обработкой. Целью отпуска является изменение строения и свойств закаленной стали: повышение вязкости и пластичности, уменьшение твердости, снижение внутренних напряжений. Различают три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный. При низкотемпературном отпуске закаленную сталь нагревают до 150—250 °С. После выдержки при этой температуре (обычно 1—3 ч) в детали получают структуру отпущенного (кубического) мартенсита При низком отпуске частично снимаются закалочные напряжения.

При среднетемпературном отпуске закаленную сталь нагревают до 350—400 °С. В результате получается структура троостита (бейнит). После такого отпуска в изделиях получается сочетание сравнительно высокой твердости и прочности с хорошей упругостью и достаточной вязкостью, поэтому среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.

При высокотемпературном отпуске закаленные изделия нагревают до 450—650 °С. После такого нагрева и соответствующей выдержки в изделиях получается структура сорбита. Поэтому в результате высокотемпературного отпуска при одной и той же температуре, а следовательно, при одной и той же структуре, легированные конструкционные стали имеют более высокую прочность и пластичность, чем углеродистые. Это и является одной из основных причин применения легированных сталей для изготовления деталей ответственного назначения, испытывающих сложные напряжения при эксплуатации.

23. Химико-термическая обработка (ХТО) - нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных).В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. Их называют, насыщающими элементами или компонентами насыщения. В результате ХТО формируется диффузионный слой. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.

В зависимости от насыщающего элемента различают следующие процессы химико-термической обработки: однокомпонентные, многокомпонентные.

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.);

Диффузионное насыщение металлами — поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком, кремнием и другими элементами. Один из методов упрочнения материалов.

Твёрдая диффузионная металлизация

Металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония. В результате реакции металлизатора с HCl или Cl2 образуются летучие соединение хлора с металлом, которое в результате контакта с металлической поверхностью диссоциирует с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная металлизация

Данный вид металлизации проводят погружением детали в расплавленный металл, если диффундирующий металл имеет низкую температуру плавления.

24. Цементация стали — поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости. Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.2 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900—950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) — при 850—900 °С. После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

Способы цементации:

в твёрдом карбюризаторе, в газовом карбюризаторе, в кипящем слое, в растворах электролитов, в пастах

Цементация в твёрдом карбюризаторе

Технология процесса состоит в следующем: Загрузка деталей в стальной ящик с герметичным песчаным затвором. Укладка деталей производится таким образом, чтобы они были покрыты карбюризатором со всех сторон, не соприкасались друг с другом и стенками ящика. Далее ящик герметично закрывается песчаным затвором или замазывается огнеупорной глиной и загружается в печь. Стандартный режим: 900-950 градусов, 1 час выдержки (после прогрева ящика) на 0,1 мм толщины цементированого слоя

Цементация в газовом карбюризаторе

Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

Цементация в кипящем слое

Цементация в слое мелких частиц (0,05-0,20 мм) корунда, через который проходит восходящий поток эндогаза с добавкой метана (кипящий слой). При прохождении газа частицы становятся подвижными и слой приобретает некоторые свойства жидкости (псевдоожиженный слой).

25. Азотирование — это технологический процесс химико-термической обработки, при которой поверхность различных металлов или сплавов насыщают азотом в специальной азотирующей среде. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и приобретает повышенную коррозионную стойкость и высочайшую микротвёрдость.

Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию: стали углеродистые и легированные, конструкционные и инструментальные, высокохромистые чугуны, хром. Титан и титановые сплавы. бериллий, порошковые материалы.

Назначение азотирования:

Упрочнение поверхности. Защита от коррозии. Повышение усталостной прочности

Основные процессы азотирования:

Газовое азотирование

Насыщение поверхности металла производится при температурах от 400 до 1200 градусов Цельсия. Средой для насыщения является диссоциированный аммиак.

Каталитическое газовое азотирование

Это последняя модификация технологии газового азотирования. Средой для насыщения является аммиак, диссоциированный при температуре 400—600 градусов Цельсия на катализаторе в рабочем пространстве печи. Для управления структурой и механическими свойствами слоя при каталитическом газовом азотировании сталей применяют изменение потенциала насыщения.

Ионно-плазменное азотирование

Технология насыщения металлических изделий в азотсодержащем вакууме (примерно 0,01 атм.), в котором возбуждается тлеющий электрический разряд. Анодом служат стенки камеры нагрева, а катодом — обрабатываемые изделия.

Азотирование из растворов электролитов

Анод-деталь, при наложении постоянного напряжения в диапазоне от 150 до 300 В разогревается до температур 450—1050 °C. Достижение таких температур обеспечивает сплошная и устойчивая парогазовая оболочка, отделяющая анод от электролита.

26. Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называется наклепом. При этом изменяется строение металла: искажается кристаллическая решетка и деформируются зерна. Это сопровождается увеличением твердости и прочности в 1,5 — 3 раза. Упрочнение поверхности пластическим деформированием повышает надежность работы деталей, снижает чувствительность к концентраторам напряжений, повышает сопротивление изнашиванию и коррозионную стойкость, устраняет следы предыдущей обработки.

Накатка роликами и шариками — операция, при которой стальной закаленный ролик (шарик), обкатывая упрочняемую поверхность при заданной нагрузке (нажатии), деформирует, т. е. сминает поверхностный слой металла на определенную глубину. Происходит упрочнение — наклеп. Глубина упрочненного слоя — 0,5 — 2,0 мм.

Дробеструйная обработка — операция, при которой частицы твердого металла (дробь), вылетая из дробемета с большой скоростью (90 — 150 м/с), ударяют по упрочняемой поверхности, происходит ее наклеп. Прочность, твердость и предел усталости повышаются. Толщина упрочненного слоя составляет 0,2 — 0,4 мм. Дробеструйному наклепу подвергают пружины, рессоры, зубчатые колеса, валы торсионные и т. п. Например, рессорные листы после термо­обработки перед сборкой в пакет подвергают дробеструйному наклепу, что значительно увеличивает срок службы рессоры (в 5 — 6 раз). Дробеструйная обработка является конечной технологической операцией для деталей после механической и термической обработки. Оборудованием являются дробеметы.