ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Термической обработкой деталей из металлов и спла­вов называется тепловое воздействие с целью придания им необходимых свойств. Тепловое воздействие может сочетаться одновременно с химическим воздействием. Такие процессы относятся к химико-термическим.

Различают следующие виды термической обработки: отжиг, закалку, отпуск и старение.

Отжиг бывает 1-го и 2-го рода. Сущность отжига 1-го рода заключается в нагреве заготовок выше темпе­ратуры фазового превращения с последующим мед­ленным охлаждением (иногда вместе с печью). Разли­чают следующие разновидности отжига 1-го рода:

гомогенизационный, применяемый для выравнивания структуры, особенно крупных стальных отливок, поко­вок; рекристаллизационный, устраняющий изменения структуры, возникающие, в частности, в процессе обра­ботки металлов давлением, при котором они получают наклеп, сопровождаемый заметным повышением твердо­сти и снижением пластичности;

отжиг, снимающий или уменьшающий остаточные внутренние напряжения, возникающие при различных технологических операциях (холодной обработке давле­нием, сварке и др.).

С помощью отжига 2-го рода, или полного отжига, изменяют структуру сплава и устраняют внутренние на­пряжения. Заготовки нагревают до температуры, превы­шающей на 30 — 50 °С температуру фазового превраще­ния, и медленно охлаждают вместе с печью. Такой процесс термообработки проводят после штамповки, от­ливки заготовок, а также после черновой механической обработки с целью понижения твердости.

Разновидностью отжига 2-го рода является нормализации, при которой заготовки охлаждают на возду­хе. В отдельных случаях нормализация улучшает обра­батываемость материалов резанием (например, очень вязких сталей), вызывая некоторое повышение механиче­ской прочности.

Закалка — это процесс, осуществляемый для повы­шения твердости и прочности материала. При закалке за­готовки (наиболее часто стальные) нагревают выше тем­пературы превращения и быстро охлаждают в воде, минеральном масле, растворах солей или в расплав­ленных солях (270 — 290 °С). Тип охлаждающей среды определяет скорость охлаждения, которая влияет на по­лучение той или иной структуры.

Большинство конструкционных сталей нагревают при закалке до температуры 850 —900 °С, а охлаждают в воде, масле или соляных растворах. Охлаждение в распла­вленных солях применяют для высоколегированных ста­лей, например для инструментальных, быстрорежущих сталей, содержащих большое количество легирующих элементов (вольфрама, хрома и др.).

В зависимости от температуры нагрева различают за­калку полную и неполную. При полной закалке углеро­дистых сталей (при нагреве выше линии GSE, см. рис. 16.4) в холодной воде получают структуру мартенсита с некоторым количеством аустенита. Мартенсит — это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железо, имеющий весьма высокую твердость и большую хрупкость. Если охлаждение стали вести менее ин­тенсивно, то можно получить менее твердые и напря­женные структуры троостита или сорбита закалки. Для уменьшения хрупкости и внутренних напряжений, вы­званных закалкой стали, т. е. получения необходимых ме­ханических свойств, стали подвергают отпуску.

При необходимости получить высокую твердость лишь поверхностного слоя применяют поверхностную закалку заготовок, нагревая их токами высокой частоты с последующим быстрым охлаждением окунанием в жид­кость или на дождевальной установке.

Отпуск — нагрев закаленных заготовок до темпера­тур, лежащих ниже температуры фазового превращения, и охлаждение их на воздухе. Повышая температуру отпу­ска, можно повысить пластичность и вязкость материала при одновременном понижении твердости и прочности. Отпуск при высоких температурах нагрева называют улучшением.

Различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск, т. е. нагрев стали до небольшой температуры (150 —200 °С), ведет к понижению остаточных внутренних напряжений при сохранении ее высокой твердости и из­носостойкости. Средний отпуск, сохраняя повышенную твердость (HRC40 —45), обеспечивает достаточную про­чность, упругость и выносливость. Его часто применяют при изготовлении пружин и рессор.

При высоком отпуске получают достаточно высо­кий предел упругости при достаточной ударной вязко­сти и твердости (HRC30 —40). В результате высокого от­пуска получают структуру, которая необходима для деталей машин, подвергающихся действию высоких на­пряжений и ударным переменным нагрузкам (для шату­нов, болтов, кулачков и др.).

При всех процессах получения заготовок деталей их материал приходит в напряженное состояние, характери­зуемое определенным уровнем внутренних напряжений. Поэтому перед началом механической обработки или перед окончательными операциями технологического процесса механической обработки часто проводят ста­рение, которое ускоряет релаксацию внутренних напря­жений.

Различают естественное старение — длительное вы­держивание деталей на складах, заводских дворах при воздействии на них непрерывно изменяющихся атмо­сферных факторов (температуры, влажности и т. д.), а также искусственное старение с нагревом заготовок в печах до температуры 100—150°С и охлаждением вме­сте с печью.

Для ряда изделий из закаленных легированных (в том числе инструментальных) сталей назначают термическую обработку при отрицательных, температурах ( — 60... — 70 °С и ниже), получившую название «обработки хо­лодом». В этом случае материал получает стабильную структуру и размеры и одновременно некоторое повы­шение твердости, износостойкости.

В качестве охлаждающей среды часто используется твердая углекислота («сухой лед»). Обработка холодом выполняется непосредственно после закалки, перед отпу­ском.

За последние годы на ряде производств получила рас­пространение термохимическая обработка как комбини­рованный метод, соединяющий закалку легированных сталей с одновременным механическим деформирова­нием их. После термохимической обработки материал получает повышенную пластичность, прочность и удар­ную вязкость.

Теория термической обработки металлов и сплавов была развита в основном в XX в. благодаря исследова­ниям А. А. Бочвара, Г. Я. Курдюмова, Н. А. Минкевича, В. Д. Садовского и других советских ученых.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка — тепловая обработка металлов в различных химически активных средах с целью изменения химического состава и структуры по­верхностного слоя металла, повышающих его свойства (твердость, износостойкость).

В зависимости от элемента, насыщающего поверх­ность заготовки, различают следующие виды химико-термической обработки: цементацию, азотирование, циа­нирование, диффузионную металлизацию.

Цементацией называется процесс насыщения углеродом поверхностного слоя заготовок из низкоугле­родистой (до 0,3% С) стали для создания в них после термической обработки твердой поверхности при доста­точной вязкости сердцевины. Различают цементацию в твердом карбюризаторе (древесном угле с добавками различных углекислых солей), жидкую и газовую.

Поверхности заготовок, не подлежащие цементации, защищают омеднением, т. е. нанесением тонкого слоя меди и другими способами.

Азотирование — процесс диффузионного насы­щения азотом поверхностного слоя заготовок, изгото­вленных из легированных сталей и чугуна. Такие леги­рующие элементы, как алюминий, хром, молибден, ванадий, а также железо, при азотировании образуют с азотом твердые и стойкие химические соединения — ни­триды.

При высоких требованиях к механическим свойствам сердцевины деталей их заготовки подвергают перед азо­тированием закалке с высоким отпуском.

Азотирование протекает при более низкой температу­ре, нежели цементация, что является его преимуще­ством. Азотированная поверхность имеет более высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость, которые сохраняются практически неизменными при по­вторных нагревах вплоть до 500 —600 °С.

Азотирование назначают как последнюю операцию при изготовлении деталей, так как после этого процесса они сохраняют светлую чистую поверхность, не требую­щую дополнительной обработки.

Цианирование заключается в одновременном насыщении поверхностей заготовок стальных деталей азотом и углеродом. Процесс цианирования может вы­полняться в жидкой и газовой среде. В зависимости от температуры цианирование подразделяется на низко­температурное (530 — 650 °С) и высокотемпературное (800 — 930 °С). При цианировании используются ядовитые вещества, что требует особой осторожности при его вы­полнении и строгого соблюдения правил техники безо­пасности.

Жидкостное цианирование осуществляется в ваннах, содержащих цианистые и нейтральные соли. Скорость разложения этих солей увеличивается с повышением тем­пературы; одновременно возрастает скорость диффузии углерода и тормозится насыщение поверхности азотом. При температуре, равной примерно 900 °С, поверхности незначительно насыщаются азотом и цианирование прак­тически превращается в процесс цементации. Низкотем­пературное цианирование незначительно отличается от азотирования. После цианирования детали подвергают термической обработке.

Газовое цианирование, или нитроцементация, выпол­няется в газовой среде, состоящей из цементирующего и нитрирующего газов. При высокотемпературной нитроцементации глубина цианированного слоя может до­стичь 1,8 мм при длительности процесса 6 —7 ч.

Диффузионная металлизация — это про­цесс насыщения поверхностного слоя заготовок раз­личными химическими элементами (алюминием, хромом, кремнием, бором и др.) при совместном их нагревании и выдержке. В зависимости от используемого элемента процессы металлизации получили названия: алитирова-ние, хромирование, силицированиге, борирование и т. д. Кроме того, применяют комплексную металлизацию в печах-ваннах при 800—1300°С (например, хромоникелирование, хромоалитирование и др.).

Диффузионная металлизация может выполняться в твердых, жидких и газообразных средах. Этот процесс обеспечивает повышение твердости, коррозионной стой­кости, жаростойкости и износостойкости поверхностей деталей.

Основным недостатком диффузионной металлизации является малая глубина металлизированного слоя (0,2 — 0,4 мм) при относительно большой длительности процесса.

ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

К черным металлам относят железо и его сплавы — стали и чугуны, которые имеют наибольшее применение в народном хозяйстве.

Стали, выпускаемые металлургической промышлен­ностью СССР, классифицируют по химическому составу, структуре, методам выплавки, назначению и качеству.

Наиболее важным признаком классификации сталей, позволяющим правильно выбрать ту или иную сталь для изготовления определенных деталей машин, приборов и других изделий, является их химический состав.

По химическому составу стали делятся на углеро­дистые и легированные.

В состав сталей входит небольшое количество серы, фосфора, марганца и кремния, а также случайных приме­сей (например, меди, хрома). Наличие примесей зависит непосредственно от технологического процесса получе­ния сталей. Сера и фосфор отрицательно влияют на каче­ство стали. С повышением содержания серы увеличивает­ся красноломкость стали, т. е. хрупкость при температуре свыше 800 °С; фосфор повышает ее хладноломкость — хрупкость при нормальных температурах. Обычно в ста­лях сера и фосфор содержатся по 0,03 — 0,05% и менее. Марганец и кремний при оптимальных их количе­ствах положительно влияют на качество стали.

Углеродистые стали по количеству содержащегося в них углерода делятся на низкоуглеродистые (до 0,3%), среднеуглеродистые (0,3 — 0,6 %) и высокоуглеродистые (более 0,6%).

Стали получают кислородно-конвертерным, марте­новским и электросталеплавильным процессами.

По качеству (содержанию серы и фосфора) углеро­дистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества, качественные и высококаче­ственные. По характеру застывания в изложнице стали подразделяются также на спокойные, полу спокойные и кипящие.

По назначению стали делятся на конструкционные (низко- и среднеуглеродистые), инструментальные и спе­циальные.

Углеродистые конструкционные стали.Углеродистые конструкционные стали, обыкновенного качества (ГОСТ 380 — 71) выпускают в виде прутков, тонких листов, про­ката фасонного профиля.

В зависимости от назначения сталь подразделяют на три группы: А, Б, В. Кроме того, стали каждой группы подразделяют на категории: 1, 2, 3 и т. д.

По группам А и Б стали выпускаются семи марок, а по группе В — пяти марок. Существуют следующие марки сталей:

группа А - СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Cj4 Ст5, Стб;

группа Б - БСтО, БСт1, БСт2Л5Щ^БСт4, БСт5, БСтб;

группа В - ВСт1, ВСт2, ВСтЗ, ВСт4, ВСт5.

Во всех сталях групп Б и В, которые поставляются по химическому составу, регламентируется содержание угле­рода в пределах 0,06-0,49%, марганца-0,25-1,20%, серы и фосфора-0,04-0,07%.

В производстве часто применяют также специальные низкоуглеродистые автоматные стали, обладающие улуч­шенными свойствами обрабатываемости резанием.

Сталь углеродистая качественная конструкционная (ГОСТ 1050 — 74) по видам обработки делится на горяче­катаную и кованую, калиброванную, а также круглую со специальной отделкой поверхности – серебрянку.

Углеродистая качественная конструкционная сталь выпускается без термической обработки, термически обработанная (обозначается Т) и нагартованная (Н) — для калиброванной стали и серебрянки.

В зависимости от назначения сталь делится на под­группы — для горячей обработки, механической обработ­ки и холодного волочения.

Углеродистые качественные конструкционные стали выпускаются многих марок. Например, марок 10, 20, 25, ..., 85, в которых содержание углерода (в среднем) 0,1; 0,2; 0,25; ..., 0,85% (цифры ,в маркировке указывают на содержание углерода. Для определения количества углерода нужно цифру в маркировке разделить на 100).

Легированные конструкционные стали.Легированными сталями называются те, в которые вводятся легирующие химические элементы для получения заданных свойств: вольфрам, никель, хром, молибден, ванадий и др. По преобладающему легирующему элементу в стали они по­лучают соответствующее название: хромистые, хромони-келевые и т. д.

Различают низколегированные, среднелегированные и высоколегированные стали, в которых количество леги­рующих элементов соответственно: до 2,5; от 2,5 до 10; свыше 10%.

Среди легированных конструкционных сталей следует выделить шарикоподшипниковые стали ШХ15 и др., ко­торые могут работать при больших нагрузках и трении. Они находят широкое применение в шарикоподшипнико­вой промышленности для изготовления колец, шариков, роликоподшипников.

Легирующие химические элементы в марках стали обозначаются следующими буквами: В — вольфрам, Н — никель, X — хром, М — молибден, К — кобальт, Г — марганец, С — кремний, Ю — алюминий и т. д. Цифры, стоящие перед буквенным обозначением, указы­вают среднее или максимальное (при отсутствии нижнего предела) содержание углерода в стали в сотых долях процента, а цифры, стоящие после букв, — содержание ле­гирующего элемента в целых единицах. Например: сталь 30X13 содержит 0,3% углерода и 13% хрома.

Высоколегированные стали наилучшего качества по­лучают методами электрошлакового и вакуумно-дугового переплава, а также вакуумной индукционной выплав­кой.

В зависимости от основной структуры сталей, полу­ченных при их охлаждении на воздухе после высокотемпературного нагрева, различают следующие классы ста­лей : мартенситный, мартенсито-ферритный, аустенито-мартенситный, аустенитный и др.