Химико-термическая обработка стали (ХТО)

Рис. 4.12.3. Оптимальный интервал закалочных температур углеродистых сталей

При закалке доэвтектоидные стали (в основном это конструкционные стали) нагревают до температуры на 30-50 ^оС выше температур, соответствующих критическим точкам Ас₃. При этих температурах исходная ферритоперлитная структура сталей превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью, большей критической (150-200 ^оС), образуется мартенсит. Мартенсит обладает высокой твердостью (51,5-66 HRCa или 600-700 НВ), повышенной прочностью и сопротивляемостью изнашиванию, но низкой вязкостью. Если доэвтектоидные стали нагревать ниже точек Ас₃, то в структуре сохраняется непревращенный феррит, который после закалки будет присутствовать в структуре наряду с мартенситом и снижать твердость закаленной стали. Такую закалку называют неполной.

Для эвтектоидной и заэвтектоидной сталей всегда применяют неполную закалку, поскольку остающийся при таком нагреве цементит имеет высокую твердость и обеспечивает закаленной стали твердость и износостойкость. При закалке эти стали нагревают на 30-50 ^оС выше критических точек Ас₁ (см. рис.), затем выдерживают в печи для полного прогрева и завершения структурных превращений.

Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат термической обработки.

В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду, водные растворы солей, щелочей и масло, которые имеют различную охлаждающую способность. Вода по сравнению с машинным маслом охлаждает сталь примерно в 6 раз быстрее при 550-650 ^оС и в 28 раз быстрее при 200 ^оС. Поэтому воду применяют для охлаждения углеродистых сталей, которым свойственна большая критическая скорость закалки, а масло - для охлаждения легированных сталей, имеющих малую критическую скорость закалки.

Способ закалки выбирают в зависимости от марки стали, формы и размеров изделий, а также от технических требований, предъявляемых к этим изделиям.

При закалке в одном охладителе нагретые изделия (детали) погружают в одну из закалочных сред – воду или масло. При этом изделие следует перемещать так, чтобы его поверхность все время соприкасалась с холодной охлаждающей жидкостью во избежание образования «паровой рубашки» вокруг изделия, мешающей отводу теплоты. На качество закалки влияет также и способ погружения. Мелкие изделия (например, винты, шурупы, гвозди, гайки) можно погружать в термическую ванну беспорядочно. При погружении в охладитель деталей типа валов и осей продольная ось этих деталей должна быть перпендикулярна к поверхности охлаждающей жидкости.

Закалка обработкой холодом заключается в дополнительном охлаждении подвергаемого закалке изделия из стали до температур ниже 20 ^оС в целях более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит, так как остаточный аустенит снижает твердость и придает стали большую хрупкость. Для обработки холодом закаленные на мартенсит изделия помещают в холодильник, где при температуре от -40 до -100 ^оС остаточный аустенит распадается с образованием мартенсита. Распространенным охладителем является смесь из твердой углекислоты с ацетоном (-78 ^оС).

Обработка холодом целесообразна только для сталей, у которых температура конца мартенситного превращения Мк ниже 18-20⁰С. Обработке холодом подвергают в целях повышения режущих свойств быстрорежущих сталей; увеличения твердости инструмента, изготовленного из легированной стали; повышения магнитных свойств магнитных сталей; стабилизации размеров измерительного инструмента и шарикоподшипников.

При изоmермической закалке (при постоянной температуре), так же как и при ступенчатой, нагретые до температуры закалки изделия (детали) охлаждают в соляной ванне при температуре 300-400 ^оС и выдерживают до полного превращения аустенита в игольчатый троостит. Дальнейшее охлаждение до температуры 18-20 ^оС осуществляют на воздухе. Такая закалка обеспечивает минимальные внутренние напряжения, а также удовлетворительное сочетание твердости (46,5-56 НRС) и вязкости. Изотермическую закалку применяют для закаливания пружин, ударного инструмента и других деталей из легированной стали. При этом длинные и тонкие изделия не изменяют свою форму и не коробятся.

Поверхностной закалке подвергают такие детали, как шестерни, валы, оси, кулачки, пальцы для муфт, работающие на истирание и подвергаемые динамическим (ударным) нагрузкам. Для таких деталей необходимы высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, а их сердцевина должна быть вязкой и иметь повышенную усталостную прочность. Перечисленное сочетание свойств можно придать изделиям, применив индукционную закалку токами высокой частоты (ТВЧ).

При закалке ТВЧ деталь или участок детали, который необходимо закалить, помещают в индуктор, изготовленный из медной трубки, в которую подается охлаждающая вода. К индуктору через трансформатор от специального генератора подводится ток высокой частоты (8-500 кГц). Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле, индуктирующее на поверхности детали электродвижущую силу, под действием которой в металле возникают электрические вихревые токи. Эти токи и вызывают нагрев поверхности детали до высокой температуры в течение нескольких секунд. Охлаждение деталей при поверхностной закалке в основном дешевое. После закалки детали подвергают низкому отпуску. Толщина закаленного слоя составляет 1-10 мм, ее можно регулировать, изменяя частоту тока. В условиях серийного и массового производства, когда установка загружена полностью, этот способ закалки высокоэкономичен. Его широко применяют в машиностроении, автотракторной, электротехнической и в других отраслях промышленности.

Отпуск - вид термической обработки, состоящий в нагреве закаленного стального изделия ниже критических точек Aс₁ (на рис. 4.12.2 линия PSК) в интервале 150-650 ^оС, выдержке и последующем охлаждении с любой скоростью, так как при этом виде термической обработки фазовых превращений не происходит (т. е. температура отпуска не должна превышать 727 ^оС). Цель отпуска - ослабить или полностью предотвратить появление внутренних напряжений, возникающих при закалке, уменьшить хрупкость и твердость, а также повысить вязкость закаленной стали.

В зависимости от температуры нагрева различают виды отпуска: низкий, средний и высокий.

Нuзкий отпуск заключается в нагреве закаленной стали до 150-250 ^оС, непродолжительной выдержке (от 30 мин до 1,5 ч) при этой температуре и последующем охлаждении деталей в машинном масле или на воздухе. При этом в структуре стали остается мартенсит с измененной кристаллической решеткой. После низкого отпуска твердость поверхности практически не изменяется, но уменьшаются остаточные закалочные напряжения и несколько повышается вязкость. Такой вид отпуска применяют для режущего и измерительного инструмента (например, сверл, метчиков, плашек, калибров, скоб, шаблонов).

Средний отпуск состоит в нагреве изделий до 300-500 ^оС. В структуре обработанной при этих температурах стали содержится в основном троостит отпуска. Детали приобретают упругие свойства при сохранении высокой прочности. Такому виду отпуска подвергают пружины, рессоры, мембраны.

При высоком отпуске стальные детали нагревают до 450-650 ^оС, выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают для получения структуры сорбита отпуска. Закалку вместе с последующим высоким отпуском называют улучшением стали. После этого отпуска детали приобретают повышенную ударную вязкость, пластичность, но несколько пониженную твердость поверхности. Этому виду отпуска подвергают в основном все ответственные детали машин и механизмов (например, валы, оси, зубчатые колеса).

Термомеханическая обработка стали (ТМО) - вид обработки, при котором значительно повышается прочность стали и почти не снижается ее пластичность. Этот вид обработки состоит в закалке, отпуске и последующем пластическом деформировании.

Пластическое деформирование при ТМО осуществляют прокаткой, ковкой, штамповкой. Различают термомеханическую обработку высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО). При ВТМО сталь нагревают до температур выше точки Ас₃ (т. е. до 1000-1100⁰С), пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 20-30%), немного охлаждают и проводят закалку.

При НТМО сталь деформируют в температурном интервале области относительной устойчивости аустенита (400 – 600 ^оС), температура деформации должна быть выше точки М_н, но ниже температуры рекристаллизации (степень деформации 75-95%). В закалочную среду детали помещают при температуре деформирования.

В обоих случаях после закалки следует низкий отпуск. ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО - только легированные. По сравнению с обычной закалкой при ТМО получают более высокие механические свойства стали. Наибольшего упрочнения достигают после НТМО - σ_в = 2800 ÷ 3300 МПа, δ = 6%, в то время как после обычной закалки и низкого отпуска σ_в = 2000 ÷ 2200 МПа и δ = 3 ÷ 4%.

От неправильного выбора режима термической обработки и ее проведения в деталях могут возникнуть различные дефекты (закалочные трещины, коробление, пережог и др.).

ХТО состоит в поверхностном насыщении стальных деталей различными элементами (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом) для повышения поверхностной твердости, сопротивления изнашиванию, выносливости, окалийной и коррозионной стойкости. На практике широко применяют следующие виды ХТО: цементацию, азотирование, цианирование и диффузионную металлизацию.

Цементация стали - процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом при нагреве без доступа воздуха до температуры выше точки Ас₃ (до 900-950 ^оС) в среде углерода или газов, содержащих углерод. Цементацию проводят для получения высокой твердости поверхностного слоя при условии сохранения мягкой и вязкой сердцевины, а также для повышения износостойкости и предела выносливости стальных деталей, что обеспечивается термической обработкой после цементации (закалкой с низким отпуском).

Обычно цементации подвергают низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%, в результате чего твердость внутренних слоев изделия после закалки не изменяется и остается равной. 160-170 НВ, а твердость поверхностного слоя повышается до 600 НВ. Толщина цементованного слоя для машиностроительных деталей должна составлять 0,5-2 мм, для измерительного инструмента - 0,3-1 мм, а концентрация углерода в поверхностном слое - 0,8-1,0%. Различают цементацию твердым карбюризатором (насыщающей средой) и газовую.

Более широко применяют цементацию в газовых средах, как высокопроизводительный способ при массовом и серийном производстве. В качестве карбюризатора используют предельные и непредельные газообразные углеводороды, например: природный газ - метан (СН₄), пропан, бутан, которые при нагреве диссоциируют с выделением атомарного углерода.

Детали нагревают до 900-950 ^оС в специальных герметически закрытых печах, в которые подается карбюризатор. При цементации газообразным карбюризатором длительность процесса сокращается в 2,5-3 раза по сравнению с цементацией твердым карбюризатором. Заданная концентрация углерода в поверхностном слое обеспечивается автоматическим регулированием состава газа. Расход различных карбюризаторов приведен в табл. 4.12.1, а в табл. 4.12.2- скорость газовой цементации.

При цементации твердым карбюризатором детали, насыщаемые углеродом, после предварительной очистки от ржавчины и жиров укладывают в металлические ящики и засыпают карбюризатором, состоящим в основном из древесного угля с добавлением углекислого бария (ВаСО₃), соды (Nа₂СО₃), углекислого кальция (СаСО₃) и крахмала в количестве, составляющем 10-40% массы угля. Крышку ящика для его герметизации обмазывают огнеупорной глиной. Продолжительность цементации в печи в зависимости от размеров ящика и количества загруженных деталей составляет 10-20 ч. После цементации детали в ящиках охлаждают вместе с печью или на воздухе, а затем подвергают закалке и низкому отпуску. Цементации подвергают зубчатые колеса, шейки валов, плунжеры насосов, червяки, звездочки, ролики подшипников качения и другие детали.

Азотирование стали - процесс насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в среде аммиака (NН₃). Азотирование проводят для: повышения твердости поверхностного слоя деталей, износо- теплостойкости, а также коррозионной стойкости.

Азотированию подвергают изделия, прошедшие термическую обработку (закалку с высоким отпуском) и обработку резанием. На неазотируемые участки наносят электролитическое покрытие оловом. Внутренние резьбы и отверстия защищают обмазками. Детали укладывают равномерно в герметически закрытый муфель (реторту), который помещают в электропечь. В муфель из баллонов подается аммиак, который при нагреве разлагается, образуя атомарный азот. Азот, внедряясь в поверхность деталей, взаимодействует с железом с образованием нитридов (Fe₂N, Fe₄N).

Процесс азотирования продолжается 3-90 ч, а последующее медленное охлаждение печи с деталями - 4-5 ч. Глубина азотированного слоя зависит от температуры и времени выдержки и колеблется в пределах 0,25-0,65 мм. В табл. 4.12.3 приведены средние скорости азотирования, в табл. 4.12.4 - режимы азотирования различных сталей.

Различают прочностное азотирование, которое проводят для повышения твердости, износостойкости и усталостной прочности, и антикоррозионное азотирование (декоративное) - для повышения коррозионной стойкости во влажной атмосфере и пресной воде.

Прочностному азотированию подвергают хромоникелевые конструкционные стали, а также легированные стали 38ХМЮА и 35ХМЮА, у которых легирующие элементы (Сг, Аl, Мо) способствуют образованию твердых нитридов. Температура азотирования довольно низкая: 500-520 ^оС. Углеродистые стали не подвергают прочностному азотированию, так как образующийся поверхностный слой получается хрупким, недостаточно твердым. Этот вид азотирования применяют для штампов, пуансонов, цилиндров моторов и насосов, зубчатых колес, золотниковых пар насосов, шеек валов и других деталей.

Антикоррозионному азотированию в основном подвергают углеродистые стали. Процесс протекает при 600-700 ^оС с выдержкой при этой температуре 0,5-1 ч.

Азотирование по сравнению с цементацией имеет следующие преимущества: твердость и износостойкость азотированного слоя значительно выше цементованного закаленного слоя; после азотирования закалку деталей не выполняют, что предотвращает их коробление; азотированная поверхность более устойчива против коррозии. Однако азотирование - процесс более длительный и сложный, поэтому его применяют только для легированных сталей. Кроме того, азотированные детали мало пригодны для работы в условиях высоких удельных нагрузок из-за недостаточной толщины азотированного слоя.

Цианирование (нитроцементация) стали - процесс одновременного насыщения поверхности стального изделия азотом и углеродом: Цианированию (нитроцементации) подвергают детали из сталей, содержащих 0,2-0,4% углерода. Цианирование может производиться в твердых, жидких и газообразных средах. Твердое цианирование применяют крайне редко как менее эффективное по сравнению с жидким и газовым, наиболее часто используют цианирование в жидкой среде.

Детали, прошедшие механическую обработку, погружают в специальную ванну с расплавом солей, состоящим из 20-25% NaCN, остальное - NaCl и Nа₂СО₃. В зависимости от необходимой толщины получаемого слоя детали нагревают до 820-960 ^оС. Образующиеся при нагреве (в результате окисления кислородом воздуха цианистых солей) атомарный азот и углерод диффундируют в сталь, поверхность детали насыщается азотом (до 1-2%) и углеродом (до 0,7%). При температуре расплава820-860 ^оС получают слой толщиной до 0,3 мм, при 930-960 ^оС - до 2 мм; продолжительность процесса 10-40 мин. После цианирования проводят закалку и низкий отпуск, в результате твердость полученного слоя составляет 59-63 НRС. Этот процесс называют высокотемпературным цианированием.

Цианирование при температурах 550-600 ^оС по существу является азотированием в жидких средах, поскольку науглероживания, т. е. насыщения углеродом, практически не происходит. Этот процесс проводят в неразбавленных другими веществами расплавах цианистых солей содержащих, % (массовая доля): KCN 40 и NaCN 60. Высокотемпературное цианирование применяют для средне- и низкоуглеродистых сталей (обыкновенных углеродистых и легированных), низкотемпературное цианирование - для быстрорежущего инструмента.

В зависимости от вида цианирования рекомендуются следующие составы, % (массовая доля):

для низкотемпературного цианирования (температура плавления, ^оС, соответственно: 490, 550, 420, 515, 535, 500, 490, 520):

1. NaCN 50, KCN50;

2. NaCN 96-98, Nа₂СО₃ 4-2;

3. NaCN 60, Nа₂СО₃ 40;

4. NaCN 50, Nа₂СО₃ 32, NaCl 18;

5. NaCN 50 Nа₂СО₃ 45, NaCI 25;

6. K₄Fe (CN)₆ 90, КОН 10;

7. К₄ Fe (CN)₆ 75, КОН 25;

8. . K₄Fe (CN)₆ 3, NaCl 65, CaCl₂ 32;

для среднетемпературного цианирования:

1. NaCN 55-60, NaCl 25, Nа₂СО₃ 15 (поставляется в виде готового состава);

2. NaCN 30, NaCl 70;

3. NaCN 30, NaCl 40, Na₂CО₂ 30;

4. Цианплав 10, NaCl 35, CaC1₂ 55;

5. Цианплав 10, NaCl 45, BaC1₂ 45;

для высокотемпературного цианирования:

1. NaCN 50, NaCl 15, BaCl₂ 35;

2. NaCN 45, NaCl 8, BaCl₂ 47;

3. NaCN 10-15, NaCl 25-30, BaCl₂ 55-60, Nа₂СО₃ 1,0-1,5;

4. NaCN 12-20, NaCl 5-7, BaCl₂ 75-80;

5. Цианплав 10, NaCl 40, CaCl₂ 50.

Глубина цианированного слоя зависит от времени выдержки (табл. 4.12.5).

Газовое цианирование (ниmроцеменmация) проводят в смеси науглероживающих и азотирующих газов, например, в смеси светильного или природного газа (90-97%) и аммиака (3-10%). Детали нагревают до 850-870 ^оС, длительность нитроцементации - 2-10 ч. После нитроцементации детали подвергают закалке и низкому отпуску; твердость полученного слоя 61-63 НRС.

Дuффузuонная меmаллuзацuя - процесс насыщения поверхностей стальных деталей различными металлами. Наиболее часто применяют металлизацию алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борирование). Одновременное насыщение поверхностей хромом и алюминием или хромом и вольфрамом называют хромоалитированием, хромовольфрамированием. В результате диффузионной металлизации повышаются жаростойкость (окалиностойкость) до 1100 ^оС, износостойкость, твердость (до НV 2000) и коррозионная стойкость стальных деталей. Насыщение проводят в твердых, жидких и газообразных средах при1000-1200 ^оС.

Процесс диффузии при металлизации происходит значительно медленнее, чем при других видах химикотермической обработки, поэтому получение даже очень тонких слоев протекает при высоких температурах и длительных выдержках.

Алumuрованuе стали проводят для повышения жаростойкости (окалиностойкости) деталей, работающих при температурах до 900 ^оС.

Алитирование деталей осуществляют в порошкообразной смеси, содержащей, % (массовая доля): алюминия 49, оксида алюминия 39 и хлористого аммония 12. Смесь засыпают в стальной ящик с уложенными для алитирования деталями. Температура печи 950-1050 ^оС, продолжительность обработки 4-12 ч. На поверхности алитированной детали образуется тонкая тугоплавкая (температура плавления более 2000 ^оС) пленка оксида алюминия (Аl₂O₃) толщиной 0,1-1 мм, предохраняющая металл от окисления. Алитированию подвергают изложницы для разлива стали, котельную арматуру, реторты, жаровые трубы некоторых реактивных двигателей самолетов, изготовленные из стали и чугуна. Алитированные изделия устойчивы в газах, содержащих сернистые соединения. Их можно использовать вместо изделий, изготовленных из жаростойких (окалиностойких) сталей.

Диффузионное хромирование стали проводят с целью повышения жаро- и коррозионностойкости. Стали, содержащие более 0,3% углерода, при хромировании приобретают высокую твердость и износостойкость вследствие образования на поверхности карбидов хрома. Наиболее широко применяют газовое хромирование в среде газообразного хлора или смеси водорода и хлористого водорода. В качестве карбюризатора служит феррохром или хром, температура в реторте или печи 950-1050 ^оС, глубина насыщения хромом 0,1-0,2 мм; продолжительность процесса 4-6 ч. Хромирование изделия довольно широко используют в химической и нефтехимической промышленности, особенно в тех случаях, где изделия соприкасаются с окислительными средами.

Силицированuе стали проводят с целью повышения окалиностойкости, кислотоупорности, износостойкости и коррозионной стойкости. В основном применяют газовое силицирование (процесс аналогичен газовому хромированию, но более быстрый). Для получения силицированного слоя толщиной в 1 мм необходима выдержка 2 ч при 1050 ^оС.

Дата добавления: 2014-02-28; просмотров: 802; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!