Содержание
- 2. Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Классификация основных видов термической обработки металлических материалов (по
- 3. Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей 3 О т ж и г п е
- 4. 4 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Рекристаллизационному отжигу подвергают холоднодеформированную сталь для снятия
- 5. 5 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей О т ж и г в т
- 6. 6 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Время τ1 выдержки изделия при температуре отжига
- 7. 7 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Неполный отжиг отличается от полного тем, что
- 8. 8 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Нормализация отличается от полного отжига в основном
- 9. 9 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Рисунок 5 - Оптимальный интервал закалочных температур
- 10. 10 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Для предотвращения обезуглероживания и окисления металла требуется
- 11. 11 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Скорость охлаждения стали в различных закалочных средах
- 12. 12 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Свойства углеродистых сталей, подвергнутых закалке, зависят от
- 13. 13 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Закалку некоторых сталей, используемых для изготовления измерительного
- 14. 14 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА Во многих случаях для увеличения
- 15. 15 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Закалку с индукционным нагревом (нагревом ТВЧ) используют
- 16. 16 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Газопламенную поверхностную закалку применяют для единичных крупных
- 17. 17 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей ОТПУСК И ИСКУССТВЕННОЕ СТАРЕНИЕ О т п
- 18. 18 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Высокий отпуск назначают в основном для деталей
- 19. 19 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей ХИМИКО - ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ Химико-термической обработкой
- 20. 20 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Стадии ХТО: I стадия – адсорбция модифицирующих
- 21. 21 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей ЦЕМЕНТАЦИЯ. ВИДЫ ЦЕМЕНТАЦИИ Ц е м е
- 22. 22 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Структура поверхностного слоя сразу после цементации обычно
- 23. 23 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Продолжительность цементации стальных изделий в твердом карбюризаторе
- 24. 24 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей АЗОТИРОВАНИЕ, НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ И ЦИАНИРОВАНИЕ А з о
- 25. 25 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Температура нитроцементации примерно на 100°С ниже, чем
- 26. 26 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Среднетемпературное цианирование проводят при температуре 820...860°С, приводя
- 27. 27 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Модифицирующие металлы и неметаллы вводят в поверхностный
- 28. 28 Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей Алитирование (диффузионное насыщение алюминием) применяют для повышения
- 30. Скачать презентацию
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Классификация
основных видов термической
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Классификация
основных видов термической
2
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
3
О т ж и
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
3
О т ж и
Гомогенизацию применяют для устранения дендритной или внутрикристаллитной ликвации стальных слитков и крупных отливок. Процесс состоит из операций нагревания изделия до температуры 1100...1200°С, выдержки при этой температуре в течение 8...20 ч и медленного охлаждения изделия. Общее время гомогенизации зависит от массы обрабатываемого изделия и может достигать 50...100 ч. Поскольку гомогенизация иногда обусловливает сильный рост зерна стали, часто после такого отжига применяют полный отжиг или нормализацию для измельчения зерна.
Рисунок 1 - Схема отжига первого рода.
1 – гомогенизация, 2 – рекристаллизационный,
3 – отжиг для снятия остаточных напряжений
ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ
4
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Рекристаллизационному отжигу подвергают холоднодеформированную
4
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Рекристаллизационному отжигу подвергают холоднодеформированную
Отжиг для снятия остаточных напряжений используют для стальных изделий после литья, сварки или механической обработки. Его проводят при температурах, которые выбирают в зависимости от вида предшествующей обработки:
после резания — 570...600 °С, после сварки — 650...700°С, после шлифования — 160...180 °С. Продолжительность такого отжига обычно составляет 2...3 ч. Остаточные напряжения снимаются также в процессе рекристаллизационного отжига, отжига второго рода и при высоком отпуске закаленной стали.
Рисунок 1 - Схема отжига первого рода.
1 – гомогенизация, 2 – рекристаллизационный, 3 – отжиг для снятия остаточных напряжений
5
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
О т ж и
5
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
О т ж и
Полный отжиг применяют для перекристаллизации доэвтектоидной стали с целью измельчения зерна и снятия остаточных напряжений. Отжиг складывается из нагревания изделия до температур на 30..50°С выше температуры А3, прогрева до завершения фазового превращения в стали и медленного охлаждения изделия вместе с печью. В результате нагревания, скорость которого зависит от типа печи и не ограничена определенным значением, в структуре стали образуется мелкозернистый аустенит, который при охлаждении превращается в мелкозернистый перлит.
Рисунок 2 - Диапазоны оптимальных температур нагрева при различных видах отжига
Рисунок 3 - Схема полного отжига доэвтектоидной стали
6
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Время τ1 выдержки изделия
6
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Время τ1 выдержки изделия
Рисунок 3 - Схема полного отжига доэвтектоидной стали
Изотермический отжиг (рисунок 4) применяют для обработки легированных сталей. Изделие нагревают и выдерживают при температуре на 30...50оС выше А3 (обычно – 850 оС), а затем охлаждают, перенося в другую печь, в которой поддерживается температура, соответствующая минимальной устойчивости переохлажденного аустенита, т.е. ниже А1 (обычно 660 – 680оС).
Рисунок 4 - Схема
изотермического отжига
Во время выдержки при этой температуре протекает перлитное превращение аустенита, после чего изделие охлаждают на воздухе. Для небольших деталей время охлаждения при изотермическом отжиге по сравнению с полным снижается в 2 – 3 раза. После отжига уменьшается шероховатость поверхности деталей и улучшается обрабатываемость резанием.
7
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Неполный отжиг отличается от
7
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Неполный отжиг отличается от
Температуру нагрева при сфероидизации эвтектоидных сталей выбирают в диапазоне 750...760оС и 770...790оС – для заэвтектоидных. Охлаждение выполняют с малой скоростью до температуры образования карбидов (620 – 680оС), и при этой температуре проводят выдержку стального изделия в течение 1...3 ч, а затем быстро охлаждают на воздухе. Неполный отжиг эвтектоидных сталей применяют в случаях, когда необходима перекристаллизация только перлитной составляющей стали, чтобы снизить размер её зерна. Сталь с зернистой перлитной структурой обладает меньшей твердостью и большей пластичностью по сравнению с пластинчатой перлитной структурой, что способствует ее обрабатываемости резанием.
Рисунок 5 - Диапазоны оптимальных температур нагрева при различных видах отжига
8
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Нормализация отличается от полного
8
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Нормализация отличается от полного
З а к а л к а — основной вид упрочняющей термической обработки конструкционных и инструментальных сталей. Поскольку в процессе закалки структура стали становится резко неравновесной и в ней возникают большие остаточные напряжения, после закалки обычно следует отпуск, позволяющий оптимизировать механические свойства стали.
Главным отличием закалки от других операций термической обработки является высокая скорость охлаждения, достигаемая применением специальных закалочных сред.
Для доэвтектоидной стали температура должна превышать Аз на 30...50°С, чтобы завершилось превращение феррита в аустенит. Для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей конечная температура нагрева выбирают в интервале температур, на 30...50°С превышающих A1. Перегрев углеродистых сталей, выше указанных на рисунке 5 температур при закалке приводит к ухудшению структуры, т.к. имеющийся в структуре таких сталей избыточный цементит переходит в аустенит. Для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, допускается перегрев на 150...250°С.
9
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Рисунок 5 - Оптимальный
9
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Рисунок 5 - Оптимальный
Продолжительность нагревания и выдержки изделия при заданной температуре выбирают из условия равномерности прогрева всего объема изделия. Поскольку определение оптимальной длительности нагревания и выдержки изделия при температуре закалки зависит от многих факторов (форма и размер изделия, расположение его в печи, тип печи и т. д.), режимы закалки выбирают экспериментально. Ориентировочные значения длительности нагрева составляют
для электропечей 1...2 мин на 1 мм толщины изделия,
пламенных печей – 1 мин на 1 мм толщины изделия,
в соляной ванне – 0,2...0,5 мин на 1 мм толщины изделия,
в свинцовой ванне – 0,1...0,15 мин на 1 мм толщины изделия.
Продолжительность выдержки изделия при температуре закалки обычно составляет
15...25 % от длительности нагревания.
10
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Для предотвращения обезуглероживания и
10
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Для предотвращения обезуглероживания и
Оптимальный выбор закалочной среды – один из главных факторов, определяющих качество закалки. В качестве закалочных сред обычно используют жидкости, но для некоторых легированных сталей достаточная скорость охлаждения обеспечивается применением атмосферного или сжатого воздуха. В контакте нагретого металла с кипящей жидкостью интенсивность теплоотвода, а значит, и скорость охлаждения, в большой мере зависят от температуры металла. При погружении закаливаемой детали в жидкость на поверхности детали образуется сплошная паровая рубашка, которая ограничивает отвод теплоты. По мере охлаждения детали эта рубашка прорывается и теплоотвод интенсифицируется (стадия пузырькового кипения).
Выбор закалочной среды в основном определяется маркой стали и видом изделия.
Воду с температурой 18...25°С используют в основном при закалке деталей простой формы и небольших размеров, выполненных из углеродистой стали.
Детали более сложной формы из углеродистых и легированных сталей закаляют в маслах.
Для закалки легированных сталей наряду с маслами часто используют водные растворы NaCl и NaOH, обладающие высокой охлаждающей способностью, а также водные растворы ПАВ и синтетических полимеров.
11
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Скорость охлаждения стали в
11
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Скорость охлаждения стали в
12
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Свойства углеродистых сталей, подвергнутых
12
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Свойства углеродистых сталей, подвергнутых
Прерывистую закалку в двух средах используют при обработке изделий из инструментальных высокоуглеродистых сталей. Быстрое охлаждение изделий на первой стадии и медленное – на второй Первую стадию охлаждения осуществляют обычно в воде, затем изделие переносят в масло.
Ступенчатая закалка разработана для упрочнения инструментальных низко- и среднелегированных сталей. Изделие вначале погружают (с выдержкой) в жидкую среду, имеющую температуру выше начала мартенситного превращения стали, а затем окончательно охлаждают на воздухе. Во время выдержки в жидкости температура выравнивается во всем объеме изделия. При ступенчатой закалке иногда используют эффект сверхпластичности сталей в момент мартенситного превращения для правки изделий в специальных приспособлениях, после чего окончательно охлаждают изделия.
Изотермическую закалку применяют для обработки конструкционных легированных сталей, содержащих 0,3...0,5% углерода. Изотермическая выдержка при постоянной температуре стабилизирует структурный и фазовый состав.
Закалка с самоотпуском происходит, если в закалочную среду погружают только часть изделия, а теплота, сохранившаяся в остальной его части, после извлечения изделия из среды вызывает отпуск закаленной части. Такая закалка обеспечивает необходимое для некоторых изделий (например, ударный инструмент) неравномерное распределение твердости. Неравномерная закалка происходит при обрызгивании части изделия закалочной средой (струйчатая закалка).
13
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Закалку некоторых сталей, используемых
13
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Закалку некоторых сталей, используемых
Важными характеристиками стали, которые необходимо учитывать при назначении технологических режимов закалки, являются закаливаемость и прокаливаемость.
Закаливаемость характеризует способность стали к повышению твердости при закалке и зависит главным образом от содержания углерода в стали. Закаливаемость оценивают по твердости поверхностного слоя стального образца после закалки, поскольку на поверхности скорость охлаждения максимальна.
Прокаливаемость при прочих равных условиях характеризует толщину закаленного слоя в образце стали и оценивается расстоянием от поверхности образца до слоя, в котором содержится не менее 50 % мартенсита. Поскольку прокаливаемость зависит от многих факторов (технологическая предыстория, состав стали, режимы закалки и др.), в справочной литературе обычно приводят полосу прокаливаемости стали данной марки (с учетом разброса). Знание прокаливаемости позволяет обоснованно назначать технологический режим закалки.
Прокаливаемость стали зависит от устойчивости аустенита (чем он более устойчив, тем меньше критическая скорость охлаждения) и размера зерна (с его ростом растет прокаливаемость). Легирование стали повышает устойчивость переохлажденного аустенита и в значительной мере способствует увеличению ее прокаливаемости.
14
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА
Во многих случаях
14
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА
Во многих случаях
Быстрое последующее охлаждение приведет к тому, что слой I, нагретый выше температуры Аз, закалится полностью, слой II (диапазон температур А1…А2) — частично, слой III (Т<А1) останется незакаленным.
Рисунок 6 - Распределение температуры по сечению образца (l от поверхности в глубь образца) при поверхностной закалке
Наиболее распространены следующие методы поверхностной закалки:
закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ);
газопламенная поверхностная закалка;
лазерная закалка.
Рисунок 7 - Микроструктура мартенсита:
а – игольчатого, б – реечного
15
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Закалку с индукционным нагревом
15
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Закалку с индукционным нагревом
Глубину закалки ТВЧ обычно назначают в зависимости от условий работы детали. Обычно она составляет от 1,5...3 мм (усталостное изнашивание) до 10...15 мм (высокие контактные нагрузки). Источником ТВЧ служат специальные генераторы различной мощности. Поскольку закалка с индукционным нагревом экономически оправдана только при обработке больших партий изделий, обычно ее выполняют на автоматизированных установках. Схема устройства для обработки цилиндрических деталей приведена на рисунке 8. В зависимости от размеров изделий применяют различные сочетания нагрева и охлаждения.
Закалку с индукционным нагревом используют в основном для сталей, содержащих 0,4...0,5% углерода (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.). Индукционному нагреву на большую глубину (объемно-поверхностная закалка) подвергают специальные стали пониженной прокаливаемости, содержащие 0,55...0,63% углерода и менее 0,5 % примесей (55ПП), а также стали регламентированной прокаливаемости, содержащие около 0,5% углерода, 1% марганца и 0,1% титана (47ГТ).
Рисунок 8 - Схема устройства для закалки с нагревом ТВЧ.
1 – деталь;
2 – индуктор, подключаемый к генератору ТВЧ;
3 – спрейер, орошающий нагретое изделие водой.
16
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Газопламенную поверхностную закалку применяют
16
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Газопламенную поверхностную закалку применяют
Закалка в электролите основана на том, что при пропускании тока через водный электролит (5...10% - ный раствор кальцинированной соды) на катоде (закаливаемая деталь) образуется газовая рубашка водорода. Ток при этом сильно возрастает и деталь нагревается, после чего, отключив ток, можно сразу закалить ее в том же электролите. Способ применяется для закалки небольших деталей массового производства.
При лазерной закалке осуществляют высокоскоростной разогрев поверхностного слоя металлического изделия с помощью лазерного луча. Этот вид поверхностного упрочнения предпочтителен по сравнению с традиционными методами в случаях, когда нужно повысить износостойкость поверхностного слоя изделия. Лазерной закалкой можно упрочнять в различных режимах тонкие (до 0,2 мм) и сравнительно толстые (до 3 мм) слои как на небольших участках изделий, так и на поверхностях большой площади.
Схемы некоторых видов лазерной закалки приведены на рисунке 9.
Рисунок 9 - Схемы нагревания с помощью лазера изделий под закалку: а – поверхность листового железа, б – внутренняя поверхность отверстия, в – наружная поверхность цилиндрического изделия.
1 – световой поток; 2 – зеркало; 3 – деталь; 4 – зона закалки
17
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
ОТПУСК И ИСКУССТВЕННОЕ СТАРЕНИЕ
О
17
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
ОТПУСК И ИСКУССТВЕННОЕ СТАРЕНИЕ
О
Низкий отпуск применяют для обработки углеродистых и низколегированных сталей, из которых изготавливается режущий и измерительный инструмент. Изделия нагревают до 150...200°С, выдерживают при этой температуре в течение 1...1,5 ч (в зависимости от размеров) и охлаждают. Закаленная сталь после низкого отпуска имеет структуру отпущенного мартенсита, твердость ее почти не снижается по сравнению с твердостью закаленной стали (58...63 HRC), а прочность и вязкость повышаются. Низкому отпуску, как правило, подвергают изделия, прошедшие поверхностную закалку или химико-термическую обработку.
Средний отпуск чаще всего используют для обработки пружин, рессор и некоторых видов штампового инструмента, изготовленных из углеродистых и легированных сталей. Схема такого отпуска включает нагрев до 350...500°С, выдержку при этой температуре от 1...2 до 3...8 ч в зависимости от массы деталей и охлаждение, выполняемое, как правило, на воздухе. После отпуска при 400...450°С охлаждение часто проводят в воде, что позволяет повысить выносливость пружинящих деталей за счет возникновения остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое. При среднем отпуске мартенсит закаленной стали переходит в структуру троостит отпуска, который характеризуется твердостью 40...50 НRС и наилучшим сочетанием предела упругости и пределa выносливости.
18
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Высокий отпуск назначают в
18
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Высокий отпуск назначают в
Искусственное старение назначают обычно для стабилизации размеров измерительного инструмента. Его схема включает нагрев до 120...150°С и выдержку в течение 10...35 ч при этой температуре. Выдержка позволяет, не снижая твердости закаленной стали, стабилизировать состояние углерода в ее структуре за счет выделения его в виде дисперсных карбидов.
19
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
ХИМИКО - ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
19
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
ХИМИКО - ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Химико-термической обработкой (ХТО) называется тепловая обработка металлических изделий в химически активных средах для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев. Такая обработка позволяет повысить твердость, износостойкость, усталостную долговечность и контактную выносливость, а также стойкость изделия к окислению и электрохимической коррозии.
Возможности химико-термической обработки стали во многих случаях шире, чем термической или механической поверхностной обработки (поверхностная закалка, поверхностное пластическое деформирование и т. д.), поскольку в ее процессе изменяются не только структура, но и химический состав поверхностного слоя изделия. Модифицирование химического состава поверхностного слоя в большинстве способов химико-термической обработки происходит по диффузионному механизму. Главными факторами, определяющими конечный результат такой обработки, являются температура процесса, концентрация на поверхности изделия активного химического компонента и длительность его взаимодействия с обрабатываемым изделием. Наиболее распространенный метод химико-термической обработки стали – диффузионное насыщение ее углеродом и азотом. Кроме того, применяют насыщение поверхностного слоя стального изделия кремнием, бором, а также хромом, алюминием.
20
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Стадии ХТО:
I стадия –
20
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Стадии ХТО:
I стадия –
II стадия:
По мере накопления адсорбированных атомов на обрабатываемой поверхности создается градиент их концентрации, обусловливающий диффузию этих атомов в глубь материала. Кинетика их диффузии определяется тремя главными факторами – температурой, продолжительностью процесса и начальной концентрацией диффундирующих атомов в поверхностном слое изделия.
Рисунок 10 – Влияние ХТО на изменение состава структурных составляющих в поверхностном слое сталей
21
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
ЦЕМЕНТАЦИЯ. ВИДЫ ЦЕМЕНТАЦИИ
Ц е
21
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
ЦЕМЕНТАЦИЯ. ВИДЫ ЦЕМЕНТАЦИИ
Ц е
Иногда цементируется только часть поверхности изделия, а остальная поверхность защищается электролитическим медным покрытием или специальными защитными обмазками.
Наиболее часто цементации подвергают детали подвижных сопряжений, работающие в условиях трения и высоких контактных давлений (шестерни, валы, пальцы, кулачки и т. д.).
Диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при цементации происходит из среды, называемой карбюризатором. Температура, при которой проводится цементация, превышает температуру Аз, т. е. углерод поглощается аустенитом. Предельное содержание углерода в аустените (2,14%) не достигается даже в непосредственной близости от поверхности контактирования с карбюризатором (оно составляет обычно до 1,1%) и быстро убывает по толщине поверхностного слоя (рисунок 10). У поверхности детали располагается заэвтектоидная зона, состоящая из перлита и цементита, затем эвтектоидная (перлит) и доэвтектоидная (перлит и феррит).
Рисунок 11- Схема структуры цементированного слоя в стальном изделии
22
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Структура поверхностного слоя сразу
22
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Структура поверхностного слоя сразу
Особо ответственные изделия подвергают двойной закалке. Первую проводят от 880...900°С для исправления структуры сердцевины и устранения цементитной сетки, вторую – от 760... 780°С для повышения твердости цементированного слоя и измельчения его зерна.
После закалки в структуре цементированного слоя присутствуют мелкоигольчатый мартенсит, остаточный аустенит (до 20%), а иногда и включения избыточных карбидов. Низкий отпуск при 160...180°С назначают как после одинарной, так и после двойной закалки. При этом мартенсит закалки переходит в отпущенный мартенсит и снижаются напряжения в детали. Твердость поверхностного слоя достигает 58...62 HRC, повышается предел выносливости стали и снижается ее чувствительность к концентраторам напряжений.
Цементацию в твердом карбюризаторе проводят в специальных ящиках, засыпанных смесью древесного угля (или полукокса и торфяного кокса) с углекислыми барием, кальцием или натрием. Изделия в ящике перекладывают слоями карбюризатора так, чтобы общий объем изделий составлял 10...15% от объема карбюризатора.
23
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Продолжительность цементации стальных изделий
23
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Продолжительность цементации стальных изделий
При цементации в твердом карбюризаторе протекают следующие процессы. В результате взаимодействии карбюризатора с кислородом воздуха углерод окисляется до оксида углерода, который диссоциирует в присутствии железа с выделением активного атомарного углерода: 2СО→СО2+С. Атомарный углерод диффундирует в сталь. Находящиеся в карбюраторе углекислые соли взаимодействуют с углеродом карбюризатора и обогащают среду оксидом углерода (ВаСОз+С→ВаО+2СО), ускоряя цементацию.
Газовая цементация обычно применяется в серийном производстве. Для ее осуществления используют разбавленный природный газ, среды контролируемого состава, получаемые в специальных генераторах, а также пары жидких углеводородов. Основной реакцией, обеспечивающей выделение свободного углерода, является диссоциация метана и оксида углерода: СН4→2Н2+С или 2СО→СО2+С. Газовая смесь, находящаяся в печи, в зависимости от состава может иметь разную науглероживающую способность, которую оценивают по содержанию углерода в поверхностном слое изделия. Достоинством газовой цементации является возможность широкого регулирования этого параметра.
Скорость газовой цементации стальных изделий при температуре 930…950°С составляет 0,12...0,15 мм/ч (при толщине цементированного слоя до 1,7 мм).
24
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
АЗОТИРОВАНИЕ, НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ И ЦИАНИРОВАНИЕ
24
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
АЗОТИРОВАНИЕ, НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ И ЦИАНИРОВАНИЕ
А з о т и р о в а н и е – диффузионное насыщение азотом поверхностных слоев металлических изделий в целях повышения их износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости. Преимуществом азотирования перед цементацией является более высокая твёрдость обработанного поверхностного слоя, которая сохраняется до более высоких температур (600°С), чем в случае цементации (230°С).
Азотированию подвергают детали из среднеуглеродистых легированных сталей. Перед этим для них назначают улучшение и чистовую обработку, а после азотирования изделия шлифуют или полируют. Можно азотировать только часть изделия, изолировав остальную его поверхность защитным покрытием (обычно из олова).
Средой, из которой диффундирует азот в сталь, является, как правило, аммиак, который диcсоциирует по схеме: 2NНз→N2+ЗН2→2N+6H. Азотирование осуществляют при температуре 500...600°С в зависимости от вида изделий и необходимой толщины азотированного слоя. Формирование структуры азотированного слоя протекает вследствие диффузии атомарного азота в сталь и образования фаз системы Fe – N.
Существует ряд методов одновременного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом и углеродом из сред, в которых происходит аморфное образование этих элементов. К таким методам относят нитроцементацию, карбонитрацию и цианирование.
25
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Температура нитроцементации примерно на
25
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Температура нитроцементации примерно на
Ц и а н и р о в а н и е заключается в диффузионном насыщении стали азотом и углеродом из расплавов солей, содержащих цианаты. После такого модифицирования диффузионный слой характеризуется износостойкостью, высокими пределом выносливости и коррозионной стойкостью. Производительность технологии цианирования и качество обрабатываемых поверхностей выше, чем при цементации.
Низкотемпературное цианирование, проводимое при 570°С, часто выделяют в особый вид химико – термической обработки, называемый карбонитрацией. При карбонитрации (тенифер – процесс) происходит диффузионное насыщение стали азотом и углеродом из расплавов карбонатов и цианатов (например, смеси KCNO, NaCN и Na2СОз или NH2CO и Na2CO3). При продувке расплавов этих солей потоком воздуха над поверхностью изделия образуется среда, содержащая свободные азот и углерод, которые диффундируют в сталь, формируя износостойкий карбонитридный слой Fe3(C, N) толщиной 7...15 мкм. Твердость углеродистых сталей, подвергнутых карбонитрации, достигает 400 HV, легированных – 1100 HV.
Длительность процесса составляет, как правило, 0.5...3 ч. Карбонитрацию используют для обработки изделий из конструкционных (коленчатые валы, шестерни и др.) и инструментальных сталей (режущий инструмент, штампы, пресс-формы).
Н и т р о ц е м е н т а ц и я — процесс диффузионного насыщения стали углеродом и азотом из газовой фазы (обычно газовой среды, применяемой при цементации, с незначительным добавлением аммиака).
26
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Среднетемпературное цианирование проводят при
26
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Среднетемпературное цианирование проводят при
Высокотемпературное цианирование выполняют для получения диффузионных слоев толщиной до 2 мм. Повышенная температура процесса (930...950°С), способствует ускорению диффузии азота и углерода в сталь. Изделия погружают в расплав на основе смеси солей NaCN, BaCl2 и NaCl, а продолжительность выдержки в нем составляет 1,5...6 ч. Поверхностный слой изделий после высокотемпературного цианирования (в отличие от низкотемпературного) насыщается углеродом в большей мере (до 1,2 %), чем азотом (до 0,3 %), а его структура близка к структуре цементированного слоя.
Методом комплексного модифицирования является с у л ь ф о ц и а н и р о в а н и е – одновременное насыщение поверхностного слоя стальных деталей серой, углеродом и азотом. Этот процесс применяют главным образом для упрочнения деталей трения. Последние часто изготавливают из закаленной стали и чугуна. Срок службы таких деталей невелик из-за схватывания и задиров поверхностей трения. Для борьбы с этими явлениями применяют сульфоцианирование – нагрев деталей при 580…590оС в течение 3 ч в жидких ваннах, содержащих расплавленные карбиды, поташ, желтую кровяную соль и гипосульфит натрия. Структура обеспечивает стабильный и высокий коэффициент трения и износостойкость обработанных деталей.
27
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Модифицирующие металлы и неметаллы
27
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Модифицирующие металлы и неметаллы
Б о р и р о в а н и е применяют для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, теплостойкости и окалиностойкости стальных изделий. Обработке борированием подвергают детали из углеродистых и легированных сталей (штампы, пресс-формы, детали высоконагруженных узлов трения), работающие в условиях абразивного изнашивания и высоких температур. Насыщающей средой, из которой бор диффундирует в сталь, служат расплавы буры (Na2B4О7) и хлористых солей (NaCl, ВаСl2), газы (B2H6, ВС13), а также специальные порошки и обмазочные пасты из борсодержащих соединений. Борированный слой достигает толщины 0,4 мм и состоит из боридов FeB и Fe2B. Его твердость – 2000 HV.
С и л и ц и р о в а н и е (диффузионное насыщение поверхностного слоя стальных изделий кремнием) обеспечивает наряду с повышенной износостойкостью высокую коррозионную стойкость изделий в кислотах и морской воде.
Комплекс ценных эксплуатационных свойств изделий можно обеспечить при диффузионном насыщении их поверхностных слоев такими элементами, как бор, кремний и некоторые металлы (Al, Ti, Cr, Zr и др.)
28
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Алитирование (диффузионное насыщение алюминием)
28
Лекция 12 Технологии термической и химико-термической обработки сталей
Алитирование (диффузионное насыщение алюминием)