Термическая и химико термическая обработка металлов

Обновлено: 19.04.2024

Металлообработка – это комплекс технологических процессов изменения размеров, формы и качественных характеристик металлов и сплавов. К ним относятся токарная обработка металла, термическая и химико термическая, электрофизическая, электрохимическая и многие другие виды металлообработки.

Термический метод

Термообработка изделий заключается в изменении структуры материала под воздействием:

• нагрева до определенной температуры;
• изотермической выдержки;
• охлаждения с определенной скоростью.

В зависимости от режимов проведения работ металла конечным результатом операции может быть:

Виды термической обработки металлов и сплавов:

• отжиг – заключается в нагреве изделия или заготовки с последующим охлаждением в печи для термической обработки металлов. В результате операции снимаются остаточные внутренние напряжения, повышается пластичность и уменьшается твердость стали; – заключается в нагреве стали до температуры выше критической и последующим быстром охлаждении. В результате закалки прочность материала повышается, а пластичность падает;
• отпуск – заключается в нагреве закаленной стали до заданной температуры, выдержке и охлаждении на воздухе (только сталь, склонную к отпускной хрупкости, охлаждают в воде). Отпуск является окончательной операцией термообработки. В результате этой операции снимаются (или уменьшаются) внутренние напряжения, деталь становится менее хрупкой и более пластичной. Отпуск бывает низким, средним и высоким;

• нормализация – заключается в нагреве с последующим охлаждением на воздухе. Эта операция более быстрая и экономичная, чем отжиг, так как не требует охлаждения вместе с печью;
• старение – заключается в форсированном изменении свойств материала, которое в природе происходит в течение длительного времени;
• воздействие холодом – заключается в выдержке закаленной детали, остывшей до 20 0 С, в охладителях (сухой лед, жидкая азотная кислота и пр.). применяется для изготовления режущего инструмента с целью повышения стойкости и производительности, измерительного инструмента – для полной стабилизации размеров.

Процесс данного метода работ непрост. Наука материаловедение и термическая обработка металлов изучает глубинные загадочные процессы, происходящие внутри металла.

Химико термический метод

Химико термическая методика предназначена для изменения состава стали в определенном слое. К этой группе методов относятся:

• цементация – обогащение углеродом (науглероживание) поверхностного слоя стали. С помощью этого метода получают изделие с комбинированными свойствами: мягкой сердцевиной и твердым поверхностным слоем;
• азотирование – обогащение поверхностного слоя азотом для повышения коррозионной стойкости, усталостной прочности изделия;
• борирование – насыщение поверхностного слоя металла бором. Боридный слой придает изделию повышенную износостойкость особенно при сухом скольжении и трении. Кроме того борирование практически исключает схватываемость (или свариваемость) деталей в холодном состоянии. Борированные детали отличаются высокой стойкостью к кислотам и щелочам;
• алитирование — насыщение алюминием. Применяется для придания стали стойкости к агрессивным газам (серный ангидрид, сероводород);
• хромирование – насыщение поверхностного слоя хромом. Хромирование малоуглеродистых сталей практически не влияет на их прочностные характеристики. Хромирование сталей с более высоким содержанием хрома называется твердым хромированием, так как в результате операции на поверхности детали образуется карбид хрома, обладающий:

1. высокой твердостью;
2. окалиностойкостью;
3. коррозионной стойкостью;
4. повышенной износостойкостью;

Электрофизические методы обработки металлов

К этой группе относятся методы проведения работ с помощью электрического тока, электролиза в комбинации с физическим воздействием.

Электроэрозионный метод

В процессе электроэрозионной обработки металла импульсом электрического тока с поверхности детали вырываются частицы металла. Импульсы на столько короткие, что за это время успевает расплавиться и испариться лишь небольшое количество вещества. При этом тепло не распространяется вглубь детали.

К электроэрозионному методу относятся:

• электроискровая обработка металлов;
• электроимпульсная.

Электроискровой метод основан на применении искрового разряда. В канале разряда температура достигает 10000 0 С, но время действия импульса мало. В результате можно получить хорошую поверхность. Но метод этот не отличается высокой производительностью, а износ инструмента равняется объему снятого вещества. Метод применяется для особо точной (прецизионной) подгонки мелких деталей, вырезки деталей твердосплавных штампов по контуру, прошивки маленьких отверстий.

Электроимпульсная обработка основана на применении импульсов дугового разряда. Температура в рабочей зоне достигает 4000 – 5000 0 С, что дает возможность пользоваться большими мощностями (несколько десятков киловатт). В результате повышается производительность обработки материала.

Чтобы заниматься художественной ковкой, необходимо иметь набор специального оборудования. Подробнее об этом читайте в нашей статье.

Электрохимическая обработка

Этот способ основан на законах электрохимии. Существуют следующие электрохимические методы обработки металлов:

• поверхностная обработка. Суть ее заключается в растворении материала (анода). Причем в первую очередь растворяются выступающие части поверхности. В результате она выравнивается;
• размерная электрохимическая обработка. К этому методу относятся:

1. анодно-гидравлическая обработка;
2. анодно-механическая обработка.

Анодно-гидравлическая обработка основана на следующем свойстве металлов: скорость анодного растворения находится в прямой зависимости от расстояния между электродами. При сближении электродов поверхность анода(заготовки) полностью повторяет контуры инструмента (катода). Но в результате процесса между катодом и анодом скапливаются побочные продукты, которые приходится оттуда удалять. Это можно сделать прокачкой электролита. А можно применить комбинированный способ – анодно-механический.

Анодно-механическая обработка является комбинацией анодного растворения и эрозии внешнего слоя заготовки: к катоду присоединяется вращающийся диск, который механически удаляет окисную пленку с выступающих частей обрабатываемой поверхности.

Электрохимическое и химико термическое воздействие на металлы и сплавы с целью их обработки

Термическая и химико-термическая обработка

Основной задачей термообработки заготовок являются изменения структуры и свойствих материала, направленные, в подавляющем большинстве случаев, на получение более мелкого зерна. Термической обработке подвергают слитки, отливки, поковки, сварные соединения, заготовки, получаемые из проката, а также детали, изготовляемые из разнообразных металлов или сплавов. Основными видамитермической обработки заготовок из сталей являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг заготовок из сталей проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры. При отжиге полностью устраняются остаточные напряжения.

Отжиг проводят нагревом заготовок до температуры, превышающей Ас₃ на 30 - 50 о С, и после сквозного нагрева заготовки охлаждают. Скорость охлаждения при отжиге выбирают в зависимости от степени легированности стали. Для углеродистых сталей скорость охлаждения составляет 100 - 200 о С/ч, для легированных сталей - 20-70 о С/ч.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сталей.

Температура о С

E

G

700 Р S

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,14

В результате отжига в фасонном литье устраняется грубозернистая структура, снижающая механические свойства заготовки. В катаных и кованых заготовках устраняются последствия различия условий деформирования и охлаждения их различных частей, структура материала приобретает однородность.

Нормализация отличается от отжига условиями охлаждения; после нагрева до температуры на 50 - 70 о С выше Ас₃ заготовку из стали охлаждают на воздухе. Нормализация сообщает стали более высокую прочность, чем отжиг, из-за большей скорости охлаждения.

Легированные конструкционные стали после нормализации приобретают высокую твердость, затрудняющую в дальнейшем обработку резанием, и нуждаются в последующем отпуске.

Структура нормализованных сталей из-за большей скорости охлаждения отличается от структуры отожженных сталей и в значительной мере зависит от размеров заготовок и сеченийих отдельных частей.

Закалку заготовок из сталей ведут для получения структур наивысшей твердости. При последующем отпуске твердость может быть снижена, но повышена пластичность.

В зависимости от температуры нагрева закалку называют полной или неполной. При полной закалке заготовку нагревают выше критической температуры Ас₃при неполной закалке температура нагрева находится в промежутке между Ас₁ и Ас_3. Выбор вида закалки зависит от исходной структуры стали и механических свойств, приобретаемых в результате закалки.

Охлаждение при закалке осуществляется погружением закаливаемой заготовки в воду или масло, имеющих температуру 20 - 25 °С. Значительные напряжения разного рода, обусловленные неравномерностью упругих и пластических деформаций при нагревании и охлаждении заготовки, изменениями объемов при фазовых превращениях и др., могут привести к возникновению закалочных трещин и короблению заготовок. Уменьшению остаточных напряжений в материалах заготовок в значительной мере могут способствовать закалка в двух средах и ступенчатая закалка.

Заготовки из легированных сталей, для которых температура конца мартенситного превращения значительно ниже 20 - 25 °С, подвергают обработке холодом сразу же после закалки. Температура охлаждения этих заготовок может находиться в диапазоне от - 40 до -196 °С.

При закалке невозможно добиться одинаковой скорости охлаждения поверхности и сердцевины заготовки, поэтому сталь способна закаляться лишь на определенную глубину. Эту способность называют прокаливаемостью, а степень прокаливаемости условились характеризовать глубиной материала, на которую распространяется не менее 50 % мартенсита. Прокаливаемость одной и тойже марки стали в зависимости от изменений химического состава, температуры нагрева, размера и формы детали колеблется в широких пределах и отражается на механических свойствах детали.

В ряде случаев целесообразно упрочнять только поверхностные слои заготовки. Тогда до закалочной температуры нагревают только этот слой и быстро охлаждают его, оставляя сердцевину незакаленной Нагрев осуществляют газопламенным способом, токами высокой частоты, низкотемпературной плазмой, лазером. Охлаждают водой следом за движущимся тепловым индуктором. Регулируя скорость движения индуктора, сообщаемую тепловую энергию и скорость охлаждения, изменяют глубину и свойства закаленного слоя.

Отпуск осуществляют при нагреве заготовки до температур, не превышающих уровень Ас₁. Во время отпуска идут структурные изменения, обеспечивающие большую пластичность материала и снятие остаточных напряжений.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкий при 120 - 250 °С, средний при 350 - 450 о С и высокий при 500 - 680 °С. Каждому виду отпуска соответствует своя продолжительность выдержки. При низком отпуске продолжительность выдержки составляет 0,5-2 ч. хотя при нагреве до 100-120 о С выдержка может доходить и до 10-15 ч. Такой режим отпуска применяют, когда нежелательно падение твердости, достигнутой в результате закалки. Продолжительность среднего и высокого отпуска обычно составляет от 1 до 2 ч для деталей небольшой массы и от 3 до 8 ч для деталей массой от 200 до 1000 кг.

Так как структура отпускаемой стали формируется в период выдержки при температуре отпуска, то скорость охлаждения не влияет на структурное состояние стали. Обычно охлаждают заготовки на воздухе.

Комплексную термическую обработку заготовок из конструкционных сталей, состоящую из полной закалки и высокого отпуска, называют улучшением.

Получение требуемых свойств материала заготовки, подвергаемой термообработке, зависит от химического состава стали, степени се однородности и чистоты, наличия остаточных напряжений, формыиразмеров заготовки. В неменьшей мере свойства материала зависят от правильного выбора соблюдения режимов термообработки: скорости и температуры нагрева заготовки, длительности выдержки, скорости охлаждения, охлаждающей среды. Всякое несоответствие режимов термообработки исходным свойствам материала заготовки может привести к возникновению различных дефектов.

Дефекты материала заготовок, возникающие при термообработке

Дефект Перегрев Пережог Высокая твердость отожженной стали Окисление Коробление Недостаточная твердость после закалки Мягкие пятна Повышенная твердость после отпуска Пониженная твердость после отпуска Обезуглероживание Закалочные трещины Деформирование при закалке Эрозия Разъедание

Характеристика Крупнозернистость, пониженные пластичность и особенно ударная вязкость Наличие по границам зерен участков, обогащенных углеродом, неокисленных пустот и пузырей, включений окислов железа. Низкие пластические свойства Дефект структуры из-за повышенной скорости охлаждения при отжиге или низкой температуры выдержки Значительный слой окалины на поверхности заготовки Деформация заготовки после закалки Дефект структуры из-за пониженной температуры нагрева, недостаточной выдержки или малой ско­рости охлаждения Наличие на поверхностях закаленной заготовки участков с пониженной твердостью Дефект структуры из-за пониженной температуры нагрева или недостаточной выдержки Дефект структуры из-за отпуска при температуре выше нормальной Выгорание углерода в поверхностных слоях. Пониженная твердость после закалки. Пониженный предел выносливости Неисправимый дефект заготовки Изменение объема (размеров) заготовки после закалки Уменьшение размеров заготовки или искажение профиля вследствие окисления и уноса металла с поверхности Точечное или ручьеобразное поражение поверхности заготовки

Химико-термическую обработку применяют для поверхностного упрочнения и противодействия влиянию на поверхность внешних агрессивных сред. Наибольшее распространение в машиностроении получили процессы цементации, цианирования и азотирования. Значительно реже применяют алитирование, сульфидирование, хромирование, цинкование, борирование и др.

Цементация представляет собой процесс обогащения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали углеродом. Последующая термообработка сообщает поверхностному слою высокую твердость и вязкость сердцевине и повышает износостойкость и усталостную прочность детали.

Цементацию ведут на глубину 0.5-2,2мм, реже на меньшую глубину. Однако при изготовлении крупных деталей глубина цементированного слоя может доходить до 6мм. Твердость поверхностного слоя после закалки составляет HRC 64-66. Цементацию осуществляют в твердом или газовом карбюризаторе при температуре 920—1050 °С. Длительность насыщения поверхностного слоя углеродом зависит от заданной глубины цементации и марки материала. Длительность выдержки может составлять от 2 до 24 ч.

В связи с длительной выдержкой заготовок при температуре науглероживания структура материала получается крупнозернистой. Для обеспечения не только высокой твердости поверхности, но и высокой прочности и ударной вязкости материала необходимо получить мелкое зерно как на поверхности, так и в сердцевине заготовки. Для этого заготовки после цементации подвергают двойной закалке и низкому отпуску, уменьшающему остаточные напряжения и сохраняющему твердость стали.

Обычно цементации подвергают не все, а лишь отдельные поверхности заготовки, которым должна быть придана высокая твердость, поэтому нецементируемые поверхности должны быть изолированы. Существуют различные способы защиты нецементируемых поверхностей. Ких числу относят гальваническое омеднение, применение специальных обмазок, забивку отверстий медными пробками и надевание на наружные поверхности колпачков. Защитой от цементации может служить припуск, удаляемый с заготовки после цементации до закалки. В этом случае технологический процесс изготовления детали строят с таким расчетом, чтобы на первых его стадиях обработать поверхности заготовки, подлежащие цементации, с припуском под обработку после закалки. Остальные поверхности заготовки либо не обрабатывают, либо обрабатывают с припуском, в 1,5 - 2 раза превышающим заданную глубину цементованного слоя. После цементации защитные и цементованные слои с этих поверхностей удаляют, и заготовку направляют на закалку, в результате которой высокую твердость приобретут только цементозанные поверхности.

Цианирование обеспечивает повышение поверхностной твердости, износостойкости и усталостной прочности. Процесс насыщения поверхностного слоя материала углеродом ведут при температуре 820 - 950 °С в жидких, газовых средах или твердых упаковках с применением цианистых соединений в качестве карбюризаторов.

Микроструктура цианированной стали в закаленном и отожженном состоянии аналогична микроструктуре цементованной стали. Отличие в содержании в поверхностном слое азота, придающего цианированной стали большую износостойкость.

Азотирование применяют для повышения поверхностной твердости, износостойкости и предела выносливости деталей машин, изготовляемых из легированных сталей и чугуна. До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску, проводят чистовую обработку заготовки, а после азотирования — отделочную обработку (тонкое шлифование, притирку, доводку и т.п.).

Диффузионное насыщение поверхностей заготовки азотом ведут при температуре 500—600 о С в муфелях или контейнерах, через которые пропускают аммиак. Так как азотированию обычно подвергают лишь отдельные поверхности изготовляемой детали, то ее другие поверхности требуют защиты. Наиболее распространенным средством защиты является гальваническое лужение.

Азотирование — это более длительный процесс, чем цементация, требующий 50—60 ч выдержки. Толщина азотированного слоя обычно не превышает 0,5мм. В связи сэтим азотирование используют реже, чем цементацию, хотя оно и обеспечивает более высокую твердость и износостойкость поверхностей деталей.

В ряде случаев диффузионное насыщение стали одновременно углеродом и азотом дает определенные преимущества. Азот, способствуя диффузии углерода, дает возможность понизить температуру насыщения углеродом до 850 о С и получить то же науглероживание. что и при цементации. Такой процесс называют нитроцементацией. Нитроцементируемый слой хорошо сопротивляется изнашиванию и коррозии.

Химико-термическая обработка стали

Существуют различные способы воздействия на сталь с целью придания ей требуемых свойств. Один из комбинированных методов — химико-термическая обработка стали.

Общие принципы

Суть данной технологии состоит в преобразовании внешнего слоя материала насыщением. Химико-термическая обработка металлов и сплавов осуществляется путем выдерживания при нагреве обрабатываемых материалов в средах конкретного состава различного фазового состояния. То есть, это совмещение пластической деформации и температурного воздействия.

Это ведет к изменению параметров стали, в чем состоит цель химико-термической обработки. Таким образом, назначение данной технологии — улучшение твердости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В сравнении с прочими технологиями химико-термическая обработка выгодно отличается тем, что при значительном росте прочности пластичность снижается не так сильно.
Основные ее параметры — температура и длительность выдержки.

Рассматриваемый процесс включает три этапа:

• диссоциацию;
• адсорбцию;
• диффузию.

Интенсивность диффузии увеличивается в случае формирования растворов внедрения и снижается, если вместо них формируются растворы замещения.

Количество насыщающего элемента определяется притоком его атомов и скоростью диффузии.

На размер диффузионного слоя влияют температура и длительность выдержки. Данные параметры связаны прямой зависимостью. То есть с ростом концентрации насыщающего элемента возрастает толщина слоя, а повышение интенсивности теплового воздействия приводит к ускорению диффузии, следовательно, за тот же промежуток времени она распространится на большую глубину.

Большое значение для протекания процесса диффузии имеет растворимость в материале обрабатываемой детали насыщающего элемента. В данном случае играют роль пограничные слои. Это объясняется тем, что ввиду наличия у границ зерен множества кристаллических дефектов диффузия происходит более интенсивно. Особенно это проявляется в случае малой растворимости насыщающего элемента в материале. При хорошей растворимости это менее заметно. Кроме того, диффузия ускоряется при фазовых превращениях.

Классификация

Химико-термическая обработка стали подразделяется на основе фазового состояния среды насыщения на жидкую, твердую, газовую.

В первом случае диффузия происходит на фрагментах контакта поверхности предмета со средой. Ввиду низкой эффективности данный способ мало распространен. Твердую фазу обычно используют с целью создания жидких или газовых сред.

Химико-термическая операция в жидкости предполагает помещение предмета в расплав соли либо металла.

При газовом методе элемент насыщения формируют реакции диссоциации, диспропорционирования, обмена, восстановления. Наиболее часто в промышленности для создания газовой и активной газовой сред используют нагрев твердых. Удобнее всего проводить работы в чисто газовой среде ввиду быстрого прогрева, легкого регулирования состава, отсутствия необходимости повторного нагрева, возможности автоматизации и механизации.

Как видно, классификация по фазе среды не всегда отражает сущность процесса, поэтому была создана классификация на основе фазы источника насыщения. В соответствии с ней химико-термическая обработка стали подразделена на насыщение из твердой, паровой, жидкой, газовой сред.

Кроме того, химико-термическая технология подразделена по типу изменения состава стали на насыщение неметаллами, металлами, удаление элементов.

По температурному режиму ее классифицируют на высоко- и низкотемпературную. Во втором случае производят нагрев до аустенитного состояния, а в первом — выше и оканчивают отпуском.

Наконец, химико-термическая обработка деталей включает следующие методы, выделяемые на основе технологии выполнения: цементацию, азотирование, металлизацию, нитроцементацию.

Диффузионная металлизация

Это поверхностное насыщение стали металлами.

Возможно проведение в жидкой, твердой, газовой средах. Твердый метод предполагает использование порошков из ферросплавов. Жидкой средой служит расплав металла (алюминий, цинк и т. д.). Газовый метод предполагает использование хлористых металлических соединений.

Металлизация дает тонкий слой. Это объясняется малой интенсивностью диффузии металлов в сравнении с азотом и углеродом, так как вместо растворов внедрения они формируют растворы замещения.

Такая химико-термическая операция производится при 900 — 1200°С. Это дорогостоящий и длительный процесс.

Основное положительное качество — жаростойкость продуктов. Ввиду этого металлизацию применяют для производства предметов для эксплуатационных температур 1000 — 1200°С из углеродистых сталей.

По насыщающим элементам металлизацию подразделяют на алитирование (алюминием), хромирование, борирование, сицилирование (кремнием).

Первая химико-термическая технология придает материалу стойкость к окалине коррозии, однако на поверхности после нее остается алюминий. Алитирование возможно в порошковых смесях либо в расплаве при меньшей температуре. Второй способ быстрее, дешевле и проще.

Хромирование тоже увеличивает стойкость к коррозии и окалине, а также к воздействию кислот и т. д. У высоко- и среднеуглеродистых сталей оно также улучшает износостойкость и твердость. Данная химико-термическая операция в основном производится в порошковых смесях, иногда в вакууме.

Основное назначение борирования состоит в улучшении стойкости к абразивному износу. Распространена электролизная технология с применением расплавов боросодержащих солей. Существует и безэлектролизный метод, предполагающий использование хлористых солей с ферробором или карбидом бора.

Сицилирование увеличивает стойкость к коррозии в соленой воде и кислотах, к износу и окалине некоторых металлов.

Науглероживание (цементация)

Это насыщение поверхности стальных предметов углеродом. Данная операция улучшает твердость, износостойкость, а также выносливость поверхности материала. Нижележащие слои остаются вязкими.

Данная химико-термическая технология подходит для предметов из низкоуглеродистых сталей (0,25%), подверженных контактному износу и переменным нагрузкам.

Предварительно необходима механическая обработка. Не цементируемые участки покрывают слоем меди либо обмазками.

Температурный режим определяется содержанием углерода в стали. Чем оно ниже, тем больше температура. Для адсорбирования углерода и диффузии в любом случае она должна составлять 900 — 950°С и выше.

Таким образом, путем насыщения поверхности стальных деталей углеродом достигают концентрации данного элемента в верхнем слое 0,8 — 1%. Большие значения ведут к повышению хрупкости.

Цементацию осуществляют в среде, называемой карбюризатором. На основе ее фазы технологию подразделяют на газовую, вакуумную, пастами, в твердой среде, ионную.

При первом способе применяют каменноугольный полукокс, древесный уголь, торфяной кокс. С целью ускорения используют активизаторы и повышают температуру. По завершении материал нормализуют. Ввиду длительности и малой производительности данная химико-термическая технология используется в мелкосерийном выпуске.

Вторая технология предполагает использование суспензий, обмазок либо шликеров.

Газовую среду наиболее часто применяют при цементации ввиду скорости, простоты, возможности автоматизации, механизации и достижения конкретной концентрации углерода. В таком случае используют метан, бензол или керосин.

Более совершенный способ — вакуумная цементация. Это двухступенчатый процесс при пониженном давлении. От прочих методов отличается скоростью, равномерностью и светлой поверхностью слоя, отсутствием внутреннего окисления, лучшими условиями производства, мобильностью оборудования.

Ионный метод подразумевает катодное распыление.

Цементация — промежуточная химико-термическая операция. Далее осуществляют закалку и отпуск, определяющие свойства материала, такие как износостойкость, выносливость при контакте и изгибе, твердость. Главный недостаток — длительность.

Азотирование

Данным термином называют насыщение материала азотом. Этот процесс производят в аммиаке при 480 — 650°С.

С легирующими данный элемент формирует нитриды, характеризующиеся дисперсностью, температурной устойчивостью и твердостью.

Такая технология химико-термической обработки увеличивает твердость, стойкость к коррозии и износу.

Необходима предварительная механическая и термическая обработка для придания окончательных размеров. Не азотируемые фрагменты покрывают оловом либо жидким стеклом.

Обычно используют температурный интервал от 500 до 520°С. Это дает за 24 — 90 ч. 0,5 мм слой. Толщина определяется длительностью, составом материала, температурой.

Азотирование приводит к увеличению обрабатываемых деталей вследствие возрастания объема верхнего слоя. Величина роста напрямую определяется его толщиной и температурным режимом.

При жидком способе применяют цианосодержащие, реже бесцианитные и нейтральные соли. Ионная химико-термическая операция отличается повышенной скоростью.

Азотирование подразделяют по целевым свойствам: им достигается или улучшение устойчивости к коррозии, либо повышение стойкости к износу и твердости.

Цианирование, нитроцементация

Это технология насыщения стали азотом и углеродом. Таким способом обрабатывают стали с количеством углерода 0,3 — 0,4%.

Соотношение между углеродом и азотом определяется температурным режимом. С его ростом возрастает доля углерода. В случае пересыщения обоими элементами слой обретает хрупкость.

На размер слоя влияет длительность выдержки и температура.

Цианирование проводится в жидкой и газовой средах. Первый способ называют также нитроцементацией. Кроме того, по температурному режиму оба типа подразделяют на высоко- и низкотемпературные.

При жидком способе используют соли с цианистым натрием. Основной недостаток — их токсичность. Высокотемпературный вариант отличается от цементации быстротой, большими износостойкостью и твердостью, меньшей деформацией материала. Нитроцементация дешевле и безопаснее.

Предварительно производят окончательную механическую обработку, а не подлежащие цианированию фрагменты покрывают слоем меди в 18 — 25 мкм толщиной.

Сульфидирование, сульфоцианирование

Это новая химико-термическая технология, направленная на улучшение износостойкости.

Первый метод состоит в насыщении материала серой и азотом путем нагрева в серноазотистых слоях.

Сульфоцианирование подразумевает насыщение углеродом, помимо названных элементов.

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Термическая обработка стали

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Изменение структуры металла при термообработке

Назначение термической обработки

Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам . Здесь происходит:

• вторичная кристаллизация сплава;
• переход гамма железа в состояние альфа железа;
• переход крупных частиц в пластинки.

Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.

Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения

Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

• В готовых изделиях:
  1. прочности;
  2. износостойкости;
  3. коррозионностойкость;
  4. термостойкости.

• В заготовках:
  1. снятие внутренних напряжений после
     • литья;
     • штамповки (горячей, холодной);
     • глубокой вытяжки;

     Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

     1. Углеродистым и легированным.
     2. С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
     3. Конструкционным, специальным, инструментальным.
     4. Любого качества.

     Классификация и виды термообработки

     Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:

     • время нагревания (скорость);
     • температура нагревания;
     • длительность выдерживания при заданной температуре;
     • время охлаждения (интенсивность).

     Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.

     Виды термической обработки стали:

     • Отжиг
       1. I – рода:
          • гомогенизация;
          • рекристаллизация;
          • изотермический;
          • снятие внутренних и остаточных напряжений;
          • полный;
          • неполный;
          • Закалка;
          • Отпуск:
            1. низкий;
            2. средний;
            3. высокий.
          • Нормализация.

          
          

          Температура нагрева стали при термообработке

          Отпуск

          Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

          1. Отпуск низкий

          Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

          • Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
          • выдерживание — полтора часа;
          • остывание – воздух, масло.

          2. Средний отпуск

          Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:

          • нагревание до температуры – от 340°С, но не выше 500°С;
          • охлаждение – воздух.

          3. Высокий отпуск

          При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.

          
          

          Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.

          Отжиг

          Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:

          • нагревание до температуры чуть выше критической точки в зависимости от марки стали;
          • выдержка с постоянным поддержанием температуры;
          • медленное охлаждение (обычно остывание происходит совместно с печью).

          1. Гомогенизация

          Гомогенизация, по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:

          2. Рекристаллизация

          Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:

          • нагревание до температуры – выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
          • выдерживание — ½ — 2 часа;
          • остывание – медленное.

          3. Изотермический отжиг

          Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:

          • нагревание до температуры – на 20°С — 30°С выше точки ;
          • выдерживание;
          • остывание:
            • быстрое – не ниже 630°С;
            • медленное – при положительных температурах.

            4. Отжиг для устранения напряжений

            Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:

            • нагревание до температуры – 727°С;
            • выдерживание – до 20 часов при температуре 600°С — 700°С;
            • остывание — медленное.

            5. Отжиг полный

            Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.

            
            

            Полный отжиг стали

            • температура нагрева – на 30°С-50°С выше точки ;
            • выдержка;
            • охлаждение до 500°С:
              • сталь углеродистая – снижение температуры за час не более 150°С;
              • сталь легированная – снижение температуры за час не более 50°С.

              6. Неполный отжиг

              При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.

              • нагревание до температуры – выше точки или , выше 700°С на 40°С — 50°С;
              • выдерживание – порядка 20 часов;
              • охлаждение — медленное.

              Закалка

              Закалку сталей применяют для:

              • Повышения:
                1. твердости;
                2. прочности;
                3. износоустойчивости;
                4. предела упругости;
              • Снижения:
                1. пластичности;
                2. модуля сдвига;
                3. предела на сжатие.

              Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.

              
              

              Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.

              Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).

              Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:

              • вода;
              • соляные растворы на основе воды;
              • техническое масло;
              • инертные газы.

              Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.

              Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.

              Чтобы полностью избавиться от аустенита, из-за которого у стали наблюдается высокая хрупкость, изделия подвергаются дополнительному охлаждению при температурах от — 40°С и до -100°С в специальной камере. Также можно использовать углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка повышает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.

              Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.

              Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.

              Нормализация

              Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:

              • сопротивление излому;
              • производительность обработки;
              • прочность;
              • вязкость.

              
              

              Процесс нормализации стали

              • происходит нагрев до температуры – на 30°С-50°С выше точки ;
              • выдерживание в данном температурном коридоре;
              • охлаждение – на открытом воздухе.

              Преимущества термообработки

              Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

              Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.

              В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.

              Читайте также:

                
              • В тайгу за металлом с пургой
                
              • Цветные металлы и их классификация
                
              • Все о лазерной резке металла
                
              • Атомы химических элементов металлов
                
              • Какова сущность наплавки металлов