Термообработка/закалка

Термообработка/закалка
Оформить заявку

Этот процесс включает три операции, следующие одна за другой: нагре­вание до определенной температуры; выдержка при заданной температу­ре; охлаждение с различной скоростью от максимальной температуры до комнатной.

Для осуществления термической обработки стали необходимо точно знать температуры, при которых происходит перегруппировка молекул и изменение свойств стали. Такими температурами являются: 723, 770, 910, 1390 и 1535° С. Их называют критическими.

Обычно положение критических температур для углеродистой стали определяется из диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 1).

Если сталь нагрета до температуры ниже 723° С, ее строение не будет претерпевать каких-либо изменений, но при температуре 723° С в ней произойдут структурные изменения. Так, путем термической обработки стали марки 12Х1МФ, которая используется для изготовления труб в со­временных котельных агрегатах, можно повысить ее прочность в 1,5 ... 1,8 раза. В машиностроении используется сталь ЗОХГСА, у которой по­сле закалки и отпуска предел прочности повышается в три раза.

Чтобы получить нужные нам свойства, сталь подвергают различным ви­дам термической обработки.

Отжиг — операция по устранению дефектов структуры, полученных в процессе литья, ковки и других технологических операций, а также понижению твердости. Отжиг осуществляется при медленном охлажде­нии детали вместе с печью или постепенным снижением температуры в печи до 200 ... 500° С. В результате этого сталь получает устойчивую структуру.

Посредством отжига изменяют форму и размеры зерен структуры ста­ли, устраняют неоднородность ее химического состава и уменьшают вредные внутренние напряжения*. Все это улучшает свойства стали, а следо­вательно, и ее обрабатываемость резанием. Сталь после отжига имеет обычно умеренную прочность, низкую твердость и высокие пластические свойства.

В зависимости от цели, какую преследует отжиг, устанавливают режим его проведения: температуру нагрева, время выдержки, скорость охлажде­ния.

Нормализация — процесс термической обработки, имеющий ту же цель, что и отжиг, но отличающийся от него более быстрым охлаждени­ем изделия на воздухе. В результате получается более мелкозернистая структура, чем при отжиге. Нормализации подвергают отливки и поковки. Этот вид термической обработки распространен в машиностроении больше, чем отжиг, так как он более экономичен.

Закалка — процесс термической обработки, при котором деталь или отливку нагревают от заданной температуры, выдерживают при этой тем­пературе до полного прогрева, а затем быстро охлаждают. Закалка с после­дующим отпуском повышает прочность и твердость, а для нержавеющих сталей — антикоррозийную стойкость. Охлаждающими средствами при за­калке могут служить вода, масло, растворы соли и пр.

Закалка — наиболее распространенный вид термической обработки. Закаливают зубчатые колеса, пружины, резцы, зубила, валы, фрезы и многие другие изделия и инструменты. В качестве примера на рис. 2 по­казан чертеж детали (цанга), подвергающейся после механической обра­ботки термическим операциям — закалке и отпуску. Из чертежа видно, что уровень закалки отдельных частей детали различен, так как в зависи­мости от воспринимаемой нагрузки эти части требуют различной прочно­сти и твердости.

Отпуск — процесс термической обработки, состоящий из нагрева де­тали или заготовки (полученных литьем) до заданной температуры, вы­держки при этой температуре до основательного прогрева и, наконец, отно­сительно медленного охлаждения на воздухе, в воде, масле или в какой-либо другой среде.

Основное назначение этой операции — уменьшить твердость, увеличить пластичность и вязкость. Отпуск — повторный нагрев и осуществляется он после закалки до температуры 200, 400 и 600° С.

Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка — это процесс поверхно­стного насыщения стали каким-либо элементом (углеродом, азотом или тем и другим одновременно, а также хромом, кремнием, бором и др. путем диффу­зии элемента из внешней среды при относительно высокой температуре).

Химико-термическая обработка обычно преследует две основные цели: получение более твердой, износоустойчивой поверхности; получение по­верхности, которая была бы устойчива против коррозии.

Наиболее распространенные виды химико-термической обработки стали — цементация, азотирование и цианирование. Некоторые методы упрочения поверхности металлических изделий приведены на рис. 3 (I— индукционная закалка, II — цианирование, III — нитроцементация, IV — газовая цементация, V — цементация, VI — цементация в твердом карбюризаторе, VII — азотирование, VIII —диффузное хроми­рование.

Рис. 3

Цементация — процесс поверхностного насыщения стальных дета­лей углеродом, с целью получения изделия с вязкой сердцевиной и твердой поверхностью. Цементации подвергают детали из углеродистой и легиро­ванных сталей с содержанием углерода 0,1 ... 0,3%. После цементации по­верхностный слой должен содержать 0,8 ... 1,0% углерода. Цементации подвергаются детали, работающие обычно на истирание в условиях удар­ных нагрузок, например зубчатые колеса, шейки коленчатых валов, порш­невые кольца и другие детали машин.

Азотирование — процесс насыщения поверхностных слоев сталь­ных изделий азотом. Этот процесс обеспечивает повышение твердости и изно­состойкости деталей, увеличивает предел усталости, повышает коррозион­ную стойкость. Твердость азотированного слоя обычно сохраняется при на­гревании детали до 450 ... 500° С, а поверхностный слой детали после цемен­тации начинает терять твердость уже при 200° С. Азотирование является од­ной из завершающих операций обработки изделий, так как после него изде­лия подвергают только шлифованию. Чтобы придать сердцевине детали оп­ределенную прочность и вязкость, перед азотированием деталь подвергают закалке и отпуску.

Азотирование — дорогой процесс, так как проникновение азота в сталь протекает очень медленно (около 10 ч для получения слоя глубиной 0,1 мм). Чтобы сократить его в 1,5 ... 2 раза, прибегают к двухступенчатому на­греву: сначала изделие выдерживают при температуре 510 ... 520° С, а затем несколько часов в зависимости от толщины слоя — при температуре 560 ... 600° С. Процесс азотирования ускоряется в 6 ... 7 раз при нагреве изделий токами высокой частоты.

Азотированию подвергаются в основном легированные стали. Углероди­стые стали азотируют в том случае, когда надо получить поверхностный слой толщиной 0,02 ... 0,04 мм для защиты от коррозии. Такое азотирова­ние называют антикоррозийным.

Цианирование — процесс, при котором происходит одновременное на­сыщение поверхностного слоя стали углеродом и азотом.

Этот процесс происходит в ваннах с расплавленными цианистыми соля­ми либо в газовой среде, содержащей метан, аммиак и закись углерода. По­сле ванны детали закаливаются в воде или масле. Цианированный слой тол­щиной 0,2 ... 0,3 мм имеет довольно высокую твердость и износостойкость. Цианированию подвергают режущие кромки сверл, резцов, метчиков, фрез, а также некоторые зубчатые колеса автомобилей и др.