9Термомеханическая обработка стали

Термомеханическая обработка (ТМО) является новым мето­дом обработки стали, позволяющим повысить механические свойства по сравнению с полученными при обычной закалке и отпуске.

Термомеханическая обработка заключается в сочетании пла­стической деформации стали в аустенитном состоянии с ее за­калкой. Формирование структуры закаленной стали при ТМО происходит в условиях повышенной плотности дислокаций, обу­словленных наклепом.

Различают два основных способа термомеханической обра­ботки.

По первому способу, называемому высокотемпературной тер­момеханической обработкой (ВТМО), сталь деформируют при температуре выше точки, при которой сталь име­ет аустенитную структуру. Степень деформации составляет 20— 30%. После деформации следует немедленная закалка во избе­жание развития процесса рекристаллизации.

По второму способу, называемому низкотемпературной тер­момеханической обработкой (НТМО), сталь деформируют в температурной зоне существования переохлажденного аустенита в области его относительной устойчивости (400—600°С); темпе­ратура деформации должна быть выше точки М_ш но ниже тем­пературы рекристаллизации (рис. 130,6). Степень деформации обычно составляет 75—95%. Закалку осуществляют сразу после деформации. После закалки в обоих случаях следует низкотем­пературный отпуск (100—300°С). Такая комбинированная ТМО позволяет получить очень высокую прочность.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА СТАЛИ

При поверхностной закалке на некоторую (заданную) глу­бину закаливается только поверхностный слой, тогда как серд­цевина изделия остается незакаленной.

Основное назначение поверхностей закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабаты­ваемого изделия. Сердцевина изделия остается вязкой и воспри­нимает ударные нагрузки. В практике ,более часто применяют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высо­кой частоты (т.'вл.). Реже главным образом для крупных изде­лий применяют закалку с нагревом газовым пламенем.

Закалка с индукционного нагрева. Индукционный нагрев для термической обработки был впервые предложен в 1935 г. В. П. " Вологдиным. В 1937 г. этот процесс был применен на Москов­ском автомобильном заводе им. Лихачева для упрочнения мно­гих деталей автомобиля.

Индукционный нагрев происходит вследствие теплового дей­ствия тока, индуктируемого в изделии, помещенном в перемен­ное магнитное поле.

Для нагрева изделие устанавливают в индуктор (соленоид), представляющий собой один или несколько витков пустотелой водоохлаждаемой медной труб­ки или шины Пере­менный ток, протекая через индуктор, создает переменное магнитное поле. В результате явления индукции в поверх­ностном слое возникают вихре­вые токи и в слое обрабатыва­емого изделия, происходит выделение джоулева тепла. Плотность индуктированного переменного тока по сечению - проводника (нагреваемого из­делия) неодинакова. Ток про­ходит в основном в поверхно­стном слое проводника. Это явление называется поверхност­ным эффектом. Закалка с газопламенным нагревом. Этот способ закалки применяют для крупных изделий (прокатных валков, валов и т. д.). Поверхность детали нагревают газовым пламенем, име­ющим высокую температуру (2400—3150°С). Вследствие подво­да значительного количества тепла поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина де­тали не успевает нагреваться. Последующее быстрое охлажде­ние обеспечивает закалку 'поверхностного слоя. В качестве го­рючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (име­ющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.

Толщина закаленного слоя обычно составляет 2—4 мм, iaего твердостьHR.C 50—56. В тонком поверхностном слое образует­ся мартенсит, а в нижележащих слоях троосто-мартенсит. Пла­менная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная, и из-за большой скорости нагрева сохраняет более чистую по­верхность.

Процесс газопламенной закалки можно легко автоматизиро­вать и включать в общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционного нагрева.

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Химико-термической обработкой называют поверхностное на­сыщение стали соответствующим элементом (например, угле­родом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой темпера­туре. Химико-термическая обработка заключается в нагреве изделия до заданной температуры в твердой, газовой или жидкой среде, легко выделяющей диффундирующий элемент в атомарном состоянии, выдержке при этой температуре и после­дующем охлаждении. В отличие от термической обработки хи­мико-термическая обработка меняет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев, что позволяет в более широких пределах изменять его свойства.,

Процесс химико-термической обработки состоит из трех элементарных стадий:

1) выделение диффундирующего элемента в атомарном со­стоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде;

2) контактирование атомов диффундирующего элемента с по­верхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (абсорбция);

3) диффузия атомов насы­щающего элемента в глубь металла.

Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в ре­шетку железа неодинакова и зависит от состава и строения об­разующихся фаз. При насыщении углеродом или азотом, со­ставляющими с железом твердые растворы внедрения, диффу­зия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образу­ющими твердые растворы замещения.

Поэтому при диффузионном насыщении металлами (диффу­зионная металлизация) процесс ведут при более высоких температуру и длительно.

ЦЕМЕНТАЦИЯ СТАЛИ

Цементацией называется процесс насыщения .поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цемента­ции: твердыми углеродсодержащими смесями (карбюризатора­ми) и газовую. Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащением по­верхностного слоя углеродом до концентрации 0,8—1,2% и по­следующей закалкой с низким отпуском. Цементация и после­дующая термическая обработка одновременно повышают и предел выносливости.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые ста­ли 0,1—0,18% С. Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2—0,3%). Вы­бор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изде­лия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

Для цементации детали поступают после механической об­работки с припуском на шлифование 0,05—0,10 мм. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02—0,04 мм), которую наносят электролитическим спо­собом или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле и др.

Диффузия углерода в сталь возможна только, если углерод на­ходится в атомарном состоянии, получаемом, например, диссо­циацией газов, содержащих углерод (СО, СН₄и др.). Атомар­ный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла.

Цементацию, как правило, проводят при температурах 920—950°С, когда устойчив аустенит, растворяющий в больших количествах углерод. При цементации стали атомы углерода диффундируют в решетку γ – железа. По достижении предела насыщения аустенита углеродом, на поверхности может образоваться сплошной слой цементита.

АЗОТИРОВАНИЕ СТАЛИ

Азотированием называют процесс диффузионного насыще­ния поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиа­ке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхност­ного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопро­тивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т. д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цемен­тованной стали, и сохраняется при нагреве до высоких темпе­ратур (500—550°С), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200—225°С.

Азотирование широко применяется для шестерни, цилиндров мощных двигателей, многих деталей станков и других изделий.

Технологический процесс предусматривает несколько операций.

1. Предварительную термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия. Структура стали после этого отпуска — сорбит.

2. Механическую обработку деталей, а также шлифование, которое придает окончательные размеры детали.

3. Защиту участков, не подлежащих азотированию, нанесе­нием тонкого слоя(0,01—0,015 мм) олова электролитическим методом или жидкого стекла. Олово при температуре азотиро­вания расплавляется и вследствие поверхностного натяжения удерживается на поверхности стали в виде тонкой непроницае­мой для азота пленки.

4. Азотирование.

5. Окончательное шлифование или доводка изделия.

ЦИАНИРОВАНИЕ И НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ СТАЛИ

Цианированием и нитроцементацией называют совместное насыщение поверхности стали углеродом и азотом. Основное назначение цианирования (нитроцементации) — повышение твердости и износостойкости стальных изделий. Для цианиро­вания чаще применяют стали, содержащие 0,2—0,4% С.

Цианирование (среднетемпературное). В этом процессе изделие нагревают до 820—860°С в расплавленных солях, со­держащихNaCN.

Выделяющиеся атомарный углерод и азот диффундируют в сталь. Цианированный слой, полученный при 820—860°С, содер­жит по сравнению с цементованным меньше углерода (0,6— 0,7%), количество азота в цианированном слое 0,8—1,2%.

Цианирование при указанных сравнительно невысоких тем­пературах позволяет выполнять закалку непосредственно из цианистой ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск (180—200°С). Твердость цианированного слоя после термической обработки составляет HRC 58—62. Цианирован­ный слой по сравнению с цементованным обладает более высо­кой износостойкостью и эффективно повышает предел вынос­ливости. Этот вид цианирования применяют для упрочнения мелких деталей, например в автомобилестроении, для шестерен привода масляного насоса и спидометра, пальцы задней рессо­ры, червяка руля, валиков, гаек и т. д.

Для получения слоя большой толщины (0,5—2,0 мм) при­меняют высокотемпературное или глубокое цианирование при 930—960°С в ванне, содержащей 8% NaCN.

Нитроцементация. При нитроцементации изделие нагревают в течение 2—10 ч при 850—860°С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака.

Установлено, что при одновременной диффузии углерода и азота ускоряется диффузия углерода. Скорость роста нитроцементованного и цементованного слоев на глубину 0,5 мм прак­тически одинакова, хотя температура нитроцементации почти на 100°С ниже. Глубина нитроцементованного слоя обычно 0,2— 0,8 мм.

Для нитроцементации рекомендуется использовать контро­лируемую атмосферу. После нитроцементации следует закалка либо непосредст­венно из печи с подстуживанием до 800—825°С, либо после повторного нагрева. После закалки проводят отпуск 160-180⁰С.

Нитроцементация по сравнению с жидкостным цианирова­нием в свою очередь имеет также преимущества: отсутствует необходимость применения ядовитых солей, возможность регу­лирования содержания углерода и азота в слое, можно обра­батывать детали средних и крупных размеров и использовать более производительное технологическое оборудование и его механизацию.