Термообработка металла

- закалка стали

Закалка— термическая обработка, заключается в нагревании стали до температуры выше критической (Ас₃—для доэвтектоидной и Ас₁—для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Закалка стали не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

- закалка ТВЧ

При поверхностной закалке на некоторую (заданную) глубину закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.
Основное назначение закалки ТВЧ: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия, сердцевина остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки.
Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали. Когда изделие работает только на износ или в условиях усталости, толщину закаленного слоя чаще принимают 1,5 — 3,0 мм, в условиях высоких контактных нагрузок и возможной перешлифовки 4 — 5 мм. В случае особо больших контактных нагрузок, например для валков холодной прокатки, толщина закаленного слоя достигает 10—15 мм и выше.

Обычно считают, что площадь сечения закаленного слоя должна быть не более 20% всего сечения. Для зубчатых колес толщина слоя составляет 0,2—0,28 от их модуля.

Для поверхностной индукционной закалки ТВЧ применяют стали, содержащие 0,4-0,5% С (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.) которые после закалки ТВЧ имеют высокую твердость (HRC 50—60), сопротивляемость износу и не склонны к хрупкому разрушению.

- цементация, нитроцементация

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.
Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продолжительности насыщения.

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

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,12—0,23% С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.
Bо многих случаях цементации подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают антицементационной пастой.
Заключительной операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 —180°С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое, в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Нитроцементация
Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 84О-86О°С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса 4—10 ч. Основное назначение нитроцементации - повышение твердости и износостойкости стальных изделий.
Нитроцементации обычно подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению. Нитроцементация имеет следующие преимущества по сравнению с газовой цементацией. Процесс происходит при более низкой температуре (840 - 860°С вместо 910 - 930°С); глубина слоя меньше; получаются меньшие деформации и коробление изделий; повышается сопротивление износу и коррозии.

- отжиг

Отжиг 1 рода
Этот вид отжига в зависимости от температурных условий выполнения устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную предшествующими обработками. Характерная особенность этого отжига состоит в том, что устранение неоднородности происходит независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения или нет, поэтому отжиг I рода можно производить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений.

Гомогенизация (диффузионный отжиг) – применяют для слитков легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации.
Рекристаллизационный отжиг – применяют перед и после холодной обработки давлением и как промежуточную операцию для снятия наклепа между операциями холодного деформирования.
Отжиг металла для снятия остаточных напряжений – применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и д. р., в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т. п. возникли остаточные напряжения.

Отжиг 2 рода
Отжиг 2 рода заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас3 или Ас1, выдержке и последующим, как правило медленном, охлаждении, в результате которого фазовые превращения приводят к достижению практически равновесного структурного (фазового) состояния. После отжига сталь обладает низкой твердостью и прочностью при высокой пластичности. Фазовая перекристаллизация, происходящая при отжиге, измельчает зерно и устраняет видманшттетову и другие неблагоприятные структуры стали.
Полный отжиг
Этот Вид отжига заключается в нагреве доэвтектоидной стали, на 30 — 50сС выше температуры, соответствующей точке Ас3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. При этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали.
Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат, поковки и фасонные отливки.
Изотермический отжиг
В этом случае сталь обычно легированную нагревают, как и для полного отжига, и сравнительно быстро охлаждают (переносом в другую печь) до температуры, лежащей ниже точки А1 (обычно ~650°С) и назначают изотермическую выдержку, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.
Преимущество изотермического отжига состоит в уменьшении длительности процесса, особенно для легированных сталей, которые приходится очень медленно охлаждать для требуемого снижения твердости.
Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием, чистоту поверхности и уменьшает деформации при последующей термической и химико-термической обработке.
Этот отжиг используют для поковок (шестерни, валы, муфты и т. д.) и других заготовок небольших размеров.
Неполный отжиг
Этот отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки Ас1).
Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяют для улучшения обрабатываемости резанием.
Для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг. В этих сталях нагрев несколько выше точки Ас1 (обычно на 10 — 30°С) вызывает практически полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую структуру перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией.
Отжиг нормализационный (нормализация)
Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3 на 50°С, a эвтектоидной стали выше Аст также на 50°С, непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке.
Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. При повышении твердости нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска.
Нормализацию с последующим высоким отпуском (600 —650°С) часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига, так как производительность и трудоемкость этих двух, операций выше, чем одного отжига.

- отпуск

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Аc1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке.
Низкотемпературный (низкий) отпуск
Проводят с нагревом до 150-200°С, реже до 240-250˚С. При этом снижаются внутренние напряжения, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твёрдости. Закаленная сталь после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58 — 63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.

Среднетемпературный (средний) отпуск
Отпуск выполняют при 350—500°С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие предел упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость.
Высокотемпературный (высокий) отпуск
Отпуск проводят при 500—680°С. Структура стали после высокого отпуска — сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.
Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает пределы прочности и текучести и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.

- азотирование

Вакуумная камера колпакового типа предназначена для нагрева деталей при ионной химико-термической обработке. В зависимости от конструкции и назначения детали размещаются на катодной плите одной или многоярусной садкой по диаметру и высоте камеры. Компоновка садок для азотирования деталей будет согласована в процессе проектных и опытно-промышленных работ с Заказчиком, направленные для обеспечения необходимой производительности и повышения потребительских свойств выпускаемой продукции.

Камера с двойными стенками, между которыми циркулирует охлаждающая вода с оборотным циклом. В комплект камеры входит автоматизированная система охлаждения, контролирующая и регулирующая допустимый температурный режим охлаждающей воды (45-50 ^оС).

Для равномерности температуры и уменьшения теплопотерь до 30% внутри камеры размещены специальные теплозащитные экраны.

Катодная плита и подвески монтируются на опорных изоляторах. Проходные электроды осуществляют связь с катодом плазменного генератора. Корпус камеры заземлен.

Для контроля и управления температурным режимом предусмотрено специальная конструкция термоэлектрических преобразователей (3 термопары). Способы измерения температуры контактный и бесконтактный и являются приоритетными.

Подсоединение водяных магистралей корпуса и крышки осуществляется вручную с помощью быстроразъемных соединений.

Учитывая расширенные технологические возможности процесса, преимущественные структурно-энергетические характеристики азотированного слоя и повышенную размерную точность упрочняемых деталей – все это позволяет сократить максимальное время полного цикла на 20-30%, исключая последующую трудоемкую мехобработку.