книги / Основы металловедения и термообработки

5.4. Основы технологии термообработки стали

Технологические процессы термоупрочнения стальных де­ талей включают объемную термообработку, обеспечивающую заданную структуру и свойства металла во всем объеме детали, и термоупрочнение поверхностных слоев деталей.

Оборудование для проведения объемной термической об­ работки деталей и заготовок включает средства нагрева (камер­ ные, проходные и шахтные печи с пламенным и элекгронагревом, электродные соляные печи - ванны) и средства охлаждения (универсальные и специализированные закалочные баки, зака­ лочные прессы, спреерные устройства), часто объединенные взакалочно-отпускные агрегаты. Современное нагревательное оборудование обеспечивает безокислительный нагрев в защит­ ных атмосферах и в вакууме. Некоторые типы электропечей представлены на схемах рис. 71,72,73,74,75.

Рис. 71. Камерная электропечь типа СНЗ:

1 - нагревательные элементы; 2 - газопровод; 3 - футеровка;

4 - дверца для загрузки; 5 - механизм подъема дверцы;

б - кожух; 7 - газопровод

Рис. 72. Механизированная камерная электропечь (тип СНЗА):

1 - закалочный бак; 2 - закалочная камера; 3 - стол для загрузки

ивыгрузки деталей; 4 - вентилятор; 5 - нагревательная камера;

б - цепной механизм для передвижения поддона с деталями

Вкрупносерийном и массовом производствах этапы термо­ обработки совмещают в одном агрегате. Схема закалочно­ отпускного агрегата представлена на рис. 75. Агрегат включает конвейер 1 загрузки деталей в проходную печь 2 для нагрева под закалку, механизированный закалочный бак 3, из которого они конвейером подаются в отпускную ванну 4 и далее - в мо­ ечную машину 5 и в тару 6.

Продолжительность нагрева деталей при аустенизации стали (нагрев под закалку, нормализацию, полный отжиг) должна обес­ печить прогрев деталей по сечению и завершение фазовых пре­ вращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вы­ звать роста зерна и обезуглероживания стали в поверхностных слоях детали. Для определения общего времени нагрева детали (время сквозного прогрева и время выдержки) пользуются опыт­ ными данными, например продолжительностью нагрева 1 мм се­

чения: в электропечи 1,5-2 мин, в пламенной печи - 1,0 мин, в соляной ванне - 0,5 мин, в свинцовой ванне - 0,15 мин.

ката, синтетических веществ, например полиакрилнитрель, ак­ вапласт (концентрация 0,5-0,7 %).

Характерные дефекты закалки:

- коробление, поводка деталей вследствие неравномерно­ сти изменения объема при быстром охлаждении в связи с тер­ мической усадкой и структурными изменениями (предотвраща­ ется закалкой в заневоленном состоянии, например - в прессах); - закалочные трещины возникают в том случае, если мест­

ные внутренние напряжения превысят предел прочности стали; - неудовлетворительная структура закалки - это крупно­

игольчатый мартенсит при перегреве под закалку, ферритные участки при неполной закалке, троостит при недостаточной ско­ рости охлаждения.

Неудовлетворительная структура металла деталей может быть исправлена повторной термообработкой по откорректиро­ ванному режиму.

Термические цехи заводов кроме нагревательного и закалоч­ ного оборудования могут быть оснащены оборудованием для правки деталей (прессы, вальцы), для очистки поверхности деталей от окалины (дробеструйные и гидропескоструйные установки, ванны травления, нейтрализации и промывки), приборами контро­ лятвердости металла и контроля геометрии деталей.

6. ПОВЕРХНОСТНОЕ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЕ

СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Многие детали, работающие в сложных условиях нагруже­ ния, подвергаются воздействию динамических и знакоперемен­ ных нагрузок, некоторые участки их поверхности работают в условиях трения (валы, оси, шестерни и т.д.). Материал таких деталей должен обладать высокой прочностью и вязкостью и одновременно иметь твердую износостойкую поверхность. Та­ кие детали после общей термообработки подвергают поверхно­ стному термоупрочнению, основными методами которого явля­ ются поверхностная закалка и поверхностный наклеп, а также химико-термическая обработка поверхности.

6.1. Поверхностная закалка и деформационное

упрочнение поверхности деталей

Поверхностная закалка включает нагрев поверхностного слоя до температуры аустенитного состояния (выше температу­ ры А3) и быстрое охлаждение с получением мартенсита в по­ верхностном слое.

Индукционная закалка с нагревом поверхностных слоев де­ тали токами высокой частоты (ТВЧ) - наиболее распространен­ ный и технологичный способ поверхностной закалки. Индукци­ онный нагрев поверхности детали ТВЧ заключается в том, что в поверхностном слое детали, помещенной в индуктор, индуциру­ ется ток, разогревающий этот слой. Толщина поверхностного слоя Ô, в котором выделяется 90 % теплоты, зависит от частоты тока/ магнитной проницаемости ц и удельного элекгросопротив-

ления р нагреваемого металла (ô = 500p/p/‘). Через индуктор,

представляющий собой соленоид из нескольких витков водоохла­ ждаемой медной трубки или шины (рис. 76), пропускают ТВЧ большой силы (f = 50 Гц - 10 МГц). Охлаждающую жидкость (воду, водные растворы полимеров) для закалки обычно подают через душевое устройство (спреер). Регулируя частоту тока / и продолжительность нагрева, можно получить требуемую глу­ бину закаленного слоя, которая обычно колеблется в преде­ лах 1 - 1 0 мм.

Рис. 76. Схема установки для высокочастотной закалки

Поверхностную закалку с газопламенным нагревом приме­ няют для крупных деталей (валы, прокатные валки и т.п.). Тол­ щина закаленного слоя обычно 2-4 мм с мартенсито-троостит- ной структурой. В этом случае не достигается равномерности нагрева поверхности и возникает структурная неоднородность закаленного слоя.

Поверхностная закалка с контактным нагревом заключа­ ется в пропускании тока в несколько тысяч ампер (частота 50 Гц, напряжение 2-8 В) через перемещающийся по поверхно­ сти ролик-электрод и интенсивном охлаждении водой нагревае­ мой под роликом полосы поверхности вращающейся детали. Глубина закаленного слоя зависит от силы тока, ширины ролика и скорости его перемещения.

Поверхностная закалка с кратковременного нагрева детали погружением в расплав солей или металлов применяется при термоупрочнении поверхности малонагруженных деталей не­ сложной формы и малых размеров.

Поверхностная закалка с нагревом детали в водном элек­ тролите (СаСОз и К2С03) происходит в металлической ванне при пропускании через электролит тока высокого напряжения - до 300 В (рис. 77). Образующаяся на поверхности детали оболоч­ ка из Н2 обладает высоким электросопротивлением, что обеспе­ чивает нагрев поверхности детали. Закалка поверхности происхо­ дит с охлаждением непосредственно при отключении тока после определенного времени нагрева.

Рис. 77. Схема поверхностной закалки в электролите:

1 - закаливаемая деталь (катод); 2 - ванна (анод);

3 - электролит; 4 - водородная оболочка; 5 - источник питания

Поверхностное упрочнение деталей пластической дефор­ мацией (наклеп) после упрочняющей термообработки (закалка и отпуск) может осуществляться дробеструйной обработкой, накаткой роликами и чеканкой. Кроме повышения твердости поверхности в поверхностных слоях возникают большие напря­ жения сжатия, что повышает усталостную прочность a_i и, сле­ довательно, долговечность и выносливость деталей, работаю­ щих в условиях знакопеременного нагружения (пружины, рес­ соры, коленчатые валы).

6.2. Химико-термическая обработка стали

Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя детали различ­ ными элементами, изменяющий его химический и фазовый со­ став, микроструктуру и свойства.

ХТО применяют для повышения твердости, износостойко­ сти, сопротивления усталости и контактной выносливости,

атакже для защиты поверхности деталей от электрохимической

игазовой коррозии.

Процесс ХТО осуществляется при повышенной температу­ ре и включает стадию образования диффундирующих элементов в активном (скорее всего, в ионизированном) состоянии, стадию адсорбции (или хемосорбции) их тончайшим слоем поверхности и стадию диффузионного проникновения элемента вглубь на­ сыщаемого металла.

ХТО включает цементацию, азотирование, нитроцемента­ цию, цианирование, алитирование, силицирование и т.д. Диф­ фузия элементов, образующих твердые растворы внедрения (С, N), протекает легче, чем диффузия элементов, образующих твердые растворы замещения (Al, Si, Сг). Поэтому диффузион­ ную металлизацию ведут при более высокой температуре.

Поверхностный слой металла детали, отличающийся от ис­ ходного металла по химическому составу, называется диффузи­ онным слоем, в отличие от находящегося под ним металла серд­ цевины.

Цементацией называется процесс диффузионного насыще­ ния поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цель це­ ментации - получение на поверхности детали высокой твердо­ сти и износостойкости в сочетании с вязкой сердцевиной. На цементацию поступают детали после механической обработ­ ки с припуском на последующее шлифование до 0,1 мм. Участ­ ки поверхности детали, не подлежащие цементации, защищают огнеупорной обмазкой или электролитическим меднением.

Цементацию проводят при температурах выш е критиче­ ской точки Аз (910-950 °С), при которых аустенит обеспечивает значительную растворимость углерода.

Цементации подвергают стали с низким содерж анием угле­ рода (0,1-4),2 %). После цементации концентрация углерода на поверхности достигает 1,0 %. Глубина цементованного слоя оп­ ределяется длительностью выдержки при температуре цемента­ ции и обычно составляет 0,7-2,5 мм (до содержания углерода порядка 0,4 %). Структура цементованного слоя после медлен­ ного охлаждения с температуры цементации (рис. 78) изменяет­ ся по глубине слоя в соответствии с изменением содержания углерода. После цементации всегда проводится термообработка деталей, включающая закалку и низкий отпуск, для получения высокой твердости поверхности и вязкой сердцевины.

Рис. 78. Микроструктура диффузионного слоя после цементации низкоуглеродистой стали:

1 - заэвтектоидная зона; 2 - эвтектоидная зона;

3 - доэвтектоидная зона