Поверхностная закалка. Характеристики, способы, область применения

Во многих случаях изделия должны обладать главным образом высокой твёрдостью поверхностного слоя. При этом сердцевина изделия остается вязкой. Достигается это быстрым нагревом поверхностного слоя выше точки фазовых превращений и быстрое последующее охлаждение.

Слой 1 нагревают выше точки А_с3 и он закаляется полностью. Слой 2 закаляется частично. Слой 3 остается незакаленным. l – расстояние от пов-ти вглубь образца.

Состояние высокой твердости и прочности поверхностного слоя с вязкостью сердцевины обеспечивает высокую износостойкость изделия и одновременно с этим стойкость к динамическим нагрузкам, что очень важно для деталей подвижных соединений машин.

Способы поверхностной закалки:

1-й – С индукционным нагревом (закалка током высокой частоты - ТВЧ) используется при массовой обработке стальных изделий. Глубина закалки определяется условием работы детали и составляет 1,5…3 мм при усталостном изнашивании и до 15 мм при высоких контактных нагрузках.

2-й – Газопламенная – применяется для единичных крупных изделий или небольших партий. Напр., прокатные валы, коленвалы.

3-й – В электролите – при пропускании тока через электролит на катоде (закаливаемая деталь) образуется газовая рубашка водорода, при этом ток сильно возрастает и деталь нагревается. После отключения тока деталь можно сразу же закалить в электролите.

4-й – Лазерная закалка – высокоскоростной разогрев поверхностного слоя под действием лазерного луча.Преимущество: можно закаливать в различных режимах как тонкие, так и толстые слои, как на небольших участках детали, так и на большой пов-ти.

Часто используется для закалки режущих кромок инстр-та. Длительность нагрева не превышает 10^-6 С. Это позволяет широко варьировать глубину прогрева и степень фазовых превращений в стали.

 

 

46. Отпуск стали - термическая обработка, включающая нагрев закаленной стали до температуры ниже критических точек, выдержка при этой температуре и охлаждение с целью получения заданного комплекса мех. свойств, а также полного или частичного устранения закалочных напряжений.

Виды отпуска:

- низкий – прим. для углеродистых и низколегированных сталей (реж. и мерит. инстр-т). Включают нагрев изделия до 150…200ºС → выдержка (время выдержки зависит от размеров) → охлаждение. Твердость почти не меняется (58…63 HRC), а прочность и вязкость повышается. Часто прим. после поверх. закалки или ХТО;

- средний – исп. для углеродистых и легиров. сталей при изгот. пружин, рессор, инстр-та по обр. давлен. Нагрев до 350…500ºС → выдержка 1…8 ч. (в зависим от массы) → охлаждение на спокойном воздухе;

- высокий – прим. для среднеуглер. сталей, проводится после закалки и дает наилучшее сочетание прочности и вязкости. Сочетание закалки с высоким отпуском называется улучшением. Нагрев до 500-680ºС → выдержка 1…8 ч. → охлаждение на воздухе. Легир. стали охлаждаются в воде или масле.

Старение - это термообработка, которая проводится после закалки без полиморфного превращения, направленная на получение в сплаве более равновесной стр-ры и заданного уровня свойств.

Схема процесса: нагрев 120-150ºС, выдержка от 10 до 35 часов при этой температуре. Выдержка позволяет не снижая твердости закал. стали стабилизировать состояние углерода в его стр-ре за счет выделения его в виде дисперсных карбидов.

47. Термомеханическая обработка (ТМО) стали - совокупность операций термической обработки с пластической деформацией, которая проводится либо выше критических точек (ВТМО), либо при температуре переохлажденного (500... 700°С) аустенита (НТМО). Такой вид обработки позволяет получить сталь высокой прочности (до 270 МПа). Формирование структуры стали при ТМО происходит в условиях повышенной плотности и оптимального распределения дислокаций. Окончательными операциями ТМО являются немедленная закалка во избежание развития рекристаллизации и низкотемпературный (Т=100...300оС) отпуск.

Термомеханическая обработка с последующими закалкой и отпуском позволяют получить очень высокую прочность (s= 2200...3000 МПа) при хорошей пластичности (d = 6...8%, y= 50...60%) и вязкости. В практических целях большее распространение получила ВТМО, обеспечивающая наряду с высокой прочностью хорошее сопротивление усталости, высокую работу распространения трещин, а также сниженные критическую температуру хрупкости, чувствительность к концентраторам напряжений и необратимую отпускную хрупкость. ВТМО осуществляется в цехах прокатного производства на металлургических заводах, например, при упрочнении прутков для штанг, рессорных полос, труб и пружин.

48. Химико-термическая обработка (ХТО) стали - совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (С, N, Al, Si, Cr и др.) при высоких температурах. Благодаря такой обработке меняется не только структура металла, но и химический состав его верхнего слоя и деталь может иметь вязкую сердцевину, выдерживающую ударные нагрузки, высокую твердость и износостойкость. Из существующих способов химико-термической обработки стали в условиях небольшой мастерской можно выполнять только цементацию. Цементация - это науглероживание поверхности стали. Этому процессу подвергают чаще всего изделия из малоуглеродистых сталей, содержащих не более 0,2% углерода и некоторых легированных сталей. Детали, предназначенные для цементации, сначала очищают. Поверхности, не подлежащие науглероживанию, покрывают специальными предохранительными противоцементными обмазками.

В-ва, которые входят в состав обмазки, называют карбюризаторами. Они бывают твердые, жидкие и газообразные.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает их надежность и долговечность.

Цементация

Процесс насыщения поверхности изделия углеродом. Цементация повышает твердость и износостойкость поверхности детали при сохранении вязкости сердцевины. Различают твердую и газовую цементацию. При твердой цементации в ящик заполненный науглеражущим в-вом (карбюризатором) и специальными добавками размещают детали. В качестве карбюризатора используют древесный уголь. При температуре процесса (900-950 градусах Цельсия) кислород воздуха, расположенного между кусочками угля взаимодействует с углеродом с образования окиси углерода СО. Именно СО, а не СО₂ т.к. процесс идет при недостаточном кол-ве кислорода. При контакте окиси углерода с металлической поверхностью происходит реакция диссоциации при которой окись углерода распадается на СО₂+реакция диссоциации с образованием активных атомов углерода, кат. диффунд. 2СО₂->СО₂+С

поверхность металла. В качестве добавок к карбюризатору используют соли: СО₃, Na₂CO₃, K₂CO₃, являющиеся дополнительным поставщиком окиси углерода.

Процесс твердой цементации является мало производительным и занимает не один десяток часов. Это связанно с тем, что значительная часть времени тратится на прогрев ящика до заданной температуры т.к. карбюризатор является не теплопроводным веществом.

Эффективнее способ газовой цементации.

В этом случае и/з камеру замещенные в ней детали пропускают науглераживающий газ или СО или, что чаще предельные углеводороды (метан, этан, пропан, гексан, октан, нонан, декан). В производстве чаще всего используется природный газ, содержащий до 93-95% группы СН₄. При цементации тщательно регламентируют подачу газа. В случае избытка количества газа на поверхности детали оседает слой сажи т.к. не весь углерод может усваиваться поверхностью детали. Температуру цементации не выбирают ниже А_С1 т.к. феррит практически не растворяет углерод. Процесс осуществляют выше А_С3, а именно при темп. 900–930 ºС. После цементации стр-ра по сечению детали неоднородна. По ковкости стр-ра соответствует стр-ре заэвтектоидной стали. Далее стр-ра эвтектоидной стали (перлит), а затем стр-ра доэтектоидной стали (Ф+П). За толщину слоя принимают толщину заэвт. эвт. и половину доэвт. зоны. Окончательные св-ва формируются после термич. обр. Термообработка обеспечивает измельчение зерна неизбежно выросшего в процессе выдержки при высокой температуре. Устранение цементной сетки.

Термообработка заключ. в закалке с температурой 820–840ºС и низком отпуске при температурах 60–64HRC, легированных 57–60HRC.

Маленькая твердость после ХТО легированных сталей обусловлена повышенным содержанием в стр-ре остаточного аустенита, для устранения которого после закалки иногда проводят обработку холодом.

Для цементирования применяют стали с низким содержанием углерода 0.15–0.25%.