Термическая обработка – совокупность операций нагрева до определенной температуры, выдержки при ней, и охлаждения с определенной скоростью. Проводится для придания деталям определенных свойств например твердости, упругости, прочности и.т.д. Операции термической обработки: отжиг, закалка, нормализация, отпуск.

    • Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность твердого тела (индентора). Твердые материалы хрупкие и не прочные.
    • Упругость – способность материала восстанавливать исходную форму после приложения нагрузки.
    • Прочность – способность сопротивляться разрушению под действием внешних сил (удары, вибрация, знакопеременные нагрузки).

термическая обработка

  • HRC 60-65, достигается при быстром охлаждении в воде со скоростью 600 град/сек. Охлаждение можно проводить в масле для легированных сталей. Мартенсит может получиться только из средне углеродистой и высокоуглеродистой стали;
  • Б – бейнит, промежуточная структура между мартенситом и трооститом (представляет собой насыщенный углеродом феррит и цементит);
  • Т – троостит, упругая структура твердость HRC 40-45,достигается при более медленном охлаждении в масле со скоростью 120-150 град/сек;
  • С – сорбит,прочная структура с твердостью HRC 30-35,достигается более медленным охлаждением на воздухе 5 град/сек;
  • П – перлит, прочная структура большинстве операций термической обработки происходит нагрев стали до аустенита.

В зависимости от того с какой скоростью охлаждать аустенит, такие получатся свойства у детали. Диаграмма распада аустенита показывает структуры которые будут получаться при охлаждении с разной скоростью. Изогнутые линии называются кривыми распада аустенита.

  • Мн – температура указывающая начало мартенситного превращения,
  • Мк – конец мартенситного превращения.
  • Vкр – критическая скорость охлаждения.

Мартенсит

Мартенсит – перенасыщенный раствор углерода в железе. Получается при быстром охлаждении. Кристаллическая решетка при быстром охлаждении начинает вытягиваться (увеличивается тетрагональность). Черные пластинки это мартенсит, белый фон остаточный аустенит. При закалке на мартенсит доэвтектоидных и эвтектоидных сталей получается мартенсит+аустенит остаточный. При закалке на мартенсит заэвтектоидных сталей получается мартенсит+аустенит остаточный+цементит вторичный. При образовании мартенсита диффузия углерода отсутствует.

Перлит, троостит, сорбит

  • Образование перлита, сорбита и троостита это диффузионный распад аустенита.
  • Перлит, сорбит и троостит получаются при более медленном охлаждении чем мартенсит.
  • Из аустенита получается смесь феррита и цементита.

Перлит, сорбит и троостит это смеси феррита и цементита отличающиеся дисперсностью пластинок феррита и цементита (феррит в виде темных пластинок). В ряду перлит, сорбит, троостит дисперсность (уменьшение размеров) феррита и цементита увеличивается.

После закалки эти структуры являются смесью феррита и цементита пластинчатого строения, после отпуска зернистого строения.

Операции термической обработки

Чем меньше скорость охлаждения тем мягче получается сталь, ее число твердости HRC уменьшается. Это связано с тем, что чем дольше охлаждается сталь тем больше из нее выводится углерода. (чем меньше углерода в стали тем меньше ее твердость).

Отжиг

Отжиг проводится на начальной стадии когда нужно изготовить деталь из заготовки, чтобы придать ей мягкость для того чтобы ее механически обработать и сделать из нее деталь.

  1. При отжиге сталь нагревают до температуры на линии GS (Ас3) для доэвтектоидных сталей, для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей до температуры на линии SK (Ас1). Иными словами нагревают до линии GSK. К полученной температуре прибавляют 30-500С. Т=ТGSK+30-500C.
  2. Далее сталь нужно выдержать при данной температуре определенное время, это время определяется следующим образом t=1мин*(размер поперечного сечения детали, мм).
  3. Для легированных сталей время увеличивается в 3-5 раз.Охлаждение в печи. Деталь оставляют в печи, выключают печь, деталь долго остывает. За счет этого из кристаллической решетки стали выводится большое количество углерода и она становится мягкой.

Существуют еще такие виды отжига как диффузионный отжиг (гомогенизация).

Он проводится с целью устранения дендритной ликвации (химическая неоднородность кристаллах называемых дендритами). Еще один вид отжига называется рекристализационным. Он нужен для смягчения стали после упрочнения пластическим деформированием (наклепа). Еще один вид отжига изотермический он также делается для смягчения стали и устранения трещин после закалки.

Нормализация

Нормализация проводится для низкоуглеродистых сталей и в некоторых случаях вместо отжига. Для среднеуглеродистых сталей в случае если не требуется повышенная прочность детали нормализацию проводят вместо закалки и отпуска.

  1. При нормализации сталь нагревают до температуры на линии GS (Ас3) для доэвтектоидных сталей, для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей до линии SE (Асm). Иными словами нагревают до линии GSE. К полученной температуре прибавляют 30-500С.  Т=ТGSЕ+30-500C.
  1. Далее сталь нужно выдержать при данной температуре определенное время, это время определяется следующим образом t=1мин*(размер поперечного сечения детали, мм). Для легированных сталей время увеличивается в 3-5раз.
  2. Охлаждение на воздухе. Деталь после нормализации немного прочнее чем после отжига.

Закалка

Закалка обычно делается после проведения отжига и механической обработки заготовки до детали. Закалка проводится преимущественно для получения твердой неравновесной структуры называемой мартенситом закалки (HRC 60-65). Если деталь не ответственная, где допускаются невысокие механические свойства закалку также проводят для получения структур троостит закалки (HRC 40-45), сорбит закалки (HRC 30-35).

Закалка состоит из трех операций также как при отжиге единственное отличие в среде охлаждения. 1) нагрев стали до температуры на линии GSK диаграммы железо-цементит, +30-500С (Т= ТGSK+30-500C); 2) выдержать при этой температуры определенное время которое определяется как t=1мин*(размер поперечного сечения детали, мм). Для легированных сталей время увеличивается в 3-5раз;

  • Далее проводят охлаждение в воде (скорость охлаждения 600град/сек) после чего получается структура мартенсит закалки (HRC 60-65).
  • Свойства детали – твердость, износостойкость.
  • После закалки на мартенсит требуется операция отпуск для уменьшения хрупкости детали и придания ей соответствующих свойств.

Для получения мартенсита легированные стали можно охлаждать в масле. При закалке на троостит проводят охлаждение в масле (скорость охлаждения 120-150град/сек) – полученные свойства упругость. При закалке на сорбит проводят охлаждение на воздухе (скорость охлаждения 5град/сек) — полученные свойства прочность.

  • Полная закалка – нагрев до температуры на линии GS + 30-500С, выдержка, охлаждение (подвергаются доэвтектоидные и эвтектоидные стали).
  • Неполная закалка – нагрев до температуры на линии SK+ 30-500С, выдержка, охлаждение (подвергаются заэтектоидные стали).

Прокаливаемость повышают марганец, хром, молибден. Чем больше легирующих элементов в стали тем выше прокаливаемость. После закалки проводят обработку стали холодом.

Обработка холодом

При закалке стали на мартенсит (диаграмма распада аустенита) в ней присутствует так называемый остаточный аустенит. Остаточный аустенит приводит к понижению твердости, износостойкости, изменению размеров деталей (работающих при низких температурах), т.к. остаточный аустенит начинает переходить в мартенсит. Обработку холодом проводят после закалки она повышает твердость, позволяет перевести остаточный аустенит в мартенсит. Чтобы исключить увеличение напряжений

  • стали (разрушение изнутри) Охлаждение до температур ниже 00С проводят медленно. Обработку холодом используют для изготовления измерительного инструмента, пружин, и деталей из высоколегированных сталей. После обработки холодом проводят отпуск.

Отпуск металла

Отпуск – совокупность операции нагрева до температуры ниже 7270С, выдержки и охлаждения в любой среде. Отпуск проводится после закалки для придания стали нужных свойств. В отличии от того какие свойства нужны различают 3 вида отпуска.

Низкий отпуск. Проводится для изготовления инструмента (инструментальные стали). Получается твердая структура мартенсит отпуска (HRC 60-65). Этапы низкого отпуска:

  • Нагрев до температуры 150-2500С
  • Выдерживают 120мин + 1мин*размер поперечного сечения детали
  • Охлаждение в любой среде

Средний отпуск. Проводится для изготовления упругих деталей машин (пружинно-рессорные стали).

Получается упругая структура троостит отпуска (HRC 40-45). Этапы среднего отпуска:

  1. Нагрев до температуры 300-5000С;
  2. Выдерживают 20мин + 1мин*размер поперечного сечения детали;
  3. Охлаждение в любой среде.

Высокий отпуск. Проводится для изготовления прочных деталей машин (устойчивых к ударам и вибрации). Получается прочная структура сорбит отпуска (HRC 30-35). Этапы высокого отпуска:

  • Нагрев до температуры 550-6800С;
  • выдерживают 10мин + 1мин*размер поперечного сечения детали;
  • охлаждение в любой среде. Совокупность закалки на мартенсит+высокий отпуск называют улучшением.

Операции по обработке поверхности деталей

Поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ) Проводится для придания твердости и износостойкости поверхности деталей. Суть поверхностной закалки ТВЧ. Используется медный индуктор через который пропускают ток высокой частоты (от 50000Гц для 1мм поверхности, до 4000Гц для 4мм поверхности). Внутрь индуктора помещается деталь и за счет магнитной индукции создается магнитное поле которое нагревает поверхность детали.

Нагревают поверхность до температур (как при закалки) для получения аустенита.

Затем охлаждают поверхность водой или водными растворами полимеров. В итоге на поверхности получается структура мартенсит (мелкоигольчатый) твердость – HRC 60-65. После закалки ТВЧ свойства сердцевины детали остаются неизменными. Применяют закалку ТВЧ для деталей с прочной и вязкой сердцевиной и твердой и износостойкой поверхностью (зубчатые колеса, вал-шестерни). Такой закалке подвергаются конструкционные стали с содержанием углерода от 0,3-0,5%.

Химико-термическая обработка (ХТО)

Химико-термическая обработка (ХТО) – это термическое диффузионное насыщение поверхности детали различными элементами (металлами и неметаллами) для придания поверхности нужных свойств.

Диффузия – проникновение атомов и молекул одного вещества в другое.

Цементация

Цементация это вид химико-термической обработки (ХТО). Проводится для того чтобы сделать поверхность детали твердой и износостойкой у низкоуглеродистых сталей С<0,3%.

Цементация – это поверхностное насыщение углеродом преимущественно в газовой среде.

Виды цементации: твердыми углеродсодержащими смесями, жидкими (карбюризаторами), газовыми составами.

Участки не подлежащие цементации защищают антицементационной пастой. В печи для газовой цементации t=850-9500С.

Цементация длительный процесс чтобы насытить толщину поверхности 0,1мм нужно потратить 1 час. Цементуемый слой имеет толщину 0,5мм-3,5мм. После цементации верхняя часть слоя дефектная она снимается механической обработкой шлифовкой и полировкой. На поверхности значение углерода достигает 0,8-1%. Цементация проводится для низкоуглеродистых сталей для насыщения поверхности углеродом, после цементации проводят закалку на мартенсит и низкий отпуск, в следствии чего получаем на поверхности мартенсит – твердая и износостойкая поверхность. Используется для изготовления зубчатых колес, валов шестерен и других деталей машин с износостойкой поверхностью и прочной сердцевиной из низкоуглеродистой стали.

Нитроцементация

Нитроцементация – поверхностное насыщение углеродом и азотом при температуре 840-8600С в газовой среде (науглероженный газ и аммиак). Продолжительность 4-10ч. Нитроцементация нужна для придания поверхности твердости и износостойкости (HRC 60-65).

Преимущества перед цементацией: более низкая температура, меньше толщина обрабатываемого слоя, повышается сопротивление износу и коррозии. Толщина обрабатываемого слоя 0,2-0,8мм. После нитроцементации также проводят закалку на мартенсит и низкий отпуск.

Азотирование

Азотирование – поверхностное насыщение азотом. Повышает твердость, износостойкость поверхности и сопротивление коррозии. Азотирование проводят в диссоциированном аммиаке NH3. Азотированию подвергают среднеуглеродистые стали. Преимущества – твердость азотированного слоя сохраняется при температурах 450-5000С. Азотирование осуществляют при температуре 500-6000С в течении 6-60ч (в зависимости от стали). Толщина азотируемого слоя 0,3мм-0,6мм. Азотирование проводят после всех операций, отжига, механической обработки, закалки, высокого отпуска.

Цианирование

Цианирование – поверхностное насыщение углеродом и азотом в расплавленных солях содержащих группу NaCN. Проводится при температуре 820-9500С. Различают среднетемпературное цианирование 820-8600С, толщина слоя 0,15-0,35мм, продолжительность 30-90мин.

Высокотемпературное цианирование 930-9500С, толщина слоя 0,5-2мм, продолжительность выдержки 1,5-6ч. После цианирования проводят закалку на мартенсит и низкий отпуск. Достоинство по сравнению с цементацией: требуется меньше времени для получения слоя заданной толщины, более высокое сопротивление коррозии. Недостатки: высокая стоимость, ядовитость цианистых солей.

Борирование

Борирование – поверхностное насыщение стали бором. Выполняют преимущественно

  • ваннах при электролизе расплавленного тетрабората натрия Na2B4O7. Температура насыщения 930-9500С. Выдержка 2-6ч. Толщина слоя 0,1мм-0,2мм. Поверхностный Слой обладает высокой твердостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, теплостойкостью. Стойкость деталей после борирования возрастает в 2-10 раз.

Силицирование – поверхностное насыщение кремнием. Силицирование проводят для увеличения коррозионной стойкости. Повышается устойчивость к износу. Толщина слоя 0,3мм-1мм.

Алитирование – поверхностное насыщение алюминием. Алитирование проводят для увеличения окалиностойкости, коррозионной стойкости. Толщина Аллитированного слоя 0,2мм-1мм. Проводят для деталей работающих при высоких температурах.

Хромирование – поверхностное насыщение хромом. Проводят для увеличения твердости, коррозионной стойкости и окалиностойкости.

Хромирование проводят для деталей работающих на износ в агрессивных средах. В последнее время проводят насыщение сразу 2-мя элементами, что позволяет получать различные свойства поверхности детали.

Диффузионное насыщение металлами

Различают следующие методы переноса диффузионного элемента:

  • Погружение в расплавленный металл, если диффузионный элемент имеет низкую температуру плавления;
  • Насыщение из расплавленных солей (с электролизом и без);
  • Насыщение из газовой среды, состоящей из соединений диффузионного элемента.

Наиболее часто применяют контактный метод из газовой фазы. Обрабатываемую деталь помещают в порошкообразную среду состоящую из ферросплава диффундирующего элемента. Процесс диффузионного насыщения металлами проводят при температуре.