Нормализация, закалка и отпуск сталей

Наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. Мартенсит имеет игольчатое строение и высокую твердость (НВ 500— 650). Мартенситное превращение происходит в интервале температур Мн — Мк (где Мн — начало мартенситных превращений; Мк — конец мартенситных превращений), которые определяются содержанием углерода в стали.

Виды термической обработки стали: I) отжиг первого рода или рекристаллизация;

2) отжиг второго рода; 3) нормализация; 4) закалка; 5) отпуск.

Отжиг первого рода (рекристаллизационный отжиг) — нагрев детали до температуры ниже фазовых превращений, выдержка при этой температуре и медленное охлаждение вместе с печью. Такой вид отжига применяют для снятия внутренних напряжений у деталей, полученных методом холодной деформации (холодная прокатка, холодная штамповка, волочение и др.), а также для уничтожения нагартовки (наклепа) металла.

Температура рекристаллизационного отжига любого металла должна быть выше температуры рекристаллизации данного металла. Температура рекристаллизационного отжига для разных металлов и сплавов различная. Например, для стали температура рекристаллизационного отжига на 150—250°С выше температуры рекристаллизации, обычно 680—700°С.

Рекристаллизация заключается в том, что, начиная с некоторой температуры при нагревании, происходит интенсивное перемещение атомов в металле, что влечет за собой изменение формы и величины деформированных кристаллических зерен. При этом происходят превращения, подобные происходящим при первичной кристаллизации и вторичной перекристаллизации (зарождаются новые центры кристаллов и одновременно происходит их рост). Взамен вытянутых расплющенных зерен образуются мелкие, сфероидальные зерна; металлу возвращаются исходные свойства, т. е. понижается твердость, повышается пластичность.

Отжиг второго рода (отжиг с фазовыми превращениями) — нагрев детали до температуры несколько выше критической, выдержка при этой температуре и медленное охлаждение вместе с печью. Цель отжига — выровнять химический состав детали, получить мелкозернистую равновесную структуру, снять внутренние напряжения, повысить пластичность и понизить твердость, улучшить условия обрабатываемости резанием. Отжиг второго рода подразделяется на полный, неполный, изотермический ступенчатый и диффузионный.

Полный отжиг производят путем нагрева стали на 30—50°С, выше критической температуры Ac₃, выдержки при этой температуре и медленном охлаждении. Полному отжигу подвергают доэвтектоидные и горячедеформиеруемые стали (поковки, штамповки, прокат, а также слитки и фасон­ные отливки из углеродистой и легированной стали).

Неполный отжиг производят, нагревая детали до температуры выше критической точки Ac₁ на 30—50°С, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждении. Неполный отжиг необходим для перекристаллизации перлита, снятия внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости резанием. Применяется для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей.

Нормализация — промежуточный процесс термической обработки между отжигом и закалкой. В зависимости от химического состава стали нормализацию применяют иногда вместо отжига или закалки. Нормализация отличается от отжига повышенной скоростью охлаждения (на стойком или движущемся воздухе). Процесс нормализации заключается в нагреве стали выше критических температур Ac₃, A_cm на 30—50°С, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. Нормализацией достигают измельчения и однородности структуры, устранения внутренних напряжений и уничтожения сетки вторичного цементита в заэвтектоидных сталях. Нормализации подвергают фасонные отливки, поковки, штамповки и прокатные материалы.

Закалка — это процесс, который заключается в нагреве стали выше критических температур А_с3, A_c1 на 30—50°С, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждения в воде, масле или других охлаждающих средах. Основная цель закалки — получение высокой твердости и прочности.

Резкое увеличение твердости и прочности в процессе закалки происходит за счет изменения структуры в процессе нагрева и охлаждения, за счет образования неравновесных твердых структур — мартенсита, троостита и сорбита.

Температура нагрева под закалку зависит от химического состава стали. Доэвтектоидную углеродистую сталь нагревают выше критической температуры А_с3 на 30—50°С, а заэвтектоидную и эвтектоидную стали нагревают выше A_c1 на 30—50°С. Температура под закалку доэвтектоидной стали изменяется с изменением содержания в стали углерода, температура нагрева заэвтектоидных сталей постоянная и равна 770— 780°С.

Нагрев деталей должен быть медленным, чтобы не возникали напряжения и трещины. Время нагрева зависит от химического состава стали, от формы и размеров детали (примерно 1,5мин. на 1мм толщины детали). Время выдержки должно быть достаточным, чтобы весь процесс превращения феррито-цементной смеси в аустенит полностью завершился. Продолжительность выдержки обычно 25% общего времени нагрева. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы обеспечить получение нужной структуры — мартенсита (охлаждение в воде), троостита (охлаждение в масле или соляном растворе), сорбита (охлаждение на движущемся воздухе или между металлическими плитами), т. е. обеспечить необходимые механические свойства обрабатываемой детали.

Для успешного проведения термической обработки правильный выбор закалочной среды имеет большое значение. Закалку среднеуглеуродистых сталей производят в воде при температуре 18°С, а большинства остальных сталей — в масле. Объемная закалка в зависимости от способа охлаждения разделяется на следующие виды.

Закалка в одном охладителе углеродистых сталей (охлаждение в воде) и легированных сталей (охлаждение в масле) заключается в том, что нагретую до температуры закалки деталь погружают в закалочную среду и держат до ее полного охлаждения. Недостаток этого способа — возникновение больших термических напряжений из-за резкой разности температур нагретого металла и охлаждающей среды. Иногда для уменьшения внутренних напряжений делают подстуживание.

В двух средах. Сначала охлаждение в воде до температуры выше температуры начала мартенситного превращения, затем быстро в другую среду-масло, селитру или на воздухе. Такую закалку качественно может выполнить только высококвалифицированный термист.

Ступенчатую закалку производят быстрым охлаждением последовательно в двух различных охлаждающих средах. Первой охлаждающей средой служат расплавленные соли или масло с температурой на 20—30°С выше точки начала мартенситного превращения М_н для данной стали. В горячей среде деталям дают кратковременную выдержку, цель которой — выравнивание температур по сечению детали. Структура металла — аустенит. Второй охлаждающей средой является воздух; при этом аустенит переходит в мартенсит.

Достоинство такого метода закалки — уменьшение термических напряжений, а следовательно, невозможность появления трещин, поводки и коробления, а также хорошее сочетание высокой вязкости с прочностью. Ступенчатую закалку применяют для мелких деталей из углеродистой стали с сечением 8—10 мм и для деталей из легированной стали с сечением до 30 мм.

Изотермическая закалка, так же как и ступенчатая закалка, производится в двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые и щелочные ванны) зависит от химического состава стали. Время выдержки должно быть достаточным для полного превращения аустенита в игольчатый троостит. Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе.

Изотермическую закалку широко применяют для деталей из высоколегированных сталей. Для легированных сталей. Отпуск не производится.

После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностные свойства.

При охлаждении в процессе закалки в стали возникают термические и структурные внутренние напряжения. Термические напряжения возникают в результате неравномерного охлаждения, а структурные — при превращении аустенита в мартенсит, что сопровождается значительным увеличением объема. В результате создания таких напряжений при закалке может возникнуть брак — коробление, трещины и изменение объема.

Поверхностная закалка применяется для придания ответственным деталям (валам, зубчатым колесам и др.) работающим на трение и одновременно подвергающимся действию ударных нагрузок, твердости поверхностного слоя, высокого сопротивления изнашиванию и вязкости сердцевины, обеспечивающей сопротивление удару. В зависимости от способа нагрева деталей поверхностная закалка разделяется на индукционную (токами высокой частоты), контактную, газопламенную, закалку в электролите.

Индукционная закалка основана на том, что электрический ток высокой частоты, проходя по проводнику — индуктору, создает вокруг него электрическое поле. На поверхности детали, помещенной в этом поле, индуцируются вихревые токи, вызывая нагрев детали до высоких температур. Это обеспечивает возможность протекания фазовых превращений, т. е. превращение феррито-цементитной смеси в аустенит. После охлаждения поверхность детали имеет структуру мартенсита.

Закалка с самоотпуском - деталь рабочей частью погружают в воду и вынимают после кратковременной выдержки. За счет той части детали, которая не погружалась в воду, рабочая часть детали нагревается. Температура нагрева определяется по цветам побежалости. Дальнейший нагрев прерывают немедленным охлаждением всей детали в воде.

Отпуск — это завершающая операция термической обработки, формирующая структуру, а следовательно, и свойства стали.

Назначение отпуска — снять внутренние напряжения, возникшие в процессе закалки, и получить необходимую структуру. Процесс отпуска заключается в нагревании стали до температуры ниже А_с1, А_с3 выдержке при температуре и охлаждении. В зависимости от температуры нагрева закаленной детали различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск производится при температуре 150—250°С с целью уменьшения закалочных напряжений при сохранении мартенситной структуры. Твер­дость детали после низкого отпуска почти не изменяется. Низкий отпуск применяется для углеродистых сталей, для которых необходимы высокая твердость и износоустойчивость.

Средний отпуск производится при температурах нагрева 350—500°С и применяется для пружинных и рессорных сталей, а также для сталей, идущих на изготовление штампов.

Высокий отпуск производится при температурах нагрева 500—650°С и применяется для конструкционных сталей.

Кроме температуры нагрева при отпуске весьма важно время выдержки, скорость же охлаждения в большинстве случаев значения не имеет. Нагрев образцов стали для термообработки в лабораторных условиях проводят в муфельных электропечах.

Время на нагрев и выдержку в печи при заданной температуре для отжига, нормализации и закалки ориентировочно берется из расчета 1,5 минуты на каждый миллиметр диаметра или толщины детали.

Для низкого отпуска время выдержки при 200°С принимается равным 30минутам, для среднего отпуска при 400°С – равным 20 минутам и высокого отпуска при 600°С – равным 10 минутам. Кроме того, для всех видов отпуска прибавляется по одной минуте на каждый миллиметр диаметра или толщины детали.

7.3. Химико-термическая обработка стали: цементация, азотирование, нитроцементация и диффузионная металлизация

Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.

Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.

В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура,

Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.

В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.Например, СН₄ →С+2Н₂

Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

· цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

· азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

· нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);

· диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).

Назначение и технология видов химико-термической обработки: цементации, азотирования нитроцементации и диффузионной металлизации

Цементация

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 ^oС. Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита (h. = 1…2 мм).

Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).

Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.

На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).

Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.

Цементация в твердом карбюризаторе.

Почти готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Используется древесный уголь с добавками углекислых солей ВаСО₃, Na₂CO₃ в количестве 10…40 %. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950 ^oС.

За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода.

Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.

Недостатками данного способа являются:

· значительные затраты времени (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час);

· низкая производительность процесса;

· громоздкое оборудование;

· сложность автоматизации процесса.

Способ применяется в мелкосерийном производстве.

Газовая цементация.

Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором.

Атмосфера углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, которые образуют газ-носитель, а также окись углерода, метан и другие углеводороды, которые являются активными газами.

Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.

Преимущества способа:

· возможность получения заданной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);

· сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;

· возможность полной механизации и автоматизации процесса.

Способ применяется в серийном и массовом производстве.

На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.

Термическая обработка после цементации

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементированной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементированное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.

Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия.

Если сталь наследственно мелкозернистая или изделия неответственного назначения, то проводят однократную закалку с температуры 820…850^oС. При этом обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементированном слое, а также частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.

При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а затем проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку).

Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементированных деталей, применяют двойную закалку.

Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880…900^oС для исправления структуры сердцевины.

Вторая закалка проводится с температуры 760…780^oС для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.

Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150…180^oС. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, частично снимаются напряжения.

Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики.

Азотирование

Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.

При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.

При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH₃ c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH₃>2N+3H₂. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.

Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.

Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.

Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:

· для повышения поверхностной твердости и износостойкости;

· для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).

Для повышения поверхностной твердости и износостойкости процесс проводят при температуре 500…560^oС в течение 24…90 часов, так как скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет 10…12 %, толщина слоя (h) – 0,3…0,6 мм. На поверхности получают твердость около 1000 HV. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.

Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение 5…60 мин при напряжении 1100…1400 В и давлении 0,1…0,2 мм рт. ст., рабочее напряжение 400…1100 В, продолжительность процесса до 24 часов.

Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700^oС, продолжительность процесса – 10 часов. На поверхности образуется слой— фазы толщиной 0,01…0,03 мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии. (–фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe₃N, имеющий гексагональную решетку).

Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.