Поверхностное упрочнение

Отпуск

Основные виды термообработки стали (продолжение)

Лекция 15

Закаленная сталь очень твердая, но она хрупкая, у нее низкая пластичность и большие внутренние напряжения. В таком состоянии изделие не работоспособно, не надежно в эксплуатации. Поэтому для уменьшения внутренних напряжений и повышения пластичности после закалки всегда следует еще одна операция термической обработки, которая называется отпуск.

Отпуск – это нагрев закаленной стали до температур ниже критических с последующим охлаждением, обычно на воздухе.

Цель отпуска – создание требуемого комплекса эксплуатационных свойств стали, получение более устойчивой, чем после закалки, структуры, уменьшение внутренних напряжений.

Отпуск – последняя операция в технологической цепочке термообработки стали, поэтому полученная при отпуске структура должна обеспечивать свойства, необходимые при работе детали.

В процессе отпуска происходит распад мартенсита за счет выделения из него углерода, тем более полный, чем больше температура и время выдержки. Поэтому уменьшаются внутренние напряжения и плотность дислокаций. Остаточный аустенит при отпуске превращается в мартенсит.

По температуре нагрева отпуск подразделяется на 3 вида: низкий, средний и высокий.

При низкотемпературном (или низком) отпуске (150-200 °С) из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц. Но поскольку скорость диффузии здесь еще мала, некоторая часть углерода в мартенсите остается.

Такая структура представляет собой малоуглеродистый мартенсит и очень мелкие карбидные частицы. Ее называют отпущенный мартенсит.

В результате низкого отпуска уменьшаются внутренние напряжения, немного увеличивается вязкость и пластичность, твердость почти не снижается. Детали могут работать в условиях, где необходима высокая твердость и износостойкость.

Низкий отпуск применяют для режущего и мерительного инструмента, деталей подшипников качения.

Среднетемпературный (или средний) отпуск проводится при более высоких температурах – 300-450 °С. При этом из мартенсита уже выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональные искажения кристаллической решетки железа снимаются, она становится кубической. Мартенсит превращается в феррито-цементитную смесь с очень мелкими, в виде иголочек, частицами цементита, которая называется трооститом отпуска.

Средний отпуск еще уменьшает внутренние напряжения, увеличивает вязкость, при этом прочность остается высокой, а предел текучести и предел выносливости достигают максимума. Такому отпуску подвергают рессоры, пружины и другие упругие элементы, а также штамповый инструмент.

В интервале 500-650 °С скорость диффузионных процессов уже настолько возрастает, что при распаде мартенсита образуется феррито-цементитная смесь с более крупными, сферической формы, зернами цементита. Такой отпуск называется высокотемпературным (или высоким); получаемая структура – сорбит отпуска.

В результате высокого отпуска сильно возрастают вязкость и пластичность стали, внутренние напряжения снимаются почти полностью, твердость и прочность снижаются, но все же остаются достаточно высокими.

Закалка с высоким отпуском называется термическим улучшением стали. Такой обработке подвергают детали машин, работающие в условиях знакопеременных и ударных нагрузок: валы, рычаги, шестерни и др.

Время выдержки при низком отпуске составляет от 1 до 10-15 часов, так как при таких низких температурах диффузия углерода идет медленно. Для среднего и высокого отпуска обычно достаточно 1-2 часа. Для дисков газовых и паровых турбин, валов, цельнокованых роторов в теплоэнергетике требуется до 8 часов, потому что их структура должна быть максимально стабильной.

Изменение механических характеристик углеродистой стали при отпуске показано на рис. 92.

Итак, с повышением температуры и продолжительности отпуска увеличиваются пластические свойства стали, но снижаются ее твердость и прочность. В практике термической обработки стали режим отпуска назначают в соответствии с требуемыми свойствами, которые определяются условиями работы детали.

Для некоторых деталей при эксплуатации необходима высокая твердость и износостойкость поверхности в сочетании с хорошей вязкостью в сердцевине. Это касается деталей, работающих в условиях износа с одновременным действием динамических нагрузок (например, шестерни, пальцы, скрепляющие звенья трака гусеничных машин).

В таких случаях подвергают упрочнению не всю деталь, а только тонкий (несколько мм) поверхностный слой.

Поверхностная закалка – это нагрев до закалочных температур только поверхностного слоя детали с последующим быстрым охлаждением и образованием мартенситной структуры только в этом слое.

Осуществляют такую закалку быстрым нагревом поверхности, при котором сердцевина не успевает прогреваться за счет теплопроводности. При таком нагреве температура по сечению детали резко падает от поверхности к центру.

После охлаждения в сечении детали получаются три характерных зоны с разной структурой и свойствами (рис. 93).

а б в

Рис. 93. Поверхностная закалка стали:

а – распределение температур по сечению; б – структура при поверхностном нагреве;

в – структура после закалки

В зоне I после закалки получается мартенситная структура с максимальной твердостью, так как эта зона нагревалась выше критической температуры Ас ₃.

В зоне II после закалки в структуре, кроме мартенсита, будет присутствовать и феррит. Следовательно, твердость там будет ниже.

В зоне III нагрев и охлаждение не приводят к каким-либо изменениям структуры. Значит, здесь сохраняется исходная феррито-перлитная структура с низкой твердостью, но высокими пластическими свойствами.

После поверхностной закалки деталь может сопротивляться динамическим нагрузкам за счет вязкой сердцевины и хорошо работать в условиях износа благодаря твердой поверхности.

Быстрый нагрев поверхности, необходимый при такой технологии, осуществляется чаще всего индукционным способом (закалка ТВЧ). Деталь помещается в индуктор, подключенный к генератору тока высокой частоты. Переменное магнитное поле высокой частоты наводит в тонком поверхностном слое металла вихревые токи, и нагрев осуществляется за счет сопротивления металла протеканию этих токов. Немедленно после нагрева, который длится секунды, деталь помещают в спрейер для охлаждения.

Поверхностная закалка должна сопровождаться низким отпуском.

Чем выше частота внешнего переменного магнитного поля, тем тоньше слой, в котором сосредоточены вихревые токи. Поэтому глубина закаленного слоя может легко регулироваться и составляет от десятых долей миллиметра до 3–5 мм. Операцию закалки ТВЧ можно полностью автоматизировать. Способ очень производительный; коробление и окисление поверхности детали при этом минимально.

Иногда для поверхностной закалки используют и другие способы нагрева: газопламенный, лазерный, в расплавах солей, в электролитах.

Для такого способа термообработки созданы специально стали пониженной прокаливемости, например, 55ПП (0,55 % С и не более 0,5 % примесей).

Химико-термическая обработка стали (ХТО) – это диффузионное насыщение поверхности стальных деталей различными элементами с целью упрочнить поверхность и защитить металл от коррозии.

Существует много разновидностей ХТО, но в любом случае необходимо получить насыщающую атмосферу с высокой концентрацией активного элемента в атомарном виде. Атомы или ионы адсорбируются поверхностью металла, а затем за счет диффузии проникают вглубь. В результате образуется диффузионный слой, отличающийся от основного металла химическим составом, структурой и свойствами.

Разновидности ХТО:

1) Цементация – это насыщение поверхности стали углеродом. Применяется для низкоуглеродистых сталей (20, 20Х и т. д.).

Выполняется при высокой температуре – 930 °С. Атомарный углерод получают при диссоциации метана: CH₄ → 2H₂ + C. Толщина науглероженного слоя составляет до 2 мм. Структура слоя – заэвтектоидная сталь (перлит и цементит).

Высокая прочность поверхности достигается после закалки и низкого отпуска цементованной детали. Твердость цементованного слоя составляет 62 HRC (или 750 HV); в сердцевине получается структура сорбита с твердостью 30-45 HRC.

Цементацию применяют для зубчатых колес, валов, пальцев.

2) Азотирование – это насыщение поверхности стали азотом. Применяется для легированных сталей (38Х2МЮА, 35ХЮА).

Выполняется при температуре 500-520 °С. Атомарный азот получают при разложении аммиака: 2NH₃ → 2N + 3H₂. Толщина азотированного слоя – не более 0,6 мм. Структура слоя – нитриды железа Fe₂N и легирующих элементов.

Азотирование является заключительной операцией, т. е. выполняется после механической обработки и закалки с отпуском. Твердость и износостойкость азотированного слоя еще выше, чем цементованного: до 1100 HV. Повышается также коррозионная стойкость. Недостаток: процесс очень длительный (десятки часов).

Применяется также ионное азотирование в тлеющем разряде.

Азотируют коленчатые валы, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания.

3) Нитроцементация – это одновременное насыщение поверхности стали углеродом и азотом. Применяется для сталей 18ХГТ, 25ХГТ.

Температура процесса ниже, чем при цементации – 850 °С. Толщина диффузионного слоя 0,2-0,8 мм. Структура слоя – карбонитриды железа и легирующих элементов.

Закалка выполняется непосредственно из печи, где осуществлялась нитроцементация. Затем проводится низкий отпуск. Твердость нитроцементованного слоя составляет 58-62 HRC (до 700 HV). Твердость и износостойкость получаются промежуточными между цементацией и азотированием.

Нитроцементацию широко применяют для обработки деталей автомобилей и тракторов.

4) Диффузионная металлизация – это насыщение поверхности стали металлами, повышающими жаростойкость (алюминий) и коррозионную стойкость (хром).

Дата добавления: 2014-01-11