Термическая обработка

Деформированием

Обработка поверхности пластическим

Для повышения долговечности и износостойкости узлов трения различного назначения широко используется методы упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД).

Упрочнение выполняется с целью повышения сопротивления усталости и твердости поверхностного слоя металла и формирования в поверхностном слое напряжений сжатия, а также регламентированного микрорельефа.

Упрочняющую обработку ППД применяют на финишных операциях технологического процесса, вместо или после термообработки, и часто вместо абразивной или отделочной обработки.

В зависимости от назначения метода и пластических деформаций обработку ППД можно разделить на три класса.

1. Отделочно-упрочняющая обработка ППД (накатывание, обкатывание, раскатывание, выглаживание, виброобработка, динамическое упрочнение, электромеханическая и комбинированная обработка различных поверхностей деталей машин);

2. Формообразующая ППД (накатывание зубьев, шлицев, резьб, фасонных поверхностей);

3. Отделочно-упрочняющая обработка ППД (калибрование наружных и внутренних поверхностей вращения и дорнование).

Как описывалось выше, ППД выполняемое без использования внешнего тепла и обеспечивающее создание поверхностного слоя с заданным комплексом свойств называют наклепом. В результате наклепа повышаются характеристики сопротивления металла деформации, понижается пластичность и увеличивается твердость.

Упрочнение металла в незакаленной стали происходит за счет структурных изменений и изменений структурных несовершенств (плотности, качества и взаимодействия дислокаций, количества вакансий и др.), дроблением блоков и наведением микронапряжений. При упрочнении закаленных сталей, кроме этого, происходит частичное превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных карбидных частиц. Поверхностная деформация приводит к образованию сдвигов в зернах, упругому искажению кристаллической решетки, изменению формы и размеров зерен.

Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением металла, находящегося в твердом состоянии, с целью изменения структуры и свойств без изменения его химического состава. Термическую обработку характеризуют основные параметры: нагрев до определенной температуры, выдержка при этой температуре, а также скорость нагрева и скорость охлаждения.

В зависимости от температурных режимов термическая обработка подразделяется на следующие виды: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, химико-термическая обработка (ХТО), термомеханическая обработка (ТМО).

Отжиг и нормализация. Отжиг заключается в нагреве стали выше критической температуры, выдержке при данной температуре и медленном охлаждении (обычно вместе с печью). В зависимости от требований, предъявляемых к свойствам стали, различают следующие виды отжига: диффузионный, полный, неполный. Отжиг способствует: снижению внутренних напряжений; измельчению зерна; придает стали пластичность перед последующей обработкой; приводит структуру в равновесное состояние.

При изотермическом отжиге конструкционную сталь нагревают до температуры на 30...50°С выше верхней критической точки (для полного превращения структуры стали в аустенит) и последующем медленном охлаждении до 500…600 °С (для образования феррита и перлита). Скорость охлаждения для углеродистых сталей около 50…100 °С/ч. Если охлаждение ведётся на воздухе, то происходит нормализация.

Нормализацией стали называется нагрев, выдержка и последующее охлаждение на воздухе. После нормализации углеродистые стали имеют исходную структуру. Нормализация применяется для устранения крупнозернистой структуры, выравнивания механических свойств. После нормализации твердость и прочность стали будут выше, чем при отжиге.

Закалка и отпуск. Наиболее распространенным видом упрочняющей термической обработки средне- и высокоуглеродистых сталей является закалка с последующим отпуском. Поверхностная закалка применяется с целью получения высокой твердости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины. Она состоит из двух операций: нагрева поверхностного слоя и быстрого его охлаждения.

При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для увеличения охлаждающей способности применяют также масла, расплавленные соли и металлы. По способу нагрева различают следующие методы поверхностной закалки: высокочастотная, контактная, плазменная, при нагреве в электролите, лазерная.

Газоплазменная закалка заключается в нагреве поверхности стальных изделий ацетиленокислородным пламенем, температура которого составляет 2400...3150 °С. При этом поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, а сердцевина не успевает нагреться. Быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. Толщина закаленного слоя 2...4 мм, твердость достигает НRС 50...56.

Индукционный нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) наиболее распространенный производительный и прогрессивный метод поверхностного упрочнения. Преимуществом его является возможность автоматизации процесса, отсутствие выгорания углерода и других элементов, а также окисления поверхности изделия. Сущность способа состоит в том, что под действием электродвижущей силы (ЭДС) в металле возникают электрические вихревые токи (токи Фуко), которые нагревают металл до нужной температуры.

Твердость поверхностного слоя при нагреве ТВЧ несколько выше, чем твердость получаемая при обычной закалке. Закалку с использованием ТВЧ применяют для сталей с содержанием углерода более 0,4 %, чтобы получить заданную твердость.

В последнее время также применяется поверхностная обработка с использованием нагрева лазером. Этот вид закалки отличается высокой эффективностью. Лазерное излучение в инфракрасном диапазоне, сфокусированное в пятно диаметром порядка десятка микрометров, совершает пилообразное движение (сканирование) по поверхности детали, покрывая весь выделенный под закалку участок. Скорость нагрева микрообъемов детали, взаимодействующих с лучом, и последующего охлаждения достигает 106 К/с. Это обеспечивает закалку поверхностного слоя, глубина которого регулируется за счет изменения скорости сканирования. Лазерная закалка обеспечивает получение однородной мелкокристаллической поверхностной структуры, обладающей повышенной твердостью и износостойкостью. После термообработки лазерным лучом не происходит коробление элементов рельефа детали, не наблюдается заметное ухудшение качества поверхности. Из-за высокой стоимости процесса лазерной закалке подвергаются самые дорогостоящие и ответственные детали, например коленвалы двигателей внутреннего сгорания.

Эффективным методом повышения износостойкости деталей является лазерное легирование с одновременной закалкой поверхностного слоя. Поверхность, подлежащая обработке, покрывается тонким слоем вещества, содержащего легирующие элементы. В процессе плавления легирующие элементы внедряются в кристаллическую решетку материала детали, тем самым повышая ее износостойкость.

К основным дефектам закалки относятся: недогрев, перегрев, пережог, обезуглероживание, коробление, трещины и др.

Закалка стали сопровождается увеличением ее объема, что приводит к значительным внутренним напряжениям, которые являются причиной образования трещин и коробления. Трещины являются неисправимым дефектом, а коробление можно устранить последующей рихтовкой или правкой. По указанным выше причинам закаленные изделия и инструмент подвергают отпуску.

Отпуск заключается в нагреве стали до заданной температуры, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение с заданной скоростью. Цель отпуска - уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости и получение необходимых механических свойств.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.

Низкий отпуск производится при температуре плюс 120...150°С (отпуск на отпущенный мартенсит). Его применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий, а также после поверхностной закалки. При низком отпуске уменьшаются остаточные закалочные напряжения, твердость практически не снижается.

Средний отпуск (отпуск на троостит происходит при нагреве до температур 350...450°С. При этом снижается твердость. Средний отпуск рекомендуется для пружин и рессор.

Высокий отпуск (отпуск на сорбит) производится при температуре 500...650°С. Применяют в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластичности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением. Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0,35...0,6 % С).

7.2.4. Термомеханическая обработка стали

Термомеханическая обработка - это совокупность операций пластической деформации и термической обработки, совмещенных в одном технологическом процессе, который включает нагрев, пластическое деформирование и охлаждение. Термомеханическое воздействие приводит к получению структурного состояния, которое обеспечивает повышение механических свойств.

Оптимальное сочетание пластической деформации и фазовых превращений приводит к повышению плотности и более правильному расположению несовершенств кристаллической решетки металла.

Различают два основных вида ТМО: высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО).

При ВТМО деформация производится при температуре выше температуры рекристаллизации. Степень деформации 20...30 %. Во избежание рекристаллизации вслед за деформацией незамедлительно производится закалка (1150°С) с последующим низкотемпературным отпуском (100...200°С).

НТМО применяется только для легированных сталей, обладающих значительной устойчивостью переохлажденного аустенита. При НТМО деформация производится ниже температуры рекристаллизации (400...600°С), степень деформации 75...95%. Закалку производят сразу после деформации, а затем следует низкотемпературный отпуск (100...200°С).

Недостатками НТМО являются, во-первых, необходимость использования мощного оборудования для деформирования, во-вторых, стали после НТМО имеют невысокую сопротивляемость хрупкому разрушению.

Если при обычной термической обработке сталь имеет временное сопротивление при растяжении 2000...2200 МПа, то после ТМО оно достигает 2200...3000 МПа, при этом пластичность увеличивается в два раза (удлинение с 3...4 % повышается до 6...8 %).

Дата добавления: 2014-12-26