Определение и классификация основных видов химико термической обработки металлов и сплавов

Обновлено: 23.01.2025

Общие сведения. Что такое химико-термическая обработка металлов?

Изменение поверхностного слоя изделия путем преобразования химического и фазового состава называют химико-термической обработкой (ХТО). Химико-термическую обработку используют для улучшения механических, трибологических и коррозионных свойств сталей и сплавов, повышая поверхностную твёрдость и, как следствие, износостойкость изделия.

При использовании углерода в качестве насыщающего элемента процесс называется цементация, при применении азота в этом качестве — азотирование. Если применяются оба вышеуказанных элемента — нитроцементация, карбонитрация или карбонитрирование (широко употребляются все термины). Проникая в поверхностный слой изделия, атомы насыщающего элемента образуют твёрдые растворы внедрения, а также химические соединения с металлами, составляющими основу стали или сплава.

Азотирование сталей и сплавов - это один из видов химико-термической обработки металла. В качестве насыщающего элемента выступает азот. В процессе обработки атомы азота проникают в кристаллическую решетку металла, искажая её и создавая внутренние напряжения сжатия, часть атомов создаёт химические соединения – нитриды, которые образуют кристаллические структуры в виде игл и глобулярных образований в поверхностном слое, таким образом, уплотняя его, при этом твёрдость нитридов металла значительно больше, чем твердость самого металла. В итоге финишное диффузионное покрытие обладает как повышенным внутренним напряжением сжатия в поверхностном слое, так и включением нитридных образований легирующих элементов, именно такая композитная структура и определяет физико-механические характеристики всего изделия в целом.

Карбонитрирование стали - это химико-термический процесс насыщения поверхности стали азотом и углеродом. Во время этого процесса атомы углерода и азота диффундируют в структуру металла, создавая твердые растворы внедрения и/или замещения, таким образом, повышая твёрдость поверхностной зоны материала. Главное преимущество процесса карбонитрирования заключается в возможности применения недорогих, легко обрабатываемых низкоуглеродистых сталей для придания их поверхностям свойств, характерных для более дорогих и сложных в обработке марок сталей.

Весь процесс химико-термической обработки можно условно разделить на 3 этапа:

• диссоциацию (преобразование насыщающих элементов в химически активную, в т.ч. атомарную форму, под воздействием температуры и/или электромагнитного поля);
• адсорбцию и диффузию в структуру металла;
• образование устойчивых атомарных связей с элементами кристаллической решётки в виде твёрдых растворов и химических соединений.

Ионная химико-термическая обработка металлов

Ионная химико-термическая обработка (ИХТО)– комплекс наиболее прогрессивных, ресурсосберегающих и безотходных процессов – ионное азотирование и карбонитрирование, которые обеспечивают преимущественные качества и служебные свойства на любых сталях, сплавах и металлокерамике и предназначены для различных изделий и инструмента во всех отраслях промышленности.

Процесс диффузионного насыщения осуществляется в азотсодержащей газовой среде при рабочем давлении в камере установки 0,4-10 мбар под воздействием импульсной плазмы (частота 10 кГц, напряжение 400-800 В), возникающей между катодом (деталями) и анодом (стенками вакуумной камеры). В результате физико-химических реакций, протекающих на поверхности деталей, охваченных слоем ионизированного газа, активно образуются различные модификации диффузионных покрытий, состоящие из нитридов и карбонитридов железа, хрома, ванадия, титана и других элементов. Такие покрытия в зависимости от исходной прочности металла обладают высокими качеством и служебными свойствами, в частности:

Упрочнённые изделия обладают высокой твёрдостью, усталостной и контактной прочностью, наилучшим комплексом износо-задиростойких и антикоррозионных свойств:

• коэффициент трения со смазкой - 0,03-0,05;
• коэффициент трения в сухих условиях - 0,1-0,3;
• коррозионно-эрозионная стойкость соответствует высоколегированной стали 12Х18Н10Т (AISI 321, 1.4541);
• контактно-усталостная прочность и долговечность выше в 1,5-2 раза.

В целом вышеуказанные свойства превосходят показатели хромированных и других химико-термических покрытий в 2-4 раза.

Преимущества и отличия

Основные преимущества и отличия новых технологий в сравнении с существующими процессами ХТО и гальваники (цементация, цианирование, печное и каталитическое азотирование, хромирование и др.):

• экологическая чистота, безвредность и безотходность процессов;
• ресурсосбережение за счет резкого сокращения электроэнергии в 2-5 раз (среднее потребление 0,05. 0,1 кВт-час на 1 кг изделия) и рабочих газов в 100-200 раз (1 баллон аммиака на 3 месяца работы установки);
• повышение производительности, снижение трудоёмкости и себестоимости обработки в 2-4 раза;
• повышение качества покрытий за счет равномерного, регулируемого и бездефектного формирования упрочненных слоёв;
• минимальное изменение размеров и сохранение чистовых параметров в допусках конструкторской документации, что исключает дополнительную механическую обработку упрочнённых изделий;
• применение простых и дешёвых способов предохранения деталей при местном упрочнении, которые заменяют вредные и дорогостоящие гальванические, а также другие изолирующие химические покрытия;
• создание специализированных типов защитных покрытий, имеющих специально ориентированное и регулируемое строение, обладающих уникальным комплексом свойств по износостойкости и сопротивляемости трещинообразованию;
• разработка экспресс-анализа для диагностики качества покрытий в течение 2-5 минут;
• наличие 50-летнего опыта научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), а также опыта производственного внедрения приоритетных конструкторских решений и ноу-хау.

Развивая на своем производстве технологии поверхностной ионно-плазменной обработки, Вы экономите материальные ресурсы, улучшаете экологическую обстановку на своем предприятии, способствуете многократному увеличению производительности и поднимаете качество продукции на недосягаемый ранее уровень. Современная техника, компьютерное управление режимами ХТО и возможность оперативного регулирования параметров процесса азотирования – всё это способствует модернизации и повышению технического уровня термических производств.

Мы готовы решить ваши проблемы и выполнить весь комплекс работ по внедрению новой технологии на серийные и перспективные изделия, разработке руководящей и нормативно-технической документации, обучению персонала и сервисному обслуживанию. Для создания прогрессивного проекта Вы делаете заказ, а всё остальное – консалтинг, инжиниринг, поставку и настройку оборудования «под ключ», внедрение комплекса передовых технологий и сервисные услуги выполняем мы.

Наша компетенция и передовой опыт гарантируют достижение наилучшего результата в реализации проекта с оптимально выгодным соотношением цены, качества и времени.

Сферы применения

Сферы применения технологий ионной химико-термической обработки весьма обширны, это без исключения все отрасли промышленности, далее мы приводим основные направления с указанием предприятий, где работают наши технологии и оборудование (также см. фотографии упрочненных изделий):

Топливно-энергетическая, нефтехимическая промышленность - роторы, плунжеры и цилиндры скважинных штанговых насосов (СШН), штоки, штанги, оси, валы, червячные пары, шестерни, резьбовые замки, муфты, переходники, корпусные детали, втулки, гидроцилиндры, различные детали турбин и компрессоров, запорная арматура и прочее. В результате обработки повышается износостойкость и коррозионная стойкость, возрастает эксплуатационная надёжность и долговечность изделий.

Например, в Перми освоено серийное производство штанговых насосов СШН в ПКНМ и Элкам-Нефтемаш. Бездеформационное упрочнение цилиндро-плунжерных пар обеспечивает повышение гарантийного ресурса в 2 раза и МРП в 5 раз. Безотказная эксплуатация насосов СШН в ОАО «ЛУКОЙЛ-Пермь» продолжается уже более 10 лет. Аналогичное производство насосов СШН в Казахстане (20 тыс. шт. в год) создано на предприятии Мунаймаш.

Разработаны технологии упрочнения изделий бурового и глубинно-насосного оборудования (ГНО), узлов и механизмов мобильных буровых установок, роторов забойных двигателей, гидроцилиндров, штоков, муфт, пакеров, замковых и быстроразъёмных соединений, переходников, переводников НКТ и БТ, различных резьбовых соединений высокой герметичности. Выполняется комплекс НИОКР для упрочнения центробежных насосов, винтовых насосных систем Серийное производство этих изделий обеспечивает нужды всех нефтегазодобывающих компаний России (НК ЛУКОЙЛ, Роснефть, ГАЗПРОМ). Завод Синергия (г. Пермь), Филиал Газэнергосервис - Завод РТО. Процион г. Пермь, Профтермо (г. Набережные Челны).

Тяжёлое машиностроение, горнодобывающая и судостроительная промышленность – различные кинематические зацепления, узлы и механизмы с массой отдельных деталей до 5 тонн: планетарные редукторы, шевронные, конические, прямозубые о косозубые передачи, вал-шестерни, эксцентрики, втулки, обоймы, колёса, сателлиты, барабаны. ПЗТМ(Казахстан), УралМаш, Дальэнергомаш, Калужский турбинный завод.

Автотракторное машиностроение, двигателестроение - различные виды зубчатых колёс, валы, оси, коленчатые валы и распредвалы, прецизионные цилиндры и плунжеры, гильзы, диски, винты, пиноли, направляющие, клапаны, пружины, шаровые пальцы, кольца синхронизатора, штоки, червяки, муфты, фрикционные диски, различные детали трения. ГАЗ, МАЗ, Псковский завод Механических Приводов (ПЗМП), Уралкран, ЗВЕЗДА.

Авиационное двигателестроение, точная механика - все детали двигателей и редукторов из легированных, нержавеющих и жаропрочных сталей. Азотирование позволяет создать минимальные диффузионные слои с высочайшей твёрдостью, исключающей износ и радикально облегчающей конструкцию моторов, как следствие увеличивается тяговооружённость двигателей и эксплуатационная надёжность. Детали управляющих и навигационных приборов и систем, шестерни, трибки, секторы с модулем 0,2-0,4 мм. МоторСич, НПО Сатурн, Омское Моторостроительное КБ, МГТУ им. Баумана, Мичуринский завод «Прогресс», АНПП «ТЕМП-АВИА» г. Арзамас.

Гидравлика, порошковая металлургия – цилиндры, штоки, гильзы, винты домкрата, ролики, детали редукторов, тахометров, шестерни, шпильки, поршни, детали передаточных механизмов, валики, клинья, пальцы, кольца синхронизатора, рейки, полумуфты. После обработки повышаются качество и эксплуатационные свойства изделий (твёрдость, износо-задиростойкость, усталостная и контактная прочность, антикоррозионные свойства) и исключаются трудоёмкие шлифовочные операции в связи с бездеформационным упрочнением и сохранением исходной шероховатости деталей, снижается их металлоёмкость и себестоимость. Шахтинский завод Гидропривод, Омскгидропривод, Гидросила, Волчанский агрегатный завод, Димитровградский завод порошковых материалов.

Производство пластмасс и алюминиевых профилей - экструзионные шнеки, цилиндры экструдера, стержни, дорна, фильеры, пуансоны и другие детали. Даже после кратковременной обработки ионным азотированием повышается поверхностная твёрдость, многократно увеличивается ресурс изделий, снижается налипание пластмассы и алюминия, как следствие увеличивается производительность процессов. Сатурн (Набережные Челны), ИОЛЛА (Пермь).

Инструментальное и высокоточное производство для атомной промышленности: пресс-формы, матрицы, штампы, пуансоны для горячей и холодной обработки металлов, пластмасс, стекла и резины - повышается износостойкость, сопротивляемость к трещинообразованию, уменьшается налипание металла, увеличивается срок эксплуатации в 2-6 раз; режущий инструмент: свёрла, метчики, развертки, фрезы, прошивки, протяжки, долбяки, резцы - в результате применения кратковременных комбинированных процессов ХТО увеличивается твердость, улучшаются режущие свойства, повышаются износостойкость в 2-4 раза и производительность механической обработки. Чепецкий механический завод, Ижорские заводы, Завод Элекон (Казань), Ирбитский механический завод «Ница».

Военная продукция: Завод №9, АО "ЦКБ "Титан" (ПО Баррикады) (и ещё многие заводы, выпускающие смежную продукцию).

Назначение и виды химико-термической обработки

Химико-термической обработкой называют процесс, представляющий собой сочетание термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

Цель химико-термической обработки: повышение поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости, коррозионной стойкости, жаростойкости (окалиностойкости), кислотоустойчивости.

Наибольшее применение в промышленности получили следующие виды химико-термической обработки: цементация; нитроцементация; азотирование; цианирование; диффузионная металлизация.

Цементация– это процесс поверхностного насыщения углеродом, произведенный с целью поверхностного упрочнения деталей.

В зависимости от применяемого карбюризатора цементация подразделяется на три вида: цементация твердым карбюризатором; газовая цементация (метан, пропан, природный газ).

Газовая цементация. Детали нагревают до 900–950ºС в специальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подают цементующий углеродосодержащий газ [естественный (природный) или искусственный].

Процесс цементации в твердом карбюризаторезаключается в следующем. Детали, упакованные в ящик вместе с карбюризатором (смесь древесного угля с активизатором), нагревают до определенной температуры и в течении длительного времени выдерживают при этой температуре, затем охлаждают и подвергают термической обработке.

Цементации любым из рассмотренных выше способов подвергаются детали из углеродистой и легированной стали с содержанием углерода не более 0,2%. Цементация легированных сталей, содержащих карбидообразующие элементы Cr, W, V, дает особо хорошие результаты: у них, кроме повышения поверхностной твердости и износостойкости, увеличивается также предел усталости.

Азотирование– это процесс насыщения поверхностного слоя различных металлов и сплавов, стальных изделий или деталей азотом при нагреве в соответствующей среде. Повышается твердость поверхности изделия, выносливости, износостойкости, повышение коррозионной стойкости.

Цианирование–.насыщение поверхностного слоя изделий одновременно углеродом и азотом.

В зависимости от используемой среды различают цианирование: в твердых средах; в жидких средах; в газовых средах.

В зависимости от температуры нагрева цианирование подразделяется на низкотемпературное и высокотемпературное.

Цианирование в жидких средах производят в ваннах с расплавленными солями.

Цианирование в газовых средах (нитроцементация ). Процесс одновременного насыщения поверхности детали углеродом и азотом. Для этого детали нагревают в среде, состоящей из цементующего газа и аммиака, то есть нитроцементация совмещает в себе процессы газовой цементации и азотирования.

Диффузионное насыщение металлами и металлоидами

Существуют и применяются в промышленности способы насыщения поверхности деталей различными металлами (алюминием, хромом и др.) и металлоидами (кремнием, бором и др.) Назначение такого насыщения – повышение окалиностойкости, коррозионностойкости, кислотостойкости, твердости и износостойкости деталей. В результате поверхностный слой приобретает особые свойства, что позволяет экономить легирующие элементы.

Алитирование – процесс насыщения поверхностного слоя стали алюминием для повышения жаростойкости (окалиностойкости) и сопротивления атмосферной коррозии.

Алитирование проводят в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, в газовой среде и распыливанием жидкого алюминия.

Хромирование– процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом для повышении коррозионной стойкости и жаростойкости, а при хромировании высокоуглеродистых сталей – для повышения твердости и износостойкости.

Силицирование– процесс насыщения поверхностного слоя детали кремнием для повышения коррозионной стойкости и кислотостойкости. Силицированию подвергают детали из низко- и среднеуглеродистых сталей, а также из ковкого и высокопрочного чугунов.

Борирование – процесс насыщения поверхностного слоя детали бором. Назначение борирования – повысить твердость, сопротивление абразивному износу и коррозии в агрессивных средах, теплостойкость и жаростойкость стальных деталей. Существует два метода борирования: жидкостное электролизное и газовое борирование.

Сульфидирование– процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей серой для улучшения противозадирных свойств и повышения износостойкости деталей.

Сульфоцианирование – процесс поверхностного насыщения стальных деталей серой, углеродом и азотом. Совместное влияние серы и азота в поверхностном слое металла обеспечивает более высокие противозадирные свойства и износостойкость по сравнению насыщение только серой.

Химико-термическая обработка стали

Существуют различные способы воздействия на сталь с целью придания ей требуемых свойств. Один из комбинированных методов — химико-термическая обработка стали.

Общие принципы

Суть данной технологии состоит в преобразовании внешнего слоя материала насыщением. Химико-термическая обработка металлов и сплавов осуществляется путем выдерживания при нагреве обрабатываемых материалов в средах конкретного состава различного фазового состояния. То есть, это совмещение пластической деформации и температурного воздействия.

Это ведет к изменению параметров стали, в чем состоит цель химико-термической обработки. Таким образом, назначение данной технологии — улучшение твердости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В сравнении с прочими технологиями химико-термическая обработка выгодно отличается тем, что при значительном росте прочности пластичность снижается не так сильно.
Основные ее параметры — температура и длительность выдержки.

Рассматриваемый процесс включает три этапа:

• диссоциацию;
• адсорбцию;
• диффузию.

Интенсивность диффузии увеличивается в случае формирования растворов внедрения и снижается, если вместо них формируются растворы замещения.

Количество насыщающего элемента определяется притоком его атомов и скоростью диффузии.

На размер диффузионного слоя влияют температура и длительность выдержки. Данные параметры связаны прямой зависимостью. То есть с ростом концентрации насыщающего элемента возрастает толщина слоя, а повышение интенсивности теплового воздействия приводит к ускорению диффузии, следовательно, за тот же промежуток времени она распространится на большую глубину.

Большое значение для протекания процесса диффузии имеет растворимость в материале обрабатываемой детали насыщающего элемента. В данном случае играют роль пограничные слои. Это объясняется тем, что ввиду наличия у границ зерен множества кристаллических дефектов диффузия происходит более интенсивно. Особенно это проявляется в случае малой растворимости насыщающего элемента в материале. При хорошей растворимости это менее заметно. Кроме того, диффузия ускоряется при фазовых превращениях.

Классификация

Химико-термическая обработка стали подразделяется на основе фазового состояния среды насыщения на жидкую, твердую, газовую.

В первом случае диффузия происходит на фрагментах контакта поверхности предмета со средой. Ввиду низкой эффективности данный способ мало распространен. Твердую фазу обычно используют с целью создания жидких или газовых сред.

Химико-термическая операция в жидкости предполагает помещение предмета в расплав соли либо металла.

При газовом методе элемент насыщения формируют реакции диссоциации, диспропорционирования, обмена, восстановления. Наиболее часто в промышленности для создания газовой и активной газовой сред используют нагрев твердых. Удобнее всего проводить работы в чисто газовой среде ввиду быстрого прогрева, легкого регулирования состава, отсутствия необходимости повторного нагрева, возможности автоматизации и механизации.

Как видно, классификация по фазе среды не всегда отражает сущность процесса, поэтому была создана классификация на основе фазы источника насыщения. В соответствии с ней химико-термическая обработка стали подразделена на насыщение из твердой, паровой, жидкой, газовой сред.

Кроме того, химико-термическая технология подразделена по типу изменения состава стали на насыщение неметаллами, металлами, удаление элементов.

По температурному режиму ее классифицируют на высоко- и низкотемпературную. Во втором случае производят нагрев до аустенитного состояния, а в первом — выше и оканчивают отпуском.

Наконец, химико-термическая обработка деталей включает следующие методы, выделяемые на основе технологии выполнения: цементацию, азотирование, металлизацию, нитроцементацию.

Диффузионная металлизация

Это поверхностное насыщение стали металлами.

Возможно проведение в жидкой, твердой, газовой средах. Твердый метод предполагает использование порошков из ферросплавов. Жидкой средой служит расплав металла (алюминий, цинк и т. д.). Газовый метод предполагает использование хлористых металлических соединений.

Металлизация дает тонкий слой. Это объясняется малой интенсивностью диффузии металлов в сравнении с азотом и углеродом, так как вместо растворов внедрения они формируют растворы замещения.

Такая химико-термическая операция производится при 900 — 1200°С. Это дорогостоящий и длительный процесс.

Основное положительное качество — жаростойкость продуктов. Ввиду этого металлизацию применяют для производства предметов для эксплуатационных температур 1000 — 1200°С из углеродистых сталей.

По насыщающим элементам металлизацию подразделяют на алитирование (алюминием), хромирование, борирование, сицилирование (кремнием).

Первая химико-термическая технология придает материалу стойкость к окалине коррозии, однако на поверхности после нее остается алюминий. Алитирование возможно в порошковых смесях либо в расплаве при меньшей температуре. Второй способ быстрее, дешевле и проще.

Хромирование тоже увеличивает стойкость к коррозии и окалине, а также к воздействию кислот и т. д. У высоко- и среднеуглеродистых сталей оно также улучшает износостойкость и твердость. Данная химико-термическая операция в основном производится в порошковых смесях, иногда в вакууме.

Основное назначение борирования состоит в улучшении стойкости к абразивному износу. Распространена электролизная технология с применением расплавов боросодержащих солей. Существует и безэлектролизный метод, предполагающий использование хлористых солей с ферробором или карбидом бора.

Сицилирование увеличивает стойкость к коррозии в соленой воде и кислотах, к износу и окалине некоторых металлов.

Науглероживание (цементация)

Это насыщение поверхности стальных предметов углеродом. Данная операция улучшает твердость, износостойкость, а также выносливость поверхности материала. Нижележащие слои остаются вязкими.

Данная химико-термическая технология подходит для предметов из низкоуглеродистых сталей (0,25%), подверженных контактному износу и переменным нагрузкам.

Предварительно необходима механическая обработка. Не цементируемые участки покрывают слоем меди либо обмазками.

Температурный режим определяется содержанием углерода в стали. Чем оно ниже, тем больше температура. Для адсорбирования углерода и диффузии в любом случае она должна составлять 900 — 950°С и выше.

Таким образом, путем насыщения поверхности стальных деталей углеродом достигают концентрации данного элемента в верхнем слое 0,8 — 1%. Большие значения ведут к повышению хрупкости.

Цементацию осуществляют в среде, называемой карбюризатором. На основе ее фазы технологию подразделяют на газовую, вакуумную, пастами, в твердой среде, ионную.

При первом способе применяют каменноугольный полукокс, древесный уголь, торфяной кокс. С целью ускорения используют активизаторы и повышают температуру. По завершении материал нормализуют. Ввиду длительности и малой производительности данная химико-термическая технология используется в мелкосерийном выпуске.

Вторая технология предполагает использование суспензий, обмазок либо шликеров.

Газовую среду наиболее часто применяют при цементации ввиду скорости, простоты, возможности автоматизации, механизации и достижения конкретной концентрации углерода. В таком случае используют метан, бензол или керосин.

Более совершенный способ — вакуумная цементация. Это двухступенчатый процесс при пониженном давлении. От прочих методов отличается скоростью, равномерностью и светлой поверхностью слоя, отсутствием внутреннего окисления, лучшими условиями производства, мобильностью оборудования.

Ионный метод подразумевает катодное распыление.

Цементация — промежуточная химико-термическая операция. Далее осуществляют закалку и отпуск, определяющие свойства материала, такие как износостойкость, выносливость при контакте и изгибе, твердость. Главный недостаток — длительность.

Азотирование

Данным термином называют насыщение материала азотом. Этот процесс производят в аммиаке при 480 — 650°С.

С легирующими данный элемент формирует нитриды, характеризующиеся дисперсностью, температурной устойчивостью и твердостью.

Такая технология химико-термической обработки увеличивает твердость, стойкость к коррозии и износу.

Необходима предварительная механическая и термическая обработка для придания окончательных размеров. Не азотируемые фрагменты покрывают оловом либо жидким стеклом.

Обычно используют температурный интервал от 500 до 520°С. Это дает за 24 — 90 ч. 0,5 мм слой. Толщина определяется длительностью, составом материала, температурой.

Азотирование приводит к увеличению обрабатываемых деталей вследствие возрастания объема верхнего слоя. Величина роста напрямую определяется его толщиной и температурным режимом.

При жидком способе применяют цианосодержащие, реже бесцианитные и нейтральные соли. Ионная химико-термическая операция отличается повышенной скоростью.

Азотирование подразделяют по целевым свойствам: им достигается или улучшение устойчивости к коррозии, либо повышение стойкости к износу и твердости.

Цианирование, нитроцементация

Это технология насыщения стали азотом и углеродом. Таким способом обрабатывают стали с количеством углерода 0,3 — 0,4%.

Соотношение между углеродом и азотом определяется температурным режимом. С его ростом возрастает доля углерода. В случае пересыщения обоими элементами слой обретает хрупкость.

На размер слоя влияет длительность выдержки и температура.

Цианирование проводится в жидкой и газовой средах. Первый способ называют также нитроцементацией. Кроме того, по температурному режиму оба типа подразделяют на высоко- и низкотемпературные.

При жидком способе используют соли с цианистым натрием. Основной недостаток — их токсичность. Высокотемпературный вариант отличается от цементации быстротой, большими износостойкостью и твердостью, меньшей деформацией материала. Нитроцементация дешевле и безопаснее.

Предварительно производят окончательную механическую обработку, а не подлежащие цианированию фрагменты покрывают слоем меди в 18 — 25 мкм толщиной.

Сульфидирование, сульфоцианирование

Это новая химико-термическая технология, направленная на улучшение износостойкости.

Первый метод состоит в насыщении материала серой и азотом путем нагрева в серноазотистых слоях.

Сульфоцианирование подразумевает насыщение углеродом, помимо названных элементов.

Классификация видов термической обработки

Для изменения свойств сплава, возникающих вследствие термической обработки, необходимо, чтобы в сплаве в ре­зультате термической обработки произошли остающиеся изменения, обусловленные в первую очередь фазовыми превращениями.

Все виды термической обработки можно разделить на четыре основные группы.

Первая группа. Предшествующая обработка может привести металл в неустойчивое состояние. Так, холодная пласти­ческая деформация создает наклеп — искажение кристаллической решетки. При затвердевании — не успевают протекать диффузион­ные процессы, и состав металла даже в объеме одного зерна оказы­вается неоднород-

ным. Быстрое охлаждение или неравномерное приложение напряжений делает неравномерным распределение упру­гой деформации. Неустойчивое состояние при комнатной темпера­туре сохраняется долго, так как теплового движения атомов при комнатной температуре недостаточно для перехода в устойчивое состояние.

Нагрев (увеличение тепловой подвижности атомов) приводит к тому, что процессы, приводящие металл в устойчивое состояние (снятие напряжений, уменьшение искажений кристаллической ре­шетки, рекристаллизация, диффузия), достигают заметных ско­ростей.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его и более устойчивое со­стояние, называется отжигом.

Если в сплавах при нагреве происходит фазовое превращение (аллотропическое превращение, растворение второй фазы и т. д.), то нагрев выше некоторой критической температуры вызывает изменение в строении сплава. При последующем охлаждении произойдет обратное превращение. Если охлаждение достаточно медленное, то превращение будет полное, и фазовый состав будет соответствовать равновесному состоянию.

Существуют два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых пре­вращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит сплав в более равновесное состояние. Такой отжиг назы­ваетсяотжигом первого рода. Если у сплава есть фазовое превра­щение, то нагрев сплава с неравновесной структурой (но не обусло­вленной закалкой) выше температуры фазовых превращений с после­дующим медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка тоже относится к отжигу, но классифицируется как отжиг второго рода или фазовая пере­кристаллизация.

Вторая группа. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) пре­вращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно себе представить такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой. Во многих случаях закалка не фиксирует совсем (или фиксирует не полностью) состояние сплава, устойчивое при высоких температурах. Поэтому предельный случай закалки, когда состо­яние сплава, характерное для вы-

соких температур, фиксируется, называется истинной закалкой, в отличие от закалки в более широком смысле, когда фиксируется не состояние сплава при высокой тем­пературе, а некоторая его стадия структурного превращения, при которой в сплаве не достигнуто еще равновесное состояние.

Закалка бывает объемной (под закалку нагревают насквозь все изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхно­стный) нагрев.

Между закалкой и отжигом второго рода есть общее. И в том, и в другом случае сплав нагревается выше температуры фазового превращения, и окончательное строение приобретает в результате превращения при последующем охлаждении. Однако между обоими видами имеется и принципиальная разница.При отжиге второго рода цель охлаждения — приближение сплава к равновесному состоянию, поэтому охлаждение проводят медленно. При закалке охлаждение быстрое, чтобы отдалить структурное состояниесплава от равно­весного.

Третья группа. Состояние закаленного сплава харак­теризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий под­вижность атомов, способствует этим превращениям. При повышении температуры закаленный сплав все больше приближается к равновес­ному состоянию. Такая обработка, т. е. нагрев закаленного сплава, нониже температурыравновесных фазовых превращений,называется отпуском. И при отжиге первого рода, как и при отпуске, сплав приближается к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние, только для отжига первого рода оно было результатом предварительной обработки, при которой, однако, не было фазовых превращений, а для отпуска — предшествовавшей закалкой. Таким образом, отпуск — вторичная операция, осуществляемая всегда после за­калки. Отпуск иногда называют старением. В одних случаях ста­рением называют длительный низкотемпературный нагрев, объеди­няя при этом отжиг 1 рода и отпуск, в других — нагрев закаленной стали называют отпуском, а нагрев закаленных сплавов цветных металлов — старением. Сейчас рекомендуют такое разграничение отпуска и старения: отпуск — это нагрев закаленного сплава, имею­щего фазовые превращения; старение — это нагрев закаленного сплава, не имеющего фазовых превращений. В этом случае закален­ное

состояние характеризуется пересыщением твердого раствора. Да­дим краткое определение основных видов термической обработки.

Отжиг — термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.

Закалка — термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым ох­лаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.

Отпуск — термическая операция, состоящая в нагреве зака­ленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.

Кроме этих основных видов термической обработки, имеются еще два принципиально отличных способа, представляющих сочетание термической обработки с металлургией или механической техноло­гией.

Способность металлов растворять различные элементы позволяет при повышенных температурах атомам вещества, окружающего поверхность металла, диффундировать внутрь него, создавая поверх­ностный слой измененного состава. При этой обработке изменяется не только состав, но и структура поверхностных слоев, а иногда серд­цевины. Такая обработка называется химико-термической обработ­кой (ХТО). К этому виду химико-термической обработки относится как бы обратный процесс — удаление элементов путем подбора соот­ветствующих сред. Диффузионная подвижность неметаллов (С, N, О, Н, В) отлична от подвижности металлов, поэ­тому химико-термическую обработку подразделяют на диффузион­ное насыщение неметаллами и металлами.

В последнее время применение получает обработка, в которой в едином технологическом процессе сочетаются деформация и струк­турные превращения. Такая обработка получила название дефор­мационно-термическая. В зависимости от того, когда осуществляется пластическая деформация до или после превращения, деформационно-термическую обработку разделяют на термомеханическую обработку ТМО (деформация осу­ществляется до превращения) и механико-термическую обработку МТО (деформация осуществляется после превращения). Таким об­разом, к трем основным видам термической обработки (отжиг, закалка, отпуск) должны быть добавлены две сложные обработки:

химико-термическая обработка — нагрев сплава в соответству­ющих химических реагентах для изменения состава и структуры по­верхностных слоев:

деформационно-термическая обработка — деформация и после­дующая термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклепа.

10.3. Основные виды термической обработки стали

Если основой при рассмотрении термической обработки сплавов является соответствующая диаграмма состояния, то, очевидно, что ос­новой для изучения термической обработки стали является диаграмма железо — углерод. Поскольку мы рассматриваем термическую об­работку стали, то нам интересны только сплавы с концентрацией до 2 % С и соответственно область на диаграмме железо—углерод с концентрацией углерода до 2 % (точнее до 2,14 % С).

Естественно, что верхней температурной границей при термиче­ской обработке является линия солидуса, поэтому процессы первич­ной кристаллизации и, следовательно, верхняя часть диаграммы для нас в данном случае не имеют большого значения.

Участок диаграммы железо-углерод, который мы будем рассматривать, изображен на рис.48.

Приведем общепринятые обозначения критических точек.

Критические точки обозначаются буквой А.

Рис.48. «Стальной» участок диаграммы Fe-C

Нижняя критическая точка, обозначаемая А₁, лежит на линии PSK и соответствует превращению аустенит ↔ перлит. Верхняя кри­тическая точка А₃, лежит на линии GSЕ и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита (вторичного) в заэвтектоидных сталях. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву с, в первом случае и r — во втором.

Следовательно, критическая точка превращения аустенита в пер­лит обозначается Аr₁, а перлит в аустенит Ас₁, начало выделения феррита из аустенита обозначается Аr₃; конец растворения феррита в аустените Ас₃. Начало выделения вторичного цементита из аусте­нита обозначается также Аr₃, а конец растворения вторичного це­ментита в аустените — Ас₃ .

Ниже дана характеристика основных видов термической обработки стали в соответствии с выше приведенной классификацией.

Отжиг — фазовая перекристаллизация, заключающаяся в на­греве выше Ас₃ с последующим медленным охлаждением. При на­греве выше Ас₁, но ниже Ас₃ полная перекристаллизация не произой­дет; такая термическая обработка называется неполным отжигом. При отжиге состояние стали приближается к структуре равновес­ному; структура стали после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цементит.

Если после нагрева выше Ас₃ провести охлаждение на воздухе, то это будет первым шагом к отклонению от практически равновес­ного структурного состояния. Такая термическая операция назы­вается нормализацией.

Закалка — нагрев выше критической точки Ас₃ с последующим быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит рас­падается на феррит + цементит при Аr₁. С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низких температу­рах. Феррито-цементитная смесь по мере снижения Аr₁ становится все более мелко дисперсной и твердой. Если же скорость охлажде­ния была так велика и переохлаждение было так значительно, что выделение цементита и феррита не произошло, то и распада твердого раствора не происходит, а аустенит (γ-твердый раствор) превращается в мартенсит (пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе). Неполная закалка — термическая операция, при которой нагрев про­водят до

температуры лежащей выше Ас₁, но ниже Ас₃ и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цемен­тит).

Отпуск — нагрев закаленной стали ниже Ас₁и последующее медленноеохлаждение.

Для стали возможны различные виды химико-термической об­работки в зависимости от элемента, диффундирующего в сталь. Насыщение стали углеродом называется цементацией, азотом — азотированном, алюминием — алитированием, хромом — хроми­рованием и т. д.

Термомеханическая обработка стали — нагрев до аустенитного состояния, деформация стали в аустенитном состоянии (в стабильном состоянии — выше Ас₃ или в нестабильном переохлажденном состоянии) и окончательное охлаждение с проте­кающим при этом превращением наклепанного аустенита.

10.4. Четыре основных превращения в стали

При изучении кристаллизации мы видели, что этот процесс превращения жидкости в твердое вещество и наоборот совершается вследствие большей устойчивости одного или другого состояния.

Фазовые превращения, которые совершаются в стали, также выз­ваны тем, что вследствие изменившихся условий, например темпера­туры, одно состояние оказывается менее устойчивым, чем другое. Этим и вызываются превращения, протекающие в стали.

Рассматривая структурные превращения в стали, мы, прежде всего, должны указать, что основными являются три структуры, а переход их из одной в другую характеризуют основные превра­щения.

Укажем эти структуры:

аустенит (А) — твердый раствор углерода в γ-железе Fe_γ (С);

мартенсит (М) — пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе Fe_α (С);

перлит (П) — эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита и карбида Fe_α + Fe₃С (ничтожно малой равновесной раст­воримостью углерода в феррите пренебрегаем).

При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения.

I. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки Ас₁, выше температуры стабильного равновесия аустенит—перлит; при этих температурах из трех основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит:

II. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже А₁:

III. Превращение аустенита в мартенсит:

Fe_γ (С) → Fe_α (С) или А →М

Это превращение наблюдается ниже температуры метастабильного равновесия аустенит—мартенсит (Т_о). При Т_о более устойчи­вой фазой является перлит, однако работа, необходимая для обра­зования мартенсита из аустенита, меньше, чем для образования перлита, поэтому ниже Т_о образование перлита (феррито-карбидной смеси) из аустенита может произойти только в результате превра­щения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит.

Таким образом, аустенито-мартенситное превращение в данном случае является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.

IV. Превращение мартенсита в перлит, точнее, в феррито-карбидную смесь:

Оно происходит при всех температурах, так как при всех темпе­ратурах свободная энергия мартенсита больше свободной энергии перлита (точнее феррито-карбидной смеси).

10.5. Образование аустенита

Превращение перлита в аустенит в полном соответствии с диаграм­мой состояния Fе—С может совершиться лишь при очень медленном нагреве. При обычных условиях нагрева превращение запаздывает и получается перенагрев, т. е. превращение происходит лишь при температурах, несколько более высоких, чем указано на диаграмме Fe—C.

Перенагретый выше критической точки перлит с различной ско­ростью в зависимости от степени перенагрева превращается в ау­стенит.

На рис. 49 приведены данные, показывающие время превращения перлита в аустенит для стали, содержащей 0,86 % С, при разных температурах (в зависимости от степени перенагрева). Расположение кривых показывает, что чем выше температура, тем быстрее (т. е. за меньший отрезок времени) протекает превращение.

Например, при 780 °С превращение перлит + аустенит завер­шится за 2 мин. а при 740 °С — за 8 мин.

Рис. 49.Превращения перлита (П) в аустенит (А) при постоянной темпера­туре

Диаграмма, приведенная на рис. 49, дана в координатах темпе­ратура — время, поэтому на нее можно нанести кривые нагрева.

Луч соответствует нагреву стали с какой-то определенной ско­ростью v₂. Он пересекает линии начала и конца превращения в то­чках а" и b". Следовательно, при непрерывном нагреве со скоростью v₂ мы зафиксируем превращение, протекающее в интервале темпера­тур от точки а" до точки b". Если нагрев был более медленным, то луч v₁ пересекает кривые превращения при более низких температурах (точки а' и b'), и превращение произойдет тоже при более низ­ких температурах.

Кривые начала и конца превращения, асимптотически прибли­жаясь к горизонтали А₁ пересекут ее в бесконечности. Нагрев с бес­конечно малой скоростью пересечет горизонталь А₁ в бесконечности, где сливаются кривые начала и конца превращения и где превраще­ние перлита в аустенит произойдет в одной «точке», т. е. при посто­янной температуре. Это, очевидно, и будет случай равновесного превращения — по диаграмме Fe—С. Реальные превращения, в от­личие от равновесных, протекают при температуре выше А₁ и не при одной температуре, а в интервале температур, лежащем тем выше, чем быстрее нагреваем сталь.

Окончание процесса превращения характеризуется образова­нием аустенита и исчезновением перлита. Однако этот вновь образо-­

вавшийся аустенит даже в объеме одного зерна неоднороден. В тех местах, в которых ранее были пластинки (или зерна) перлитного це­ментита, содержание углерода больше, чем в тех местах, где зале­гали пластинки феррита. Поэтому только что образовавшийся аусте­нит неоднороден.

Для получения однородного по составу (гомогенного) аустенита при нагреве требуется не только перейти через точку окончания перлитно-аустенитного превращения, но и перегреть сталь выше этой точки или дать выдержку для завершения диффузионных процессов внутри аустенитного зерна.

Скорость гомогенизации аустенита в значительной степени опре­деляется исходной структурой стали — степенью дисперсности це­ментита и его формой. Чем мельче частицы цементита и, следова­тельно, больше их суммарная поверхность, тем быстрее происходят описанные превращения.

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Термическая обработка стали

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Изменение структуры металла при термообработке

Назначение термической обработки

Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам . Здесь происходит:

• вторичная кристаллизация сплава;
• переход гамма железа в состояние альфа железа;
• переход крупных частиц в пластинки.

Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.

Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения

Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

• В готовых изделиях:
  1. прочности;
  2. износостойкости;
  3. коррозионностойкость;
  4. термостойкости.

• В заготовках:
  1. снятие внутренних напряжений после
     • литья;
     • штамповки (горячей, холодной);
     • глубокой вытяжки;

     Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

     1. Углеродистым и легированным.
     2. С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
     3. Конструкционным, специальным, инструментальным.
     4. Любого качества.

     Классификация и виды термообработки

     Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:

     • время нагревания (скорость);
     • температура нагревания;
     • длительность выдерживания при заданной температуре;
     • время охлаждения (интенсивность).

     Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.

     Виды термической обработки стали:

     • Отжиг
       1. I – рода:
          • гомогенизация;
          • рекристаллизация;
          • изотермический;
          • снятие внутренних и остаточных напряжений;
          • полный;
          • неполный;
          • Закалка;
          • Отпуск:
            1. низкий;
            2. средний;
            3. высокий.
          • Нормализация.

          
          

          Температура нагрева стали при термообработке

          Отпуск

          Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

          1. Отпуск низкий

          Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

          • Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
          • выдерживание — полтора часа;
          • остывание – воздух, масло.

          2. Средний отпуск

          Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:

          • нагревание до температуры – от 340°С, но не выше 500°С;
          • охлаждение – воздух.

          3. Высокий отпуск

          При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.

          
          

          Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.

          Отжиг

          Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:

          • нагревание до температуры чуть выше критической точки в зависимости от марки стали;
          • выдержка с постоянным поддержанием температуры;
          • медленное охлаждение (обычно остывание происходит совместно с печью).

          1. Гомогенизация

          Гомогенизация, по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:

          2. Рекристаллизация

          Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:

          • нагревание до температуры – выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
          • выдерживание — ½ — 2 часа;
          • остывание – медленное.

          3. Изотермический отжиг

          Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:

          • нагревание до температуры – на 20°С — 30°С выше точки ;
          • выдерживание;
          • остывание:
            • быстрое – не ниже 630°С;
            • медленное – при положительных температурах.

            4. Отжиг для устранения напряжений

            Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:

            • нагревание до температуры – 727°С;
            • выдерживание – до 20 часов при температуре 600°С — 700°С;
            • остывание — медленное.

            5. Отжиг полный

            Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.

            
            

            Полный отжиг стали

            • температура нагрева – на 30°С-50°С выше точки ;
            • выдержка;
            • охлаждение до 500°С:
              • сталь углеродистая – снижение температуры за час не более 150°С;
              • сталь легированная – снижение температуры за час не более 50°С.

              6. Неполный отжиг

              При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.

              • нагревание до температуры – выше точки или , выше 700°С на 40°С — 50°С;
              • выдерживание – порядка 20 часов;
              • охлаждение — медленное.

              Закалка

              Закалку сталей применяют для:

              • Повышения:
                1. твердости;
                2. прочности;
                3. износоустойчивости;
                4. предела упругости;
              • Снижения:
                1. пластичности;
                2. модуля сдвига;
                3. предела на сжатие.

              Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.

              
              

              Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.

              Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).

              Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:

              • вода;
              • соляные растворы на основе воды;
              • техническое масло;
              • инертные газы.

              Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.

              Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.

              Чтобы полностью избавиться от аустенита, из-за которого у стали наблюдается высокая хрупкость, изделия подвергаются дополнительному охлаждению при температурах от — 40°С и до -100°С в специальной камере. Также можно использовать углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка повышает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.

              Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.

              Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.

              Нормализация

              Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:

              • сопротивление излому;
              • производительность обработки;
              • прочность;
              • вязкость.

              
              

              Процесс нормализации стали

              • происходит нагрев до температуры – на 30°С-50°С выше точки ;
              • выдерживание в данном температурном коридоре;
              • охлаждение – на открытом воздухе.

              Преимущества термообработки

              Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

              Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.

              В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.

              Читайте также:

                
              • Изготовление икон из металла
                
              • Носителями тока в металлах являются
                
              • Компостная яма из металла
                
              • Как сделать металлический уголок
                
              • Каким электродом варить тонкий металл 1мм