Закалка

Закалкой называют процесс термической обработки, состоя­щий в нагреве стали до оптимальной температуры, выдержке и после­дующем быстром охлаждении с целью получения неравновесной струк­туры. В результате закалки повышаются прочность и твердость и понижается пластичность стали. Основные параметры закалки — температура нагрева и скорость охлаждения.

Температуру закалки для углеродистых сталей можно определить по левой нижней части диаграммы состояния железо—цементит (рис. 9.4).

Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на 30—50 °С выше точки Ас₃, т. е. выше линии GS. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит, а после охлаждения с высокой скоростью (больше критической) обра­зуется мартенсит;

Заэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50 °С выше точки Ас1, т. е. выше линии SK- Так как эта линия соответствует температуре 727 °С, для заэвтектоидной стали можно указать темпе­ратуру нагрева для закалки в интервале 760—790 °С.

При- таком нагреве перлит полностью превращает­ся в аустенит, а часть вторичного це­ментита остается нерастворенной —■ структура состоит из аустенита и це­ментита. После быстрого охлаждения аустенит превращается в мартенсит. Структура закаленной стали состоит из мартенсита и цементита. Наличие це­ментита в структуре закаленной заэв­тектоидной стали повышает твердость и износостойкость стали.

Время нагрева. Для экономии вре­мени нагрев стали необходимо вести по возможности быстро, однако не допу­ская образования дефектов. Если, на­пример, детали нагревать, сразу поме­ щая их в печь, нагретую до темпера­туры закалки, то возникают значительные внутренние напряжения и в сложных по форме деталях возможно образование трещин. По­этому детали сложной формы перед помещением в печь для на­грева под закалку предварительно подогревают или температуру в печи вместе с помещенными в нее заранее деталями постепенно повышают.

Общая продолжительность нагрева, т. е.. общее время пребывания деталей в нагревающей среде, состоит из двух слагаемых: времени нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой тем­пературе. Как говорилось выше, время нагрева деталей до заданной температуры зависит от температуры, конфигурации деталей, мощности и типа печи, размера садки, способа укладки деталей и других факто­ров. Время выдержки выбирают так, чтобы полностью завершились фазовые' превращения.

Общая продолжительность нагрева в электропечах составляет 1,5—2 мин на 1 мм размера сечения.

Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат закалки.

Поскольку быстрое охлаждение необходимо только в интервале наименьшей устойчивости аустенита, а при дальнейшем понижении температуры, особенно в мартенситном интервале, быстрое охлаждение не только не нужно, но и нежелательно, наилучшей закалочной средой является та, которая способствует быстрому охлаждению от темпера­туры закалки до 200—300 °С, а далее в интервале температур мартен-ситного превращения обеспечивает медленное охлаждение.

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, водные растворы солей, щелочей, масло, воздух, расплавленные соли.

При охлаждении в воде и масле, температура кипения которых ниже температуры охлаждаемых в них деталей, скорость охлаждения различна в начальном (стадия пленочного кипения), среднем (стадия пузырчатого кипения) и конечном (стадия конвективного теплообмена) периодах охлаждения.

Стадия пленочного кипения характеризуется образованием вокруг детали паровой пленки, отделяющей раскаленную поверхность от всей массы жидкости. Поэтому скорость охлаждения на данной стадии сравнительно невелика.

Стадия пузырчатого кипения наступает при более низких темпера­турах охлаждаемой поверхности, когда паровая пленка разрушается, создается непосредственный контакт жидкости с деталью; при кипении жидкости возникают многочисленные пузырьки пара, которые, отры­ваясь, уносят значительное количество теплоты, в связи с чем охлажде­ние происходит с большой скоростью.

Стадия конвективного теплообмена наступает, когда-температура поверхности становится ниже температуры кипения жидкости. Интен­сивность теплоотдачи в этой стадии низка и охлаждение протекает с небольшой скоростью.

Вода охлаждает в 6 раз быстрее при 550—650 °С и в 28 раз быстрее при 200 °С, чем масло. Поэтому вода применяется для охлаждения сталей с большой критической скоростью закалки (углеродистых сталей), а в масле охлаждают стали с малой критической скоростью закалки (детали малых сечений из легированных или высокоуглеродис­тых сталей).

Основным недостатком воды как охлаждающей среды является высокая скорость охлаждения при температурах образования мартен­сита, что приводит к возникновению больших структурных напряже­ний и создает опасность возникновения трещин. При нагреве воды ее закаливающая-способность снижается в области высоких температур (550—650 °С), а скорость охлаждения в области температур мартенсит-ного превращения остается высокой. Поэтому охлаждение в горячей воде не уменьшает возможность образования трещин. Добавление к воде солей, щелочей увеличивает ее закаливающую способность в связи с расширением интервала пузырчатого кипения (почти пол­ностью исключается стадия пленочного кипения). Кроме того, эти растворы при низких температурах в мартенситном интервале охлаж­дают медленнее, чем вода.

Как указано выше, масло охлаждает значительно медленнее, чем вода. Но зато благодаря повышенной температуре кипения (250— 300 ⁰С) и соответственно более высокой температуре перехода от пузыр-

чатого кипения к конвективному теплообмену масло обладает неболь­шой скоростью охлаждения в области температур мартенситного превращения, поэтому при охлаждении в масле опасность образования -трещин резко уменьшается. Преимуществом масла является также то, что закаливающая способность не изменяется с повышением темпера­туры масла (до 150—200 °С). Недостатки масла-— это легкая воспла­меняемость, пригорание к поверхности детали; под влиянием высокой температуры охлаждаемых деталей масло постепенно начинает густеть и закаливающая способность его понижается.

Прокаливаемотгь стали. Под прокаливаемостью под­разумевают способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость не надо смешивать с закаливаемостью, которая характеризуется максимальным значением твердости, при­обретенной сталью в результате закалки. При закалке стали в зависи­мости от размеров сечения детали и критической скорости закалки v_к получается различная структура от края к сердцевине.

Так как внутренние слои детали охлаждаются медленнее, то в тех объемах, где скорость охлаждения оказывается меньше критической, образуется троостит, сорбит или перлит. Если сердцевина охлаждается со скоростью больше критической, то по всему сечению детали обра­зуется мартенситная структура. В соответствии с изменением скорости охлаждения и структуры от края к сердцевине изменяется и твердость; следовательно, чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость, и наоборот, чем больше критическая скорость закалки, тем меньше прокаливаемость.

Характеристикой глубины прокаливаемости принято считать рас­стояние от поверхности до слоя с полумартенситной структурой (50 % мартенсита и 50 % троостита).

Прокаливаемость можно определять по излому, измерением твер­дости по сечению образца и методом торцовой закалки.

Определение прокаливаемости по излому проводят на образцах сечением 20 X 20 мм, длиной 100 мм. Образцы после закалки ломают и по излому определяют глубину прокаливаемости. Этот метод приме­няют для определения прокаливаемости главным образом инструмен­тальных сталей.

При определении прокаливаемости измерением твердости по сечению закаленный образец разрезают и по диаметру измеряют твердость. По полученным данным строят кривую изменения твердости от края к сердцевине образца (рис. 9.5). Этот метод затруднителен, так как приходится разрезать твердый закаленный образец.

Наиболее, распространенным методом определения прокаливае­мости благодаря его простоте и универсальности является метод торцовой закалки, предложенный акад. Н. Т. Гудцовым. Сущность этого метода заключается в следующем. Цилиндрический образец (рис. 9.6, а) нагревают (с защитой от окисления) до температуры закалки и после выдержки помещают в специальную установку (рис. 9.6, б), в которой образец закаливают с торца струей воды. Для измерения твердости закаленного образца по всей его длине по противоположным образующим сошлифовывают две площадки. Твер дость измеряют от закаленного торца. Данные распределения твер­дости наносят на диаграмму (рис. 9.7). Для определения глубины прокаливаемости цилиндрических деталей при закалке их в воде или в масле рекомендуется пользоваться графиком, полученным по резуль-. татам торцовой закалки образцов (рис. 9.8). Например, если при

испытании методом торцовой закалки образца твердость полумартен­ситной зоны, равная HRC 45, получена.на расстоянии 12 мм от охлаж­даемого торца, то, пользуясь кривыми, приведенными на рис. 9.8, можно определить, что такая же твердость будет получена в центре цилиндрической заготовки диаметром 50 мм при закалке в воде.или в центре заготовки диаметром 32 мм при закалке в масле.

-

На прокаливаемость оказывают влияние скорость охлаждения, однородность структуры, температура нагрева, размеры аустенитного зерна, исходная структура. С увеличением скорости охлаждения прокаливаемость увеличивается; при неоднородной структуре, напри­мер не полностью растворившихся карбидах и неметаллических вклю­чениях, которые являются центрами кристаллизации, прокаливаемость снижается; повышение температуры нагрева приводит к росту зерна, получению более однородной структу­ры и к увеличению прокаливаемости.

Способы закалки.В зависимости от формы детали, марки стали и требуе­мого комплекса свойств применяют раз­личные способы закалки.

Закалка в одной среде (рис. 9.9) наи­более широко применяется на практике. Деталь нагревают до температуры за­калки и охлаждают в одном охладите­ле. Если охлаждение проводится в жидком охладителе (воде, масле), то для равномерного охлаждения деталь, по­грузив в жидкость, перемещают вверх-вниз или по кругу.

Для равномерного охлаждения при­меняют также циркуляцию жидкости спомощью специально установленных в закалочном баке лопастей или ведут закалку в проточной среде.

Если требуется закалить не всю де­ таль, а только ее определенную часть, то такая закалка называется местной. Ее проводят, погружая в охлаждающую жидкость только ту часть детали, которую необхо­димо закалить; для этого применяется также струйное охлаждение. В последнем случае деталь помещают в специальное приспособление (аппарат), где закаливаемые участки детали подвергаются интенсив­ному охлаждению струями воды.

На рис.* 9.10, а приведено приспособление для закалки матриц для штампов. Нагретую матрицу 3 устанавливают на призму 2. Одним торцом (левым) матрицу прижимают к неподвижному соплу 1, а к.дру­гому торцу (правому) с помощью пружины 5 прижимают подвижное сопло 4. Затем открывают кран 7 и вода из водопроводной сети по шлангам 6 с двух сторон поступает в отверстие матрицы 3 и стекает из боковых отверстий сопл. Когда матрица потемнеет, все приспособле­ние вместе с матрицей погружают для охлаждения в бак с водой, расположенный под приспособлением.

Такой способ закалки позволяет получить рабочую часть матрицы (поверхность внутреннего канала) с твердостью HRC 59—61, а осталь­ную часть с твердостью HRC 40—48 (рис. 9.10, б).

Для получения равномерной закалки и уменьшения коробления (особенно длинных цилиндрических и тонких плоских деталей) при меняют специальные закалочные машины и прессы, где детали при охлаждении находятся в зажатом положении, например, валы и оси — между зажимными роликами, шестерни — в штампах, пилы — между плитами и т. п.

Широко применяются различные автоматизированные закалочные агрегаты непрерывного действия (рис. 9.11), в которых детали с кон­вейера 2, пройдя через пространство печи 1, сбрасываются в закалоч­ный бак 3, откуда удаляются с помощью конвейера 4.

Недостатком закалки в одном охладителе (если закалка проводится в. воде) является возникновение значительных внутренних напряже­ний, которые могут вызвать появление трещин.

При закалке с подстужи-ванием деталь вынимают из печи и перед погружением в охлаждающую жидкость некоторое время выдержи­вают на воздухе — «подсту-живают». При подстуживании температура детали не долж­на понижаться ниже кри­тической точки. Подстуживание уменьшает внутренние напряже­ния в деталях.

Закалка в двух средах, или прерывистая закалка (см. рис. 9:9). Как указано выше, быстрое охлаждение при закалке необходимо для того, чтобы в процессе охлаждения не происходило распада аустенита на ферритно-цементитную смесь в интервале температур 500—600 °С. Для превращения же аустенита в мартенсит быстрое охлаждение не только не нужно, но и нежелательно, так как именно при быстром охлаждении в интервале мартенситного превращения и могут возникнуть трещины. В интервале мартенситного превраще­ния для уменьшения возникающих структурных внутренних напря­жений и для предохранения от возможности возникновения трещин необходимо медленное охлаждение. Этому требованию и удовлетворяет закалка в двух средах.

Деталь от температуры закалки сначала охлаждают до 300—400 °С в энергично действующем охладителе •— в воде, а затем для оконча­тельного охлаждения переносят в масло. Такая закалка иначе назы­вается закалкой в воде с переброской в масло.

Ступенчатая закалка (см. рис. 9.9) заключается в том, что нагретую до температуры закалки деталь охлаждают в расплавленных солях или щелочах при температуре немного выше температуры начала' мартенситного превращения (точки М_н). После выдержки при данной температуре в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению, деталь охлаждают на воздухе. При выдержке в соляной ванне никаких структурных превращений не происходит и образование мартенсита происходит при охлаждении на воздухе.

В качестве охлаждающей среды при ступенчатой закалке применяют смеси легкоплавких солей, например: смесь, состоящую из 55 % нитрата калия KNO₃ и 45 % нитрита натрия NaNO₂(Teмпepaтypa плав­ления 137 °С).

По сравнению с закалкой в одной среде при ступенчатой закалке возникают значительно меньшие внутренние напряжения, умень­шается коробление и возможность возникновения трещин. После выдержки в соляной ванне сталь находится в состоянии пластичного аустенита и детали легко могут быть подвергнуты правке.

При охлаждении в щелочах (в смеси едкого кали КОН и едкого натра NaOH) деталей, нагретых в соляных ваннах, например в 50 % NaCl и 50 % КС1, они сохраняют светлую поверхность, так как хло­риды при нагревании, а щелочи при охлаждении практически не окисляют поверхности детали. Это дает возможность проводить закалку деталей после их окончательной механической обработки без последующей очистки.

К сожалению, ступенчатую закалку можно применять только для мелких деталей диаметром до 10 мм. Это объясняется тем, что для крупных деталей скорость охлаждения в соляной ванне недостаточна, чтобы переохладить аустенит до температуры, немного превышающей температуру начала мартенситного превращения. В связи с недоста­точной скоростью охлаждения в зоне наименьшей устойчивости аустенита (500—600 °С) происходит его частичный распад с образова­нием ферритно-цементитной смеси, и твердость получается пони­женной.

Изотермическая закалка (см. рис. 9.9), впервые предложенная
Д. К. Черновым, широко применяется на практике. Как и при ступен­чатой закалке, охлаждение нагретых деталей проводится в соляных ваннах. Температура соляной ванны при изотермической закалке составляет 250—400 °С.. Детали выдерживают в течение времени (согласно С-кривой для данной стали), необходимого для полного распада аустенита. После выдержки детали охлаждают на воздухе. В результате изотермической закалки образуется достаточно пластич­ный бейнит твердостью HRC 45—55. Изотермическую закалку целе­сообразно применять для деталей, склонных к короблению и образо­ванию трещин.

Для нагрева деталей применяют камерные печи, конвейерные печи, тигельные электрические и электродные печи — ванны, вакуум­ные печи, электропечи с защитной атмосферой и др.

Способ закалки с обработкой холодом предложен в 1937 г. А. П. Гу­ляевым и заключается в продолжении охлаждения закаленной стали до температуры ниже +20 °С, но не ниже точки М_к. Цель метода — более полное превращение остаточного аустенита в мартенсит.

Обработка холодом целесообразна только для тех сталей, у которых точка М_К конца мартенситного превращения расположена при темпе­ратурах ниже комнатной. Для углеродистых сталей обработка холодом целесообразна для сталей при содержании углерода более 0,6 % (см. рис. 8.15).

Обработка холодом является частью общего цикла термической обработки и проводится немедленно после закалки, так как перерыв в охлаждении стабилизирует аустенит и уменьшает эффект обработки. В результате обработки холодом повышается твердость, увеличи­вается объем, стабилизируются размеры деталей. Для охлаждения обычно применяют смесь из твердой углекислоты с ацетоном (—78 °С).

В производстве (особенно инструментальном) широко применяется закалка с самоотпуском. Этот процесс представляет собой соответствую-щий нагрев, охлаждение только поверхности или части детали и отпуск за счет остаточной внутренней теплоты.

Температуру отпуска при закалке с самоотпуском определяют по цветам побежалости, появляющимся на поверхности детали, например светло-желтый цвет соответствует 220 °С, коричневый — 255 °С, темно-синий —295—310 °С, серый — 330 °С. Явление цветов побежалости основано на оптических свойствах тонкой пленки окисла, образую­щейся при отпуске на поверхности закаленной детали. С повышением температуры отпуска увеличивается толщина пленки окисла и изме­няется окраска.

§ 9.3. Отпуск

Отпуск — нагрев до температуры ниже точки Ас₁ с последующим охлаждением с заданной скоростью — проводят для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкоети закаленной стали и получения требуемой структуры и механических Свойств. В зависимости от температуры отпуск делят на низкий, сред­ний и высокий.

Низкий отпуск — при 120—250 °С на отпущенный мартенсит приме­няют для термообработки режущего и измерительного инструмента, деталей подшипников.

Средний отпуск — при 350—450 °С на троостит отпуска проводят при изготовлении пружин рессор, штампов.

Высокому отпуску — при 450—650 °С на сорбит отпуска, назы­ваемому также улучшением, часто подвергают детали из средне-углеродистой конструкционной стали, например валы, оси, шатуны, зубчатые колеса и др.

§ 9.4. Термомеханическая обработка стали

Термомеханической обработкой (ТМО) назы-звают процесс, представляющий собой нагрев стали до температуры выше точки Ас₃, выдержку, пластическую деформацию аустенита при высокой температуре и последующее охлаждение с целью получения особой мартенситной структуры. Пластическое деформирование при ТМО производят прокаткой, ковкой, штамповкой и другими способами обработки давлением.

Различают два основных способа термомеханической обработки — высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО).

При ВТМО (рис. 9.12, а) сталь нагревают выше точки Ас₃, пласти­чески деформируют при этой температуре и закаливают.

При НТМО (рис. 9.12, б) сталь нагревают выше точки Ас₃, охлаж­дают до температуры относительной устойчивости аустенита, но ниже температуры рекристаллиза­ции, пластически деформи­руют при этой температуре, и закаливают. В обоих случаях после закалки следует низкий от­пуск. ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО про­водят только для сталей с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита (легированные стали).

По сравнению с обычной закалкой после термомехани­ческой обработки механические свойства получаются более высокими. Наибольшее упрочнение достигается после НТМО. Так, после обычной закалки и низкого • отпуска предел прочности сталей сигма в= 2000 - 2200 МПа, а относительное удлинение 3 - 4 %; после ВТМОсигма в = 2200 - 2600 МПа, относительное удлинение 7- 8 %; после НТМО сигма в = 2800- 3300 МПа (280—330 кгс/мм²), относительное удлинение = 5 - 7 %.

Повышение механических свойств стали в результате ВТМО объясняется тем, что при пластической деформации (наклепе) аустенита создается мелкоблочное строение. При последующем быстром охлажде­нии (закалке) измельченный при наклепе аустенит превращается в мартенсит тонкого строения.

При деформации с большими обжатиями, применяемыми при НТМО, в аустените сильно возрастает общая плотность дислокаций, «насле­дуемая» после закалки мартенситом. Большая плотность дислокаций в мартенсите и обусловливает высокие механические свойства.

§ 9.5. Дефекты термической обработки

Недогрев получается в том случае, если сталь нагрета до темпера­туры ниже критической. Например, если доэвтектоидную сталь нагреть до температуры немного ниже Ас₃, то часть феррита не превратится в аустенит. После охлаждения аустенит превратится в мартенсит, а феррит, не перешедший при нагреве в аустенит, останется в закален­ной стали. В результате получается структура мартенсит + феррит. Феррит, имеющий низкую твердость (НВ 80), находясь вместе с мар­тенситом, снижает общую твердость закаленной стали. Этот дефект можно исправить, для этого недогретую сталь отжигают, а затем проводят нормальную' закалку.

Перегрев получается в случае, если сталь была нагрета до темпера­туры намного выше критической или при заданной температуре дана очень большая выдержка.

В доэвтектридной стали в этом случае при ускоренном охлаждении в интервале критических точек Аr₃ — Аr₁ феррит, выделяющийся из зерен аустенита, приобретает форму пластин и получается так называемая видманштеттова структура (рис. 9.13).

В результате перегрева при закалке образуется крупноигольчатый мартенсит (рис. 9.14). Механические свойства перегретой стали низкие. Исправить перегрев, возникший при отжиге, можно повторной норма­лизацией. Сталь, перегретую при закалке, отжигают и вновь закали­вают.

Пережог получается, если сталь нагрета до температуры, близкой к температуре начала плавления. Пережог характеризуется оплавле- нием и окислением металла по границам зерна; поэтому сталь стано­вится очень хрупкой. Пережог ведет к неисправимому браку.

Окисление и обезуглероживание стали при нагреве — это результат взаимодействия ее с газами, содержащимися в атмосфере печи (кисло­рода, водорода, углекислого газа). Окисление характеризуется обра­зованием на поверхности детали окалины, а обезуглероживание — выгоранием углерода в поверхностных слоях детали с образованием структуры феррита (рис. 9.15).

Окалина кроме потери металла приводит к неравномерной твер­дости деталей (пятнистой закалке) и вызывает необходимость дополни­тельной обработки, удорожающей стои­мость производства деталей. Чтобы из­бежать пятнистой закалки, необходимы ' защита поверхности деталей от образо­вания окалины в процессе нагрева, очистка деталей перед закалкой, выбор правильного способа охлаждения. В результате обезуглероживания резко снижаются твердость на поверх­ности деталей и сопротивление устало­сти. Лучшим способом предохранения от окисления и обезуглероживания являет­ся нагрев в специальных печах с защит­ной (контролируемой) атмосферой. Из-за нарушений технологических требований могут возникать закалочные трещины и коробление.

Закалочные трещины обычно обра­зуются при слишком резком охлажде­нии или нагреве деталей. Для предот­вращения закалочных трещин необхо­димы равномерный нагрев и равномерное охлаждение детали; при­меняют также закалку, при которой обеспечивается медленное охлаждение в интервале мартенситного превращения — ступенчатую и изотермическую закалку, закалку в двух средах.

Коробление возникает вследствие неравномерного охлаждения отдельных мест детали; при короблении изменяется внешняя форма детали. На коробление значительно влияет форма детали и способ погружения детали в охлаждающую среду.

Для предотвращения коробления необходимо правильно выбирать режим закалки — температуру нагрева, скорость и способ охлажде­ния; применять закалку в закалочных машинах и штампах.

§ 9.6. Поверхностная закалка стали

Поверхностной закалкой называют процесс терми­ческой обработки, представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры выше точки Ас₃ для доэвтектоидной и точкиАс1 для заэвтектоидной стали и последующее охлаждение с целью получения в поверхностном слое структуры мартенсита.Поверхностную закалку применяют для повышения износостой­кости деталей и сопротивления усталости при сохранении высокого сопротивления динамическим нагрузкам благодаря высокой пластич­ности сердцевины. Поверхностная закалка происходит очень быстро и поэтому на поверхности детали не образуется окалины. Так как при этом нагревается и охлаждается только тонкий поверхностный слой, коробление детали незначительное.Обычно применяют поверхностную закалку с индукционным нагре­вом током высокой частоты (ТВЧ), реже — закалку с нагревом газовым пламенем.Поверхностная закалка при нагреве ТВЧ.Нагрев ТВЧ был предложен и разработан советским ученым В. П. Во-логдиным. При нагреве ТВЧ можно за­каливать детали разнообразной конфи­гурации и полностью автоматизировать процесс закалки.

Нагрев ТВЧ заключается в следую­щем. В проводнике, помещенном в пере­менное магнитное поле, возникают вих­ревые токи, нагревающие этот провод­ник. Причем чем выше частота изменения магнитного поля, тем более неравномер­но распределяется плотность тока по объему проводника —наибольшая плот­ ность тока . наблюдается на внешней поверхности (скин-эффект). Вследствие скин-эффекта проводник нагре­вается только у поверхностиДля нагрева ТВЧ от генератора (машинного или лампового) в индуктор 1 (рис. 9.16) (кольцеобразно согнутую медную трубку) подается переменный ток высокой частоты (К токам высокой частоты относят переменные токи частотой от 500 Гц до 10 МГц,). При этом вокруг индук­тора возникает магнитное поле. При помещении детали 2 в магнитное поле индуктора в ней возникают вихревые токи, которые и нагревают поверхность детали до температуры закалки. Глубину проникновения тока, определяющую глубину закаленного слоя, можно довольно точно регулировать.Нагрев ТВЧ принципиально отличается от других способов нагре­ва — тепло возникает в самой детали, а при нагреве в печах, соляных ваннах и газовым пламенем тепло распространяется от поверхности к сердцевине путем теплопроводности.В связи с быстрым нагревом (в течение нескольких секунд) для завершения всех превращений в стали необходима температура, зна­чительно (на 100—200 °С) превышающая нормальную температуру закалки при нагреве в печах. Но в связи с отсутствием выдержки при температуре закалки такая высокая температура не вызывает роста зерна стали.

По сравнению с обычной закалкой сталь, закаленная с помощью нагрева ТВЧ, имеет следующие преимущества: более мелкая микро­структура, более высокие твердость, износостойкость и прочность при относительно меньшем понижении вязкости, более высокий предел выносливости.

Поверхностную закалку с помощью нагрева ТВЧ проводят различ­ными способами — в зависимости от размера и формы детали и предъяв­ляемых к ней требований.

При закалке небольших деталей применяют нагрев и охлаждение сразу всей обрабатываемой поверхности. Деталь 1 (рис. 9.17, а) помещают в индуктор 2 при этом нагревается, а затем охлаждается вся поверхность, подлежащая обработке. Наибольшее применение имеет душевое охлаждение. Для этого на внутренней поверхности индуктора имеются многочисленные отверстия, через которые после окончания нагрева на поверхность детали поступает вода.

Закалку деталей значительной длины проводят непрерывно-после­довательным способом. Деталь 1 (рис. 9.17, б) устанавливают в центрах и для равномерности нагрева непрерывно вращают. Закалка происхо­дит при вертикальном перемещении детали сверху вниз. В магнитное поле индуктора 2 последовательно поступает один участок детали за другим и нагревается до температуры закалки. Под индуктором 2 расположено охлаждающее устройство 3, представляющее собой согнутую.кольцом трубку с многочисленными отверстиями на внутрен­ней поверхности, через которые на нагретые участки детали поступает вода в виде душа. Таким образом, непрерывно-последовательно нагре­вается и охлаждается вся поверхность детали.

Если необходимо закалить отдельные части детали, то целесообразно применять способ последовательной закалки, при котором обрабаты­ваемая поверхность нагревается и охлаждается по частям, например, последовательная закалка шеек коленчатого вала 1 (рис. 9.17, в), зубьев зубчатых колес и т. п.

После закалки для уменьшения возникающих внутренних напря­жений детали подвергают низкому отпуску (160—200 °С).

Для точной установки детали в индукторе и обеспечения одинако­вого нагрева и охлаждения каждой нагреваемой детали, от чего зависит качество закалки, применяют специальные приспособления, установки, станки-полуавтоматы и автоматы.

Поверхностная закалка при нагреве пламенем. При этом способе закалки для нагрева наиболее часто используют ацетилено-кислородное пламя с температурой 3150 °С.

На рис. 9.18 приведены схемы основных способов закалки при нагреве пламенем. Стационарный и вращательный способы относятся к закалке, проводимой за две операции: сначала одновременно нагре­вается вся закаливаемая поверхность, а затем проводится охлаждение всей нагретой поверхности. Поступательный и комбинированный спо­собы относят к непрерывной закалке, при которой закаливаемая поверхность подвергается закалке непрерывным перемещением через зону нагрева и охлаждения.

Для нагрева пламенем применяют обычные сварочные горелки, в которых вместо мундштука используют специальные наконечники — щелевые и многопламенные. Толщина закаленного слоя обычно состав­ляет 2—5 мм, а его твердость такая же, как при обычной закалке. Этот способ применяют главным образом при закалке крупных! деталей.

ГЛАВА 10 ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Химико-термической обработкой называют про­цесс, при котором металл подвергают термическому и химическому воздействию с целью изменения состава, структуры и свойств поверх­ностного слоя стали, а иногда и всей детали в целом.

Химико-термическая обработка основана на диффузии, т. е. про­никновении в сталь атомов различных элементов. Она может происхо­дить только в том случае, если диффундирующий элемент образует с основным металлом твердый раствор или химическое соединение.

При химико-термической обработке протекают следующие про­цессы: распад молекул во внешней среде и образование атомов диффун­дирующего элемента (диссоциация); поглощение атомов поверхностью стали (адсорбция); проникновение атомов вглубь стали (диффузия).

Диффузионное насыщение поверхности деталей проводят различ­ными элементами: углеродом, азотом, хромом, алюминием, кремнием и др. В результате можно повысить твердость и износостойкость по­верхности, жаростойкость, коррозионную стойкость и другие свойства.

При проведении любой химико-термической обработки детали нагревают в среде, содержащей тот элемент, которым проводят насы­щение. Выдержка при нагреве должна быть достаточной для того, чтобы атомы насыщающего элемента проникли в сталь (в деталь) на нужную глубину.

После процесса диффузии детали могут быть сразу готовы к исполь­зованию или должны подвергаться дополнительной термической обработке.

В зависимости от того, каким элементом проводят насыщение, процесс называют цементацией (углерод), азотированием (азот), хро­мированием (хром), силицированием (кремний) и т. д.

§ 10.1. Цементациястали

Цементация — процесс химико-термической обработки, пред­ставляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде.

Цель цементации — получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине за счет обогащения поверх­ностного слоя стали углеродом в пределах 0,8—1,0 % споследующей термической обработкой. Цементации подвергают детали, изготовлен­ные из сталей с низким содержанием углерода (обычно до 0,25 %).

Технология цементации.Цементацию можно проводить втвердой, жидкой и газовой средах, называемых карбюризаторами. Наиболее широкое применение имеет цементация в газовых средах (газовая цементация).

При газовой цементации детали нагревают до 930— 950 °С в специальных герметически закрытых печах, вкоторые непре­рывным потоком подают углеродосодержащий газ. Такими газами являются естественные (природные), а также искусственные газы. Для газовой цементации используют и жидкий карбюризатор (бензол, керосин и др.), который каплями подают в герметичное рабочее прос-странство печи. При высокой температуре происходит разложение жидкого карбюризатора, в результате чего образуется цементующий газ.

Атомарный углерод, необходимый для цементации, образуется при разложении углеводородов, например метана СН₄ и окиси углерода СО, содержащихся в цементующих газах, разложение которых при нагреве происходит по следующим реакциям:

Атомарный углерод поглощается поверхностью стали и диффунди­рует в глубь детали.

Как уже отмечалось, концентрация углерода в поверхностном слое стали обычно составляет 0,8—1,0 %. Заданную концентрацию углерода в поверхностном слое получают путем автоматического регулирования состава газа и применения газа-разбавителя, например эндотермичес­кого газа (эндогаза), получаемого из природного газа в специальном эндотермическом генераторе. Эндогаз по объему содержит около 20 % СО, 40 % Н₂, 40 % N₂ и незначительное количество СН₄, СО₂ и Н₂О. Обладая слабой науглероживающей способностью, эндогаз применим только как защитная атмосфера против окисления и обез­углероживания. Для повыше­ния активности газовой сре­ды, характеризуемой углерод­ным потенциалом (Углеродным потенциалом газовой среды принято считать ее цементующую активность, обеспечивающую определенную концентрацию углерода на поверх­ности стали.), к эндо-газу добавляют природный газ.В промышленности широ­ко применяют ступенчатый режим газовой цементации. Сначала цементацию прово­дят смесью эндотермического газа (90—95 %) с природным газом (5—10 %); при этом происходит интенсивное на­углероживание с пересыще­нием цементованного слоя углеродом (углеродный потенциал газовой среды 1,1—1,3 %). Затем детали выдерживают в печи только в эндогазе, углеродный потенциал которого обеспечивает получение содержания углерода на поверхности деталей в количестве 0,8—1,0 %.По сравнению с другими способами газовая цементация обладает следующими преимуществами: высокой производительностью и эконо­мичностью; удобством контроля и регулирования толщины цементуе­мого слоя и содержания в нем углерода; возможностью механизации и автоматизации процесса.Для газовой цементации применяют печи непрерывного действия (муфельные и безмуфельные), стационарные печи (камерные, шахтные) и специальные агрегаты.Микроструктура цементованного слоя. Вцементованной детали содержание углерода уменьшается от поверхности к центру; в соответ­ствии с таким изменением химического состава распределяются и структурные составляющие (рис. 10.1). Чем ближе к сердцевине, тем меньше в переходной зоне перлита и

больше феррита. За толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтек-тоидной и половину доэвтектоидной зоны.

Термическая обработка деталей после цементации. Цементованные детали обязательно подвергают термической обработке, необходимой для получения высокой твердости поверхности, исправления структуры перегрева, возникшей в результате длительной выдержки при высокой температуре, устранения карбидной сетки в цементованном слое. Применяют различные режимы термической обработки цементованных

деталей.

Для получения мелкозернистой структуры поверхностного слоя и сердцевины применяют двойную закалку по следующему режиму.

закалка или нормализация с температуры 880—900 °С . (выше точки Ас₃ сердцевины) — для измельчения структуры сердцевины и устранения карбидной сетки в поверхностном слое;

закалка с 760—780 °С (оптимальная для заэвтектоидной стали) — для измельчения структуры цементованного слоя и придания ему высокой твердости.

Хотя при двойной закалке достигаются высокие механические свойства, двойной нагрев усложняет процессы обработки, вызывает повышенное коробление деталей и обезуглероживание поверхностного

слоя.

Наиболее часто детали после цементации подвергают однократной закалке с температуры 820—850 °С (выше точки Ас₁ но ниже точки Ас₃ сердцевины). Такой закалкой достигается измельчение зерна цементованного слоя и частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.

После газовой цементации широко применяют непосредственную закалку из цементационной печи с подстуживанием до температуры 840—860 °С (выше точки Ас₃ сердцевины). Подстуживание способст­вует уменьшению коробления деталей и повышению поверхностной твердости вследствие уменьшения количества остаточного аустенита. В стали при такой закалке не происходит измельчения зерна, поэтому она применяется только для деталей, изготовленных из наследственно мелкозернистых сталей.

. После закалки цементованные детали во всех случаях подвергают низкому отпуску при температуре 160—180 °С для уменьшения закалочных напряжений и повышения сопротивления хрупкому разру­шению.

После термической обработки структура поверхностного слоя — мартенсит или мартенсит с небольшим количеством глобулярных включений вторичных карбидов; твердость HRC 58—62. Структура сердцевины деталей из углеродистых сталей — феррит и перлит, а из легированных сталей — низкоуглеродистый мартенсит, троостит или сорбит (в зависимости от размера детали). Наличие феррита нежела­тельно — снижается прочность сердцевины. Твердость сердцевины HRC 20—40 (в зависимости от марки стали).

Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые пальцы, червяки, ролики подшипников и др.

§ 10.2. Азотирование стали

Азотирование — процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Целью азотирования является получение поверхности деталей высокой твердости и износостойкости или устойчивой против коррозии (антикоррозионное азотирование).

Азотирование проводят при нагреве деталей в атмосфере аммиака NH₃ при температуре 500—700 °С. Детали нагревают в специальной герметически закрытой печи, через которую пропускают аммиак NH₃. При нагреве аммиак разлагает­ся по реакции

Образующийся атомарный азот поглощается поверхностью и прони­кает в глубь детали.

Если главным требованием, предъ­являемым к азотированному слою, является высокая твердость и износо­стойкость, то применяют специальные стали, например сталь, содержащую хром, молибден, алюминий. При азо­тировании такой стали азот в поверх­ностном слое образует химические соединения — нитриды (Fe₄N, CrN, MoN, A1N), придающие слою очень высокую твердость (до HV 1200).

Процесс азотирования длится очень долго — до 90 ч, что является его основным недостатком. Толщина азотированного слоя обычно состав­ляет 0,3—0,6 мм. Микроструктура азотированной стали приведена на рис. 10.2. На поверхности обра­зуется белый нетравящийся слой нитридов, а глубже — сорбитооб-разная структура. Твердость и толщина азотированного слоя зави­сят от температуры. Чем выше температура азотирования, тем глубже слой, но меньше твердость.

Азотирование проводят по одноступенчатому режиму при темпера­туре 500—520 °С с выдержкой до 90 ч или по двухступенчатому режиму при температуре 500—520 °С (15—20 ч) и 550—570 °С (20—25 ч).

Азотированию подвергают цилиндры двигателей и насосов, зубчатые колеса, детали штампов и др.

Антикоррозионному (декоративному) азотированию подвергают в основном углеродистые стали при температуре 600—700 °С, с выдерж­кой 0,5—1 ч.

§ 10.3.Цианирование и нитроцементация стали

Поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли называют цианированием, а в газовой среде — нитроцементацией. Целью цианирования (нитроцементации) является получение высокой твердости и износостойкости поверхности деталей с сохранением пластичной сердцевины. Цианированию и нитроцементации подвергают детали из сталей с содержанием углерода 0,2—0,4%.

При цианировании детали нагревают в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN, при температуре 820—960 °С.

Если необходим тонкий слой (0,15—0,35 мм), цианирование ведут при температуре 820—860 °С с выдержкой 30—90 мин в цианистых ваннах, содержащих по массе 20—25 % NaCN, 25—50 % NaCl и 25—50 % Na₂CO₃. При нагреве происходят следующие реакции:

Образующиеся атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Цианированный слой содержит 0,6—0,7 % С и 0,8—1,2 % N. После цианирования детали закаливают непосредственно из цианистой ванны и затем подвергают низкому отпуску (180—200 °С). Твердость цианированного слоя после термической обработки HRC 58—_:62.

Для получения слоя толщиной от 0,5 до 2,0 мм цианирование ведут при температуре 930—960 °С с выдержкой 1,5—6 ч в цианистой ванне, содержащей 8 % NaCN, 10 % NaCl, 82 % ВаС1₂. При нагреве в ванне происходят следующие реакции:

Цианированный слой содержит 0,8—1,2 % С и 0,2—0,3 % N. При высокой температуре цианирования (930—960 °С) происходит рост зерна аустенита. Поэтому детали после цианирования непосредственной закалке не подвергают, а охлаждают на воздухе и затем проводят закалку и низкий отпуск.

Недостатком цианирования является сильная токсичность циани­стых солей. Поэтому цианистые ванны устанавливают в отдельном помещении, с вентиляцией у каждой ванны. При работе требуется большая осторожность и тщательное соблюдение правил техники

безопасности.

При нитроцементации детали нагревают в газовой смеси, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Таким образом, при нитро­цементации совмещают процессы газовой цементации и азотирования. Обычно используют эндргаз, к которому добавляют 3—5 % природ­ного газа и 3—5 % аммиака. Кроме того, применяют специальный жидкий карбюризатор — триэтаноламин (C₂H₅O)₃N, вводимый в виде капель в рабочее пространство шахтной печи. Чтобы получить нитроцементированный слой толщиной 0,2—1 мм, процесс ведут при температуре 850—870 °С в течение 2—10 ч. После нитроцементации детали- закаливают и затем подвергают низкому отпуску. Поверхностная твердость после термической обработки HRC60—62.

Нитроцементация деталей имеет следующие преимущества по срав­нению с газовой цементацией: более низкая температура процесса, меньшая продолжительность, большая износостойкость и меньшее коробление деталей; по сравнению с цианированием — безвредность процесса, возможность регулирования насыщения слоя азотом и угле­родом путем изменения содержания аммиака и науглероживающего газа.

Процесс нитроцементации наряду с газовой цементацией является
основным методом химико-термической обработки. Нитроцементация
применяется для обработки широкой номенклатуры деталей и посте­
пенно этот процесс вытесняет не только цианирование, но и газовую
цементацию.

§ 10.4. Диффузионное насыщение стали металлами и неметаллами

Насыщение поверхности стальных деталей металлами (алюминием, хромом и.др.) и неметаллами (кремнием, бором и др.) проводят с целью повышения жаростой­кости, коррозионной стойкости, твердости и износостойкости деталей.

Алитирование — процесс химико-термической обработки, представляющий диф­фузионное насыщение поверхностного слоя стали алюминием при нагреве в соот­ветствующей твердой или жидкой среде.

Целью алитирования является получение высокой жаростойкости (до 900 °С) поверхности стальных деталей. При алитировании атомы алюминия диффундируют в сталь и образуют твердый раствор с железом. Поверхность алитированной стали окисляется с образованием Плотной пленки окиси алюминия, которая и предохра­няет основной металл от окисления при высоких температурах.

При алитировании в твердой среде детали помещают в стальной ящик со смесью, состоящей из порошка алюминия или ферроалюминия (49 %), глинозема (49 %), хлорида аммония NH₄Ci (2 %). При нагреве до температуры 950—1050 ⁰С в ящике при взаимодействии алюминия и хлорида аммония образуется хлорид алюминия . А1С1₃, разлагающийся с образованием атомарного алюминия, который и диффун­дирует в сталь. После выдержки при температуре 950 °С в течение 3—12 ч толщина слоя, насыщенного алюминием, получается равной 0,3—0,5 мм.

При жидкостном алитировании детали нагревают до температуры 750—800 °С в ванне с расплавленным алюминием, содержащим железо (6—8 %), которое добав­ляют с целью предохранения деталей от растворения в расплавленном алюминии. После выдержки в течение 45—90 мин получается слой толщиной 0,20—0,35 мм.

Хромированием называют процесс химико-термической обработки — диффу­зионное насыщение поверхностного слоя стали хромом при нагреве в соответствую­щей среде. Целью хромирования является получение высокой твердости, износо­стойкости, жаростойкости и коррозионной стойкости поверхности стальных деталей.

Хромирование проводят в твердой, газовой и жидкой средах. Сущность про­исходящих процессов аналогична алитированию. При хромировании в твердой среде источником насыщения хромом служат хром или феррохром, образующие при взаимодействии с тетрахлоридом аммония хлорид хрома СгС1₂. Газовое хроми­рование проводят в ретортах при разложении паров хлорида хрома. Жидкостное ' хромирование проводят путем нагрева деталей в ванне, состоящей из расплава со- лей ВаС1₂ и NaCl, в которую добавляют 10—15 % СгС1₂. Температура хромирова­
ния 900—1100 °С, выдержка 5—20 ч. Получаемая толщина слоя 0,1—0,3 мм. Твер­
дость хромированного слоя низкоуглеродистой стали — HV 200—250, а средне- и
высокоуглеродистой — HV 1200—1300.

Силицированием называют диффузионное насыщение поверхностного слоя стали кремнием при нагреве в соответствующей среде. Целью силицирования является получение коррозионной стойкости и жаростойкости поверхности стальных деталей. Силицирование проводят обычно в газовой среде, в ретортах, с разложением паров хлорида кремния SiCl₄ при температуре 950—1050 °С с выдержкой 2-—5 ч. При- этом получается слой толщиной 0,6—1,4 мм. Твердость силицированного слоя HV 200— 300, жаростойкость до 800—850 °С. Силицированные детали противостоят действию азотной, серной и соляной кислот.

Борированием называют процесс химико-термической обработки, представляю­щий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде. Целью борирования является получение высокой твердо­сти, износостойкости, коррозионной стойкости и жаростойкости поверхности сталь­ных деталей.

Из способов борирования практически применяются жидкостное электролиз­ное и газовое. При жидкостном электролизном борировании в тигель с расплавлен-. ной бурой при температуре 950 °С помещают графитовый стержень (анод) и обраба­тываемую деталь (катод). Бура Na₂B₄O₇ разлагается и образующийся атомарный бор диффундирует в поверхность обрабатываемой детали. Газовое борирование осу­ществляют в газовой смеси, состоящей из диборана В₂Н₆ и водорода при темпера туре 850—900 °С.

Борированные слои имеют очень высокую твердость — до HV 2000 вследствие образования на поверхности боридов железа.

Борированная сталь выдерживает нагрев до температуры 900 ^СС. Недостатком борированных слоев является их высокая хрупкость. Борированию можно подвер­гать любые стали.