Учебное пособие для учащихся
методическая разработка по теме

Содержание

1. Пояснительная записка………………………………………………… ……  …  …. 3

2. Термическая обработка стали. Сущность и назначение процесса термической обработки…………………………………………………………………… … … ……  .4

3. Превращения в стали при нагреве……………………………………… … … …. .  .7

4. Нагрев и выдержка стали при термической обработке…………………  ………..  .8

5. Превращения в стали при охлаждении……………………………………  ………... 8

6. Отжиг и нормализация. Отжиг стали………………………………………. ……... 10

7. Нормализация стали……………………………………………………… ….  ……. 12

8. Закалка и отпуск стали. Сущность процесса закалки……………………  ………. 13

9. Охлаждение стали при закалке…………………………………………… .. ……… 14

10. Виды закалки………………………………………………………………………... 16

11. Отпуск стали…………………………………………………………………. ……. 18

12. Дефекты термической обработки………………………………………………….. 19

13. Термическая обработка легированных сталей. Особенности термической обработки легированных сталей……………………………………………… …….... 21

14. Обработка холодом…………………………………………………………………. 22

15. Химико – термическая обработка стали. Сущность процесса химико – термической обработки………………………………………………………….  ……. 24

16. Цементация стали………………………………………………………… …. ….... 25

17. Основные способы цементации………………………………………………….... 26

18. Азотирование стали………………………………………………………………...  28

19. Цианирование……………………………………………………………………….  30

20. Диффузионная металлизация…………………………………………………….. . 32

21. Термическая обработка чугуна. Термическая обработка отливок из серого чугуна……………………………………………………………………………………. 34

22. Получение ковкого чугуна…………………………………………………………. 36

23. Итоговый контроль…………………………………………………………………. 37

25. Литература…………………………………………………………………………... 39

Пояснительная записка

       Учебное пособие по теме: «Термическая обработка» состоит из 19 разделов, представляющих логически законченную часть учебного материала. Несколько однотипных тем объединяются в параграфы, имеющие общий заголовок.

       Каждый раздел состоит из информационной части и системы вопросов и заданий. В информационной части в краткой, сжатой форме сообщаются основные сведения по изучаемому вопросу.

       Чтобы обеспечить самоконтроль (обратную связь), выяснить, насколько правильно учащийся понял и осмыслил материал, после информационной части следуют контрольные вопросы.

       В конце разделов даются задания. Выполнение этих заданий позволяет обобщить изученный материал и применить полученные знания для решения конкретных задач.

       После изучения всей темы «Термическая обработка» предлагается  итоговый контроль.

       Учебное пособие предназначено для учащихся НПО

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Сущность и назначение процесса термической обработки

       Изменение химического состава железоуглеродистых сплавов за счет введения легирующих химических элементов дает возможность получить различные марки легированных сталей и чугунов с высокими физико-механическими показателями. Все они широко применяются в качестве конструкционных материалов и для изготовления инструментов. Однако для получения легированных сплавов требуется вводить в их состав дорогие и дефицитные элементы.

       Экономически выгоднее улучшать в определенных пределах физико-механические свойства стали и чугуна за счет изменения их структуры. Тогда можно будет для тех же целей применять сплавы более простого состава. Достигается это тепловой или термической обработкой.

       Термическая обработка заключается в нагреве сплава до определенной температуры (выше критических точек), выдержке его при этой температуре до окончания процесса перекристаллизации и охлаждении с определенной скоростью до нормальной температуры.

      При термической обработке перекристаллизация сплавов происходит в твердом состоянии.

       Существуют следующие виды термической обработки стали и чугуна: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

       Тепловой обработке подвергаются заготовки до механической обработки для улучшения обрабатываемости, а также детали после механической обработки для придания металлу повышенных механических свойств. Тепловая обработка широко применяется в машиностроении.

       Высокие физические, химические и механические свойства стали и чугуна достигаются сочетанием тепловой обработки с изменением химического состава поверхностного слоя за счет насыщения его каким-либо химическим элементом. Такой процесс получил название химико-термической обработки.

       К этому виду обработки  относятся:   цементация,  азотирование, цианирование, диффузионная металлизация.

Контрольные  вопросы: 

1. Что влияет на физико-механические свойства стали и чугуна?

2. Что понимается   под   твердостью,   износоустойчивостью   и   прочностью?

Как можно повысить эти свойства железоуглеродистых сплавов

3. Какое влияние оказывают на  механические свойства металла   величина зерна, однородность строения?  

4. Что   называется критическими точками? Их значение.  

5. Чем отличается первичная кристаллизация от вторичной? С каким видом кристаллизации имеют дело при термической обработке?  

6. Какими способами можно   улучшить физико-механические свойства металлов и сплавов?

7. Из каких стадий состоит процесс термической обработки? Сущность химико – термической обработки.

Задание:

Опишите процесс первичной кристаллизации чистого металла. Как получить однородную мелкозернистую структуру?  

Превращения в стали при нагреве

       Для изменения структуры стали ее нужно нагреть выше критических точек. При этом происходит перекристаллизация, и исходная структура изменяется в желаемом направлении.

       Целью нагрева при термической обработке является обычно перевод первоначальной структуры стали в мелкозернистый аустенит.

      Рассмотрим, какие процессы протекают в стали при нагревании.

Эвтектоидная сталь при нормальной температуре имеет структуру перлита. В процессе ее нагревания при температуре 727° С перлит превращается в аустенит.

В доэвтектоидных сталях, имеющих структуру феррит + перлит, при температуре 727° С (критическая точка Ас1) перлит превращается в аустенит. При дальнейшем нагревании в интервале температур между линиями РS (критические точки Ас1 ) и GS (критические точки Ас3) феррит растворяется в аустените. Выше точки Ас3 будет структура аустенита.

       У заэвтектоидных сталей со структурой перлит + вторичный цементит в точке Ас1 (линия SК) перлит превращается в аустенит. При температурах выше линии SК идет процесс растворения цементита в аустените. Он заканчивается при температурах, соответствующих точкам, лежащим на линии SЕ (верхняя критическая точка, обозначается Асm ). Выше линии  SЕ будет однородная структура аустенита.

       Образующийся при кристаллизации аустенит имеет мелкозернистую структуру. При дальнейшем росте температуры, а  также при длительной выдержке начинается рост зерна, что нежелательно. Поэтому при термической обработке нагрев ведут обычно до температур на 30—50° выше критических точек Асm, Ас3, или Ас1, и выдерживают при этих температурах определенное время до завершения

превращений в стали.

Контрольные вопросы:

1. Для чего нагревается сталь в процессе термической обработки   в   какие преобразования происходят в сплавах с различным содержанием углерода в процессе нагрева?

2. Как можно получить мелкозернистую структуру сплава?

Задание:

Определите температуру, до которой нужно нагреть сталь марки 30 для получения однородной структуры аустенита. Аналогичную работу проделайте для стали марок 45, У8, У10, У12.

Нагрев и выдержка стали при термической обработке

       Нагрев при термической обработке должен вестись так, чтобы, с одной стороны, обеспечить равномерный прогрев детали, необходимые превращения структуры, гарантировать от получения трещин, коробления и, с другой стороны, обеспечить наибольшую производительность печей.

        Допустимая скорость нагрева зависит от химического состава, степени однородности стали, конструктивных форм и сечения детали.

С увеличением содержания углерода понижается теплопроводность стали, и, значит, скорость нагрева должна понижаться. То же относится и к легированным сталям. Стали с неоднородной структурой, детали, имеющие резкие переходы, а также большого сечения во избежание появления коробления и трещин нагревают с меньшей скоростью.

       Температура нагрева зависит от вида термической обработки.

       Когда нагрев ведется в камерных или шахтных печах, где продукты сгорания и топливо соприкасаются с поверхностью изделий, возможно окисление и обезуглероживание стали. Чтобы избежать этого, в рабочем пространстве печи создают защитную газовую среду, так называемую контролируемую атмосферу. Для создания контролируемой атмосферы применяются углекислый газ, окись углерода, азот, водород, метан и другие газы в различных сочетаниях.

       Вместо создания контролируемой среды изделия можно загружать в ящики с отработанным карбюризатором (веществом, содержащим углерод) или другими материалами. Можно также наносить на изделия обмазки.

       Выдержка после нагрева до заданной температуры должна обеспечить сквозной прогрев деталей, завершение структурных и фазовых превращений, снятие напряжений. Продолжительность выдержки должна быть минимально необходимой.

При излишней выдержке начинается рост зерна, сталь обезуглероживается, на

поверхности появляется окалина. Чем выше температура нагрева, тем меньше должна быть выдержка.

Контрольные вопросы:   

1. Как должен вестись нагрев при термической обработке? Какие факторы влияют на продолжительность выдержки и скорость охлаждения?

2. Чем будет отличаться процесс нагрева при термической обработке для сверл, гладких деталей цилиндрической формы, ступенчатых валиков?

3. Что влияет на продолжительность процесса термической обработки?

ОХЛАЖДЕНИЕ СТАЛИ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

 Превращения в стали при охлаждении

При охлаждении стали происходит распад аустенита. При температурах ниже линии GS выделяется феррит, а ниже линии ES - вторичный цементит. При температуре 727° С оставшийся аустенит превращается в перлит. Указанные превращения будут только при медленном охлаждении - охлаждении вместе с печью со скоростью примерно 1° в 1 мин. Сталь получается при этом сравнительно мягкой, пластичной; она хорошо обрабатывается, но имеет низкую прочность. Прочность и твердость сталей можно повысить, увеличив скорость охлаждения.

       С увеличением скорости охлаждения имеет место переохлаждение аустенита с образованием в результате распада мелкозернистой ферритно - цементитной смеси- Чем больше скорость охлаждения, тем мельче будет структура этих смесей и тем, следовательно, выше их твердость и прочность.

       Если охлаждать сталь на воздухе (что соответствует скорости охлаждения примерно 1° в 1 сек), образуется структура, называемая сорбит. В данном случае аустенит переохлаждается до температуры 600° С, при этой температуре начинается образование сорбита. Оно заканчивается при температуре 500° С. Сорбит представляет смесь феррита с цементитом с очень мелкими пластинками; его твердость HRC = 20 - 30 (у перлита НRС = 10 - 20).

       Охлаждение в масле увеличивает скорость охлаждения примерно до 50° в 1 сек. Аустенит переохлаждается до 500° С, а затем образует мелкодисперсную ферритно-цементитную смесь - троостит. Температура трооститного превращения

500 - 200° С, твердость троостита НRС = 30 - 45, В троостите пластинки феррита и цементита самые тонкие.

       Перлит, сорбит и троостит имеют одинаковую структуру и отличаются лишь размерами пластинок феррита и цементита.

       При охлаждении в воде (скорость охлаждения порядка 100 - 150° в 1 сек)

аустенит переохлаждается примерно до 200° С и затем сразу превращается в мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в альфа - железе. Мартенсит имеет очень высокую твердость (НRС = 62 - 66) и прочность, но он хрупок.

В сталях с высоким содержанием углерода не весь аустенит превращается в мартенсит, часть его сохраняется и называется остаточным аустенитом. Поскольку аустенит имеет невысокую твердость (НВ = 170 - 220), остаточный аустенит снижает механические свойства стали.

       Охлаждение стали можно вести либо непрерывно, либо процессом изотермического превращения.

       При изотермическом превращении сталь cначала быстро охлаждается (путем погружения в ванну) до температуры начала распада аустенита для получения нужной структуры, затем выдерживается при этой температуре, пока не закончатся превращения, после чего охлаждается до комнатной температуры/

       Структуры, образующиеся при быстром охлаждении стали, неустойчивые, при нагреве они разлагаются. Остаточный аустенит превращается в мартенсит, мартенсит в зависимости от температуры повторного нагрева -  в троостит, сорбит или перлит. Эти структуры несколько отличаются от получаемых в результате быстрого охлаждения, а потому называются мартенситом отпуска, трооститом отпуска, сорбитом отпуска, перлитом отпуска. В результате этих превращений снижаются хрупкость и твердость стали.

Контрольные  вопросы:  

1. Какие структуры образуются при быстром охлаждении стали и чем она характеризуются?

2. Что представляют собой сорбит и троостит и чем они отличаются от перлита? Как получить эти структуры?

3. Характерные особенности мартенсита. Как получить мартенсит?

4. Чем отличается процесс изотермических превращений аустенита от распада аустенита при медленном охлаждении?

Задание:

Составьте таблицу основных структур стали, получающихся при медленном и быстром охлаждении, по схеме:

ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ

Отжиг стали

       Нагрев стали до заданной температуры, выдержка при достигнутой температуре

и последующее медленное охлаждение называются отжигом.

       Нагрев при отжиге осуществляется в камерных печах периодического или непрерывного действия. Охлаждение до температуры 500 - 400°С ведется с очень малой скоростью, чаще всего вместе с печью. Дальнейшее охлаждение до комнатной температуры может производиться на воздухе.

Отжигу подвергаются обычно заготовки перед механической обработкой.

Различают следующие виды отжига: полный, неполный, отжиг на зернистый перлит, изотермический, диффузионный, рекристаллизационный.

       При полном отжиге сталь нагревается до температуры на 30 - 50° выше критической точки Ас3 и выдерживается при этой температуре до полной перекристаллизации. Охлаждение ведется медленно вместе с печью или в горячем песке, золе со скоростью 100 - 200° в 1 ч для углеродистых и 30 - 100° в 1 ч для легированных сталей.

       В результате полного отжига сталь приобретает равномерное мелкозернистое строение, снижается твердость, улучшается обрабатываемость, повышается вязкость, снижаются внутренние напряжения. Полному отжигу подвергаются стальные отливки, поковки и прокат из доэвтектоидных сталей.

       Нагрев стали до температуры выше критической точки Ас1, но ниже точки Ас3, (или Асm) с выдержкой для перекристаллизации и последующим медленным охлаждением называется неполным отжигом. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация. В результате понижается твердость и улучшается обрабатываемость стали, снижаются внутренние напряжения. Неполный отжиг применяется обычно для заэвтектоидных сталей (температура нагрева этих сталей 750 - 760° С).

       При изотермическом отжиге нагрев и выдержка для перекристаллизации ведутся, как и при полном или неполном отжиге. После этого изделия быстро охлаждаются до температуры, лежащей на 50 - 100° ниже критической точки Аr, (обычно 650 - 700°). При этой температуре дается выдержка для полного распада аустенита, а затем производится охлаждение на воздухе. В результате изотермического отжига значительно ускоряется процесс термической обработки.

       Отжиг на зернистый перлит применяется обычно для инструментальных сталей с целью снижения твердости и улучшения обрабатываемости. Он заключается в нагреве стали до температуры 730 - 770° С, длительной выдержке и медленном охлаждении до 600° С (затем охлаждение на воздухе). В результате такой обработки

пластинки цементита округляются, сфероидизируются, приобретают зернистую форму.

       При маятниковом, или циклическом, отжиге на зернистый перлит нагрев до 730 - 740° С и охлаждение до 680° С производятся несколько раз.

   Когда сталь химически неоднородна, применяется диффузионный отжиг, или гомогенизация. Он заключается в нагреве стали на 150 - 300° выше критической точки АС3 (до 1050 - 1150°С), продолжительной выдержке при этой температуре для выравнивания химической неоднородности зерен за счет диффузии и медленном охлаждении. Диффузионному отжигу подвергают крупные отливки или слитки.

       При ковке, штамповке, прокатке повышается твердость поверхностного слоя стали, понижается пластичность и вязкость, появляются внутренние напряжения, ухудшается обрабатываемость. Для снятия этих неблагоприятных факторов применяется рекристаллизационный отжиг. Он заключается в нагреве до температуры 680 - 700° С (ниже критической точки Ас1), выдержке и последующем охлаждении. При этом отжиге перекристаллизация не происходит.

Контрольные вопросы: 

1. В чем сущность процесса отжига и как он производится? Назовите виды отжига, для каждого вида укажите назначение и особенности, температуры нагрева и структурные превращения.

2. Какие превращения происходят при нагреве стали в критических точках Ас1, Ас3 и Асm?

3. Какую структуру будут иметь доэвтектоидные и заэвтектоидные стали после отжига?

4. Какие виды отжига применяются для конструкционных сталей? В каких случаях?

5. Какие виды отжига применяются для инструментальных   сталей?

6. При каком виде отжига не изменяется структура стали?

7. Почему при отжиге охлаждение ведется очень медленно до температуры

500 - 400° С, а затем его можно вести на воздухе?

8. Почему получается химическая неоднородность в стали? Как ее устранить?

Задание:  

1. Нанесите на диаграмму состояния области температур, до которых производится нагрев при различных видах отжига.

2. Укажите, какие структурные превращения происходят в сталях марок 25 и 55 при полном отжиге и в сталях марок У9 и У11 при неполном отжиге.

3. Определите температуры нагрева для отжига сталей марок 35,55, У9, У 11.

Нормализация стали

       Нагрев стали до температуры на 30 - 50° выше критических точек Ас3 или Асm

с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе называется нормализацией. Основная цель нормализации - повышение механических свойств стали.

       Охлаждение стали на воздухе значительно сокращает продолжительность

термической обработки. При этом быстрее освобождаются термические печи для нагрева следующей партии деталей.

      В результате нормализации доэвтектоидных сталей повышается их прочность, снижаются внутренние напряжения, они приобретают мелкозернистую структуру. Твердость нормализованной стали несколько выше твердости отожженной стали.

       После нормализации низкоуглеродистые стали имеют структуру феррит + перлит, среднеуглеродистые - сорбит

       Низко- и среднеуглеродистые стали поставляются металлургическими заводами в нормализованном состоянии.

       У заэвтектоидных сталей после нормализации уничтожается сетка вторичного цементита по границам зерен. Это улучшает механические свойства стали. Структура нормализованных заэвтектоидных сталей сорбит + карбиды.

       В легированных сталях после нормализации может получиться структура троостита или даже мартенсита.

Контрольные  вопросы:

1. Отличительные особенности процесса нормализации.

2. Какие марки сталей относятся к низкоуглеродистым, среднеуглеродистым и высокоуглеродистым? Их отличительные особенности и состав.

3. Какие свойства приобретают стали после нормализации?

4. Чем отличается процесс нормализации от отжига?

5. Какие структуры имеют стали после нормализации?

6. Почему нормализованная сталь имеет мелкозернистое строение?

7. Какую прочность будут иметь среднеуглеродистые стали после отжига и нормализации?

Задание:

1. Нанесите на диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов область температур, до которых производится нагрев стали при нормализации.

ЗАКАЛКА  И  ОТПУСК СТАЛИ

Сущность процесса закалки

       Нагрев стали до заданной температуры, выдержка при достигнутой температуре и последующее быстрое охлаждение называется закалкой.

Изделия подвергаются закалке чаще всего после механической обработки перед отделочными операциями (шлифовка, доводка).

       Основной целью закалки инструментов является придание им высокой

твердости. Детали машин закаливают для повышения их упругости и прочности, твердости и износоустойчивости. В результате закалки повышается также коррозионная стойкость.

       Нагрев при закалке ведется в камерных печах периодического и непрерывного действия, шахтных, муфельных печах, соляных и свинцовых печах – ваннах.

       Охлаждение нагретого изделия осуществляется в различных охладителях: воде, масле, растворах солей и т. п.

       Из всех структур, которые получаются в результате распада аустенита, наибольшую твердость имеет мартенсит. Эту структуру и нужно получить в результате закалки. А для этого охлаждение должно вестись со скоростью, большей критической.

Критической скоростью закалки называется та наименьшая скорость охлаждения, при которой в структуре стали получается чистый мартенсит.

При больших скоростях охлаждения аустенит переохлаждается и при температуре порядка 300 - 200°С превращается в мартенсит.

       Если скорость охлаждения будет меньше критической, вместо мартенсита может получиться структура троостита, сорбита или даже перлита, что является нежелательным, так как твердость стали снижается.

       Наименьшую критическую скорость закалки (около 160°С в 1 сек) имеют углеродистые стали, содержащие 0,9% углерода. С уменьшением содержания углерода критическая скорость закалки увеличивается. Стали с небольшим содержанием углерода имеют очень высокую критическую скорость закалки, которая практически не может быть достигнута. Поэтому стали с содержанием углерода менее 0,3% не закаливаются.

       Доэвтектоидные стали в процессе закалки нагреваются до температуры на

30 - 50° выше критической точки АС3, приобретая в результате перекристаллизации структуру аустенита. При быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит. Такая закалка называется полной.

   Как известно, заэвтектоидные стали имеют структуру перлит + цементит.

Твердость цементита выше твердости мартенсита, поэтому его целесообразно сохранить при закалке. Это придает инструментам более высокую твердость. Поэтому в процессе закалки заэвтектоидных сталей нагрев ведут до температуры на 30 - 50° выше критической точки Ас1,. Перлит при этом превращается в аустенит, который при быстром охлаждении дает мартенсит; цементит превращений не претерпевает. Такой способ закалки называется неполной закалкой.

Контрольные вопросы:

1. В чем сущность и особенности процесса закалки?

2. Перечислите основные механические свойства сплавов. Какие из указанных свойств повышаются при закалке?

3. Почему в результате закалки сталь приобретает высокую твердость и износоустойчивость?

4. Что называется критической скоростью закалки? Как она изменяется в зависимости от содержания углерода в стали?

5. Почему доэвтектоидные стали при закалке нагреваются до температуры выше критической точки Ас3, а заэвтектоидные - выше Ас1?

6. Сталь марки У8 имела исходную структуру - перлит. Как изменится ее твердость после закалки? Что произойдет, если скорость охлаждения этой стали будет меньше критической? Как это повлияет на твердость?

7. Два инструмента из стали марки У10 подвергли закалке; один - полной,

второй - неполной. Какой инструмент будет иметь большую твёрдость и почему?

8. Сталь марки 45 нагрета до красного цвета каления. Какую структуру будет иметь эта сталь после закалки? Как изменится ее структура, если нагрев вести до вишневого цвета каления?        

Задание:

1. Выпишите марки конструкционных углеродистых качественных сталей.

Укажите, какие из них принимают закалку, а какие не закаливаются.

2. Нанесите на диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов области температур, до которых ведется нагрев при полной и неполной закалке.

3. По диаграмме состояния определите температуры нагрева при закалке сталей марок 30, 50, У9 и У13.

4. Опишите превращения, происходящие в сталях марок 40 и У11 при нагреве под закалку и при охлаждении.

Охлаждение стали при закалке

       Целью закалки является получение в стали структуры мартенсита. Для этого сталь охлаждается с высокой скоростью до зоны мартенситного превращения

(300 - 200° С). В зоне мартенситного превращения охлаждение должно вестись замедленно, иначе могут появиться большие внутренние напряжения, что приведет

к короблению и трещинам.

       Охлаждение при закалке ведется в основном в различных жидкостях.

Когда нагретая до высокой температуры деталь погружается в жидкость, близлежащие слои жидкости почти мгновенно нагреваются до кипения, и вокруг детали образуется слой пара - паровая «рубашка». Окружающая жидкость непрерывно смывает паровую «рубашку»; процесс идет тем интенсивнее, чем меньше вязкость жидкости. Когда деталь охладится настолько, что парообразование жидкости прекратится, дальнейшее охлаждение будет вестись за счет теплопроводности, и чем теплопроводность жидкости больше, тем быстрее пойдет охлаждение.

       Закаливающая способность жидкостей зависит от следующих факторов:

а) начальной температуры (чем ниже начальная температура, тем выше закаливающая способность жидкости);

б) температуры кипения и теплоты парообразования;

в) вязкости;

г) теплопроводности.

       Самыми распространенными закаливающими жидкостями являются вода и минеральные масла.

       Холодная вода относится к резко действующим охладителям. Она обеспечивает быстрое охлаждение изделия до зоны мартенситного превращения и в этой зоне. Растворение в воде различных солей (соды, поваренной соли, едкого натра и др.) повышает скорость охлаждения.

       Нагрев воды, введение в нее пенообразующих веществ (мыла), наоборот, снижает скорость охлаждения.

       Минеральные масла относятся к умеренно действующим охладителям. Они обеспечивают невысокую скорость охлаждения до зоны мартенситного превращения и в этой зоне. Нагрев масла до 40 - 80° С уменьшает его вязкость и несколько повышает скорость охлаждения в начальный период.

       Для закалки углеродистой стали с содержанием до 0,5% углерода, углеродистых инструментальных сталей и некоторых легированных сталей в качестве охладителя применяется вода, а также 10%-ные водные растворы едкого натра (NaОН), поваренной соли (NаСl), кальцинированной соды (Nа2СО3), серной кислоты (Н2SO4).

       Большинство легированных сталей, инструменты из углеродистых сталей закаливаются в масле.

Кроме жидкостей, для закалки применяются стальные или медные пластины (когда необходимо предохранить тонкие детали от коробления), охлаждение струей сжатого воздуха (для небольших инструментов из быстрорежущей стали).

Контрольные вопросы:  

1. Какие охладители применяются для закалки? От каких факторов зависит закаливающая способность их?

2. Как должен вестись процесс охлаждения при закалке?

3. Как влияют на процесс закалки начальная температура охлаждающей жидкости, ее вязкость и теплопроводность?

4. Почему закаливающая способность воды выше закаливающей способности масла?

5. Почему детали из углеродистых сталей закаливают обычно и воде, а из легированных сталей и инструменты - в масле?

Задание:

1. Распределите названные в дозе охлаждающие среды в порядке убывания закаливающей способности.

2. Выберите только те марки стали, которые можно подвергать закалке

ВСт 2;   У7ГА;   15кп;   33ХС;   18ХГТ;   Р9;   ШХ6;   20;   9ХВГС;   БСт4;   У11;   05.

Виды закалки

       В зависимости от способа охлаждения различают несколько видов закалки. Применение того или иного вида обусловливается маркой стали, характером обрабатываемого изделия, требуемой твердостью.

А) Закалка в одном охладителе заключается в быстром охлаждении нагретого до нужной температуры изделия в воде, масле или других средах со скоростями выше критической. Этот способ отличается простотой, но применять его можно не для всех изделий и не для любой стали. Объясняется это тем, что при быстром охлаждении появляются температурные и структурные напряжения. Первые возникают вследствие неравномерного охлаждения участков деталей разного сечения. Вторые являются следствием увеличения объема металла при превращении аустенита в мартенсит.

       Напряжения будут тем больше, чем больше углерода в стали и чем сложнее конфигурация деталей. Результатом чрезмерных напряжений могут быть коробление деталей и трещины.

       Заэвтектоидные стали закаливают в одном охладителе только в том случае, когда они имеют простую форму (шарики, цилиндры, ролики и т. п.).

Б) Закалка в двух средах (через воду в масло) состоит в том, что нагретое изделие сначала замачивается в воде, где охлаждается до температуры 500 - 550° С, после чего быстро переносится в масло. Медленное охлаждение в масле способствует уменьшению внутренних напряжений и деформаций. Способ этот применяется для инструментов из углеродистых сталей.

В) Ступенчатая закалка производится в соляных ваннах. В качестве охладителя

используются расплавленные соли, селитры, легкоплавкие металлы. Нагретая деталь погружается в ванну, имеющую температуру 250 - 300° С, и выдерживается там, пока температура не выровняется по всему сечению. Окончательное

охлаждение ведется на воздухе. При ступенчатой закалке уменьшаются внутренние напряжения и деформации.

       Способ этот применяется для изделий из углеродистой стали с размером в поперечнике до 10 мм. Изделия из легированной стали можно закаливать этим способом и при больших сечениях.

Г) Изотермическая закалка, как и ступенчатая, производится в ванне. Различие состоит в том, что после погружения в ванну с расплавленной солью, имеющей температуру 250 - 400° С, деталь выдерживается там до полного распада аустенита. В результате изотермической закалки сталь приобретает структуру игольчатого троостита. Изделия получают высокую твердость (НRС = 40 - 50), прочность и вязкость. Изотермической закалке подвергаются детали машин.

Д) Закалка с самоотпуском применяется для инструментов, от которых требуется высокая твердость поверхностного слоя в сочетании с вязкой сердцевиной (зубила, молотки, кувалды, кернеры и т. п.). Сущность этого способа состоит в охлаждении в воде или масле до прокаливания на определенную глубину. Затем инструмент с горячей еще сердцевиной извлекают из охладителя и окончательно охлаждают на воздухе. За счет оставшейся теплоты внутренних слоев производится отпуск. Контроль отпуска ведется по цветам побежалости.

Е) При светлой закалке нагрев ведется в соляных ваннах, охлаждение - в расплавленных щелочах (NаОН, КОН и их смеси). В результате такой закалки поверхность деталей получается чистой, не требующей какой - либо очистки.

Контрольные  вопросы:  

1. Какие существуют способы закалки? Их характерные особенности и применение.

2. Какие из перечисленных деталей можно закаливать в одном охладителе:

вал из стали марки 40, сверло из стали марки У8, ролики из стали марки У9? Для тех деталей, которые нельзя закаливать в одном охладителе, укажите рекомендуемый способ закалки.

3. Какие способы закалки желательно применять для закалки инструментов?

4. Какой способ закалки отличается наибольшей простотой?  

5. Почему при изотермической и ступенчатой закалке сталь приобретает высокие физико-механические свойства?

6. При закалке в воде в изделиях появляются трещины. Как нужно изменить процесс закалки, чтобы получить изделия хорошего качества?

Задание:  

Охарактеризуйте основные способы закалки. Данные о них сведите в таблицу по схеме:

Отпуск стали

       В результате закалки сталь приобретает высокую твердость. Вместе с тем она становится хрупкой, в ней появляются значительные внутренние напряжения.

Для снижения закалочной хрупкости и уменьшения внутренних напряжений после закалки производится отпуск, который заключается в нагреве стали до температуры ниже критической точки, выдержке при этой температуре и последующем быстром или медленном охлаждении.

       В результате отпуска за счет диффузии неустойчивые структуры превращаются в более стабильные.

Различают низкий, средний и высокий отпуск.

При низком отпуске изделие нагревается до температуры 150 - 200°С, выдерживается при этой температуре и охлаждается на воздухе.

В результате низкого отпуска сталь приобретает структуру мартенсита отпуска, имеющего другое кристаллическое строение и представляющего смесь обедненного углеродом мартенсита и выделившегося из него измельченного карбида, снижаются внутреннее напряжения, но сохраняются высокая твердость и износоустойчивость. Низкому отпуску подвергаются изделия, от которых требуется высокая твердость и износоустойчивость, режущие и измерительные инструменты, детали после поверхностной закалки, цементации.

Температура нагрева для среднего отпуска 350 - 450°С, в результате мартенсит превращается в троостит. Этот вид отпуска обеспечивает высокую упругость и достаточную вязкость; применяется он для пружин, рессор.

При высоком отпуске изделия нагреваются выше 500° С, но ниже критической точки Ас1. Мартенсит при этом превращается в сорбит отпуска. Изделия получают высокую вязкость, вместе с тем сохраняется сравнительно высокая прочность, достаточная твердость, внутренние напряжения достигают минимальных значений. Высокому отпуску подвергаются детали машин.

Двойная термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением.

       Нагрев при отпуске производится в электрических и газовых шахтных и

камерных печах, а также в печах-ваннах (масляных, селитровых).

Охлаждение после отпуска может быть ускоренным (в воде, масле) или медленным.

Контрольные вопросы:

1. Сущность и назначение отпуска. Виды отпуска и их применение.

2. Какие физико-механические свойства сопутствуют твердости?

3. Какие структуры стали являются неустойчивыми и какие превращения они претерпевают при повторном нагревании?

4. Какие дефекты устраняются при отпуске стали?

5. В чем различие между низким, средним и высоким отпуском (по структуре, свойствам и применению)?

6. При отпуске сверла из углеродистой стали У8А на его поверхности появилась окисная пленка светло-желтого цвета. Какому виду отпуска подверглось сверло? Как изменятся режущие свойства сверла, если на поверхности будет светло-синий цвет побежалости?

7. При отпуске зубчатого колеса после закалки нагрев производился до темно-красного цвета каления. Как изменятся механические свойства колеса? Что произойдет, если нагреть колесо до вишневого цвета каления; до красного цвета каления?

Задание:

1. Охарактеризуйте основные виды отпуска, сведите данные о них в следующую таблицу:

2. Укажите, какие процессы  термообработки потребуются для повышения механических свойств следующих изделий:

а) валика из стали марки 30;

б) зубчатого колеса из стали марки 45;

в) зубила из стали марки У8;

г) молотка из стали марки 45.

По каждому виду термической обработки укажите ориентировочные режимы.

Дефекты термической обработки

       При термической обработке стали могут появиться различные дефекты: перегрев и пережог стали, окисление и обезуглероживание, деформации и трещины.

1. Перегрев стали возникает в результате длительного нагрева при температурах,

превышающих нормальную. В результате перегрева металл получает крупнозернистое строение, понижаются его пластичность и ударная вязкость. Перегрев исправляется отжигом или нормализацией.

Длительный нагрев при высоких температурах, близких к температуре плавления, может привести к пережогу - неисправимому дефекту, так как в результате пережога образуются окислы по границам зерен.

2. Окисление поверхности стали характеризуется появлением на изделии значительного слоя окалины. При обезуглероживании происходит выгорание в поверхностных слоях углерода, что приводит к понижению твердости после закалки. Окисление и обезуглероживание являются следствием наличия в печи окислительной атмосферы. Для предупреждения этих дефектов нагрев следует вести в печах с восстановительной или нейтральной атмосферой  или в соляных ваннах. При наличии достаточного припуска окисленный и обезуглероженный слой удаляют механической обработкой. В противном случае эти дефекты неисправимы.

3. При закалке в результате мартенситного превращения увеличивается несколько объем стали. Эта деформация будет тем больше, чем больше прокаливаемость стали. У легированных сталей эта деформация меньше. Для уменьшения

деформации следует давать медленное охлаждение в интервале мартенситного превращения. Там, где возможно, следует применять поверхностную закалку.

4. Коробление и трещины являются следствием больших внутренних напряжений, возникающих вследствие неравномерного нагрева и охлаждения, изменения объема при закалке, неправильного ведения процесса закалки. Для предупреждения этих дефектов детали не должны иметь резких выступов, острых углов, резких переходов; охлаждение в интервале мартенситного превращения должно быть замедленным. Хорошие результаты дает прерывистая и ступенчатая закалка, закалка в масле, изотермическая закалка. Трещины являются неисправимым дефектом. При короблении детали правят или при наличии достаточного припуска шлифуют. Для тонких изделий применяют закалочные прессы.

5. К дефектам термической обработки можно отнести и недостаточную твердость после закалки как следствие недостаточного нагрева и выдержки; мягкие пятна как результат местного обезуглероживания, образования паровых мешков, неоднородности исходной структуры. Эти дефекты исправляются нормализацией или отжигом.

6. После отпуска у деталей может быть повышенная или пониженная твердость. Повышенная твердость - результат пониженной температуры или недостаточной выдержки. Этот дефект исправляется вторичным отпуском. Пониженная твердость - следствие отпуска при повышенных температурах. Детали с пониженной твердостью отжигаются, затем следует новая закалка и отпуск.

       При нагреве в соляных ваннах при недостаточно тщательном контроле состава

солей возникает разъедание поверхности в виде точек или ручьев.

Контрольные вопросы:

1. Какие дефекты возникают при термической обработке? Как предупредить эти дефекты? Способы устранения полученных дефектов.

2. В чем проявляется перегрев и пережог стали? Какой из этих дефектов можно исправить и как это сделать?

3. Почему при закалке происходит увеличение объема стали?

4. Как предупредить появление окалины и обезуглероживание поверхности при нагреве? Как создать защитную атмосферу в печи?

5. При помощи каких приборов можно определить твердость после закалки и низкого отпуска; после закалки и высокого отпуска?

6. Как нужно вести закалку и отпуск деталей, чтобы не получить коробления и трещин?

Термическая обработка легированных сталей

Особенности термической обработки легированных сталей

Легированные стали подвергаются тем же видам термической обработки, что и

углеродистые, но процессы обработки легированных сталей имеют свои особенности.

       Легирующие элементы (особенно вольфрам) понижают теплопроводность стали, поэтому нагрев легированных сталей нужно вести медленно, иначе могут появиться трещины.

Легирующие элементы изменяют также температуры, при которых происходят превращения в стали. Хром, ванадий, вольфрам, кремний, молибден, титан, медь повышают критические точки Ас3 и Ас1. Значит, при отжиге, нормализации, закалке сталей, содержащих эти элементы, нагрев должен вестись до более высоких температур, чем для углеродистых сталей. Марганец, никель, наоборот, понижают критические точки. Стали, легированные этими металлами, нагревают до более низких температур.

       Все легирующие элементы (особенно те, которые образуют карбиды: хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан) препятствуют росту зерна аустенита. Располагаясь по границам зерен, карбиды затрудняют рост зерна. Поэтому все легированные стали можно нагревать до более высоких температур, не опасаясь перегрева стали, что способствует более полному растворению карбидов в аустените.

Исключение составляют стали, легированные марганцем. Марганец не препятствует росту зерна аустенита, поэтому марганцовистые стали следует нагревать до температур, возможно более близких к критической точке Ас3.

       Так как легированные стали имеют меньшую теплопроводность, то для полного

прогрева детали и более полного растворения карбидов в аустените нужна более продолжительная выдержка при достигнутой температуре, чем для углеродистых сталей.

       Все легирующие элементы, кроме кобальта, уменьшают критическую скорость закалки, следовательно, легированные стали при закалке можно охлаждать с меньшей скоростью. Обычно в большинстве легированных сталей мартенсит получается при закалке в масле, а некоторые высоколегированные стали закаливаются даже на воздухе.

      Прокаливаемость у легированных сталей более высокая, чем у углеродистых. Стали с высоким содержанием легирующих элементов закаливаются на полную глубину даже при больших сечениях изделий.

Количество остаточного аустенита в легированных сталях после закалки больше, чем в углеродистых сталях. Особенно увеличивают количество остаточного аустенита никель и марганец.

Контрольные вопросы:

1. В чем состоят особенности термической обработки легированных сталей?

2. Какие стали относятся к легированным? Укажите основные группы легированных

сталей. Влияние легирующих элементов на свойства сталей.

3. Какие легирующие элементы повышают критические точки Ас1 и Ас3, какие понижают их? Какое влияние оказывает это на процесс термической обработки легированных сталей?

4. Какие соединения называются карбидами? Какие легирующие элементы образуют карбиды? Как влияют карбиды на рост зерна?

5. Особенность нагрева, выдержки и охлаждения легированных сталей при термической обработке.

Задание:

1. Рассмотрите особенности термической обработки вольфрамовых легированных сталей.

2. Укажите особенности термической обработки марганцовистой стали.

Обработка холодом

Обработка холодом заключается в выдерживании закаленных деталей в течение определенного времени при температурах ниже нуля.

В качестве охлаждающей среды используется смесь твердой углекислоты (сухой лед) со спиртом, имеющая температуру - 79° С, жидкий кислород

(температура - 183°С), жидкий азот (температура - 196° С).

        Для охлаждения твердой углекислотой применяются специальные термосы, куда вставляется медный или латунный сосуд с деталями; жидкий азот и кислород хранятся в специальных сосудах или установках. Для обработки холодом

применяются также специальные холодильники с рабочей температурой от

- 60 до - 80° С.

       Обработка холодом производится сразу после закалки или после отпуска. Время выдержки при низких температурах берется таким, чтобы обеспечить охлаждение детали по всему сечению. После обработки холодом детали извлекаются на воздух. Для снятия внутренних напряжений после обработки холодом дается отпуск.

В результате обработки при отрицательных температурах повышается твердость стали, стабилизируются размеры деталей.

При обычной закалке углеродистых инструментальных и легированных сталей в них остается некоторое количество остаточного аустенита, снижающего физико-механические и технологические свойства этих сталей. Отпуск уменьшает количество остаточного аустенита, но полного распада аустенита не происходит даже при многократном отпуске (как это делается, например, для быстрорежущих сталей).

При низкотемпературной обработке понижается температура конца мартенситного превращения. В результате происходит более полный распад аустенита. Это улучшает свойства сталей.

       Быстрорежущие стали для перевода остаточного аустенита в мартенсит обрабатываются холодом при температуре – 80 и даже - 190° С после закалки, иногда после первого отпуска. После обработки холодом производится отпуск.

       Инструментальные стали (У12, ХВГ, 9ХС и др.) с этой же

целью обрабатываются при температуре ниже нуля после закалки. В результате обработки повышаются твердость и режущие свойства инструментов.

Для повышения твердости и износоустойчивости обработке при отрицательных температурах после закалки и низкого отпуска (150 – 200 °С) с выдержкой 1,5 – 2 ч подвергаются также цементированные стали, дающие при закалке много остаточного аустенита.

       Измерительные инструменты, детали шарикоподшипников из сталей типа ХГ и Х обрабатываются холодом (при температуре - 80°С) после закалка путем однократного или многократного погружения в охладитель. Результатом является стабилизация их размеров.

Обработке холодом подвергаются также нержавеющие и магнитные стали.

Контрольные вопросы:

1. Назначение и сущность процесса обработки стали холодом

Химико – термическая обработка стали

Сущность процесса химико – термической обработки.

В процессе работы соприкасающихся деталей возникает трение, вызывающе износ их поверхностей. Для уменьшения износа трущихся поверхностей увеличивают их твердость и тем самым износоустойчивость, это достигается закалкой. Но с увеличением твердости повышается хрупкость. Когда на детали действуют переменные или ударные нагрузки, хрупкость недопустима. Выход состоит в том, чтобы, сохранив мягкую, вязкую сердцевину исходного металла, хорошо сопротивляющуюся действию динамической нагрузки, увеличить твердость лишь поверхностного слоя. Такой результат дает поверхностная закалка. Но закалке подвергаются стали с относительно высоким содержанием углерода, вязкость же этих сталей невысокая. Малоуглеродистые стали обладают высокой вязкостью, но не принимают закалки.

       Для повышения твердости поверхностного слоя малоуглеродистой стали ее поверхность насыщается каким-либо химическим элементом: углеродом, азотом, хромом, алюминием и т. д. При нагреве стали и выдержке ее в среде, где имеются указанные элементы, происходит процесс проникновения (диффузии) этих элементов в кристаллическую решетку железа. Кроме того, в ряде случаев в поверхностном слое протекают химические реакции соединения этих элементов с железом с образованием карбидов, нитридов и Других соединений, отличающихся

высокой твердостью. Высокая температура нагрева приводит, наконец, к перекристаллизации стали.

      Таким образом, в данном случае изменяется химический состав стали и ее структура. Такая обработка называется химико-термической.

       В результате химико-термической обработки повышается поверхностная твердость, износоустойчивость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, окалиностойкость, кислотоупорность

        Известны следующие основные виды химико-термической обработки стали: цементация (насыщение поверхности углеродом), азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом), цианирование (насыщение поверхностного слоя углеродом и азотом).

Реже применяются такие виды химико-термической обработки стали, как алитирование (насыщение алюминием), диффузионное хромирование (насыщение хромом), силицирование (насыщение кремнием), сульфидирование {насыщение серой и азотом), цинкование, борирование, бериллизация (насыщение цинком, бором, бериллием)

Контрольные  вопросы:  

1. Чем отличается химико-термическая обработка стали от термической? Какие физико-механические свойства обеспечиваются при химико-термической обработке? Виды химико-термической обработки.

Задание:

1. Охарактеризуйте следующие свойства стали: твердость, износоустойчивость, прочность, вязкость, пластичность, упругость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, окалиностойкость, кислотоупорность. Описание дайте по схеме: характеристика свойства, как измеряется (определяется), что обеспечивает.

Цементация стали

Процесс насыщения поверхности стали углеродом называется цементацией.

       Цементации подвергаются углеродистые и легированные стали с содержанием углерода до 0,25% (иногда цементируют стали и с большим содержанием углерода).

После цементации в результате науглероживания поверхностного слоя содержание углерода в нем увеличивается до 0,8 – 1,2%, к сердцевине оно постепенно уменьшается. Это значит, что по содержанию углерода цементированный слой будет иметь у поверхности структуру и свойства заэзтектоидной стали, на некоторой глубине - эвтектоидной и затем — доэвтектоидной. За глубину цементации принимают глубину слоя от поверхности до половины доэвтектоидной

зоны. Чаще всего глубина слоя цементации 0,5 - 2,2 мм.

       Нагрев стали при цементации ведется до температуры 880 - 940° С в присутствии карбюризатора - вещества, содержащего углерод. При высоких температурах в карбюризаторе протекают химические реакции, в результате которых выделяется атомарный углерод. Он обладает большой химической активностью и проникает (диффундирует) в гамма-железо.

       Для получения нужной глубины цементированного слоя детали выдерживаются длительное время при достигнутой температуре. Время выдержки зависит от требуемой глубины цементации: для получения слоя глубиной 1 мм оно при процессе твердой цементации равно 6,5 - 10 ч, для слоя глубиной от 1,6 до 2 м –

14 - 19 ч.

Для ускорения процесса цементации на отдельных предприятиях практикуется нагрев стали выше 950° С, но это связано с ростом зерна.

      В результате длительной выдержки при цементации сталь перегревается и становится хрупкой. Кроме того, охлаждение на воздухе не обеспечивает нужной твердости.

       Чтобы   придать цементированной стали высокие механические свойства, ее подвергают термической обработке (закалке и отпуску).

Существует несколько способов термической обработки после цементации:

а) после удаления из печи деталь, имеющая температуру цементации, закаливается;

6) деталь подстуживается до температуры 800 - 850° С и затем закаливается;

в) после цементации деталь охлаждается, затем вновь нагревается до температуры закалки и закаливается;

г) после цементации детали охлаждаются на воздухе, затем производится нормализация и закалка.

Во всех случаях после закалки следует низкий отпуск (температура 180 - 200°С, продолжительность выдержки 1- 2 ч).

В результате цементации и закалки с отпуском поверхность стали приобретает мелкозернистую структуру, высокую твердость (НRС>58) и износоустойчивость, коррозионную стойкость.

        Имеется три вида цементации: в твердом карбюризаторе, жидкостная и газовая.

Контрольные вопросы:

1.Как производится процесс цементации? Какие превращения происходят в стали при цементации? Какие свойства приобретает поверхностный слой стали после цементации?

2. Содержание углерода в цементированном слое. Как изменяется содержание углерода по направлению к сердцевине?

3. Какую структуру приобретает сталь в результате нагрева до заданной температуры при цементации?

4. Выше какой критической точки ведется нагрев стали при цементации?

5. Какие свойства приобретает сталь в результате цементации?

6. Чем объясняется высокая твердость цементированного слоя?

7. Почему после цементации нужны закалка и отпуск? Какую структуру приобретает сталь после цементации и последующей закалки?

Задание:  

1. Выпишите марки углеродистой и легированной стали, подвергающиеся   цементации. Для каждой марки укажите химический состав.  

ВСт 2;   У7ГА;   15кп;   33ХС;   18ХГТ;   Р9;   ШХ6;   20;   9ХВГС;   БСт4;   У11;   05.

Основные  способы  цементации

1) Цементация в твердом карбюризаторе широко применяется в производстве. Основу твердого карбюризатора составляют древесный уголь (лучше березовый), угольный или торфяной кокс. Для ускорения процесса цементации добавляются

углекислый барий (ВаСО3), углекислый натрий (Nа2С03) и другие вещества.

       Детали закладываются в металлические ящики и засыпаются карбюризатором так, чтобы они не касались одна другой, дна и стенок ящика. После упаковки ящик закрывается крышкой, стыки обмазываются огнеупорной глиной. Места деталей, не подлежащие цементации, покрываются слоем меди или обмазками из талька и жидкого стекла.

Ящики с деталями нагреваются в камерных печах периодического или непрерывного действия с газообразным или жидким топливом, реже в электропечах и выдерживаются в течение времени, необходимого для науглероживания на нужную глубину.

       Для контроля за ходом процесса цементации ящики имеют 2 - 3 отверстия, куда вставляются стержни диаметром 5 - 6 мм из того же материала, что и цементируемая сталь («свидетели»). Перед предполагаемым временем окончания процесса «свидетели» вынимаются, разламываются. В изломе отчетливо виден матово-серый ободок цементированного слоя.

2) Жидкостная цементация применяется главным образом для мелких деталей (шестерен, втулок, пальцев, осей, болтов и т. п.). Детали погружаются в ванны с карбюризатором такого состава: 75 - 80% соды (Nа2СО3), 10 - 15% поваренной соли (NаСl) и 6 - 10% карбида кремния (SiС). Процесс ведется при температуре

815 - 860° С. Науглероживание идет за счет углерода, выделяющегося из карбида кремния. В результате химических реакций образуется также шлак, который периодически удаляется.

       После жидкостной цементации и закалки в воде или масле сталь приобретает твердость НRС = 56 - 62.

По сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе процесс жидкостной цементации отличается меньшей продолжительностью (для слоя 1 мм – 3 - 4 ч вместо 10 ч при цементации в твердом карбюризаторе), отсутствием обезуглероживания и окалины. Благодаря равномерному нагреву в ванне уменьшается коробление.

3) Газовая цементация производится в шахтных печах или муфельных печах непрерывного действия. Детали помещаются в печь на металлических поддонах, специальных подвесках, где они располагаются на некотором расстоянии одна от другой (5 -  10 мм), мелкие детали загружаются в металлические корзины навалом.

В качестве карбюризаторов применяются природный, нефтяной, светильный газы, богатые окисью углерода и углеводородами. Нагрев ведется до температуры 920 - 950° С. При этой температуре детали выдерживаются при непрерывной подаче цементирующего газа. Продолжительность выдержки для слоя глубиной 1 мм 4 - 5 ч.

       К преимуществам газовой цементации относится меньшая продолжительность

процесса, возможность точного регулирования хода его за счет изменения состава газа, простота оборудования, возможность производить закалку прямо из печи. По

этому в настоящее время газовая цементация наиболее широко применяется в производстве.

      На московском заводе им. Лихачева внедрен способ скоростной газовой цементации, шестерен. Нагрев шестерен ведется в муфелях с электрическим подогревом токами высокой частоты до температуры 1050 - 1080° С. В муфели подается цементирующий газ. Продолжительность процесса для получения слоя глубиной 1 мм 40 - 50 мин.  Весь процесс механизирован и автоматизирован.

Контрольные вопросы:

1. Какие существуют способы цементации? Укажите сущность каждого из них, преимущества и недостатки.

2. Как протекает процесс науглероживания поверхностного слоя при цементации жидкостной, газовой и в твердом карбюризаторе?

3. Что служит карбюризатором при твердой, жидкостной и газовой цементации?

4. Что произойдет, если при цементации детали будут касаться друг друга?

5. Какова продолжительность процесса для науглероживания на глубину 1 мм при различных видах цементации?

6. Преимущества газовой цементации.

Задание:

Составьте таблицу «Основные способы цементации» по форме:

Азотирование стали

Процесс насыщения поверхности азотом называется азотированием.

      Чаще всего азотирование стали ведется в атмосфере аммиака (NН3). При высокой температуре аммиак разлагается, выделяющийся при этом химически активный азот проникает в поверхность стали, внедряясь в кристаллическую решетку железа или образовывая с железом химические соединения - нитриды, отличающиеся очень высокой твердостью.

       Продолжительный процесс газового азотирования имеет целью повышение твердости, износоустойчивости, сопротивлении усталости. Наиболее пригодные для

газового азотирования легированные стали, содержащие алюминий, молибден, хром, в частности сталь 38ХНМЮА.

       Перед азотированием обычно производится закалка с высоким отпуском. Места, не подлежащие азотированию, лудятся или покрываются специальными обмазками. Затем детали загружаются в электрические камерные или шахтные печи с герметическим муфелем. Они должны располагаться на некотором расстоянии одна от другой, мелкие детали укладываются навалом. После этого в печь подается аммиак, и начинается нагрев муфеля.

       Нагрев ведется до температуры 480 - 525° С. При этой температуре достигается наибольшая твердость (НV = 1050 - 1150) и наименьшая деформация деталей.

Время выдержки в среде аммиака зависит от требуемой глубины азотированного слоя. Оно составляет 24 - 60 ч, т. е. процесс отличается очень большой продолжительностью. Глубина азотированного слоя обычно 0,5 - 0,8 мм.

После азотирования термическая обработка не производится. Детали подвергают лишь отделке (шлифовке, доводке).

       Продолжительный процесс газового азотирования применяется для деталей машин, работающих при больших и переменных нагрузках; коленчатых валов, шестерен, ходовых винтов и шпинделей станков, клапанов. Азотируются также измерительные инструменты: калибры-пробки, калибры-скобы, шаблоны, резьбовые калибры и т. д.

Антикоррозионное азотирование применяется для придания деталям из низкоуглеродистой стали коррозионной стойкости. Для этого детали нагреваются в атмосфере аммиака до температуры 500 - 850° С в течение непродолжительного времени (от 2 - 3 ч при температуре 500° С до 10 - 20 мин при температуре 800 - 850° С). Глубина слоя при антикоррозионном азотировании 0,02 - 0,006 мм.

Антикоррозионное азотирование не преследует цели повышения механических свойств стали.

Контрольные  вопросы:

1. В чем сущность процесса азотирования? Его отличительные особенности и применение.

2. Какие существуют виды азотирования? Назначение каждого вида азотирования.

3. В чем сущность продолжительного процесса газового азотирования? Как оно производится?

4. Преимущества азотирования по сравнению с цементацией. Недостатки его.

5. В чем сущность процесса антикоррозионного азотирования? Как оно производится?

6. Почему при азотировании поверхность стали получает очень высокую твердость и износоустойчивость?

7. Укажите состав и основные свойства стали 38ХНМЮА. К какой группе сталей она относится?  

8. В чем сущность процесса определения твердости стали по Виккерсу?

Задание:

1. Выразите твердость азотированной стали в единицах твердости по Бринеллю и по Роквеллу

2. Сравните твердость, полученную после цементации и после азотирования стали.

Цианирование

Цианирование -  это процесс насыщения поверхностного слоя азотом и углеродом. Одновременное присутствие углерода и азота ускоряет их диффузию в поверхность стали.

       В результате планирования сталь приобретает высокую твердость (НV = 950 - 1100), износоустойчивость, коррозионную стойкость. Цианированию подвергают углеродистые и легированные стали.

Различают высокотемпературное и низкотемпературное цианирование.

При высокотемпературном цианировании нагрев ведется выше критической точки Ас3, при низкотемпературном - ниже критической точки Ас1. В первом случае сталь в большей мере насыщается углеродом, во втором - азотом.

Цианирование может производиться в жидкой, газовой и твердой средах.

Жидкостное цианирование производится в ваннах с расплавленными цианистыми солями - цианидом натрия (NаСN) или калия (КСN), поваренной солью (NаС1) и содой (Nа2СО3). В результате химического взаимодействия выделяются химически активные азот и углерод.

       Высокотемпературное жидкостное цианирование применяется для деталей из углеродистых и легированных сталей с содержанием углерода 0,3 - 0,4% (шестерни, болты, втулки) и производится в печах-ваннах при температуре 820 - 850° С. Глубина проникновения азота и углерода 0,1 - 0,3 мм, содержание углерода в

поверхностном слое повышается до 0,5 - 0,7%, содержание азота  -  до 0,6 - 0,8%. Продолжительность цианирования для получения слоя 0,1 мм около 45 мин. После планирования производится закалка и отпуск,

       Низкотемпературное жидкостное цианирование применяется для увеличения стойкости инструментов из быстрорежущей стали и производится в ваннах при температуре 550 -  560° С. Оно обеспечивает повышение стойкости инструмента в 1,5 - 2 раза.

Недостатком жидкостного цианирования является высокая стоимость цианистых солей, которые к тому же являются сильными ядами.

Газовое цианирование (нитроцементация) производится в атмосфере, содержащей азот и углерод. В печь для газовой цементации вводят смеси окиси углерода и

аммиака. В результате химических реакций выделяются азот и углерод, которые проникают в поверхность стали.

       Высокотемпературное газовое цианирование ведется для цементируемых конструкционных сталей (температура нагрева 850 - 870° С, глубина слоя до 0,35 мм, время выдержки 2 - 4 ч); низкотемпературное - для повышения твердости и стойкости инструментов из быстрорежущей стали (температура нагрева 550 - 560° С, глубина слоя 0,015 - 0,04 мм, продолжительность процесса 1 - 3 ч).

       Газовое цианирование продолжается несколько дольше, чем жидкостное, но благодаря безвредности и невысокой стоимости находит широкое применение.

Твердое цианирование производится для режущих инструментов с целью повышения их стойкости. Полностью готовые, заточенные и прошедшие термическую обработку инструменты упаковываются в ящики с цианирующими смесями (древесный уголь, желтая кровяная соль — синькали, сода и др.). Нагрев обычно ведется до температуры 540 - 560° С, продолжительность выдержки 2 - 4 ч, глубина цианированного слоя 0,02 - 0,03 мм.

       Вместо смесей для твердого цианирования применяются также пасты, состоящие из стандартного карбюризатора, поташа, желтой кровяной соли, жидкого стекла. Пасту наносят на инструмент слоем 3 - 4 мм. Цианирование ведут 1,5 - 2,5 ч.

Контрольные вопросы:

1. В чем сущность процесса планирования?  Виды цианирования и их особенности.

2. Почему при высокотемпературном цианировании сталь в большей мере насыщается углеродом, а при низкотемпературном - азотом?

3. Преимущества цианирования по сравнению с цементацией и азотированием.

4. Какие стали можно цементировать?

5. Для каких сталей производится высокотемпературное цианирование, для каких - низкотемпературное? Как ведется нагрев при каждом виде цианирования?

6. В чем сущность процессов жидкостного и газового планирования? Какой из этих процессов является предпочтительным?

7. Какой из процессов цианирования не требует специального оборудования? Как ведется этот процесс цианирования?

Задание:

1. Сравните процессы цементации, азотирования и цианирования. Данные о них

сведите в таблицу «Основные процессы химико-термической обработки». На основании анализа таблицы укажите, какой из процессов имеет наименьшую продолжительность; какой обеспечивает наибольшую твердость, глубину слоя, требует более низкой температуры нагрева, какие процессы химико-термической

обработки применяются для инструментов, какие - для конструкционных сталей.

Таблица. «Основные процессы химико - термической обработки»

Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация—это процесс насыщения поверхности стали и чугуна алюминием, кремнием, хромом или другими химическими элементами для повышения их физико-механических свойств.

Алитированием называется процесс насыщения поверхностного слоя стали и чугуна алюминием. В результате диффузии алюминия на поверхности образуется

прочная топкая пленка окиси алюминия, предохраняющая сталь и чугун от окисления. Алитированный слой отличается высокой окалиностойкостью.

   Алитированию чаще всего подвергаются низкоуглеродистые стали, реже - среднеуглеродистые, жароупорные стали и чугуны. Алитирование в порошкообразных смесях (детали укладываются в ящики вместе со смесью из порошков алюминия, окиси алюминия и хлористого аммония или смесями других составов) производится при температуре 900 - 1100°С в течение 5 - 10 ч. За это время образуется алитированный слой глубиной 0,25 мм. После алитирования детали подвергаются диффузионному отжигу при температуре 900 - 1000° С в течение 3 ч.

       Применяется также алитирование в ваннах с расплавленным алюминием (жидкостное алитирование). Часто встречается процесс покрытия стали слоем алюминия методом металлизации с последующим диффузионным отжигом. В результате отжига алюминий проникает в поверхность стали.

Диффузионным хромированием называется процесс насыщения поверхности стали и чугуна хромом для повышения коррозионной устойчивости, кислотоупорности и твердости. Хромирование деталей производится в ящиках с порошкообразной смесью, состоящей из хрома, глинозема и хлористого аммония, при температуре 1050°С в течение 6 ч. Хромирование может производиться также в газовой среде и в жидкой ванне.

       Хромированию подвергают изделия из средне- и высокоуглеродистых сталей: детали, работающие в условиях большого трения при высоких температурах, вытяжные матрицы, калибры, режущие инструменты.

Силицирование - насыщение поверхностного слоя кремнием для повышения коррозионной стойкости, кислотостойкости, износоустойчивости и жароупорности. Силицированию подвергаются низкоуглеродистые стали.

       Твердое сидицирование производится в ящиках со смесью ферросилиция с другими материалами при температуре 1100 -  1200° С.

       Для жидкого силицирования применяют ферросилиций и хлористые соли, для газового - ферросилиций, через который пропускается хлор.

Силицированный слой пористый. После силицирования детали проваривают в минеральном масле при температуре 120 -  150° С. Масло впитывается в поры, образуя самосмазывающиеся поверхности.

Сульфидированием называется введение в поверхность трущихся деталей серы

путем нагрева этих деталей в расплавленных сернокислых солях в присутствии катализатора при температуре 550 - 600° С в течение 2 - 3 ч. Сера уменьшает коэффициент трения. Износоустойчивость сульфидированных деталей повышается в несколько раз.

Контрольные вопросы:  

1. Какие существуют процессы диффузионной металлизации? Их сущность и назначение.

2. Какие свойства сплавов относятся к химическим?

3. Как можно улучшить химические свойства сплавов?

4. Какие свойства придают сталям хром, алюминий, кремний?

5. Как производится алитирование? Какие свойства стали и чугуна оно улучшает?

6. В чем сущность хромирования и силицирования? Когда и для чего применяются эти процессы?

7. Какие физические свойства металлов улучшаются при диффузионной металлизации?

8. В результате каких способов диффузионной металлизации снижается трение?

9. В результате какой обработки можно повысить долговечность измерительных инструментов?

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЧУГУНА

1. Термическая обработка отливок из серого чугуна

       Термическая обработка отливок из серого чугуна применяется для снятия внутренних напряжений, уменьшения твердости, улучшения обрабатываемости и механических свойств, повышения износоустойчивости и коррозионной стойкости.

        Внутренние напряжения в чугунных отливках получаются о результате различной скорости охлаждения различных частей их. Для снятия внутренних напряжений применяется либо естественное старение, либо низкотемпературный отжиг.

Естественное старение заключается в выдерживании отливок в течение длительного времени: от нескольких месяцев до нескольких лет. Но оно не снимает полностью внутренних напряжений и сильно удлиняет производственный цикл.

Низкотемпературный отжиг (искусственное старение) значительно ускоряет процесс. Он заключается в медленном нагреве отливок со скоростью 75 - 100° в 1 ч до температуры 500 -  550° С, выдержке при этой температуре 1 - 8 ч и медленном

охлаждении вместе с печью со скоростью 25 - 75° в 1 ч до температуры 150 - 250° С, а затем на воздухе.

     Часто отливки из серого чугуна имеют отбеленную поверхность, т. е, участки со структурой белого чугуна, отличающиеся очень большой твердостью, что ухудшает обрабатываемость отливок. Для устранения отбела, а значит, улучшения
обрабатываемости производится высокотемпературный отжиг. Он состоит в нагреве отливок до температуры 900 - 950° С, выдержке в течение 3 - 4 ч и охлаждении вместе с печью до температуры 250 - 300° С, а затем на воздухе. В результате
отжига цементит в отбеленных участках разлагается на феррит и графит (процесс

называется также графитизацией), и белый чугун превращается в серый.        

       Для ускорения процесса графитизации мелкие отливки часто нагревают в соляных ваннах до температуры 1050 - 1150° С. Продолжительность отжига уменьшается при этом до 10 мин.

Иногда для улучшения механических свойств отливок вместо отжига применяется нормализация.

       Для повышения твердости, износоустойчивости и прочностных свойств производят закалку серого чугуна. Нагрев под закалку должен быть выше критической температуры (830 - 900° С), время выдержки зависит от исходной структуры чугуна и от сечения детали. Охлаждение ведется в воде. Структура закаленного серого чугуна; мартенсит + графит + остаточный аустенит. При меньших скоростях охлаждения вместо мартенсита может образоваться троостит или сорбит.

      Для снятия напряжений, полученных при закалке, и повышения пластических свойств производится отпуск; низкий отпуск (до 250° С) снимает закалочные напряжения, высокий отпуск (500 - 650° С) понижает твердость, повышает прочность и сопротивление изгибу и сжатию.

       Изотермическая закалка чугуна, которая производится так же, как и для стали, дает значительное повышение механических свойств чугунных отливок.

Высокопрочные чугуны подвергаются поверхностной закалке пламенем или токами высокой частоты.

Азотирование чугуна ведется в среде аммиака при температуре 510 - 520° С, время выдержки 50 - 90 ч. Азотирование повышает износоустойчивость и твердость (до НV = 800 – 1000), придает отливкам антикоррозионные свойства. Азотированию подвергаются чугуны, легированные хромом и алюминием.

Контрольные вопросы:  

1. Какие виды термической обработки применяются для повышения механических свойств и снятия внутренних напряжении в отливках из серого чугуна? Отличительные особенности их.

2. Что представляет собой серый чугун, как он получается и какими обладает свойствами? Как маркируются отливки из серого чугуна?

3. Чем объясняется появление внутренних напряжений в отливках и как их можно устранить?

4. В результате чего поверхность чугунных отливок отбеливается? Какую структуру имеют отбеленные участки чугуна? Как устраняется отбел?

5. Как производится закалка в отпуск серого чугуна?

6. Как можно повысить износоустойчивость и коррозионную стойкость отливок из серого чугуна?

Задание:  

1. Сравните процессы отжига, закалки и отпуска стали и серого чугуна по следующей схеме: вид обработки, температура нагрева, как ведется охлаждение, что достигается в результате обработки.

Получение ковкого чугуна

       Отливки из серого чугуна имеют сравнительно невысокие механические свойства. Более высокую прочность и пластичность имеет ковкий чугун, получаемый путем отжига отливок из белого чугуна.

       Для получения ковкого чугуна используется доэвтектический белый чугун, содержащий 2,5 - 3,2% углевода, 0,6 - 0,9% кремния, 0,3 - 0,4% марганца, 0,1 - 0,2% фосфора и 0,06 - 0,1% серы. В белом чугуне углерод находится в виде цементита. В результате термической обработки цементит разлагается на феррит и графит.

       Процесс отжига на ковкий чугун состоит из следующих периодов: равномерного нагрева до температуры 950 - 1000° С (продолжительность нагрева 10 - 20 ч); первой стадии графитизации -  выдержке при достигнутой температуре

10 - 30 ч; промежуточной стадии - медленном охлаждении до 750 - 720° С; второй стадии графитизации - выдержке при 750 - 720° С в течение 15 - 50 ч и охлаждении до 500 - 400° С вместе с печью, а затем на воздухе.

       В результате первой стадии графитизации происходит разложение первичного цементита, входящего в состав ледебурита; на второй стадии разлагается вторичный цементит и цементит, входящий в состав перлита.

       При полном цикле отжига структура ковкого чугуна: феррит + графит. Такой ковкий чугун называется ферритным.

      Если провести только первую стадию графитизации, перлит в чугуне сохранится, и тогда структура ковкого чугуна будет состоять из перлита, феррита и углерода отжига (графита). Получается перлитный ковкий чугун. Перлитный ковкий чугун имеет довольно высокую прочность, но пластичность у него меньше, чем у

ферритного. Отжиг па ферритный и перлитный ковкий чугун производится в печах непрерывного действия с защитной атмосферой - в среде азота или водорода для

предохранения от обезуглероживания и окисления.

       Обезуглероженный ковкий чугун получается путем отжига в окислительной среде при температуре 950 - 1050° С в течение нескольких суток. При этом виде отжига детали загружаются в ящики, пересыпаются рудой или окалиной, нагрев ведется в камерных печах.

В результате отжига происходит выгорание углерода с поверхности, что снижает твердость, улучшает обрабатываемость, несколько повышает пластичность поверхностного слоя.

       Процесс отжига для получения ковкого чугуна отличается большой продолжительностью. Для ускорения его в настоящее время применяются предварительная закалка, отжиг в расплавленных солях при температуре

1050 - 1100° С.

       Ковкие чугуны с целью повышения прочности, поверхностной твердости, износоустойчивости подвергают нормализации, закалке с отпуском, поверхностной закалке. Нормализация ведется при температуре 850 - 900°С  с выдержкой 1 -  1,5 ч и охлаждением на воздухе.

       При закалке температура нагрева та же, охлаждение ведется в воде или масле. После закалки и нормализации следует высокий отпуск.

       Поверхностная закалка производится пламенем или токами высокой частоты.

Контрольные вопросы:  

1. В чем сущность процесса получения ковкого чугуна? Основные свойства

ковкого   чугуна.

Вспомогательные     вопросы

2. Какую структуру имеет доэвтектический белый чугун при комнатной температуре? Как изменяется его структура при нагревании выше 723°С?

3. Почему белый чугун  имеет очень высокую твердость,  хрупкость и малую прочность? Как изменяются эти свойства в ковком чугуне и за счет чего?

4. Почему пластичность у перлитного ковкого чугуна  меньше, чем

у ферритного?        

5. Особенности процесса получения  ферритного и перлитного ковкого чугуна.                                                                        

6. Как получается обезуглероженный ковкий чугун?

7. Какой термической обработке подвергается ковкий чугун?

Задание:

1. Сравните твердость по Бринеллю, пределы прочности, относительное удлинение

ковкого, серого чугуна и среднеуглеродистой стали. Дайте заключение, у каких из этих сплавов какие свойства преобладают.

Итоговый контроль

Вариант 1.

1. Закончите предложение:

А) Термическая обработка проводится для…

Б) В результате химико – термической обработки изменяется…

В) Процесс насыщения стали азотом и углеродом называется…

Г) Отжиг – это…

2. Укажите виды отпуска

3. Укажите только тот вид охладителя, в котором быстрее всех произойдет охлаждение стали

А) масло     Б) вода      В) воздух      Г) газ

4. Укажите виды химико – термической обработки стали.

5. Сущность процесса цементации

6. Длительный нагрев при высоких температурах, близких к температуре плавления может привести к …

7. Чем отличается процесс нормализации от закалки?

8. Укажите виды цианирования

9. Основная цель антикоррозионного азотирования

10. Укажите основные дефекты при ТО

Вариант 2.

1. Закончите предложение:

А) После проведения термической обработки улучшаются.…

Б) Твердость стали можно повысить за счет введения легирующих

компонентов и ..…

В) Процесс насыщения стали углеродом, называется…

Г) Нормализация – это…

2. Укажите виды закалки

3. Укажите только виды отпуска

А) высокий     Б) полный      В) средний      Г) диффузионный      Д) низкий

4. Укажите виды термической обработки стали.

5. Сущность процесса азотирование

6. Длительный нагрев при температурах, превышающих нормальную может привести к .. …

7. Чем отличается процесс отжига от низкого отпуска?

8. Укажите виды азотирования

9. Основная цель цементации

10. Укажите основные дефекты при ТО

Литература

1. Кузьмин В.А. и др. «Металлургия, металловедение и конструкционные материалы», М., Высшая школа; 1977 г.

2. Никифоров В.М. «Технология металлов и конструкционные материалы», Высшая школа, 1980 г.

3. Арзамасов Б.Н. «Материаловедение», 1976 г.

4. Самохоцкий А.И., Кунявский М.Н. «Металловедение», 1980 г.

5. Кузьмин Б.А., Самохоцкий А.И., Кузнецова Т.Н. «Металлургия. Металловедение. Конструкционные материалы», 1986 г.

6. под ред. Усовой Л.Ф. «Технология металлов и материаловедение», 1988 г.

7. Приданцев М.В., Давыдова Л.Н., Тамарина И.А. «Конструкционные стали» Справочник. Москва «Металлургия», 1980 г.

8. Пейсахов А.М., Кучер А.М. «Материаловедение и технология конструкционных материалов» Издательство Михайлова В.А.,

         2005 г.