Иванов В.П._Фруцкий В.А. Технолог процессы в машиностр. Оборудование и технология высокоэффективных процессов обработки материалов Новополоцк пгу 2009
 Скачать 3.56 Mb.
|
|
1.6.2. Термическая обработка без механических и химических воздействий Виды обработки. Собственно термическая обработка заготовок включает отжиг I и II рода, закалку с полиморфным превращением или без него, отпуск и старение. Отжиг I рода (гомогенизационный, рекристаллизационный и релак- сационный) устраняет структурную неоднородность, возникшую в метал- лах и сплавах в результате предшествующей обработки. Гомогенизационный (диффузионный) отжиг (рис. 1.16 а, 1) устраняет неоднородность химического состава наплавленного металла за счет про- текания диффузионных процессов при высокой температуре. Чем сильнее начальная неоднородность, тем более продолжительной должна быть вы- держка при этой температуре. Рекристаллизационный отжиг (рис. 1.16 а, 2), который включает на- грев металла выше температуры его рекристаллизации (0,4…0,5 от абсо- лютной температуры его плавления), позволяет устранить структурную неоднородность (текстуру) и упрочнение (наклеп), вызванные предшест- вующим холодным пластическим деформированием, и повысить пластич- ность материала. Релаксационный отжиг (рис. 1.16, а, 3) позволяет избежать трещин за счет значительного снижения внутренних остаточных напряжений, возникающих в процессе охлаждения сварных соединений и наплавленных покрытий. Отжиг II рода (перекристаллизационный, изотермический, норма- лизационный (нормализация) и графитизирующий) приводит сплав в структурное равновесие. В случае перекристаллизационного отжига металл нагревают выше температуры фазового перехода. В результате при последующем медлен- ном охлаждении протекают фазовые превращения и образуется мелкозер- нистая равновесная структура с улучшенными свойствами. При нагреве стали несколько выше первой критической точки А с1 происходят неполная перекристаллизация и превращение только перлита в аустенит. Такой не- полный отжиг (рис. 1.16, а, 5) для заэвтектоидных сталей вызывает сфе- роидизацию цементита (отжиг на зернистый перлит) и, как следствие, 43 снижение твердости и улучшение обрабатываемости резанием. При полном отжиге (рис. 1.16, а, 4) сталь нагревают выше точки А с3 , при этом образу- ется аустенитная структура и происходит полная перекристаллизация при охлаждении. а) 1200 1100 910 727 600 500 400 300 200 100 20 0 0,8 2,14 2, 3 5 6 4 1 7 t, C %C б) 910 727 600 500 400 300 200 100 20 0 0,8 2,14 2 5 6 4 7 8 3 1 t, C %C Рис. 1.16. Участок диаграммы состояния Fe – C со значениями температуры t раз- личных видов термической обработки углеродистой стали: а) Отжиг I рода: 1 – гомогенизационный; 2 – рекристаллизационный; 3 – релакса- ционный. Отжиг II рода: 4 и 5 – перекристаллизационный полный и неполный соответ- ственно; 6 – изотермический; 7 – нормализационный. б) Закалка с полиморфным превращением: 1 – полная; 2 – неполная. Закалка без полиморфного превращения – 3. Старение: 4 – естественное; 5 – искусственное. От- пуск: 6 – низкий; 7 – средний; 8 – высокий 44 При изотермическом отжиге (рис. 1.16, а, 6) доэвтектоидную сталь нагревают на 30…50 °С выше А с3 , а заэвтектоидную – выше А с1 , выдер- живают при этой температуре, быстро охлаждают несколько ниже А с1 и выдерживают до полного распада аустенита, затем охлаждают с любой скоростью. Изотермический отжиг часто заменяют для легированных и высоко- углеродистых сталей полным отжигом, который требует меньше времени. Для сокращения продолжительности термической обработки сталь часто охлаждают не с печью, а на спокойном воздухе (нормализация) (рис. 1.16, а, 7). Графитизирующий отжиг применяют как для сталей, так и для чугу- нов. Он позволяет получать свободный углерод в виде графита благодаря распаду карбидной составляющей (цементита) при высокой температуре. Это снижает коэффициент трения и повышает износостойкость материала. Закалка с полиморфным превращением реализуется в тех металлах и сплавах, в которых перестраивается кристаллическая решетка. Доэвтекто- идные стали нагревают для превращения перлита в аустенит (полная за- калка – рис. 1.16, б, 1) или сохраняют в заэвтектоидных сталях избыточ- ный цементит (неполная закалка – рис. 1.16, б, 2). Во время ускоренного охлаждения со скоростью выше критической аустенит превращается в мар- тенсит. Твердость и износостойкость стали возрастают. Закалку с поли- морфным превращением называют закалкой на мартенсит. Закалка без полиморфного превращения (рис. 1.16, б, 3) происходит в тех сплавах, в которых по мере нагрева и выдержки увеличивается раство- римость второго компонента и избыточная фаза растворяется в матричной фазе. Последующее быстрое охлаждение фиксирует состояние неравно- весного пересыщенного твердого раствора, не характерное для низких температур. Такая закалка широко применяется для некоторых легирован- ных сталей, алюминиевых, магниевых, никелевых, медных и других спла- вов. Существенного упрочнения и снижения пластичности сплавов, под- вергаемых закалке без полиморфного превращения, не наблюдается. В по- следующем такая неравновесная система при комнатной температуре стремится к равновесию и выделению избыточной фазы (естественное старение – рис. 1.16, б, 4). Некоторый подогрев закаленного сплава значи- тельно ускоряет этот процесс (искусственное старение – рис. 1.16, б, 5). Закалка и частичное старение обеспечивают повышенные твердость и прочность. Полное старение приводит сплав к двухфазному равновесно- му состоянию и, следовательно, к исходным свойствам. 45 Отпуск после закалки с полиморфным превращением переводит за- каленный сплав в равновесное состояние подобно старению. Это снижает твердость и внутренние напряжения и повышает пластичность сплава. От- пуск включает нагрев сплава до температуры не выше критической, вы- держку и охлаждение с заданной скоростью. Различают низкий отпуск стали (150…200 ºС – рис. 1.16, б, 6), средний (300…400 ºС – рис. 1.16, б, 7) и высокий (500…600 ºС – рис. 1.16, б, 8). Закалка углеродистых инструментальных сталей с низким отпуском обеспечивает высокие твердость и износостойкость, сохраняя структуру мартенсита отпуска. Закалка среднеуглеродистых сталей со средним от- пуском дает максимальную упругость и достаточную твердость, что необ- ходимо для рессор, пружин и деревообрабатывающего инструмента. При среднем отпуске происходит распад мартенсита на зернистую дисперсную феррито-цементитную смесь (троостит). Закалка с высоким отпуском для среднеуглеродистых сталей обеспечивает еще большее приближение к равновесному состоянию и получение грубозернистой феррито- цементитной смеси (сорбит), имеющей достаточные прочностные свойст- ва, высокую ударную вязкость и наилучшую обрабатываемость резанием. Поэтому закалку с высоким отпуском называют улучшением и применяют для ответственных деталей. В зависимости от характера охлаждения при закалке различают сле- дующие ее виды: в одной среде (непрерывная), в двух средах, ступенчатая, изотермическая, с самоотпуском (рис. 1.17). с А с1 ,А с3 V кр t, C М н 1 2 3 4 Рис. 1.17. Виды закалки в зависимости от характера охлаждения (на примере эв- тектоидной стали): 1 – в одной среде; 2 – в двух средах; 3 – ступенчатая; 4 – изотерми- ческая; t – температура; υ кр – критическая скорость охлаждения при закалке; – теку- щее время υ кр , с 46 В ряде случаев, когда требуются твердая поверхность и способность воспринимать ударные нагрузки, ведут закалку с самоотпуском. При этом, не дожидаясь полного охлаждения детали, ее извлекают из охлаждающей среды. Оставшееся внутри детали тепло обеспечивает отпуск закаленного материала. В зависимости от вида нагрева различают газопламенную, плазмен- ную, лазерную, электроннолучевую, индукционную и печную закалку. По- следние два ее вида широко применяются в производстве. Охлаждающие среды играют важную роль при термической обра- ботке. Так, например, при закалке используют воду, масло, водомасляные эмульсии, водные растворы солей. Наиболее простой закалочной средой является вода, однако она обладает высокой охлаждающей способностью в области мартенситного интервала и может вызвать повышенные внутрен- ние напряжения и образование трещин. В табл. 1.2 приведены составы солей, которые часто применяют для нагрева под закалку. Таблица 1.2 Составы соляных смесей, применяемых для нагрева заготовок под закалку Состав смеси Температура плавления, ºС Температурные отрезки применения, ºС 50 % поваренной соли (NaCl) + 50 % кальцинированной соды (Na 2 CO 3 ) 560 590...900 100 % хлористого бария (BaCl) 962 1020...1350 50 % поваренной соли (NaCl) + 50 % хлористого кальция (CaCl 2 ) 595 630...850 100 % поваренной соли (NaCl) 800 850...920 100 % хлористого калия (KCl) 768 820...920 100 % сильвинита (NaCl·KCl) 700 780...950 Предпочтительны такие закалочные среды, которые обладают высокой охлаждающей способностью в области значений температуры наименьшей устойчивости аустенита (500…650 ºС) и пониженной в области мартенситно- го превращения ( 300 ºС). Масло обладает более низкой охлаждающей спо- собностью, поэтому чаще применяется для легированных сталей, имеющих более высокую прокаливаемость, чем углеродистые стали. 1.6.3. Химико-термическая обработка Химико-термическая обработка (ХТО) сочетает тепловое воздейст- вие с диффузионным насыщением поверхности металлов и сплавов одним или несколькими элементами. Она позволяет получать в поверхностном слое заготовки сплав различного состава с необходимыми свойствами. 47 Диффузионное насыщение при нагреве возможно в тех случаях, когда на- сыщающий и насыщаемый компоненты взаимодействуют, т.е. образуют твердые растворы или химические соединения. Повышение температуры ХТО повышает скорость диффузионных процессов. Науглероживание (цементация) является одним из наиболее распро- страненных процессов ХТО. Поверхностный слой стали насыщают углеро- дом с последующей закалкой и низким отпуском, что повышает его твер- дость, износостойкость и усталостную прочность. Цементации подлежат уг- леродистые и легированные стали, содержащие до 0,25 % С (так называемые цементуемые стали – 10, 15, 20, 20Х, 20ХГТ и др.). После науглероживания содержание углерода в поверхностном слое достигает 0,8…1,0 %. Науглероживание проводят в твердых, жидких и газообразных сре- дах (карбюризаторах). В производстве наиболее распространена цемента- ция в твердом карбюризаторе. В металлический контейнер насыпают древесный уголь, укладывают детали так, чтобы расстояние между ними, а также до стенок ящика было не менее 15 мм. Контей- нер закрывают крышкой, герметизируют огнеупорной глиной и помещают в печь. Про- гревают контейнер до температуры 750…800 ºС, а затем повышают температуру печи до 920…950 ºС. Глубина науглероженного слоя составляет около 1 мм. Контроль науглероженного слоя проводят на образце-свидетеле. Углеродосодержащий порошок (сажу, древесно-угольную пыль, соду и др.) при цементации в пастах разводят связующим (патокой, канцеляр- ским клеем и др.), наносят в виде суспензии, обмазки или шликера на це- ментуемую деталь и сушат. Толщина слоя пасты в 6…8 раз превышает тре- буемую толщину цементованного слоя. При науглероживании в пасте, содержащей 50…55 % сажи, 30…40 % соды и 10…15 % щавелевокислого натрия, при 950 ºС за 1,5…3,0 ч формируется науглерожен- ный слой толщиной 0,6…1,0 мм. Цементацию в расплавленных карбюризаторах (например, 75 … 85 % Na 2 CO 3 + 10 … 15 % NaCl + 8 … 15 % SiC) при температуре 950 ºС ведут в расплавах солей металлов электролизным или безэлектролизным способа- ми. Толщина цементованного слоя 1,2 мм. Газовую цементацию ведут в специальных печах или агрегатах при температуре 920 … 950 ºС, подавая в печь каплями керосин, уайт-спирит, веретенное масло или газ (природный газ, пропан, бутан и др.). В течение 8 … 12 часов формируется слой толщиной 1,0 … 1,8 мм. Элементы стальных деталей, не подлежащие науглероживанию, меднят, покрывают специальными обмазками или предусматривают при- пуск, который снимают механической обработкой после цементации. 48 В результате цементации поверхностный слой детали приобретает структуру отпущенного мартенсита с твердостью около 60 HRC, а сердце- вина остается вязкой и пластичной. Азотирование – диффузионное насыщение поверхности металла азо- том с целью повышения твердости, износостойкости, усталостной прочно- сти и коррозионной стойкости деталей. Чаще всего азотируют среднеуглеродистые легированные стали типа 38ХМЮА, 38ХВФЮ (нитралои), в поверхностных слоях которых образу- ются твердые нитриды хрома, молибдена и алюминия. Твердость поверх- ности таких сталей после азотирования достигает 1200 HV, в то время как после азотирования среднеуглеродистой стали – около 200 HV. Как правило, перед азотированием проводят закалку с высоким от- пуском (улучшением). Чаще всего азотирование проводят при температуре 480...530 ºС в течение 20...40 часов в среде аммиака. Толщина азотированного слоя составляет 0,4...0,8 мм. Цианирование – процесс одновременного насыщения поверхности металла углеродом и азотом с целью повышения твердости, износостойко- сти и усталостной прочности деталей. Различают низкотемпературное (540...560 ºС), среднетемпературное (820...860 ºС) и высокотемпературное (920...960 ºС) цианирование. При низких температурах идет преимущественно насыщение азотом, а при вы- соких – углеродом. Наиболее распространено цианирование в среде газов (смеси аммиа- ка, природного газа, эндогаза и др.). Цианируют чаще всего цементуемые легированные стали. После цианирования проводят закалку и низкий отпуск. Борирование – процесс насыщения металла бором с целью повыше- ния твердости и износостойкости. На поверхности сталей и чугунов фор- мируется слой боридов FeB и Fe 2 B толщиной около 0,1 мм с твердостью около 2000 HV. Борированные изделия успешно сопротивляются абразив- ному изнашиванию. В ряде случаев после операций пластического деформирования, на- плавки (например, низкоуглеродистой сварочной проволокой Св-08) и же- лезнения проводят химико-термическую обработку (цементацию, циани- рование или др.) с целью придания поверхности максимальных твердости и износостойкости. В табл. 1.3 приведены такие примеры. 49 Таблица 1.3 Применение химико-термической обработки при изготовлении деталей Наименование деталей Химико- термическая обработка Термическая обработка Материал Твердость поверхно- сти, HRC Валы, пиноли, гильзы, шпиндели, зубчатые колеса, детали тормоза (собачки, щеки, сухари и др.), кольца, вкла- дыши, золотники, де- тали передней подвес- ки и рулевого управ- ления автомобиля Цементация Закалка с низким отпуском (толщи- на упрочненного слоя 0,8...1,6 мм) 15, 20, 20Х, 18ХГТ, 12ХНЗА, 20ХНЗА, 15ХГН2ТА, 20ХТН2ТА, 25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГНМ 56...62 Винты ходовые, гиль- зы, шпиндели, червя- ки, накладные направ- ляющие, зубчатые ко- леса Азотирова- ние Улучшение (за- калка с высоким отпуском до азо- тирования) 20Х3МВФ, 30Х3МФ, 38Х2МЮА, 40ХФА 60...68 Валы, зубчатые коле- са, втулки, шайбы, де- тали тормозной систе- мы и силовых агрега- тов (червяки, шестер- ни), шаровые пальцы, вкладыши, золотники, крестовины, сателлиты Нитроце- ментация Закалка с низким отпуском 08, 10, 20, 35, 25ХГТ, 25ХГМ, 20ХГНТР 58...62 Пальцы, втулки гусе- ниц тракторов, втулки насосов, детали пресс- форм Борирова- ние Закалка с низким отпуском Среднеуглероди- стые и легирован- ные стали с со- держанием угле- рода ≥ 0,4% HV 2000 Как правило, после химико-термической обработки проводят за- калку с низким отпуском во избежание продавливания твердого диффу- зионного слоя. 1.6.4. Термомеханическая обработка В ряде случаев эффективным способом упрочнения является термо- механическая обработка, сочетающая как собственно термическую обра- ботку, так и пластическое деформирование. Для сплавов, имеющих поли- морфные превращения, распространены высокотемпературная термомеха- ническая обработка (ВТМО) и низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО). На рис. 1.18 приведены примеры типовых режимов термомеханиче- ской обработки. Пластическое деформирование при ВТМО протекает выше темпера- туры рекристаллизации в аустенитной области, поэтому с целью исключе- 50 ния разупрочняющих рекристаллизационных процессов проводят закалку с низким отпуском. а) б) в) Рис. 1.18. Типичные режимы термомеханической обработки: а – ВТМО; б – НТМО; в – патентирование Упрочняющий эффект при НТМО еще выше, поскольку пластиче- ское деформирование ведут при температуре ниже температуры рекри- сталлизации. Разновидностью НТМО является патентирование, которое состоит в том, что холодное пластическое деформирование ведут до нагрева и после закалки на троостит, что обеспечивает высокий комплекс механических свойств. 1.6.5. Термическая обработка в процессах изготовления деталей Вид термической обработки назначают в зависимости от требуемых свойств в жизненном цикле заготовок. Для обеспечения хорошей обрабатываемости резанием стальные заго- товки подвергают отжигу II рода или улучшению. Такие операции проводят в том случае, когда детали ранее проходили упрочняющую обработку и имеют высокую твердость. В сталях необходимо получать равновесные или близкие к ним структуры, содержащие зернистый (а не пластинчатый) пер- лит. В табл. 1.4 приведены примеры режимов термической обработки, обес- печивающих хорошую обрабатываемость резанием конструкционных ста- лей. После такой термической обработки проводят обработку резанием (то- чение, сверление, фрезерование и др.) или нанесение покрытий. Для снятия внутренних остаточных напряжений и предотвращения образования трещин после операций сварки или нанесения покрытий, если эти операции сопровождались значительным вложением тепла в заготовку в неравновесных условиях (сварки, наплавки и др.), необходим отжиг I ро- низкий отпуск пластическое деформирование закалка t, с t, с t, с t, С t, С t, С М н А 1 А 3 51 да. При этом, особенно для легированных сталей, склонных к образованию неравновесных закалочных структур и повышенной хрупкости, отжиг I рода проводят сразу после сварки или наплавки для снятия внутренних на- пряжений. Таблица 1.4 Режимы термической обработки, обеспечивающей лезвийную обработку сталей Марка стали Рекомендуемая обработка Особенности структуры Примечание 20 Нормализация Мелкая феррито- перлитная структура 40, 45, 40Х, 40ХН Нормализация Мелкая феррито- перлитная структура Допустимо улучшение (закалка с высоким отпуском на феррит + перлит зернистый) 18ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ, 25ХГТ, 25ХГНМТ, 25ХГНМЮА Изотермический отжиг Феррито-перлитная структура с частично сфероидизированным перлитом 12ХНЗА, 20Х2Н4А Нормализация + высокий отпуск 640...680 ºС Мелкая феррито- перлитная структура (перлит частично до 20 % сфероидизирован) 60С2 Нормализация + высокий отпуск 650...680 ºС Мелкая перлитная струк- тура (перлит частично сфероидизирован) 65Г Рекристаллиза- ционный отжиг при 670...680 ºС Частично (≥ 30%) сфе- роидизированный перлит При больших объемах фрезерования и свер- ления время нагрева увеличивают в 1,5 раза У8…У12, ШХ15 Маятниковый отжиг около критической точки А 1 Зернистый перлит Для стали ШХ15 в се- чениях до 100 мм – не более двух циклов С целью полной или частичной релаксации внутренних напряжений проводят также отжиг, уменьшающий напряжения после нанесения элек- трохимических покрытий. Как правило, во второй половине процесса изготовления детали пе- ред чистовой механической обработкой ее подвергают упрочняющей тер- мической обработке (табл. 1.5) или химико-термической обработке. 52 Таблица 1.5 Режимы окончательной термической обработки деталей из конструкционных сталей Закалка Отпуск Марка стали Температура нагрева, ºС Охлаждаю- щая среда Температура нагрева, ºС Охлаждающая среда Предел проч- ности, МПа 30 870 Вода 250 Воздух 1200 40 840 То же 250 То же 1300 45 830 450 350 250 160 То же 550 1100 1150 1200 50 810 То же 500 То же 800 30Х 860 Масло 500 Вода или масло 900 40Х 860 То же 500 То же 1000 50Х 830 То же 520 То же 1100 18ХГТ 880 То же 200 То же 900 20ХГР 880 То же 200 То же 1400 25ХГМ 860 То же 200 То же 1200 30ХГТ 850 То же 200 То же 1500 40ХС 900 То же 540 Масло 1250 30ХМА 880 То же 540 Вода или масло 950 40ХН 820 Вода или масло 500 То же 1000 20ХНЗА 820 Масло 500 То же 950 30ХГСА 880 То же 540 То же 1100 40ХНМА 850 То же 620 То же 1100 38ХМЮА 940 То же 640 То же 1000 Таким образом, улучшаемые углеродистые и легированные стали подвергают закалке и высокому отпуску. Охлаждение при закалке и отпус- ке легированных сталей предпочтительнее в масле, а углеродистых – ввиду их низкой прокаливаемости – в воде и воздухе. Рессорно-пружинные стали чаще всего подвергают закалке и среднему отпуску для обеспечения мак- симальной упругости. |