Закалка после цементации стали 20

Сталь 20 по ГОСТ 1050-88

Процесс термообработки

Процесс термообработки представлен основными видами, среди которых необходимо выделить:

Отжиг, включая процедуру гомогенизации и нормализации, выполняется для получения металла, микроструктура которого отличается однородностью и зернистостью, с растворением включений. Следующее за этой операцией охлаждение выполняется в медленном режиме, что позволяет воспрепятствовать появлению мартенсита;

Закалку выполняют при соблюдении высокого уровня скорости охлаждения, что позволяет получить мартенситные структуры. При определении критичного уровня скорости охлаждения, требуемой для выполнения закалки, учитываются марки и разновидности материалов;

Особенности стали

20х13 имеет плотность 7670 кгм3. Температура плавления составляет около 1600 ºС. Упруга. Модуль Юнга равен 2 000 МПа. Хорошо проводит тепло. Коэффициент теплопроводности колеблется в районе 23-28 Вт(м*С). Отличается низкой способностью пропускать ток. Удельное электрическое сопротивление равно в среднем 800 Ом*м. Магнитится.

Предел прочности на разрыв равно 610 МПа. Твердость — около 28 единиц по шкале Роквелла. Деформироваться 20х13 начинает уже при нагрузке в 500 МПа. Предварительное провидение термической обработки позволяет увеличить механические свойства в 1,5-2 раза. Для сравнения после закалки с отпуском конструкционная сталь 45 повышенного качества обладает прочностью в 400 МПа.

Сталь 20х13 достаточна пластична. Относительное удлинение составляет 23%, а сужение 65%. Хорошо работает в условиях знакопеременных нагрузок. Предел выносливости равен 500 МПа. Сталь жаростойка. Ее механические свойства остаются неизменными при температуре окружающей среды 600 ºС.

Марка 20х13 отличается повышенной сопротивляемостью к образованию коррозии. Она хорошо проявила себя в работе в условиях слабоагрессивных сред: пресная и речная вода, пар. Не устойчива к большинству кислот, щелочей, а также к морской воде.

Термообработка

Сталь 20х13 отличается повышенными технологическими свойствами. Она хорошо обрабатывается как резанием так и давлением. Не флокочувствительна. Имеет незначительную склонность к отпускной хрупкости. 20х13 относится к первой группе свариваемости. Сварка осуществляется без предварительного нагрева. Шов при этом получается прочный и плотный.

Термическая обработка для стали 20х13 представляет собой следующую последовательность действий:

• Нормализация при 1000-1200 ºС, затем идет отпуск при 730-750 ºС. Предел прочности такой стали на выходе равен 710 МПа.
• Закалка 1050 ºС с последующим равномерным охлаждением на воздухе. Конечная прочность равна уже 1600 МПа.

Закалка и выполнение высокого отпуска (улучшение)

Для сталей используют процесс упрочнения при закалке методом быстрого охлаждения, производимого на воздухе, в масле или воде. Такая процедура способствует созданию неравновесного строения мартенсита. Операция закалки позволяет стали получить такие характеристики, как высокая твёрдость, низкий уровень пластичности и вязкости. Например, у стали 40ХНМА (SAE 4340) после того, как проведена процедура закалки, показатель твёрдости составляет более 50 HRC, поэтому материал не может быть использован по причине хрупкости и предрасположенности к разрушению. Проведение следующего отпуска, заключающегося в таких операциях, как нагрев до 450 C… 500 0C и выдерживание при этом температурном режиме, позволяет уменьшить внутренние напряжения, учитывая такие явления как распад мартенсита, изменение расстояний решётки. При этом незначительно снижается уровень твёрдости допоказателя 45…48 HRC. Процедура корригирования выполняется для стали, имеющей в своем составе 0,3…0,6 % углерода.
Отжиг представляет собой разновидность термообработки и состоит в проведении нагрева до установленного температурного режима, выдержки и охлаждения. При этом происходит возобновление, рекристаллизирование и гомогенизирование металла. Целью операции является требование снизить уровень твердости, что позволяет повысить обрабатываемость металла, улучшить структурный состав и достичь большей степени гомогенности металла, снять напряжения внутри решетки.

3.2.2 Низкоуглеродистые стали для цементации

Для изготовления деталей, которые работают при условиях трения, ударных и переменных нагрузок, применяют низкоуглеродистые стали, которые содержат до 0,2 % углерода и поддаются цементации с последующими закалкой и низкотемпературным отпуском. Стали для цементации подразделяются на три группы:

— углеродистые стали с сердцевиной, которая не упрочняется во время последующей термической обработки;

— низколегированные стали с незначительно упрочняемой сердцевиной;

— легированные стали с сильно упрочняемой сердцевиной при термической обработке.

К сталям первой группы относятся стали 10, 15, 20. В результате низкой прокаливаемости их применяют для малоответственных деталей с неупрочняемой сердцевиной. Даже после закалки с охлаждением в воде слои, которые расположены под цементированным слоем, имеют ферритно-перлитную структуру, и, соответственно, низкую твердость и прочность.

К сталям второй группы относятся низколегированные стали 20Х, 20ХР, 20ХН, которые после цементации подвергают закалке в масле, что позволяет получить бейнитные структуры по сечению детали и следующие механические свойства: sв до 750 МПа, δ до 12%, КСU — 0,6…0,7 МДж/м2.

К сталям третьей группы относятся стали типа 20ХГР, 20ХНР, 12Х2Н4, 18Х2НВ, 30ХГТ, которые после охлаждения в масле закаливаются на мартенсит. Если после закалки в цементированном слое сохраняется большое количество остаточного аустенита, то такие стали подвергают обработке холодом, а затем низкому отпуску.

Процесс производства закалки

Закалка представляет вид термообработки металлов и их сплавов, стекла, и заключается в нагревании до температурного уровня, превышающего критические значения, и проведением быстрого охлаждения. Выполнение закалки металла, позволяющей получить качественные характеристики, не следует приравнивать к обычному виду обработки, производимой для осуществления фазовых преобразований.

Охлаждение зачастую выполняют в водной или масляной среде, но имеются и иные методы: твёрдый теплоноситель псевдокипящего характера, поток сжатого воздуха, водяное облако, полимеры.

Существуют такие виды закалки:

• для сталей, обладающих полиморфическими преобразованиями;
• для преобладающей части цветных металлов без наличия полиморфического преобразования.

После закалочной операции возрастает твердость материала, но он приобретает хрупкость, наблюдается снижение уровня пластичности и вязкости при повторных процедурах нагрева и охлаждения. Применение отпуска металла после операции закаливания с полиморфным преобразованием позволяет добиться уменьшения хрупкости, повышая при этом характеристики пластичности и вязкости. При выполнении процедуры без структурных преобразований используют операцию старения. Отпуск способствует незначительному понижению твердости и прочностных характеристик металла.

Учитывая температурные режимы нагревания, выполняется разделение процедуры закаливания на полную и неполную. Полное закаливание выполняют нагреванием на 30…50 0С по уровню выше линии GS для сталей, обладающих доэвтектоидной и эвтектоидной структурой, для заэвтектоидной — по линии PSK (согласно диаграммы железоуглеродистых сплавов). При этом наблюдается образование структуры аустенита и аустенит + цементит. При производстве неполного закаливания выполняют нагрев выше линии PSK, что ведет к появлению излишних фаз.

Проведение отпуска позволяет снимать напряжения закаливания.

Для определенной категории изделий требуется проведение неполного или выборочного закаливания, к примеру, процесс производства катан (японских мечей) предполагает выполнение закаливания по режущей кромке.

Механические свойства стали 20 после нормализации

Среды для закалки

При выполнении закаливания для получения эффекта переохлаждения аустенита до мартенситного превращения требуется провести ускоренную процедуру охолаживания. Причем это надо выполнить в промежутке 650…400 0C, где аустенит имеет свойства меньшей устойчивости и осуществляется ускоренное преобразование в смесь ферритно-цементитного состава. При температуре свыше 650 0C наблюдается невысокая скорость преобразования аустенита, что позволяет проводить процесс остывания в размеренном режиме при условии постоянного контроля за его ходом.

Сырьем для образования закалочных сред может быть использована вода, масло, водополимерные среды (Термат), солевые растворы, обладающие следующим механизмом воздействия. При опускании в среду закалки вокруг поверхности изделия из перекаленного пара происходит образование плёнки. Процедура охлаждения осуществляется посредством паровой рубашки и продолжается относительно долго. При достижении определенной температуры, задаваемой исходя из компонентов жидкости, происходит разрыв паровой рубашки, начинается кипение жидкости, проходящее на поверхности изделия, и достигается быстрое остывание.

Процесс медленного кипения происходит в несколько этапов:

• плёночное;
• пузырьковое;
• конвективный теплообмен. При этом наблюдается явление более низкого уровня температуры на поверхности металла в сравнении с температурными показателями кипения жидкости. Учитывая невозможность кипения жидкости, происходит замедление охлаждения.

Химический состав стали 20 в соответствии с ДСТУ 7809, %

С	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Ni	As
0.17-0.24	0.17-0.37	0.35-0.65

Описание марки стали 20ЮЧ

Марки стали 20юч представляют собой конструкционную легированную сталь, устойчивую к коррозионному растрескиванию. Как правило, к такому виду относятся высокопрочные нержавеющие стали различных классов. Улучшенные технические характеристики достигаются благодаря особой термической обработке.

Конструкционная сталь — сплав, который применяется для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определенными механическими, физическими и химическими свойствами.

Данный материал в основном используется для производства изделий, с помощью которых строят трубопроводы. К таким относятся:

• плоские фланцы,
• корпуса и днища,
• нефтяные и газопроводные трубы, обладающие повышенной коррозионной устойчивостью и хладостойкостью,
• детали, работающие в средах с высоким содержанием сероводорода и углекислого газа,
• элементы, функционирующие при температуре от -40°С до +475°С.

Помимо этого из стали марки 20ЮЧ производят трубопроводную арматуру с применением термической обработки, а также сварные сосуды для газовой и нефтяной промышленности. К тому же детали из этого материала используются в системах поддержания пластового давления, которые активно добываются на нефтедобывающих предприятиях.

Цементация

Цементация (науглероживание) — это процесс ХТО, заключающийся в насыщении поверхностного слоя углеродом с последующей закалкой и низким отпуском. Цементации подвергают низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,1—0,3%, при этом сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом, сохраняет высокую вязкость после закалки. Так как эти стали в основном подвергают цементации или нитроцементации, их обычно называют цементуемыми.

Участки детали, не подлежащие цементации, защищают специальными пастами, состоящими из жидкого стекла, глины, песка, асбеста и других добавок, или оставляют слой металла, удаляемый после цементации перед закалкой. Ранее эти участки покрывали тонким слоем меди, которую наносили электролитическим способом, однако этот способ не отвечает требованиям экологичности процессов.

Цементацию проводят при температуре 930—950 °С, в печь подают в качестве карбюризатора природный газ, либо пропан-бутановые смеси, либо жидкие углеводороды. Время цементации зависит от требуемой толщины (глубины) слоя; в среднем за 1 ч глубина слоя увеличивается на 0,15 мм.

Цементацию ведут в герметичных универсальных камерных печах (в серийном производстве) или безмуфельных проходных агрегатах непрерывного действия (в массовом производстве). В целях автоматического регулирования концентрации углерода в слое в эти печи подают газ-карбюризатор и газ-разбавитель. В качестве газа-разбавителя используют эндогаз состава 20% СО, 40% Н₂, 40% N₂, имеющий углеродный потенциал (науглероживающую способность) 0,45; это значит, что сталь 45, нагреваемая в печи, заполненной этим газом, не будет ни науглероживаться, ни обезуглероживаться.

Регулирование производится следующим образом: при увеличении концентрации углерода в слое (увеличении углеродного потенциала атмосферы печи) поступает команда на перекрытие доступа карбюризатора и увеличение подачи эндогаза (в печи постоянно поддерживается положительное давление), и, наоборот, при снижении углеродного потенциала атмосферы печи поступает команда на увеличение подачи карбюризатора и снижение расхода эндогаза.

Окончательные свойства цементованных деталей достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. При использовании наследственно мелкозернистых сталей (18ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМТ) обычно после цементации ведут подстуживание, до температуры 780—820 °С и последующую закалку непосредственно из цементационной печи. Высоколегированные никелем стали 18Х2НВА, 20Х2Н4А подвергают после цементации перед закалкой промежуточному высокому отпуску при 650—680 °С для снижения устойчивости аустенита.

Окончательной операцией термической обработки цементованных деталей является низкий отпуск при 180—200 °С, снижающий закалочные напряжения (рис. 4.27).

Как следует из рисунка 4.27, наиболее экономичен процесс обработки природномелкозернистых сталей, не нуждающихся в повторном нагреве на закалку для измельчения зерна.

Наиболее длителен процесс обработки хромоникелевых сталей, для которых назначают не только промежуточный высокий отпуск, но и обработку холодом при температуре —70 °С в специальных холодильных камерах, чтобы обеспечить более полное превращение аустенита в мартенсит.

Рис. 4.27. Термическая обработка цементованных деталей: а — режим термообработки сталей 20, 15Х; б — термообработка природномелкозернистых сталей типа 18ХГТ, 25ХГМ; в — термообработка высоколегированных никелем сталей типа 12ХНЗА, 20Х2Н4А

За толщину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности до половины переходной зоны, содержащей примерно 50% перлита и 50% феррита (рис. 4.28).

Рис. 4.28. Схема микроструктуры цементованной стали в отожженном состоянии

Суммарная толщина цементованного слоя составляет от 5 до 15% наименьшей толщины или диаметра цементуемого сечения (чем больше в стали углерода и меньше величина удельных нагрузок, тем меньше толщина цементованного слоя); для большинства деталей машин она лежит в пределах 0,8—1,4 мм. Для зубчатых колес толщина слоя зависит от модуля (от) и составляет 0,1 от.

Концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять 0,8—1,0%. Повышение концентрации углерода в поверхностном слое свыше 1,2% приводит к снижению предела выносливости и трещино- стойкости. Снижение концентрации углерода в поверхностном слое менее 0,8% приводит к понижению твердости и износостойкости поверхности.

В результате цементации и закалки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита, небольших участков остаточного аустенита и небольшого количества карбидов. Структура в сердцевине — сорбит. Твердость поверхности цементованных деталей 56—60 НЛСэ, твердость сердцевины 30—40 НЛСэ. В структуре цементованного слоя недопустимо большое (более 30%) содержание остаточного аустенита, снижающего усталостную изгибную и контактную прочность деталей. Образование карбидной сетки недопустимо, так как она резко повышает хрупкость слоя.

На рисунке 4.29 приведены структуры поверхностного слоя и сердцевины цементованных сталей.

Рис. 4.29. Микроструктуры сталей после цементации, закалки и низкого отпуска, х400:

а — мелкоигольчатый мартенсит, аустенит (балл 1) — годная к эксплуатации;

б — грубоигольчатый мартенсит и остаточный аустенит (балл 6) — подлежит переработке (повторной закалке с отпуском); в — цементованный слой, обезуглероженный с поверхности, подлежит переработке (повторной цементации, закалке, отпуску); г — грубые карбиды в поверхностном слое (балл 6) — подлежит переработке (повторной закалке с отпуском); д — грубая цементитная сетка — брак; е — структура сердцевины сорбит — годная к эксплуатации

Снижение в аустените концентрации углерода и легирующих элементов (за счет образования карбидов) приводит к уменьшению закаливаемости и прокаливаемости слоя.

К снижению прочностных свойств цементованной стали приводит также процесс окисления легирующих элементов («внутреннее окисление»). Окисляются химические элементы, имеющие большее сродство к кислороду по сравнению с железом (Сг, Mn, Si), аустенит обедняется ими и после закалки в поверхностном слое образуются сетка троостита и оксиды, снижается твердость и предел выносливости. Подавляется такой распад аустенита в результате насыщения поверхностного слоя азотом. Поэтому процесс совместного насыщения слоя углеродом и азотом (нитроцементация) лишен этого недостатка.

Закалка после цементации стали 20

ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ И ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И ТВЕРДОСТЬ ЦЕМЕНТОВАННОЙ СТАЛИ 20Х

Горбатенко В.П., Конарева С.В. (кафедра ФМ)

Повышение стойкости деталей прессового инструмента для изготовления изделий из огнеупорных материалов является достаточно важной задачей. Для плит прессформ, которые работают в условиях абразивного износа, в целях экономии вместо сталей типа Х12 в ряде случаев применяют цементуемые стали с упрочнением их химико-термической обработкой В соответствии с действующими требованиями для обеспечения необходимой износостойкости прессформ твердость поверхности плит должна быть не менее 59 HRC. Вместе с тем на практике, отмечены случаи получения пониженной твердости рабочих поверхностей плит после ХТО. Возможные причины этого могут быть связаны как с нарушениями технологии упрочняющей обработки, так и с влиянием исходного структурного состояния и условиями предшеству­ющих обработок.

С целью установления причин недостаточной стойкости рабочих элементов прессового инструмента и последующей корректировки существующих параметров упрочняющей обработки исследовали структуру и твердость плит прессформ, изготовленных из листовой стали 20Х после обработки в условиях действующего производства по следующим режимам:

Режим 1. Цементация в твердом карбюризаторе при температуре 920- 950 о С с выдержкой 10-12 часов, охлаждение на воздухе.

Режим 2. Закалка с цементационного нагрева после подстуживания до 870 о С.

Режим 3. Закалка с цементационного нагрева после подстуживания до 800 о С.

Режим 4. Обработка по режиму 2 + закалка с отдельного нагрева до 800 о С.

Изучение структуры образцов после обработки по режиму 1 позволило установить, что глубина цементованного слоя в целом отвечает требованиям ( h ³ 1,5 мм), однако наблюдается различная глубина слоя с разных сторон плит. При этом, на одной стороне плит глубина могла составлять 3…3,5 мм, а на другой — 1,5…1,6 мм. Причиной неоднородного насыщения может быть нерациональная укладка плит в ящике для цементации. Данные измерения твердости, представленные свидетельствуют, что твердость после цементации составляла 35-45 HRC, а после обработки по режиму 2 находилась на уровне

58 HRC, упрочнение по режиму 3 обеспечивает получение твердости 60 — 62 HRC, а по режиму 4 — 62 — 63 HRС.

Результаты рентгеноструктурных исследований позволяют предпо­ложить, что снижение твердости стали, закаленной с цементационного на­грева, может быть связано с повышенным содержанием остаточного аусте­нита в поверхностном слое, которое составило

41%. При изучении структуры цементованного слоя после закалки с цементационного нагрева было выявлено наличие крупнозернистой структуры со средним размером зерна

71,4 ± 15 мкм. Проведение закалки с отдельного нагрева привело к получению более дисперсной структуры аустенита со средним размером зерна 10-17 мкм. Анализ частотных кривых распределения зерен аустенита по размерам, показывает, что более мелкое и более равномерное зерно аустенита в цементованном слое формируется после двойной закалки.

В связи с тем, что плиты прессформ изготавливаются из листа, в том числе полученного и контролируемой прокаткой, в исходном состоянии металл характеризуется наличием развитой структурной полосчатости, которая полностью не устранилась даже после длительной выдержки при цементации. Формирование разнозернистой структуры аустенита в процес­се цементации приводило к получению разнозернистой феррито-перлит­ной структуры металла сердцевины и переходной зоны после цементации и медленного охлаждения. В структуре были видны большие по размерам участки перлита, расположенные в полях дисперсной феррито-перлитной структуры. Это может служить свидетельством наличия очень крупных зе­рен аустенита в структуре стали перед диффузионным превращением.

Для того, чтобы дополнительно повлиять на структуру в исходном состоянии, перед цементацией проводили предварительные термические

обработки — отжиг или закалку. Полный цикл упрочняющей термической обработки в этом случае включал следующие режимы:

Режим 5. Отжиг при 870 о С перед цементацией, цементация с последующим охлаждением на воздухе, закалка с отдельного нагрева от 800 о С.

Режим 6. Закалка от 870 о С перед цементацией, цементация с последующим охлаждением на воздухе, закалка с отдельного нагрева от 800 о С.

Исследование микроструктуры образцов после таких обработок поз­волило установить, что после режима 5 формируется разнозернистая структура крупноигольчатого мартенсита, а после обработки по режиму 6 мартенсит имел более мелкозернистое строение, что, очевидно и способ­ствовало получению более высокой твердости 61 — 63 HRC, чем после режима 5 — 59 — 60 HRC.

Таким образом, экспериментально подтверждено положительное влияние закалки с отдельного нагрева на структуру и свойства цементованной стали 20Х после цементации в твердом карбюризаторе.

Установлено существенное влияние на структуру и свойства стали 20Х, упрочненной по различным режимам ХТО, исходного структурного состояния.

Какой вид упрочнения стали выбрать:
Азотирование, Цементация или Твердое хромирование

Для начала давайте, разберемся, что же из себя представляет каждый из видов упрочнения?

Азотирование – это обработка стали в процессе ее нагрева в среде высокого содержания аммиака. Вследствие этого поверхность стали насыщается азотом и приобретает следующие качества:

1. Улучшается износостойкость деталей из металла за счет повышения твердости поверхностного слоя;
2. Растет выносливость прочности стальных изделий;
3. Обработанный материал приобретает стойкую антикоррозионную защиту, которая сохраняется при контакте с водой, воздухом и паровоздушной средой.

Азотированный слой обладает высоким показателем твердости без дополнительной термообработки. Кроме того, после азотирования размер обрабатываемой детали остается практически неизменным. В отличие от цементационного процесса, его можно применить к готовым изделиям, которые прошли термическую закалку с высоким отпуском и отшлифованы до окончательных форм. После азотирования детали полностью готовы к чистовой полировке и другой обработке. Азотированию обычно подвергаются детали, работающие на трение в агрессивных средах и при высоких температурах.

Цементация — это процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Цель цементации — обогатить поверхностный слой детали углеродом до концентрации 0,8—1,1% и получить, после закалки, высокую твердость поверхностного слоя при сохранении пластичной сердцевины. Данной обработке подвергают такие детали машин и аппаратов, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают износостойкость и предел выносливости детали.

Твердое хромирование широко применяется для повышения срока службы мерительного и режущего инструмента, штампов и пресс-форм, особенно для обработки неметаллических материалов (пластмассы, стекла, резины и др.), для увеличения износостойкости деталей двигателей (поршневых колец, цилиндров, поршневых пальцев и др.) и других машин.

Итак, твердое хромирование применяют для уменьшения трения, повышения прочности. Вследствие проведения процедуры хромирования, повышается коррозийная стойкость стали к пресной и соленой воде, к азотной кислоте, к газовому воздействию (до 800°С).
Толщина покрытия твердого хромирования в большинстве случаев составляет от 0.075 до 0.35 мм.

Особенности твердого хромирования изделий

Новые изделия покрывают твердым хромом для придания материалу жаростойкости и твердости. Подобные специальные покрытия для новых изделий чаще всего наносят слоем не меньше 30 мкм. Чем меньше толщина покрытия снаружи (норма составляет на 20-40 мкм больше, чем величина поля допуска), тем больше слой твердого хромирования углубляется в толщу детали. Это необходимо для того, чтобы при износе детали до нижнего предела допуска, на ней еще находилось некоторое количество запасного слоя хрома. Таким образом, покрытие изнашивается медленно и равномерно, в противном случае деталь деформируется. Изнашиваясь в местах тонкой прослойки, контур детали теряет свою первоначальную чертежную форму. Так, перед следующим твердым хромированием эту деталь необходимо будет довести до геометрической формы на чертеже. При этом можно повредить структуру поверхности металла. Детали, которые хромируют для восстановления прежних размеров, обычно обрабатывают на большую толщину.
В процессе хромирования, вещество наносится непосредственно на сталь. Цвет покрытия при толщине 2мкм — матовый белый, с голубым оттенком. После шлифовки деталь приобретает блеск.

Все перечисленные виды упрочнения (азотирование, цементация, твёрдое хромирование) Вы можете заказать в нашей компании.

Виды термообработки

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.

Отпуск

Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

Нагрев заготовки

Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз.

Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются.

Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке.

Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм. Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определены температуры для начала и конца ковки. Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термической обработки, но на это требуется дополнительное время и энергия. Нагрев металла до еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушение связей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке.

Пережог

Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали

Тонкая пленка окислов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°С; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300° ) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.

Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали.

Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330 ° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500°) и высоком (500-700°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние тростита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость.

При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение прочности, пластичности и вязкости, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит назначают для кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий — для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

Дефекты закалки

К дефектам закалки относятся:

• трещины,
• поводки или коробление,
• обезуглероживание.

Главная причина трещин и поводки — неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая причина — увеличение объема при закалке на мартенсит.

Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местах детали превышают прочность металла в этих местах.

Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения. При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.

Коробление (или поводка)возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.

Обезуглероживание стали с поверхности — результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).

Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т. е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла — 100 г, огнеупорной глины — 75 г, графита — 25 г, буры — 14 г, карборунда — 30 г, воды — 100 г. Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры

Антикоррозионная обработка изделий после термической обработки

После термической обработки, связанной с применением солей, щелочей, воды и прочих веществ, могущих вызывать при длительном хранении изделий коррозию, следует провести антикоррозионную обработку стальных изделий, заключающуюся в том, что очищенные, промытые и высушенные изделия погружают на 5 минут в 20 — 30% водный раствор нитрита натрия, после чего заворачивают в пропитанную этим же раствором бумагу.
В таком виде изделия могут храниться длительное время