Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Отжиг стали

закалка азотирование отжиг сталь

Отжигом (annealing) называется термическая обработка (heat treatment), в процессе которой производится нагрев деталей из стали до требуемой температуры с последующей выдержкой и медленным охлаждением в печи для получения однородной, равновесной, менее твердой структуры, свободной от остаточных напряжений.

На практике используют два принципиально различных вида отжига: отжиг I рода и отжиг II рода.

Отжиг I рода в зависимости от исходного состояния стали и температуры нагрева может быть: гомогенизационным, рекри-сталлизационным и отжигом для снятия внутренних напряжений (рис. 1).

Особенностью всех разновидностей отжига I рода является то, что все они не связаны с фазовыми превращениями в твердом состоянии стали и протекают независимо от того, идут при этом фазовые превращения или нет.

Рис. 1. Температура нагрева стали при отжиге и нормализации

1 - диффузионный отжиг; 2 - рекристаллизационный отжиг; 3 - отжиг для снятия напряжений; 4 - полный отжиг; 5 - неполный отжиг; 6 - нормализация

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг применяют для устранения химической неоднородности, возникающей при кристаллизации металла. Этому отжигу подвергают слитки и отливки из легированной стали для устранения дендритной или внут-рикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали при обработке давлением к трещинообразованию, анизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых пятен).

Нагрев при диффузионном отжиге проводят до максимально высоких температур, так как при этом наиболее интенсивно происходят диффузионные процессы, необходимые для выравнивания в отдельных объемах состава стали. Обычно для легированных сталей температуру гомогенизационного отжига выбирают в интервале 1050-1250°С. Так как диффузионные процессы наиболее интенсивно протекают в начале выдержки и их интенсивность с течением времени выдержки заметно снижается, то применение длительных выдержек при гомогенизации нецелесообразно. Это обусловлено также необходимостью экономии электроэнергии и увеличения производительности печей. Обычно на практике выдержка при гомогенизационном отжиге составляет не более 15-20 ч. После выдержки детали охлаждают вместе с печью до 800-820 С, а затем проводится охлаждение на воздухе. В результате диффузионного отжига получается крупное зерно, которое устраняется при обработке давлением или последующей термической обработке.

Рекристаллизационный отжиг заключается в нагреве холод-нодеформированной стали выше температуры начала рекристаллизации, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении.

Рекристаллизационный отжиг применяют для устранения наклепа после холодной пластической деформации. При проведении этого отжига главным процессом является рекристаллизация металла.

Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наибольшей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную термическую обработку для придания полуфабрикату или изделию требуемых свойств.

Для углеродистых сталей (0,08-0,2% С), подвергаемых прокатке, штамповке, волочению, применяют температуру отжига в интервале 680-700 С. Для высокоуглеро-диетой легированной хромистой и хромо- ^ никелевой стали применяют отжиг при §-температуре 680-740°С в течение 0,5 - 1,5 ч.

Рис. 2. Влияние температуры на остаточные напряжения (7) и предел текучести (2)

Отжиг для снятия внутренних напряжений проводят с целью уменьшения остаточных напряжений, образовавшихся в металле при ковке, литье, сварке и способных вызвать коробление и разрушение детали. Главным процессом, проходящим при отжиге для снятия внутренних напряжений, является полная или частичная релаксация остаточных напряжений. Этот процесс протекает вследствие того, что при определенной температуре отжига предел текучести стали становится ниже остаточных напряжений и происходит пластическая деформация, в результате которой остаточные напряжения уменьшаются до значений предела текучести (рис. 11.2).

На практике отжиг стальных изделий для снятия напряжений проводят в температурном интервале 160-700°С с последующим медленным охлаждением.

Отжиг II рода - термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до температур выше критических точек Ас1 или Ас3, выдержке и, как правило, в последующем медленном охлаждении. Отжиг II рода основан на прохождении фазовых превращений в твердом состоянии - превращении у -> а - и поэтому часто называется фазовой перекристаллизацией. При фазовой перекристаллизации измельчается зерно и устраняется видманштет-това структура, строчечность и другие неблагоприятные структуры стали.

В большинстве случаев отжиг II рода является подготовительной термической обработкой - в процессе отжига снижается твердость и прочность, что облегчает обработку резанием средне- и высокоуглеродистых сталей. Неполный отжиг инструментальных сталей предшествует окончательной термической обработке.

В некоторых случаях (например, для многих крупных неответственных отливок) отжиг II рода является окончательной термической обработкой.

Видманштеттова структура - особая структура доэвтектоидной стали, в которой феррит образует сплошную или прерывистую сетку с иглами, проходящими через перлитные зерна. Эта структура возникает при перегреве в процессе отжига или горячей деформации.

Существуют следующие разновидности отжига стали: полный, неполный и изотермический.

Полный отжиг применяется для доэвтектоидных статей и состоит в нагреве стали на 30-50°С выше точки Ас3, выдержке при этой температуре до полной перекристаллизации металла и медленном охлаждении (см. рис. 1). При таком отжиге образуется мелкое аустенитное зерно, из которого при охлаждении формируется равномерная мелкозернистая ферритно-перлитная структура. Поэтому полный отжиг обычно применяют с целью измельчения зерна. Кроме того, полным отжигом устраняют два порока структуры доэвтектоидной стали - видманштеттов феррит и строчечность.

Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно, от состава стали. Легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждаются при отжиге значительно медленнее (со скоростью 30-100°С/ч), чем углеродистые (со скоростью 100-200°С/ч). После распада аустенита в перлитной области дальнейшее охлаждение можно ускорить и проводить даже на воздухе. Если полный отжиг предназначен для снятия напряжений, медленное охлаждение с печью проводится до комнатной температуры.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (выше Ас1, но ниже Ас3). Этот вид отжига для доэвтектоидных сталей применяют ограниченно и в основном для улучшения их обрабатываемости резанием, так как в результате частичной перекристаллизации стали (избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит) образуется мягкий перлит. Неполный смягчающий отжиг позволяет сэкономить время и снизить стоимость обработки.

Неполный отжиг широко применяется для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. При неполном отжиге проводится нагрев до температур немного выше (на 10-30°С) точки Ах, что приводит к практически полной перекристаллизации стали и получению зернистой (сфероидальной) формы перлита вместо обычной пластинчатой. Поэтому такой отжиг называется сфе-роидизирующим.

Для сфероидизирующего отжига характерен узкий температурный «интервал отжигаемости» (750-780°С); у сталей, близких к эвтектоидному составу, интервал отжигаемости особенно узок (740-750°С). Легированные заэвтектоидные стали для получения зернистых карбидов можно нагревать до более высоких температур и в более широком интервале (770-820°С).

Конечная структура стали зависит от скорости охлаждения и температуры сфероидизирующего отжига. Чем меньше скорость охлаждения, тем до больших размеров возрастают глобулы карбида при распаде аустенита. Регулируя скорость охлаждения, можно получать структуры глобулярного перлита от точечного до крупнозернистого. Более мелкозернистый перлит обладает повышенной твердостью.

Сфероидизирующему отжигу подвергают углеродистые и легированные инструментальные и шарикоподшипниковые стали.

Отжигу на зернистый перлит подвергают также тонкие листы и прутки из низко- и среднеуглеродистой стали перед холодной штамповкой или волочением для повышения пластичности.

После отжига на зернистый перлит эвтектоидные и заэвтекто-идные стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием.

Изотермический отжиг применяют для улучшения обрабатываемости легированных сталей. Он состоит в нагреве на 30-50°С выше Д.3 (как и при полном отжиге) и сравнительно быстром охлаждении до температуры ниже Аг1 (обычно 660-680°С), изотермической выдержке при этой температуре для получения равновесной перлитной структуры и последующем охлаждении на воздухе (рис. 3).

Такой изотермический отжиг позволяет значительно сократить длительность процесса перекристаллизации, особенно для легированных сталей, которые для требуемого снижения твердости приходится охлаждать очень медленно при полном отжиге. Кроме того, при изотермическом отжиге обеспечивается получение более однородной ферритно-перлитной структуры стали.

Изотермический отжиг - более стабильный процесс; при его проведении легче поддерживать температуру на заданном уровне, чем регулировать скорость охлаждения при проведении полного отжига.

Изотермическому отжигу чаще всего подвергают поковки (штамповки) и сортовой прокат небольших размеров из легированной цементуемой стали.

Пружинную (канатную) проволоку из стали, содержащей 0,65-0,9% С, д перед холодным волочением подвергают изотермической обработке, кото - рая называется патентированием. При патентировании проволоку подвергают высокотемпературной аустенизации g (нагрев до температуры на 150-200°С) для получения однородного аустенита, а затем пропускают через расплавленную соль с температурой 450-550°С. В результате изотермического распада аустенита образуется тонкопластинчатый троостит или сорбит. Такая структура позволяет при холодной протяжке получать большие обжатия (более 75%) без обрывов. После заключительного холодного волочения получается проволока с высокой прочностью (от 2000 до 2250 МПа).

Рис. 3. Схема изотермического отжига

Если при проведении отжига охлаждение после нагрева и выдержки проводится на воздухе, то такой процесс называется нор-мализационным отжигом или нормализацией (normalization).

При нормализации сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше линии GSE (см. рис. 1) и охлаждают на воздухе. Ускоренное по сравнению с обычным отжигом охлаждение обусловливает несколько большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (сорбит) и более мелкое эвтектоидное зерно. Кроме того, при нормализации частично подавляется выделение избыточных фаз (феррита в доэвтектоидной стали и цементита в заэвтектоидной стали), и, следовательно, образуется квазиэвтек-тоид. В результате прочность стали после нормализации становится больше прочности после отжига.

Нормализацию применяют чаще всего в следующих случаях: как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием; для устранения пороков и общего улучшения структуры стали перед закалкой.

Таким образом, назначение нормализации как промежуточной операции аналогично назначению отжига. Но так как нормализация выгоднее отжига, то ее всегда следует предпочесть отжигу, если оба эти вида обработки дают одинаковые результаты.

Но нормализация как операция смягчения стали не всегда может заменить отжиг. Так как склонность аустенита к переохлаждению растет с увеличением содержания в нем углерода и легирующих элементов, то разница в свойствах после отжига и после нормализации будет существенно зависеть от состава стали. Поэтому нормализацию широко применяют вместо смягчающего отжига для малоуглеродистых сталей, в которых аустенит слабо переохлаждается, но она не может применяться для смягчения высокоуглеродистых сталей, которые весьма ощутимо упрочняются при охлаждении на воздухе из-за значительного переохлаждения аустенита.

В заэвтектоидных сталях нормализация позволяет устранить грубую сетку вторичного цементита за счет того, что растворившийся при нагреве выше Аст цементит при последующем ускоренном охлаждении в процессе нормализации стали не успевает вновь образовать грубую сетку цементита. Это заметно улучшает свойства стали.

Нормализацию используют и как окончательную термическую обработку средне- и высокоуглеродистых доэвтектоидных сталей, если требования к свойствам этих сталей умеренные и для них не обязательна закалка с высоким отпуском.



2. Поверхностная закалка

При поверхностной закалке на некоторую (заданную) глубину закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.

Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки.

Поверхностная закалка в зависимости от способа нагрева деталей подразделяется на следующие виды:

1) индукционную (т. в. ч.) по методу проф. В.П. Вологдина;

2) контактную (по методу проф. Н.В. Гавелинга);

3) газопламенную;

4) закалку в электролите (по методу И.З. Ясногородского).

2.1 Поверхностная закалка токами высокой частоты

Нагрев изделий токами высокой частоты вызывает разогрев поверхностного слоя изделия.

Это объясняется тем, что токи высокой частоты распространяются с неравномерной плотностью по сечению. Чем больше частота тока, тем на меньшую глубину изделия токи проникают.

Благодаря этому возникает большая плотность тока у поверхности изделия, вызывающая весьма быстрый разогрев поверхностных слоев металла.

Этот метод имеет ряд преимуществ: высокую производительность, достаточную легкость регулирования глубины закаленного слоя, получение большей твердости, чем при обычных методах закалки, отсутствие окалины и коробления.

Поверхностная закалка при контактном нагреве основана на том, что ток из сети через понижающий трансформатор 1 подводится к медным электродам, выполненным в виде роликов 2 (рис. 4), которые перекатываются по поверхности детали 3 и нагревают ее.

Рис. 4. Схема контактной закалки

Деталь при этом служит как бы сопротивлением, включенным в цепь. Вслед за роликами движется устройство для охлаждения детали. Глубина закаливаемого слоя зависит от скорости передвижения. Так, для получения глубины закалки 2-3 мм скорость движения роликов 5-8 мм/сек. Для нагрева поверхности используются сварочные трансформаторы (мощностью от 25 до 200 квт).

Существуют два способа поверхностной закалки при контактном нагреве:

1) закалка широким роликом по всей ширине закаливаемой поверхности;

2) ленточная обработка.

Последняя применяется для длинных деталей.

Недостатком метода поверхностной закалки при контактном нагреве особенно ленточной обработки - наличие полосок отпуска с пониженной твердостью, образующихся в результате того, что при нагреве очередной полосы отпускается расположенная рядом уже закаленная спираль.

Достоинство метода - простота установки. Рассмотренный метод используется для деталей простой конструкции.

2.2 Газопламенная поверхностная закалка

Сущность поверхностной газопламенной закалки заключается в том, что поверхность детали нагревается пламенем газовой горелки, после чего с помощью душирующих устройств проводится охлаждение. Поскольку пламя газовой горелки имеет очень высокую температуру (до 3000°С), нагрев поверхности длится короткое время, за которое теплота не успевает распространиться в глубь детали, поэтому нагрев, а значит и закалка получаются поверхностными. Этот метод поверхностной закалки является наиболее простым и доступным. Его можно применить даже в полевых условиях при ремонтных работах. В некоторых случаях при закалке крупногабаритных деталей он оказывается наиболее эффективным и экономически выгодным.

В качестве горючего газа применяют ацетилен, который получают непосредственно на месте в ацетиленовых генераторах, а также природный газ, пропан или метан, поставляемые в баллонах. Для сжигания газа используется кислород, который подается в горелки из баллонов.

Нормальное пламя газовой горелки имеет три зоны: ядро, восстановительную и окислительную зоны.

Рис. 5. Зоны пламени газовой горелки

Наибольшая температура получается на расстоянии нескольких миллиметров от ядра.

Если скорость выхода горючей смеси из горелки больше скорости распространения пламени, то факел горит нормально. В противном случае, например при засорении горелки, факел проникает внутрь ее, при этом обычно раздается хлопок, и пламя гаснет.

При газопламенной закалке для нагрева используются обычные сварочные горелки, в которые вместо мундштука вставляют специальные наконечники. Получаемая глубина закаленного слоя 1 -10 мм, но чаще - 2-5 мм, твердость по Роквеллу HRC 58-60.

Продолжительность нагрева обычно не превышает 10-15 с. За такое короткое время окалинообразования и обезуглероживания практически не происходит, и поэтому закаленная поверхность получается чистой, без следов окисления.

Результаты закалки зависят от правильного выбора и соблюдения технологического процесса. Сюда относятся: температура пламени; скорость перемещения горелки относительно закаливаемой поверхности; расстояние между наконечником горелки и поверхностью детали; расстояние между горелкой и охлаждающим устройством, продолжительность нагрева; интенсивность охлаждения.

Некоторые общие рекомендации по выбору режима приведены ниже. Расстояние между наконечником горелки и нагреваемой поверхностью устанавливается с таким расчетом, чтобы ядро пламени отстояло от поверхности примерно на 2-3 мм. Расстояние от оси факела до охлаждающей струи должно быть в пределах 12-25 мм. Скорость перемещения горелки относительно нагреваемой детали выбирается в пределах 50-250 мм/мин. Охлаждающей средой в большинстве случаев при газопламенной закалке служит вода, подаваемая через спрейер. Применяются также эмульсии, сжатый воздух и водовоздушные смеси.



2.3 Закалка в электролите

Процесс закалки в электролите заключается в следующем: в ванну с электролитом (5-10%-ный раствор Na2CO3) опускают стальную деталь и пропускают ток напряжением 250-350 в. Анодом служит ванна, а катодом является стальная деталь. Вокруг катода - детали - образуется водородная рубашка, обладающая очень высоким электросопротивлением. Вследствие этого водородная рубашка быстро нагревается до 1800-2000° С и деталь за несколько секунд нагревается до температуры выше точки Ас3.

Охлаждение детали производят или в том же электролите (после выключения тока) или в специальном закалочном баке.

Достоинства способа следующие: простота устройства установки; возможность простой автоматизации установки; возможность местной закалки (отдельных участков детали).

Недостатки закалки в электролите: применение для ограниченного числа деталей; необходимость предохранения деталей от коррозии; неравномерный нагрев поверхности детали из-за неравномерного распределения плотности тока.



3. Цементация стали

Цементация стали - поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости.

Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.25% C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900-950°С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) - при 850-900°С.

После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

Способы цементации:

1) в твёрдом карбюризаторе

2) в газовом карбюризаторе

3) в кипящем слое

4) в растворах электролитов

5) в пастах

3.1 Цементация в твёрдом карбюризаторе

В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь в зёрнах поперечником 3,5-10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы.

Технология процесса состоит в следующем: Загрузка деталей в стальной ящик с герметичным песчаным затвором. Укладка деталей производится таким образом, чтобы они были покрыты карбюризатором со всех сторон, не соприкасались друг с другом и стенками ящика. Далее ящик герметично закрывается песчаным затвором или замазывается огнеупорной глиной и загружается в печь.

Стандартный режим: 900-950 градусов, 1 час выдержки (после прогрева ящика) на 0,1 мм толщины цементированного слоя. Для получения 1 мм слоя - выдержка 10 часов.

При «ускоренном» режиме цементация производится при 980 градусах. Выдержка уменьшается в два раза, и для получения слоя 1 мм требуется 5 часов. Но при этом образуется цементитная сетка, которую придется убирать многократной нормализацией металла.

3.2 Цементация в газовом карбюризаторе

Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае с газовой цементацией можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов, и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

3.3 Цементация в кипящем слое

Цементация в слое мелких частиц (0,05-0,20 мм) корунда, через который проходит восходящий поток эндогаза с добавкой метана (кипящий слой). При прохождении газа частицы становятся подвижными, и слой приобретает некоторые свойства жидкости (псевдоожиженный слой).

В последние годы разработан процесс цементации в кипящем слое в атмосфере эндогаза с добавкой метана. Кипящий слой представляет собой гетерогенную систему, в которой за счет проходящего потока газа через слои мелких (0,05-0,20 мм) частиц (чаще корунда) создается их интенсивное перемешивание, что внешне напоминает кипящую жидкость. Частицы корунда располагаются на газораспределительной решетке печи. При определенной скорости прохождения восходящего потока газа (выше критической скорости) частицы становятся подвижными, и слой приобретает некоторые свойства жидкости (псевдоожиженный слой). В этом состоянии сцепление между частицами нарушено, они становятся подвижными и опираются не на решетку, а на поток газа. Достоинствами процесса цементации в кипящем слое являются: сокращение длительности процесса вследствие большой скорости нагрева и высокого коэффициента массоотдачи углерода; возможность регулирования углеродного потенциала атмосферы в рабочей зоне печи; уменьшение деформации и коробления обрабатываемых деталей за счет равномерного распределения температуры по всему объему печи. Процесс цементации в кипящем слое может быть использован на заводах мелкосерийного и единичного производства.

3.4 Цементация в растворах электролитов

Использование анодного эффекта для диффузионного насыщения обрабатываемой поверхности углеродом в многокомпонентных растворах электролитов - один из видов скоростной электрохимико-термической обработки (анодный электролитный нагрев) малогабаритных изделий. Анод-деталь при наложении постоянного напряжения в диапазоне от 150 до 300 В разогревается до температур 450-1050°С. Достижение таких температур обеспечивает сплошная и устойчивая парогазовая оболочка, отделяющая анод от электролита. Для обеспечения цементации в электролит, кроме электропроводящего компонента, вводят углеродсодержащие вещества-доноры (глицерин, ацетон, этиленгликоль, сахароза и другие).



3.5 Цементация в пастах

Цементация с нанесением на науглероживаемую металлическую поверхность С-содержащих материалов в виде суспензии, обмазки или шликера, сушкой и последующим нагревом изделия ТВЧ или током промышленной частоты. Толщина слоя пасты должна быть в 6-8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя. Температуру цементации устанавливают 910-1050°С.



4. Азотирование

Азотированием (азотизацией или нитрированием) стали называется процесс поверхностного насыщения стали азотом.

Азотированию, как и цементации, подвергают детали, работающие на износ и воспринимающие знакопеременные нагрузки. Азотированные детали имеют следующие преимущества: высокую твердость, износостойкость, теплостойкость и коррозийную стойкость. Так как азотированию подвергают в основном легированные стали определенных составов и процесс имеет большую продолжительность (30-60 ч.), применение его оказывается экономически целесообразным лишь для обработки ответственных инструментов и деталей авиамоторов, дизелей, турбин, приборов и т.п.

Насыщаемость железа молекулярным азотом при атмосферном давлении и температуре до 1500 0С невелика, однако ее можно увеличить, создав в печи высокое давление (несколько сот атмосфер). Но этот способ насыщения железа азотом пока не представляет практического интереса ввиду его трудоемкости.

Для насыщения целесообразнее использовать атомарный азот, образующийся в момент разложения соединений, содержащих этот элемент. В качестве такого соединения обычно применяют аммиак, диссоциация которого сопровождается выделением азота в атомарном активном состоянии, который, однако, вскоре переходит в молекулярное состояние и теряет свою активность:

2NH3 = 2N + 6H

2N N2

6H 3H2.



Поэтому азотирование интенсивно протекает лишь в том случае, когда диссоциация аммиака происходит в непосредственной близости от азотируемой поверхности.

4.1 Стали для азотирования

Все шире применяется азотирование аустенитных и нержавеющих теплостойких сталей.

Аустенитная сталь, как известно, имеет низкую износостойкость, но в то же время обладает рядом ценных свойств: парамагнитностью, высокой жаропрочностью, окалиностойкостью, коррозийной стойкостью и высокой ударной вязкостью при температуре ниже 0 .

Азотирование - наиболее эффективный способ повышения износостойкости аустенитных нержавеющих сталей.

В ряде зарубежных работ освещены результаты исследований сталей, содержащих титан. Эти стали азотируются быстрее, чем хромомолибденоаллюминиевая, и отличаются более высокой поверхностной твердостью и красностойкостью.

Разработана сталь, содержащая 18% Ni, насыщение азотом при 425-455 в течение 20 ч приводит к превращению в поверхностном слое феррита в аустенит, а последний, при охлаждении на воздухе превращается в мартенсит.

Рекомендовано подвергать азотированию (взамен цианирования) инструмент из быстрорежущих сталей Р9 и Р18.

Азотированию подвергают также детали из высокопрочного магниевого чугуна (в частности, коленчатые валы тепловоза и детали из специальных чугунов, легированных алюминием).



4.2 Основные процессы азотирования

Газовое азотирование

Насыщение поверхности металла производится при температурах от 400 (для некоторых сталей) до 1200 (аустенитные стали и тугоплавкие металлы) градусов цельсия. Средой для насыщения является диссоциированный аммиак. Для управления структурой и механическими свойствами слоя при газовом азотировании сталей применяют двух-, трёхступенчатые температурные режимы насыщения.

Разбавление диссоциированного аммиака: воздухом, реже водородом.

Контрольными параметрами процесса являются:

1) степень диссоциации аммиака;

2) расход аммиака;

3) температура;

4) расходы дополнительных технологических газов (если применяются).

Каталитическое газовое азотирование

Последняя модификация технологии газового азотирования. Средой для насыщения является аммиак, диссоциированный при температуре 400-600 градусов цельсия на катализаторе в рабочем пространстве печи. Для управления структурой и механическими свойствами слоя при каталитическом газовом азотировании сталей применяют изменение потенциала насыщения. В целом применяются более низкие температуры, чем при газовом азотировании.

Ионно-плазменное азотирование

Технология насыщения металлических изделий в азотсодержащем вакууме (примерно 0,01 атм.), в котором возбуждается тлеющий электрический разряд. Анодом служат стенки камеры нагрева, а катодом - обрабатываемые изделия. Для управления структурой слоя и механическими свойствами слоя применяют (в разные стадии процесса):

1) изменение плотности тока;

2) изменение расхода азота;

3) изменение степени разряжения;

4) добавки к азоту особочистых технологических газов: водорода, аргона, метана, кислорода.

4.3 Свойства азотированной легированной стали

Азотированный слой обладает высокой твердостью и износостойкостью. Износостойкость азотированной стали в 1,5-4 раза выше износостойкости закаленных высокоуглеродистых, цементованных, а также цианированных и нитроцементованных сталей.

Азотирование снижает вязкость стали, повышает ее прочность, ослабляет влияние концентраторов напряжений на снижение предела выносливости стали и существенно повышает предел выносливости, особенно тонких деталей и деталей, работающих в некоторых коррозионных средах.

Азотирование повышает сопротивление задираемости и налипанию металла под нагрузкой и особенно при повышенных температурах.

Азотированная сталь обладает теплостойкостью (красностойкостью), и ее твердость сохраняется после воздействия высоких температур. Например, сталь 38ХМЮА сохраняет свою твердость при нагреве до 500-520 0С в течение нескольких десятков часов. Еще большую устойчивость твердости против воздействия температур (до 600 0С) имеет аустенитная сталь. Однако при длительной эксплуатации в условиях высоких температур азотированный слой постепенно рассасывается, на поверхности образуются окислы и происходит глубокая диффузия кислорода по нитридным прожилкам, образующимся как в процессе азотирования, так и при длительном нагреве во время эксплуатации.

В результате азотирования коррозионная стойкость конструкционной стали (в среде воздуха, водопроводной воде, перегретом паре, слабых щелочных растворах) повышается и, наоборот, аустенитной хромоникелевой и нержавеющей хромистой стали некоторых марок понижается. Окалиностойкость последних сталей также понижается. Это объясняется тем, что в азотированном слое этих сталей из твердого раствора устраняется значительная часть хрома, входящего в состав образующихся нитридов.

Азотированная сталь обладает высокой эрозионной стойкостью в потоках горячей воды и водяного пара.

4.4 Оборудование для азотирования

Для проведения газового азотирование используются преимущественно шахтные ретортные и камерные печи. Для подготовки аммиака перед подачей в печь используется диссоциатор.

Для проведения каталитического газового азотирование используются преимущественно шахтные ретортные и камерные печи, оснащенные встроенными катализаторами и кислородными зондами для определения насыщающей способности атмосферы.

Для проведения процессов ионно-плазменного азотирования применяются специализированные установки, в которых происходит нагрев изделий за счет катодной бомбардировки и собственно насыщение.



5. Нитроцементация сталей

Нитроцементация сталей - процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 700-950°C в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Наиболее часто нитроцементация проводится при 850-870°С. После нитроцементации следует закалка в масло с повторного нагрева или непосредственно из нитроцементационной печи с температурой насыщения или небольшого подстуживания. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180-200°С.

Преимущества: по сравнению с цементацией, нитроцементация имеет ряд существенных преимуществ. При легировании аустенита азотом снижается температура б - г-превращения, что позволяет вести процесс насыщения при более низких температурах. Одновременно в присутствии азота резко возрастает диффузионная подвижность углерода в аустените (табл. 1). С повышением температуры эффект ускорения уменьшается (табл. 1).

Коэффициенты диффузии C и N при нитроцементации (Б. Прженосил)

Температура,°С	Нитроцементация	Цементация
	DN·10?11, м2/c	DC·10?11, м2/c	DC·10?11, м2/c	DC нитроцементации/DC цементации
850	0,3	0,38	0,17	2,24
900	0,6	0,75	0,38	1,97
950	1,08	1,17	0,87	1,38

Несмотря на значительно более низкую температуру насыщения, скорость роста диффузионного слоя при цементации (930-950°С) и нитроцементации (840-860°С) на толщину 0,5-0,8 мм практически одинакова. Производственный цикл при нитроцементации, по сравнению с цементацией, сокращается на 50-60%.

Понижение температуры насыщения, без увеличения длительности процесса, позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей, повысить стойкость печного оборудования и уменьшить время на подстуживание перед закалкой.

5.1 Применение. Оборудование

Процесс нитроцементации получил широкое распространение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщина упрочненного слоя 0,2-1,0 мм. На ВАЗе 94,5% деталей, упрочняемых химико-термической обработкой, подвергается нитроцементации. Например, нитроцементация широко применяется для упрочнения зубчатых колёс. В этом случае эффективная толщина слоя (до HV 600) для шестерён с модулем 1,5-3,5 мм принимается 0,3 ± 0,1, а при модуле 4,0-5,5 мм - 0,4 ± 0,1.

Для газовой цементации и нитроцементации применяют практически одинаковое оборудование - шахтные, камерные или проходные печи.

5.2 Структура и свойства нитроцементированного слоя

При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементированного слоя должна состоять из мартенсита, небольшого количества карбонитридов и некоторого количества остаточного аустенита, структура сердцевины из троостосорбита, бейнита или малоуглеродистого мартенсита. В нитроцементированном слое нередко допускается повышенное количество остаточного аустенита, который обеспечивает хорошую прирабатываемость нешлифуемых автомобильных шестерён, что обеспечивает их бесшумную работу.

В стали 25ХГТ количество остаточного аустенита составляет 25-30%, а в сталях 25ХГМ и 25ХГМТ достигает 45-50%. В тех случаях, когда изделие после нитроцементации проходит шлифование, большое количество остаточного аустенита нежелательно, так как он не только снижает механические свойства, но и способствует образованию трещин при шлифовании. В американской практике считается допустимым содержание в нитроцементируемом слое остаточного аустенита в количестве, при котором твёрдость после закалки не ниже 60 HRC. Чаще твёрдость слоя составляет 58-64 HRC.



6. Диффузионное насыщение металлами

Диффузионное насыщение металлами - поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком, кремнием и другими элементами. Один из методов упрочнения материалов.

Изделия, обогащённые этими элементами, приобретают ценные свойства, к числу которых относятся высокая жаростойкость, коррозионная стойкость, повышенная износостойкость и твёрдость.

6.1 Методы насыщения

Твёрдая диффузионная металлизация

Металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или Cl2 образуются летучие соединения хлора с металлом (AlCl3, CrCl2, SiCl4 и так далее), которое в результате контакта с металлической поверхностью диссоциирует с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная металлизация

Данный вид металлизации проводят погружением детали в расплавленный металл, если диффундирующий металл имеет низкую температуру плавления.

Газовая диффузионная металлизация

Проводят в газовых средах, состоящих из галогенных соединений диффундирующего элемента. Газовая диффузионная металлизация осуществляется в муфельных печах или в печах специальной конструкции при 700…1000°С. Газовая фаза может генерироваться на расстоянии от поверхности насыщения (бесконтактный способ), или же в зоне контакта источника активной фазы с поверхностью металла (контактный способ).



6.2 Виды диффузионного насыщения металлами

Наиболее распространёнными видами диффузионного насыщения металлами являются:

1) алюминирование (насыщение алюминием), используется для деталей, работающих при высоких температурах;

2) диффузионное хромирование (насыщение хромом) используют для деталей и полуфабрикатов из стали, сплавов на основе никеля, молибдена, ниобия, меди и других элементов;

3) борирование (насыщение бором), обеспечивает высокую твёрдость (1800…2000 HV), износостойкость и стойкость против коррозии в разных средах;

4) силицирование (насыщение кремнием);

5) бериллизация (насыщение бериллием), обеспечивает для сталей повышение твёрдости, жаростойкости при 800-1100°С и коррозионной стойкости.

Достоинства диффузионного насыщения металлов:

Поверхность диффузионно-металлизированной детали обладает высокой жаростойкостью, поэтому жаростойкие изделия изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием и силицированием. Исключительно высокой твёрдостью (до HV 2000) и высоким сопротивлением абразивному износу обладают борированные слои, вследствие образования на поверхности высокотвёрдых боридов железа - FeB и Fe2B; однако борированные слои очень хрупкие. Сульфидирование - поверхностное насыщение стали серой. Для режущего инструмента стойкость повышается в 2-3 раза.

Недостатки диффузионного насыщения металлов:

Диффузия хрома, алюминия и других металлов протекает значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом растворы внедрения, а металлы - растворы замещения. При одинаковых температурных и временных условиях диффузионные слои при металлизации в десятки, а то и в сотни раз более тонкие, чем при цементации. Такая малая скорость диффузии препятствует широкому распространению процессов диффузионного насыщения в промышленности, так как процесс является дорогостоящим, и его проводят при высоких температурах (1000-1200°C) длительное время. Только особые свойства слоя и возможность экономии легирующих элементов при использовании процессов диффузионной металлизации обусловили некоторое их применение в промышленности.



7. Легирование стали

Для придания стали разнообразных свойств используется процесс легирования стали. Легирование - это процесс изменения состава сплавов путём введения определенных концентраций дополнительных элементов. В зависимости от их состава и концентрации изменяется состав и свойства сплава. Основные легирующие элементы для стали являются: хром (Cr), никель(Ni), марганец (Mn), кремний (Si), молибден (Mo), ванадий (V), бор (B), вольфрам (W), титан (Ti), алюминий (Al), медь (Cu), ниобий (Nb), кобальт (Co). В настоящее время существует большое количество марок стали с различными легирующими элементами.

7.1 Влияние легирующих элементов

Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств металлы легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы. Для легирования сталей используются хром, марганец, никель, вольфрам, ванадий, ниобий, титан и другие элементы. Небольшие добавки кадмия в медь увеличивают износостойкость проводов, добавки цинка в медь и бронзу - повышают прочность, пластичность, коррозионную стойкость. Легирование титана молибденом более чем вдвое повышает температурный предел эксплуатации титанового сплава благодаря изменению кристаллической структуры металла. Легированные металлы могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.

Легирующие элементы вводят в сталь для повышения её конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объёму. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее. Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). Главное назначение легирования: повышение прочности стали без применения термической обработки путем упрочнения феррита, растворением в нём легирующих элементов; повышение твердости, прочности и ударной вязкости в результате увеличения устойчивости аустенита и тем самым увеличения прокаливаемости; придание стали специальных свойств, из которых для сталей, идущих на изготовление котлов, турбин и вспомогательного оборудования, особое значение имеют жаропрочность и коррозионная стойкость. Легирующие элементы могут растворяться в феррите или аустените, образовывать карбиды, давать интерметаллические соединения, располагаться в виде включений, не взаимодействуя с ферритом и аустенитом, а также с углеродом. В зависимости от того, как взаимодействует легирующий элемент с железом или углеродом, он по-разному влияет на свойства стали. В феррите в большей или меньшей степени растворяются все элементы. Растворение легирующих элементов в феррите приводит к упрочнению стали без термической обработки. При этом твердость и предел прочности возрастают, а ударная вязкость обычно снижается. Все элементы, растворяющиеся в железе, изменяют устойчивость феррита и аустенита. Критические точки легированных сталей смещаются в зависимости от того, какие легирующие элементы и в каких количествах присутствуют в ней. Поэтому при выборе температур под закалку, нормализацию и отжиг или отпуск необходимо учитывать смещение критических точек.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями. Марганец вводят в сталь до 2%. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести, порог хладноломкости, прокаливаемость стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна с марганцем в сталь вводят карбидообразующие элементы. Так как во всех сталях содержание марганца примерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава остается неощутимым. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности стали.

7.2 Маркировка легированных сталей

Марка легированной качественной стали в России состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих её химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), тантал (Та), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц), селен (Е), редкоземельные металлы (Ч). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится 0,8-1,5%, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в сталях обычно до 0.2-0.3%) А также бора (в стали с буквой Р его должно быть до 0,010%). В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Пример: 03Х16Н15М3Б - высоколегированная качественная сталь, которая содержит 0,03% C, 16% Cr, 15% Ni, до 3% Mo, до 1% Nb

Отдельные группы сталей обозначаются несколько иначе:

1) Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами (ШХ), после которых указывают содержания хрома в десятых долях процента;

2) Быстрорежущие стали (сложнолегированые) обозначаются буквой (Р), следующая цифра обозначает содержание вольфрама в процентах;

3) Автоматные стали обозначают буквой (А) и цифрой обозначают содержание углерода в сотых долях процента.



Список литературы

закалка азотирование отжиг сталь

1. Оськин В.А., Евсиков В.В. Материаловеденье. Технология конструкционных материалов: Учебник для ВУЗов. Кн.1.-М. КолосС. 2000.

2. Лахтин В.М., Леонтьев В.П. Материаловеденье. - М.: Машиностроение, 1990.

3. Материаловеденье / Под общ. ред. Б.Н. Арзомасова. - М..1986.

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Легирование [Дата обращения: 16.02.2016]

Размещено на Allbest.ru