Технологический процесс термической обработки деталей машин

Главная > Книга >Промышленность, производство

Краткая характеристика видов предварительной термической обработки и область их применения представлены в табл.2.

Окончательная (упрочняющая) термообработка проводится для придания требуемых эксплуатационных характеристик (твердость, износостойкость и т.д.) поверхностям деталей машин.

Все детали, подвергаемые окончательной (упрочняющей) термообработке, можно разделить на две группы. К первой группе относятся детали, работающие на трение, поэтому проведенная термообработка должна обеспечить необходимую твердость, износостойкость поверхностного слоя. Ко второй группе относятся детали, испытывающие при работе значительные нагрузки различного характера: растягивающие, изгибающие, крутящие, контактные.

В деталях, испытывающих в процессе эксплуатации растягивающие и сжимающие нагрузки, напряжения по сечению распределены более или менее равномерно. Для таких деталей применяют сквозную закалку и отпуск.

В деталях, работающих на изгиб, кручение или при высоких контактных нагрузках, сквозное упрочнение сечения не обязательно, но, желательно поверхностное упрочнение при сохранении вязкой сердцевины.

Краткая характеристика видов окончательной термической обработки и область их применения представлены в табл.3.

Таблица 2. Виды предварительной термической обработки

Краткая характеристика и применение

Медленное охлаждение нагретой стали

(с печью, в горячей золе, песке, цементе и т.п.). В зависимости от температуры нагрева подразделяется на полный, неполный, диффузионный и рекристаллизационный

Скорость охлаждения до 50-100С/час для углеродистых и 20-60С/час для легированных сталей, затем на воздухе

Выравнивает структуру по всей площади сечения; снижает твердость и облегчает обрабатываемость; снимает внутренние напряжения; ликвидирует перегрев, измельчая структуру. Применяется для поковок и отливок только из доэвтектоидных сталей

Температура нагрева на 30-50С выше А С3

Обеспечивает получение зернистого перлита, обладающего лучшей обрабатываемостью, чем пластинчатый перлит. Применяется только для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей

Температура нагрева на 30-40С выше А С1

Диффузионный отжиг (гомоге-

Выравнивает химический состав по всему сечению. Отливки из легированных доэвтектоидных сталей

Температура нагрева на 150-200С выше А С3 , с длительной выдержкой

Снимает наклеп, увеличивая пластичность и уменьшая твердость, улучшает обрабатываемость. Все стали после холодной штамповки либо грубой механической обработки

Температура нагрева на 20-50С ниже А С1

Выравнивает и измельчает структуру; улучшает механические свойства стали; разрушает карбидную сетку у заэвтектоидных сталей. Применяется после горячей или грубой механической обработки стали, перед цементацией и после нее

Нагрев на 30-80С выше А С3 (А ст ), охлаждение на спокойном воздухе

Рекомендуемый вид окончательной термообработки для различных деталей автомобилей и дорожных машин представлен соответственно в прил. 5.

Таблица 3. Виды окончательной термической обработки

Режим

Охлаждение стали, нагретой до температуры выше А С1 , А С3 . Повышает твердость, прочность и износостойкость; измельчает структуру. Стали с содержанием углерода менее 0,3% перед закалкой подвергаются поверхностному науглероживанию (цементации), а с содержанием углерода 0,3% и более закаливает без дополнительной обработки. В зависимости от температуры нагрева закалка подразделяется на полную и неполную. Широко применяется для всех групп сталей

Скорость охлаждения и охлаждающая среда (вода, масло, воздух и т.п.) назначаются в зависимости от химического состава стали и требований, предъявляемых к детали

Применяется для эвтектоидных и доэвтектоидных сталей, обеспечивая максимально возможную твердость

Температура нагрева на 30-50С выше А С3

Применяется для заэвтектоидных сталей, обеспечивая им максимально возможную твердость

Температура нагрева на 30-50С выше А С1

Повышает твердость только поверхностного слоя. Применяется в тех случаях, когда необходима высокая износостойкость поверхности и мягкая сердцевина детали

Нагрев поверхностного слоя при помощи токов высокой частоты (ТВЧ) или горелок до темпера- туры выше А С3 с последующим быстрым охлаждением

Отпуск

Производится немедленно после закалки, с целью придания стали необходимых механических свойств. В зависимости от температуры нагрева подразделяется на: низкий, средний и высокий

Нагрев ниже А С1 , скорость охлаждения назначается в зависимости от хим. состава

Низкий отпуск

Понижает внутренние напряжения, возникшие в процессе закалки, без заметного снижения твердости и хрупкости. Режущий инструмент, не подвергающийся ударам; измерительный инструмент; поверхности деталей, работающих в условиях трения

Температура нагрева 150-250С. Для специальных легированных сталей интервал температур иной

Снижает внутренние напряжения и хрупкость, возникшие в процессе закалки, при некотором понижении твердости. Режущий инструмент, подвергающийся ударным нагрузкам; пружины

Температура нагрева 300-500С. Для специальных легированных сталей интервал температур иной

Продолжение табл. 3

Снижает внутренние напряжения и хрупкость, возникшие в процессе закалки; увеличивает вязкость и значительно понижает твердость; после высокого отпуска возможна обработка лезвийным инструментом. Ответственные детали машин; валы, шатунные болты и т.п.

Температура нагрева 500-700С. Для специальных легированных сталей интервал температур иной

Двойная термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска

См. закалку и высокий отпуск

Искусственное старение (прерывистое)

Стабилизирует размеры детали. Применяется после отпуска при обработке особо точных изделий, например, калибров, прецизионных деталей топливной аппаратуры

Нагрев до 110-140С, выдержка 2-3 часа, охлаждение в масле при 20-25С. Операция повторяется 3-4 раза. Иногда заменяется выдержкой до 100ч

Увеличивает твердость, переводя остаточный аустенит в мартенсит. Применяется немедленно после закалки (до отпуска) для деталей ответственного назначения и инструмента, изготовленных из углеродистых и легированных сталей с содержанием углерода свыше 0,6%. После обработки холодом необходим низкий отпуск

Температура охлаждения от –20 до – 100С в зависимости от химического состава стали

Насыщение поверхностного слоя детали углеродом до концентрации 0,8-1%. Обеспечивает получение (после закалки) изделия с высокой твердостью и износостойкостью на поверхности и с вязкой сердцевиной. Применяется для деталей, изготовленных из малоуглеродистых сталей (до 0,25% углерода)

Нагрев деталей в герметически закрытой среде твердого или газообразного карбюризатора на 50-80С выше А С3 , выдержка с медленным охлаждением

Насыщение поверхностного слоя детали азотом после предварительного улучшения. Придает высокую твердость (80-85 HRA), износостойкость и коррозионную стойкость поверхностному слою изделия при минимальном его короблении и не требует последующей обработки

Нагрев деталей в атмосфере аммиака при 500-700С с последующим охлаждением в парах аммиака до 100С

Окончание табл. 3

Одновременное насыщение поверхностного слоя детали N и С. В зависимости от температуры нагрева подразделяется на низкотемпературную (для повышения износостойкости режущего инструмента) и высокотемпературную (для создания износостойких деталей из малоуглеродистых легированных сталей)

Температура нагрева: а) 550-600С без последующей термообработки (низкотемпературная); б) 850-870С с последующей закалкой и низким отпуском (высокотемпературная)

Режимы термической обработки

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий с целью изменения структуры и свойств сплавов. Режимами процесса термической обработки являются: максимальная температура нагрева, время нагрева, время выдержки сплава при температуре нагрева и скорость охлаждения.

Температуру нагрева для различных видов термической обработки назначают: для углеродистых сталей по диаграмме железо-цементит, для легированных сталей – по справочникам или государственным стандартам. Ориентировочно можно использовать диаграмму.

Время нагрева стальных заготовок и деталей до заданной температуры зависит от ряда факторов: химического состава стали, размеров максимального сечения, теплопроводности, площади поверхности контакта с нагревающей средой и т.д.

Ориентировочные нормы времени для нагрева стальных деталей приведены в табл. 4.

Время выдержки изделий при температуре нагрева зависит от многих факторов. Ориентировочно время выдержки деталей и заготовок в пламенных и электрических печах берется в пределах 1,0 1,5 мин на 1 мм сечения детали. Допустимо принимать время выдержки равным 1/5 от времени нагрева. Время выдержки при отпуске назначается в соответствии с табл.5.

Время выдержки при цементации или азотировании назначается в соответствии с требованиями на толщину цементированного или азотированного слоя.

Продолжительность выдержки при цементации в твердом карбюризаторе (с момента достижения температуры цементации 950С) ориентировочно определяется из расчета 0,1 0,15 мм/ч. При газовой цементации (при 950С) продолжительность выдержки берется исходя из опытных данных:

Восстановление деталей машин. Термическая и химико- термическая обработка

Термическая и химико-термическая обработка широко применяются в ремонтном производстве для улучшения эксплуатационных характеристик деталей. Это совокупность термических операций, предназначенных для изменения внутреннего строения (микроструктуры) металла под воздействием изменяющейся по определенному циклу температуры и других факторов с целью придания металлу необходимых физико-механических свойств. Любой процесс термической обработки включает три этапа: нагревание детали с определенной скоростью до требуемой температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение детали в определенной среде с установленной для данного процесса скоростью.

В процессах изготовления и восстановления деталей машин термическая обработка применяется для улучшения обрабатываемости заготовок резанием, устранения внутренних остаточных напряжений и опасности образования трещин в отливках, поковках и сварных изделиях, придания материалу деталей требуемых физико-механических свойств. Термическая обработка является эффективным методом обеспечения и восстановления износостойкости, жаростойкости и других эксплуатационных свойств деталей машин.

Основными видами термической обработки, применяемыми в ремонтном производстве, являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение, обработка холодом.

Отжиг — термическая операция, предназначенная для снижения твердости материала детали, увеличения пластичности и вязкости, улучшения его обрабатываемости, а также для устранения неустойчивого состояния металла и снятия в нем внутренних напряжений, образованных при выполнении предшествующих операций (отливка или штамповка заготовки, сварка, черновая механическая обработка и др.). Отжиг происходит в результате медленного охлаждения нагретой до определенной температуры детали вместе с нагревательным устройством. Исходя из решаемых задач, в ремонтном производстве применяют следующие виды отжига: полный, диффузионный, для снятия остаточных напряжений.

Полный отжиг обеспечивается при нагревании изделия до температуры на 30—50 °С выше температур, соответствующих критическим точкам для данного материала, и выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением вместе с печью со скоростью 20—50 °С/ч. В результате такого отжига металл приобретает мелкозернистую структуру, повышаются его вязкость и пластичность, снижается твердость, устраняются внутренние напряжения, например в сварных соединениях.

Диффузионный (гомогенизационный) отжиг проводится при необходимости выравнивания за счет диффузионных процессов химического состава заготовок из легированных сталей, наплавленного материала. Для протекания диффузионных процессов температура нагрева стальных деталей должна составлять 1100—1200 °С. После выдержки в течение 8—15 ч при такой температуре отжигаемые изделия вначале охлаждают вместе с печью до температуры 800—850 °С и окончательно — на воздухе.

Нормализация — термическая операция, включающая нагрев стальных изделий до температуры 750—950 °С, выдержку при этой температуре и последующее их охлаждение на воздухе. Благодаря охлаждению на воздухе длительность процесса нормализации по сравнению с отжигом меньше в несколько раз. Нормализация проводится с целью повышения механических характеристик стали и улучшения ее обрабатываемости резанием, исправления структуры металла после сварки, горячей обработки давлением, а также как подготовительная операция к закалке.

Закалка — наиболее распространенный вид термической обработки, которая выполняется перед окончательной механической обработкой или в конце технологического процесса изготовления (восстановления) детали. Она заключается в нагревании стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем быстром охлаждении со скоростью 150—200 °С в секунду, что приводит к образованию неравновесной структуры материала. В результате закалки повышаются прочность, твердость, износостойкость и предел упругости стали, а ее пластичность снижается. Указанные свойства зависят от охлаждающей среды и скорости охлаждения стали.

В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду, водные растворы солей, щелочей, масло, водомасляные эмульсии и др., имеющие различную охлаждающую способность. Воду применяют для охлаждения углеродистых сталей. Высокая скорость охлаждения деталей в воде может быть причиной возникновения структурных напряжений и образования трещин. Поэтому для деталей из высокоуглеродистых и легированных сталей, а также деталей из углеродистых сталей с поперечным сечением менее 3 мм применяют закалку в машинном масле. Оно обеспечивает меньшую скорость охлаждения деталей, поэтому опасность образования в них трещин резко снижается.

Поверхностная закалка применяется в тех случаях, когда поверхностный слой детали должен иметь высокую твердость и износостойкость, а сердцевина быть вязкой и иметь повышенную усталостную прочность. Такие свойства важны для валов, осей, зубьев шестерен и других деталей, работающих в условиях трения и изгибающих нагрузок. Указанное сочетание свойств обеспечивают закалка токами высокой частоты (ТВЧ), газопламенная и другие разновидности поверхностной закалки.

Отпуск — вид термической обработки, включающий нагревание закаленной стальной детали до температуры, не превышающей 727 °С (обычно в диапазоне от 150 до 650 °С), выдержку и последующее охлаждение с любой скоростью, так как при такой температуре нагрева фазовые превращения в металле не происходят. Отпуск позволяет уменьшить хрупкость и твердость, а также повысить вязкость закаленной стали, снизить или устранить внутренние напряжения, возникающие при закалке. В зависимости от температуры нагревания различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск предусматривает нагревание закаленной детали до температуры 150—250 °С, выдержку (от 0,5 до 1,5 ч) при этой температуре и последующее ее охлаждение в машинном масле или на воздухе. После низкого отпуска твердость поверхности не изменяется, но уменьшаются остаточные закалочные напряжения и несколько повышается вязкость.

Средний отпуск отличается температурой нагрева деталей (300—500 °С). Они приобретают упругие свойства при сохранении высокой прочности. Среднему отпуску подвергают пружины, рессоры, мембраны.

При высоком отпуске детали нагревают до температуры 500—650 °С. Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением стали. После улучшения металл приобретает повышенную твердость. Этому виду термической обработки подвергаются ответственные детали машин — валы, зубчатые колеса и др.

Закалка холодом. При закалке холодом деталь, прошедшая обычную закалку, дополнительно подвергается охлаждению до температуры от -40 до -100 °С. В качестве охладителя обычно используется смесь из твердой углекислоты и ацетона, обеспечивающую охлаждение до температуры -78 °С. Закалке холодом подвергаются стали с содержанием углерода более 0,5 %, которые после обычной закалки имеют повышенное количество остаточного аустенита.

Сущность закалки холодом состоит в том, что при отрицательной температуре остаточный аустенит переходит в мартенсит. В результате несколько увеличивается объем детали и благодаря уменьшению количества неустойчивого остаточного аустенита стабилизируются ее размеры. Этот эффект проявляется в большей степени, если обработка холодом проводится сразу после обычной закалки. При этом повышаются также твердость и износостойкость, улучшаются магнитные характеристики металла, а у цементированных сталей возрастает предел выносливости и снижается ударная вязкость.

Увеличение объема обработанной холодом детали используется для восстановления точных изделий, в частности, калибров.

Особенностью химико-термической обработки является то, что необходимые свойства обработанных деталей (износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость и др.) обеспечиваются путем изменения химического состава и микроструктуры поверхностного слоя металла. Это достигается благодаря насыщению его определенными элементами, которые под воздействием температуры образуют с материалом детали твердые растворы или химические соединения, придающие ему требуемые свойства. Тем самым химико-термическая обработка позволяет вместо высоколегированных дорогих применять для изготовления деталей обычные углеродистые стали.

Из методов химико-термической обработки в ремонтном производстве чаще применяются цементация, азотирование, цианирование, диффузионная металлизация.

Цементация — процесс насыщения поверхностного слоя детали углеродом при нагревании в среде, содержащей углерод. Цементацию с последующей закалкой и низким отпуском проводят для получения высокой твердости поверхностного слоя (до 600 НВ) при сохранении твердости (160—170 НВ) и других свойств остального металла. В результате повышаются износостойкость и предел выносливости стальных деталей. Цементации обычно подвергаются так называемые цементируемые стали с содержанием углерода до 0,25 %, например, стали 10, 15, 20, 20Х. Толщина цементированного слоя в зависимости от длительности процесса составляет 0,5—2 мм при концентрации углерода в нем 0,8—1,0 %. Цементацию применяют также и для сталей с содержанием углерода до 0,35 %. В этом случае ее выполняют на меньшую глубину, что позволяет сократить длительность процесса.

Азотирование — процесс диффузионного насыщения азотом поверхностного слоя стальных и титановых изделий при нагревании их в среде аммиака или в расплаве специальных солей. Обычно применяют аммиак, который при нагревании разлагается, образуя атомарный азот. Азот диффундирует в поверхность детали и при взаимодействии с железом образует нитриды. Благодаря им повышаются твердость, износостойкость, коррозионная стойкость (во влажной атмосфере и пресной воде), усталостная прочность и теплостойкость материала. Детали, прошедшие азотирование, могут работать при температуре до 500—600 °С.

Азотированию подвергают готовые детали, прошедшие закалку с высоким отпуском (улучшение) и окончательную механическую обработку после термообработки. Неазотируемые участки изолируют электролитическим покрытием олова, а отверстия защищают пробками и замазкой. Толщина азотированного слоя в зависимости от температуры и длительности процесса составляет 0,2—0,7 мм. Слой такой толщины не позволяет применять азотированные детали при высоких удельных давлениях, вызывающих его разрушение, что ограничивает область применения азотирования.

По сравнению с цементацией азотирование имеет следующие преимущества: обеспечиваются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя; практически отсутствуют коробления деталей; азотированная поверхность более устойчива к коррозии. Однако азотирование — процесс более длительный и сложный.

Цианирование (нитроцементация) стали — процесс одновременного насыщения поверхностного слоя стали азотом и углеродом при содержании углерода в материале детали менее 0,4 %. Оно может производиться в твердых, жидких и газообразных средах. После цианирования проводят закалку и низкий отпуск деталей, в результате которых твердость поверхностного слоя составляет 59—63 HRC_э.

Диффузионная металлизация — процесс насыщения поверхностей стальных деталей различными металлами в твердых, жидких и газообразных средах при температуре 1000—1200 °С: алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борирование), одновременно хромом и алюминием (хромо-алитирование) или хромом и вольфрамом (хромо-вольфрамирование) и др. В результате диффузионной металлизации повышаются жаростойкость (окалиностойкость), износостойкость, твердость (до HV 2000) и коррозионная стойкость стальных деталей.

Алитирование стали предназначено для повышения жаростойкости (окалиностойкости) деталей, работающих при температурах до 900 °С. Детали засыпают в стальном ящике порошкообразной смесью, компонентами которой являются алюминий (49 %), оксид алюминия (39 %) и хлористый аммоний, нагревают в печи и выдерживают в течение 4—12 ч при температуре 950—1050 °С. В результате детали покрываются тугоплавкая пленкой из оксида алюминия толщиной более 0,1 мм, имеющей температуру плавления более 2000 °С и предохраняющей детали от окисления. Поэтому их можно использовать вместо деталей, изготовленных из жаростойких сталей. Покрытие устойчиво также в газах, содержащих сернистые соединения.