ТЕМА 4. Термічна обробка сталевих деталей

Гартування вважається зміцнювальним видом термообробки, який застосовується для підвищення міцності, твердості та зносостійкості сталевих деталей виробів. Такі зміни після гартування пов'язані з утворенням нерівноважної метастабільної структури. Гартують сталеві деталі зі вмістом вуглецю більше 0,3%. Міцність сталевих деталей після гартування підвищується в міру збільшення вмісту вуглецю до 0,7%, а потім залишається сталою на рівні ~ НВ 670. Спочат­ку здійснюється ступінчасте нагрівання в печі доt= 1100° С, потім — таке ж ступінчасте охолодження і відпуск за t=200° С. Час виконання цих операцій становить приблизно 6,3 год.

З метою перетворення перліту на аустеніт сталь нагрівають вище ліній евтектоїдного перетворення (рис. 1.), витримують до утворення однорідного за складом аустеніту та охолоджують з критичною швидкістю гартування, яка не допускає утворення рівно­важної структури. Процес внаслідок перетворення кристалічних ґраток супроводжується значним збільшенням внутрішніх напружень і тому з метою їх усунення зразу ж здійснюють відпуск, після чого мартенсит переходить в одну із структур — тростит, сорбіт або залишається мартенсит. Загартована доевтектоїдна сталь має структуру дрібноголково- го мартенситу з незначною кількістю залишкового аустеніту, заевтектоїдна — структуру мартенситу із вторинним цементитом і залишковим аустенітом.

Рис. 1 – Діаграма стану залізовуглецевих сплавів

Розрізняють повне і неповне гартування сталевих деталей. Повне гартування передбачає нагрівання до температури на 30...50° С вище критичної точки А_с3 (.А_ст) (рис. 1), а неповне - вище точкиА_сГ але нижче А_с3 (А_ст). Температура гартування визначається залежно від вмісту вуглецю по лініях діаграми залізо-цементит. Повне гартування робиться для доевтектоїдних сталей, а неповне — заевтектоїдних.

Температура нагрівання сталевих деталей залежить від їх хімічного складу. Якщо під час нагрівання до температури меншої точки Ас1сталь зберігає перлітну структуру, то в разі подальшого нагрівання у перліті на міжфазних межах ферит-цементит з'являються зародки аустеніту, далі відбувається перекристалізація з утворенням нових центрів кристалізації аустеніту, тобто перетворення перліту в аустеніт.

Процес будь-якої термообробки включає три послідовні етапи: нагрівання, витримку при заданій температурі та охолодження. Нагрівання характеризується швидкістю та максимальною температурою. Решта етапів характеризується тривалістю витримки і швидкістю охолодження. У реальних умовах розрахункові дані процесів нагрівання та охолодження перевіряються на дослідних партіях, коректуються та представляються у вигляді таблиць (табл. 1). При цьому суттєве значення має правильний вибір способу нагрівання деталей. Використовується дуже повільне нагрівання ступінчасте з проміжними зупинками для вирівнювання температури за поперечним перерізом деталей. Для гарантії завершення фазового перетворення температура, до якої нагрівають піч, має бути вищою на 30...50° С.

Таблиця 1 -Норми тривалості нагрівання деталей

		Тривалість нагрівання на 1 мм
Обладнання	Температура	діаметра деталей, с
	нагрівання, °С	із вуглецевих сталей	із легованої сталі
Полум'янева піч	800...900	60...70	65...80
Те саме, але з
упакованими в ящики виробами	800...900	90...100	120...150
Електропіч	770...820 820...880	60...65 50...55	70...75 60...65
Соляна ванна	770...820 820...880	12...14 10...12	18...20 16...18
	1240...1310	9...11	11...13
Свинцева ванна	820...880	5...7	7...8
	770...820	6...8	8...10

Гартування сталевих деталей проводять на основному обладнанні термічних цехів, які класифікуються за різними критеріями. За технологічним призначенням їх поділя­ють на універсальні, цементаційні та спеціального призначення. За температурою — можуть бути низько-, середньо- і високотемпературні печі та установки. За видом теплової енергії розрізняють мазутні, газові і електричні печі та нагрівальні установки. Залежно від конструкції, характеру завантаження - розвантаження печі нагрівальні уста­новки поділяються на камерні, шахтні, ковпакові, ванні, карусельні, барабанні, конвеєрні, штовхальні, шнекові та інші. За характером середовища робочого простору розрізняють нагрівальні печі та установки з окисною (повітряною), атмосферною, контрольованими атмосферами, печі-ванни, вакуумні т печі тощо.

Поверхневе гартування залежно від вмісту вуглецю в сталі передбачає нагрівання деталей до температури вище критичної точки А за допомогою індуктивного нагрівання, полум'яного газового нагрівання, електроліту, електроконтактного способу. Найбільш поширене індуктивне нагрівання струмами високої частоти (СВЧ). При такому гартуванні у поверхневій варстві деталей завдяки утворенню дрібнозернистої структури із залишкови­ми напруженнями стиску одержуються підвищені механічні властивості, а саме — підвищення твердості на НRС 6...8, зменшення деформації, мале окалиноутворення, пристосованість до автоматизації процесу і т.п.

Основними дефектами як об'ємної, так і поверхневої термообробки сталевих деталей є перегрівання металу, нерівномірна швидкість охолодження, що веде до тріщиноутворення, короблення, відкалювання крайок, підвищеної крихкості загартованогошару, особливо в концен­траторах напружень. До дефектів гартування сталі також відноситься зневуглецювання, недогрівання, перегрівання, м'які плями, плямисте гартування, низька твердість, грубозернистість структури, перепал тощо.

Зневуглецювання, тобто част­кове вигоряння вуглецю у поверхневих шарах деталей, недогрівання, перегрівання та перепал, як наслідок неправильних режимів нагрівання, можна усунути повторним відпалюванням або нормалізацією. М'які плями, тобто знижена плямиста твердість, виникають на забруднених ділянках поверхні деталі, в місцях з окалиною, зневуглецьованих ділянках поверхні деталі або тоді, коли у разі охолодження вони не досить енергійно рухались у гартівній рідині. Уникають цього струменевим гартуванням деталей чи їх гартуванням у підсоленій воді. Плямисте гартування виникає при нерівномірному охолодженні деталей, дотиканні їх одна до одної та від утворення м'яких плям. Недостатня твердість поверхні деталей може бути наслідком малої швидкості охолодження під час гартування, недогрівання та недостатньої витримки в печі чи ванні. Цей дефект виправляється застосуванням високого відпуску. Уникнення зневуглецювання та окислення досягається нагріванням сталевих деталей у печах із захисною атмосферою чи в соляних ваннах, добре розкислених розкислювачами буром, фтористим магнієм і т.п. Грубозерниста структура сталі утворюється внаслідок завищення температури нагрівання деталей і виправляється високим відпуском.

Відпуск загартованих деталей як завершальна операція буває:

■ неповним - нагрівання до температуриА_сП але нижче точки А ₃ (рис.1), витримка при ній і наступне повільне охолодження; заевтектоїдні сталі відпалюються на зер­нистий перліт (сфероїдезація);

■  ізотермічним — нагрівання, як і у випадку звичайного відпуску, порівняно швидке охолодження до температури нижче точки А_сІ на 50— 100° С, ізотермічна витримка для повного розпаду аустеніту та порівняно швидке наступне охоло­дження;

■  дифузійним — нагрівання до температури 1150±50° С з макси­мальною швидкістю, мінімально потрібна витримка при цій темпера­турі, охолодження з пічкою до 800...850° С і наступне охолоджен­ня на повітрі.

Залежно від температури та одер­жуваної структури металу деталі розрізняють: |

 ■ низький відпуск — нагрівання деталей до 150...250°С з подальшимохолодженням з довільною швидкістю;

■             середній відпуск — нагрівання до 300...450° С, коли мартенсит перетворюється на тро­стит відпуску;

■             високий відпуск — нагрівання до 500...650° С, коли мартенсит перетворюється на сорбіт відпуску. Цей відпуск називають також поліпшенням сталі. Найважливіша особ­ливість відпуску — це розпад мартенситу.

Причиною такого розпаду є утворення в мартенситі ділянок з неоднорідною кон­центрацією вуглецю. Наступна структурна зміна — це виділення з мартенситу проміжних карбідів. При температурі понад 250° С і до 400° С активно відбувається утворення більш стабільної структури цементиту.До завершальних процесів карбідоутворення під час відпуску відноситься коагуляція та сфероїдизація цементиту, не пов'язана з фазови­ми перетвореннями, частинки якого набувають круглої форми і збільшуються у розмірах. Відпуск високовуглецевих сталей супроводжується розпадом залишкового аустеніту, що утворюється у великій кількості і перетворюється на нижній бейніт (200...300° С).

Температура нагрівання сталевих деталей визначається видом відпуску, а нагрівання потрібно здійснювати плавно та рівномірно, найкраще зі швидкістю 50... 100° С/год. Тривалість витримки визначає якість відпуску, оскільки в цей час формується структура відпущених сталевих деталей. Наближені температури термічної обробки основних груп сталевих деталей наведені у табл. 2.

Таблиця 2 -Режими термічної обробки сталей

Марка сталі	Відпал	Нормалізація	Цементація	Гартування	Відпуск	Твердість
Сталь 10	880...920°С, повітря	920...950°С, повітря	920...950°С, карбюриза­тори	790...810°С, вода	180...200°С, повітря	HRCe57...63 σв=360 МПа
Сталь 20	880...920°С, повітря	920...950°С, повітря	920...950°С, повітря	800...820°С повітря	180...200°С повітря	НВ143...179 σв=470 МПа
Сталь 45,50	8Ю...840°С, вода	840°С, вода	-	840°С, вода	200...700°С, повітря	HRC 15...59
Сталь 15Х	1200°С, вакуум, 10"3	900°С	-	900°С, масло, вода	200...600°С	HRC 38...48 σв=700 МПа
Сталь 45Х	840...860°С, 40...50°/год	830°С, масло, вода		830°С, масло, вода	200...650°С	HRC 50...56
Сталь 30X13	720° С, повітря	-	-	1000... 1050°С, масло, повітря	200...700°С	HRC21...55, σв=700 МПа
Сталь 65Г	790...815°С	790...815°С,		790...815°С, масло	150...600°С,	HRC 30...60
Сталь Р9, Р18	830...870°С, 4...6 год.	-	-	1220...1300°С, масло, /=40...50°	560...580°С, двократний	HRC 30...60
Сталь 111X15	800°С, пічка до 730°, 10...30°/год.	Сі	>	835...855°С, вода до 200° масло, нафта	150...600°С,	HRC41...65
Магнітна сталь ЕХ9К15М	680° С, повітря	1200...1240°С, витримка 5 хв.	Старіння в киплячій воді 5...8 год.	Ю30...1050°С, масло, витримка 10хв.	700°С, витримка 30 хв.	σв=66кгс/мм2

Нормалізація полягає у нагріванні сталевих деталей до певної перекристалізації до температури на 30...50° С вище критичної точки А_с3 (рис. 1) для доевтектоїдних сталей, абоА_ст — для заевтектоїдних. Після охолодження на повітрі сталь набуває дрібно­зернистої однорідної структури, зменшуються внутрішні напруження в деталях, усу­вається багато недоліків, які виникли під час попередньої термічної обробки. Нормалізація є перехідним ступенем відпалу до гартування і застосовується для усунення крупнозернистої структури, що одержується під час прокатування, кування, штампування, для покращення оброблюваності.

Структура низьковуглецевої сталі після нормалізації, як і після відпалу, феритно- перлітна, в середньо- та високовуглецевих сталях — сорбітна. У заевтектоїдних сталях у разі нормалізації усувається груба сітка вторинного цементиту. Твердість і міцність сталі після нормалізації вищі, ніж після відпалу. Якщо властивості нормалізованої та відпаленої маловуглецевої сталі різняться не дуже, то середньовуглецевих — суттєво. Найчастіше нормалізація застосовується, як проміжна термообробка для поліпшення струк­тури сталевих деталей, наприклад, перед гартуванням, але може використовуватись і як кінцева операція.

Відпал здійснюється з метою ліквідації дефектів структури сталевих деталей, а також для поліпшення оброблюваності. Після відпалу сталеві деталі мають малу твердість, помірну міцність, високу пластичність та в'язкість. У випадку дифузійного відпалу сталеві деталі нагріваються до температури на 150...250° С нижче лінії солідуса (рис. 1), при тривалій витримці 8...20 год. і повільному охолодженні в печі до температури 200...250° С, а потім на повітрі. У разі повного відпалу утворюється дрібнозерниста структура, знижується твердість, підвищується пластичність, зменшуються внутрішні напруження. Для повного відпалу сталеві деталі нагріваються до температури на 30...50° С вище критичної точки А_с3, витримують при цій температурі для завершення перетворень і повільно охолоджують у печі до 500° С зі швидкістю охолодження 5...20 С°/год., а далі на повітрі. Обробка забезпечує дрібнозернисту структуру та зняття внутрішніх напружень. Неповний відпал полягає у нагріванні сталевих деталей до температури на 20...50° С вище критичної точкиА_сГпри витримці та повільному охолодженні у печі. При цьому проходить перекристалізація лише перліту, що перетворюється в аустеніт, а фериту — в доевтектоїдній сталі та цементиту — в заевтектоїдній лише ча­стково. Доевтектощна сталь має феритно- аустенітну, евтектоїдна — аустенітну та заевтектоїдна — цементитно-аустенітну структуру. Рекристалізаційний відпал (рис. 2) використовується для зменшення твердості, підвищення пластичності, усу­нення наклепу сталей, що містять 0,1 ...0,2% С. Найповніше внутрішні напруження знімаються при температурі 600...680° С, при цьому одночасно проходить рекристалізація її структури.. Охолод­ження проводиться в печі повільно. Його також називають низьким відпалом.

         Рис. 2. Температури нагрівання вуглецевих сталей при відпалі: 1 - дифузійний відпал; 2 - повний відпал; 3 - неповний відпал; 4 - рекри­сталізаційний відпал; 5 - низькотемпературний відпал; 6 - високотемпературний відпал; 7 - нормалізація

До основних дефектів відпалу та нормалізації відносяться перепал, утворення тріщин, короблення, оплавлення (невиправний брак) і окислення, зневуглецювання, надмірне збільшення зерна, різнозернистість, підвищена твердість та знижена пластичність (виправний брак). Такий брак усувається по­вторним відпалом із фазовою перекристалізацією, нормалізацією чи гартуванням із високотемпературним відпуском.

Хіміко-термічна обробка передбачає насичення нагрітої поверхні сталевих деталей вуглецем, азотом, алюмінієм, хромом та іншими елементами з метою зміни складу, структури і властивостей поверхневої варстви. Така обробка застосовується для одержання більш твердої, зносостійкої поверхні деталей з поліпшеними механічними властивостями та підвищеною корозійністю і червоностійкістю за рахунок зміни хімічно­го стану. Залежно від елементів насичення поверхні деталей розрізняють такі види хіміко- термічної обробки: цементацію, азотування, ціанування та дифузійну металізацію (альтування, силіціювання тощо). Параметрами хіміко-термічної обробки сталевих деталей є температура нагрівання та тривалість насичення, а процесами, які забезпечують утворення дифузійного поверхневого шару — дисоціація, адсорбція та дифузія. Узагальнена класифікація процесів такої обробки наведена на рис. 3.

Цементація виконується для насичення вуглецем поверхневого шару сталевих дета­лей з маловуглецевої сталі (0,1...0,25% С), нагрітої до температури вище критичної точки А_с1 (рис. 1) з метою отримання високої твердості поверхні та в'язкої серцевини.

Рис. 3. Класифікація процесів хіміко-термічної обробки сталі

 

Процес відбувається завдяки контакту поверхні деталі з речовиною, багатою на атомарний вуглець, внаслідок чого вона насичується до 0,8...1,2% С. Така речовина називається карбюризатором, який буває твердим, газоподібним чи рідким. Залежно від температури і тривалості витримки та інших параметрів процесу глибина насичення досягає 0,5...2 мм. Зазвичай температура цементації становить 900...980° С .

Тверда цементація сталевих деталей полягає в: очищенні від іржі та забруднень; суміщенні деталей; приготуванні карбюризатора; пластуванні деталей з карбюризатором; встановленні контрольних стрижнів; герметизації ящика, повільному нагріванні до робочої температури з потрібною тривалістю витримки і контролі шару цементації за допомогою стрижнів; повільному охолодженні разом з ящиком; подальшій термообробці. Холодні деталі після цементації повинні мати світло-сіру поверхню. Для підвищення продуктивності цементації використовують карбюризатори у вигляді паст-сумішей, наприклад, газової сажі, кальцинованої соди, залізоціаністого калію, веретенної олії. Тривалість витримки цементації у випадку використання паст скорочується в 2...4 рази. Для захисту поверхонь, які не підлягають цементації, використовуються різні покриття типу спеціальних обмазок, міднення і т.д. Як обмазки використовують білу глину, тальк, оксиди свинцю, алюмінію,
азбестову крихту, свинцевий сурик, рідке скло і т.п.

Рис. 4. Найпоширеніші режимитермічноїобробки сталевих деталей після цементації

Найпоширені режими термообробки сталевих деталей після цементації показані на рис. 4. Для спадково дрібнозернистої сталі, коли деталі не мають відповідального призначення, застосовується такий режим термообробки: безпосереднє гартування від температури цементації з охолодженням в олії чи розплаві солі. Кращі результати дає гартування після попереднього підстужування на повітрі до 800...850° С (а). Для перетворення залишкового аустеніту в цементованомушарі легованих деталей після гартування сталі використовують обробку холодом (б). Після цементації застосовують швидке чи повільне охолодження деталей. Наступне гартування виконується при температурі нагрівання 760...780° С (в). Для зменшення короблення деталей використовується ступеневе гартування (160... 180° С), а у разі наявності у поверхневомушарі залишкового аустеніту застосовують обробку холодом (г). Для відповідальних деталей з метою забезпечення високих механічних властивостей застосовують складніший режим термообробки (д).Якщо у дифузійномушарі деталей навіть у випадку повільненого охолодження після цементації залишається велика кількість не перетвореного аустеніту, спочатку призначається високий відпуск за температури 600...640° С з тривалістю витримки 3...10 год. (е). Кінцевою операцією після цементації є низький відпуск деталей за температури 160... 180° С,

Азотування використовується для надання деталям високої твердості, яка не змінюється у випадку високих температур ~ 500...600^е С, високої границі витривалості та кавітаційної стійкості, корозійної стійкості і являє собою процес дифузійного наси­чення поверхні азотом при нагріванні в середовищі атомарного азоту.

Розрізняють газове азотування (суміші аміаку з азотом, частково — дисоційований аміак тощо) та азотування в рідкому середовищі (розплави ціаністих солей лужних металів з домішками карбонатів, а також розплави на основі карбаміду з такими самими домішками. За температурою процесу насичення розрізняють низькотемпературне (500...600°С) і високотемпературне (600... 1200° С) азотування. Поверхневі шари деталей, що складаються з поверхневих фаз, нітридної зони забезпечують потрібні фізико-механічні властивості. Середня швидкість азотування сталевих деталей залежить від температури і глибини шару.Азотування майже не змінює структуру поверхні, форму та розміри деталей. Тому технологічний процес виготовлення азотованих деталей розробляється у такій послідовності: попередня термообробка (гартування та відпуск), механічна обробка деталі, захист місць, що не азотуватимуться, азотування поверхонь деталі, кінцеве шліфування чи інша викінчуюча обробка. Ціануванням та нітроцементацією називається процес одночасного насичення поверхні деталей вуглецем і азотом з метою одержання високої твердості, зносостійкості, міцності від утомленості та корозійної стійкості. Ціанування виконують у рідкому чи твердому насичувальному середовищі за температури 540...560°С (низькотемпературне), 820...860° С (середиьотемпературне) та 920...960°С (високотемпературне). Глибина ціанування 0,02... 1,5 мм, тривалість насичення - 0,5... 1,5 год.

Нітроцементація — це насичення поверхні сталевих деталей вуглецем і азотом у га­зовому середовищі типу ендогазу, екзогазу, природного газу, пари триетаноламіну, син­тину тощо, при температурі 800...950°С (високотемпературна нітроцементація) або 560...580° С (низькотемпературна) упродовж 2... 10 год. або 0,5...6 год.

Борування поверхонь деталей полягає у їх насиченні бором для значного підвищення зносостійкості в абразивному середовищі. Найбільш поширене електролізне борування у розплавленій бурі в шахтних печах при 930...950° С з витримкою 3...4 год шару 0,1...0,3 мм, а твердість HRС 70...75. Для збільшення міцності боровані деталі загартовують.