Поверхневе загартування - Навчальний посібник Челябінськ
При здійсненні поверхневого загартування найчастіше використовують індукційне нагрівання. Деталі поміщають в індуктор, що живиться змінним струмом із частотою від 103 до 105 Гц. При цьому у виробі індуктуються вихрові струми. Вони концентруються у поверхневому шарі, де й виділяється основна частина тепла. Товщина такого шару тим менша, чим вища частота струму.
Якщо при широко використовуваному пічному нагріванні його швидкість зазвичай не перевищує 0,1 ... 1,0 град / с, то при індукційному нагріванні вона може досягати 102 ... 103 град / с. З підвищенням швидкості нагрівання фазові перетворення зрушуються в область більш високих температур. У зв'язку з цим температура аустенітизації при індукційному нагріванні вибирається істотно вище, ніж при пічному нагріванні. Після нагрівання, практично без витримки, виріб занурюють у загартовану рідину або охолоджують за допомогою пристроїв, що душують.
Високочастотне загартування з подальшою низькою відпусткою при 150...250 °С часто застосовують до деталей з вуглецевих і низьколегованих сталей, що містять близько 0,4 %С. Глибина загартованого шару може досягати кількох міліметрів. Твердість після загартування з індукційним нагріванням на 2. 3 одиниці HRC вище, ніж після звичайного загартування з пічним нагріванням. Це забезпечує підвищену зносостійкість та контактну міцність. У загартованому шарі створюються значні стискаючі напруги, в результаті чого підвищується міцність втоми.
Для поверхневого зміцнення виробів використовують загартування з лазерним нагріванням. Висока густина потужності випромінювання, що генерується лазером, забезпечує нагрівання з надзвичайно високими швидкостями до 105...106 град/с. Лазерна обробка може проводитися без оплавлення, так і з оплавленням поверхні.
Глибина лазерногонагрівання зазвичай становить кілька десятих міліметра і не перевищує 2 мм. Внаслідок дуже малої тривалості нагріву глибші шари практично не прогріваються, тому охолодження після лазерного нагріву відбувається шляхом відведення тепла в глибинні шари теплопровідністю. Швидкість охолодження дуже висока (до 106 град/с). В результаті такого надшвидкого охолодження здійснюється загартування нагрітого шару.
Для великогабаритних виробів застосовують поверхневе загартування з нагріванням полум'ям пальника. Поверхню виробу нагрівають ацетиленокисневим полум'ям із температурою 2400…3200 °З. Внаслідок інтенсивного підведення тепла поверхневі шари завтовшки 2...4 мм швидко нагріваються до температур, що перевищують точку А3. При подальшому охолодженні за допомогою душуючих пристроїв поверхневий шар загартовується.^ 33. ВІДПУСТКА загартованої сталіВідпустка - це операція термічної обробки, що полягає в нагріванні загартованої сталі до температур, що не перевищують точку А1.
Залежно від температури нагрівання розрізняють низьку, середню та високу відпустку.
Середня відпустка (350 ... 450 ° С), при якому утворюється структура трооститу, в основному застосовується для ресорно-пружинних сталей, оскільки забезпечує високі значення меж пружності та витривалості. При цьому на досить високому рівні зберігаються твердість, межі плинності та міцності при помірній пластичності та в'язкості. Вибираючи режим середньої відпустки, слід уникати температурного інтервалу розвитку необоротної відпускної крихкості.
Висока відпустка найповніше знімає залишкову напругу. Але остаточний рівень внутрішньої напруги залежить від умов охолодження після відпустки. Чим повільніше охолодження, тим менша залишкова напруга. Вироби нескладної форми зазвичайохолоджують у повітрі. Але якщо сталь схильна до оборотної відпускної крихкості, охолодження після закінчення відпустки має бути прискореним. Відносно невеликі вироби після високої відпустки часто охолоджують у воді. Після високої відпустки з прискореним охолодженням з метою зменшення внутрішньої напруги іноді здійснюють ще одну додаткову відпустку з нагріванням до 400 °С, тобто. нижче температурного інтервалу розвитку оборотної відпускної крихкості.^ 34. ХІМІКО-ТЕРМІЧНА ОБРОБКА СТАЛИПри хіміко-термічній обробці насичують поверхневі шари виробу одним або декількома елементами. Для цього вироби нагрівають до заданої температури і витримують при ній певний час у середовищі, багатому на потрібні елементи. Хіміко-термічна обробка дозволяє змінювати склад поверхневих шарів, а отже, та їх структуру та властивості. Таку обробку застосовують для підвищення твердості, циклічної міцності, зносостійкості, а також захисту від корозії.
^ Загальна характеристика процесів, що протікають при хіміко-термічній обробціРозрізняють три стадії процесу хіміко-термічної обробки. На першій стадії у зовнішньому середовищі завдяки хімічним реакціям виділяється насичуючий елемент у атомарному стані. На другій стадії відбувається контактування атомів цього елемента з поверхнею виробу та проникнення їх у ґрати основного металу (адсорбція). Третя стадія - дифузія атомів насичувального елемента углиб металу. Перша та друга стадії протікають значно швидше за третю. Тому третя стадія визначає швидкість процесу хіміко-термічної обробки.
Глибина дифузійного шару залежить від температури, тривалості витримки та концентрації елемента на поверхні виробу. При цій температурі глибина дифузійного шару(у) залежить від тривалості насичення (τ) за параболічним законом: y = до √ τ, де до - константа. Отже, з часом швидкість збільшення товщини шару поступово зменшується. Підвищення температури підвищує швидкість дифузійних процесів. Тому глибина дифузійного шару за постійної тривалості витримки сильно зростає з підвищенням температури процесу (рис. 34.1.). За інших рівних умов товщина дифузійного шару тим більше, чим вище концентрація дифузного елемента на поверхні, що насичується.
Мал. 34.1. Залежність товщини дифузійного шару від тривалості (а) та температури (б) насичення
Характер розподілу дифузного елемента переважно металі залежить від цього, як вони взаємодіють між собою. Якщо дифузний елемент необмежено розчинний в основному металі, його концентрація поступово зменшується від максимуму на поверхні до нуля на деякій глибині. Коли процесі насичення поверхневого шару протікають фазові перетворення, характер розподілу дифузного елемента істотно змінюється.
Нехай залізо насичується елементом, що звужує γ-область (рис. 34.2). При температурі t1 насичення супроводжується фазовим перетворенням. Спочатку дифузія протікає у γ-фазі. Але коли буде досягнуто межу розчинності, відбудеться γ-α-перетворення. Зародки α-фази, що утворилися, почнуть рости від поверхні у напрямку дифузії вглиб основного металу. При цьому утворюються стовпчасті кристали -фази. Утворення нової фази призводить до того, що на межі кристалів α- і γ-фаз концентрація дифузного елемента стрибком зросте від С3 до С2. Двофазний шар α + γ не утворюється при насиченні чистого металу одним елементом.
Для сталей найчастіше використовують насиченняповерхневих шарів виробів вуглецем, азотом та обома елементами разом. Крім того застосовують дифузійне насичення деякими металами (алюмінієм, хромом), а також кремнієм та бором.
Мал. 34.2. Схема діаграми станів залізо-дифузний елемент (а), крива зміни концентрації дифузного елемента за товщиною шару (б) та будова дифузійного шару (в)
ЦементаціяПроцес дифузійного насичення поверхневого шару виробу вуглецем називається цементацією. Сталі, піддані цементації, зазвичай, містять трохи більше 0,25 %З. При цементації поверхневий шар насичують вуглецем до концентрації 0,8...1,0%. Вища концентрація вуглецю погіршує механічні властивості цементуемого виробу.
Широке застосування знайшла газова цементація. У цьому випадку як навуглероджувальне середовище (карбюризатора) застосовують природний газ, контрольовані атмосфери, одержувані в спеціальних генераторах, а також рідкі вуглеводні (гас, бензол), що подаються краплями в герметичний робочий простір печі, де вони утворюють активне газове середовище. Основний постачальник вуглецю при газовій цементації – метан:
Цементацію проводять при 920 ... 950 ° С в однофазній області існування аустеніту. Глибина цементації складає 0,5...2,0 мм. Залежно від заданої глибини цементації час витримки становить від кількох годин до 10...12 годин.
Якщо виробів необхідний підвищений комплекс механічних властивостей, після закінчення цементації вироби охолоджують до кімнатної температури, та був нагрівають під загартування до 820…850 °З. Таке нагрівання забезпечує подрібнення аустенітного зерна і повне загартування навуглероженного шару.
Цементації з наступним загартуванням і низькою відпусткою зазвичай піддають вироби, які повинні матизносостійку поверхню та в'язку серцевину (шестірні, вали тощо). Така обробка забезпечує також високі значення межі циклічної міцності.АзотуванняПроцес дифузійного насичення поверхневих шарів виробу азотом називається азотуванням. Його застосовують для підвищення зносостійкості та межі циклічної міцності різних деталей машин.
До азотування вироби піддають загартування і високу відпустку. Азотування проводять при температурах 500...540 °С в атмосферах, що містять аміак, який дисоціює з утворенням атомарного азоту:
2NH3 → 2N + 6H. Процес азотування – це тривала операція; її тривалість може досягати кількох десятків годин. Глибина азотованого шару становить 03...06 мм.
Твердість, що отримується при азотуванні заліза та низьковуглецевих сталей невелика. Тому азотування піддають середньовуглецеві сталі, леговані Аl, Сг, Мо і V. Азот з цими елементами утворює дисперсні нітриди (Сг2N, VN та ін) в результаті чого різко зростає твердість азотованого шару. Найбільш широко використовується для азотування сталь 38ХМЮА.
Азот сприяє дифузії вуглецю, що зумовлює нижчу температуру нітроцементації порівняно з цементацією. Зниження температури процесу забезпечує менше зростання аустенітного зерна. Це дозволяє здійснювати загартування безпосередньо після закінчення витримки. Зазвичай зануренню виробу в загартовану рідину передує деяке підстуджування. Низька відпустка проводиться при 160...180 °С, після чого твердість становить 58...64 HRC. Порівняно з газовою цементацією у нітроцементації є переваги: вища зносостійкість деталей і менша їх коробляння.обробка (ТМО) є одним із методів комбінованого зміцнення сталей. Вона являє собою сукупність операцій пластичної деформації та термічної обробки, при яких структурні зміни, що відбуваються при фазових перетвореннях, протікають в умовах підвищеної густини дефектів кристалічної будови, створеної пластичною деформацією.
Існує кілька різновидів термомеханічної обробки сталей. Найбільш відомими є режими ТМО, за яких пластична деформація здійснюється в аустенітному стані. До цієї групи належать високотемпературна термомеханічна обробка (ВТМО) та низькотемпературна термомеханічна обробка (HTMO).