Материаловедение

Основные технологические свойства металлов и сплавов

Технологические свойства металлов – это часть общих их физико-химических свойств. Знание этих свойств позволяет более обоснованно проектировать и изготовлять изделия с улучшенными для данного металла (сплава) качественными показателями.

Основные технологические свойства материалов следующие:

  • обрабатываемость резанием – свойство металла или сплава обрабатываться резцом или абразивом. Обрабатываемость металла резанием оценивается скоростью затупления резца при точении на заданных режимах резания с обеспечением заданных параметров шероховатости поверхности и выражается в процентах от обрабатываемости стали повышенной обрабатываемости резанием или свинцовистой латуни соответственно для сталей или медных сплавов;
  • обрабатываемость давлением в горячем и холодном состоянии оценивают различными технологическими пробами (на осадку, на изгиб, на вытяжку сферической лунки и др.), характеристиками пластичности, твердости и упрочнения материала при температуре обработки;
  • свариваемость – способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения с требуемыми механическими характеристиками. Ее оценивают сравнением свойств сварных соединений со свойствами основного металла или сплава. Свариваемость считается тем выше, чем больше способов сварки может быть применено, шире пределы допускаемых режимов сварки. Для оценки технологической свариваемости определяют структуру, механические свойства и склонность к образованию трещин металла шва в зоне шва;
  • литейные свойства определяются совокупностью показателей (температурами плавления, кипения, заливки и кристаллизации, плотностью и жидкотекучестью расплава, литейной усадкой и др.).

Жидкотекучесть – это способность металла заполнить литейную форму. Она зависит от вязкости, поверхостного натяжения и температуры заливки расплава. Чем выше жидкотекучесть расплава, тем легче заполнять сложную литейную форму.

Усадка показывает разницу между линейными размерами модели и отливки. Чем меньше усадка метала, тем меньше его склонность к образованию усадочных раковин.

Пластичность или деформируемость – способность металла изменять форму при гибке, ковке, штамповке и прессовании без нарушения целостности материала заготовки. Оптимальные показатели позволяют получить детали без внутренних и внешних дефектов.

Упрочняемость металлов и сплавов определяются способностью материала приобретать более высокую прочность после термической или механической обработки.

1. Термическое упрочнения сталей

Термическая обработка – один из важнейших логических процессов, используемый во всех отраслях машиностроения. Термической обработкой называется тепловая обработка металлов и сплавов, при которой происходит изменение их строения, а следовательно свойств. Механические свойства стали при этом изменяются в очень широких пределах.

Процесс термической обработки состоит из трех переходов, следующих один за другим: нагрева до определенной температуры, выдержки при заданной температуре и охлаждения с различной скоростью от заданной температуры до комнатной температуры. Таким образом, процесс термической обработки зависит прежде всего от температуры и времени. Следовательно, любой процесс термической обработки можно изобразить в виде графика, на котором по оси ординат указывается температура, а по оси абсцисс – время (рис. 1).

График термической обработки

Рис. 1. График термической обработки

Регулируя температуру и время, можно осуществлять следующие виды термической обработки стали: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.

Отжиг – процесс термической обработки, при котором металл сначала нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре, а затем медленно охлаждают, чаще всего вместе с печью. В результате отжига в стали образуются равновесные структурные составляющие.

Отжиг чаще всего является предварительной операцией термической обработки, осуществляемой с целью устранения дефектов предыдущих операций (литья, ковки и др.) либо подготовки структуры для последующей обработки резанием или закалки.

Для получения мелкозернистой структуры проводят полный отжиг. Отжигу подвергают изделия (чаще всего из конструкционной стали), перегретые при обработке давлением или при термической обработке, а также поковки, прокат, фасонное литье. Этот отжиг производится для снятия вредных внутренних напряжений. При измельчении зерна снижается твердость стали, повышаются ее вязкость и пластичность, снижаются внутренние напряжения, улучшается обрабатываемость. Изделия из такой стали более надежны при эксплуатации.

Такой отжиг не требует высокой температуры. Изделия достаточно нагреть до температуры, при которой проявляются пластические свойства стали, т.е. до 500–600°С, выдержать при этой температуре некоторое время и затем медленно охладить вместе с печью.

Нормализация – один из видов термической обработки. При нормализации стали нагревают до температуры, при которой проявляются пластические свойства стали. Выдерживают при этой температуре некоторое время и затем охлаждают на спокойном воздухе для получения тонкопластинчатой перлитной структуры. От отжига нормализация отличается более быстрым охлаждением (примерно в два раза быстрее). Кроме того, этот процесс более экономичный, так как охлаждение изделий при нормализации осуществляется вне печи. Однако применять нормализацию вместо отжига не всегда возможно, поскольку у некоторых сталей после нее значительно возрастает твердость (например, у сталей, содержащих свыше 0,4% углерода). Такие стали лучше отжигать, хотя на практике их часто подвергают нормализации, а затем высокому отпуску при 650–700°C для уменьшения твердости.

Нормализацию применяют для получения мелкозернистой структуры в отливках и поковках, устранения наклепа, подготовки стали к закалке. Рекомендуется подвергать нормализации малоуглеродистые стали, так как у них практически отсутствует разница в свойствах после отжига и нормализации. Для некоторых изделий нормализация является не предварительной, а окончательной операцией термической обработки. В этом случае после нормализации изделия должны пройти высокий отпуск для снятия внутренних напряжений, образующихся при охлаждении на воздухе.

Закалка – самый распространенный и в то же время наиболее сложный вид термической обработки, так как она протекает при очень больших скоростях охлаждения, что приводит к образованию значительных внутренних напряжений. При закалке стали нагревают до температуры получения структуры аустенита (выше 800–1000°C), выдерживают некоторое время при этой температуре, а затем быстро охлаждают в воде, масле, растворах солей, кислот, щелочей, на воздухе и в других средах, а также с помощью металлических плит. Процесс охлаждения чаще всего применяется с целью повышения твердости и прочности стальных изделий. Максимальная твердость при этом достигается за счет получения структуры мартенсита. Закаливанию подвергают валы, шестерни, пружины, штампы, зубила, резцы, фрезы и др. Закалка с последующим отпуском позволяет изменять свойства стали в широком диапазоне.

Закаливаемость и прокаливаемость стали – важнейшие характеристики стали, подвергаемой закалке.

Закаливаемость – это способность стали к повышению твердости при закалке. Некоторые стали обладают плохой закаливаемостью (имеют недостаточную твердость после закалки).

Прокаливаемость – глубина проникновения закалки при закалке массивных изделий. Различные слои изделия при закалке охлаждаются неодинаково. Поверхностный слой, который непосредственно соприкасается с закалочной жидкостью, охлаждается с большей скоростью, чем внутренние слои. Наименьшая скорость охлаждения – в центре изделия. Чем выше критическая скорость закалки стали, тем ниже ее прокаливаемость. Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки, поэтому у них низкая прокаливаемость. Из углеродистой стали не изготовляют массивные изделия, у которых должны быть высокие механические свойства по всему сечению. Такие изделия обычно выполняют из легированной стали, имеющей более высокую прокаливаемость.

2. Отпуск и старение

Отпуском называется процесс термической обработки, при котором закаленная сталь нагревается ниже температуры отжига, выдерживается при этой температуре и затем охлаждается. В процессе отпуска уменьшаются или устраняются внутренние напряжения, повышаются вязкость и пластичность стали, снижается ее твердость, улучшается структура.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска:

  1. низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150–200°С. Этот отпуск снижает внутренние напряжения в стали при сохранении высокой твердости (58–63 HRC). Он применяется преимущественно для инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, а также для деталей, подвергаемых поверхностном закалке, цементации и нитроцементации, к которым предъявляются высокие требования по твердости и износостойкости;
  2. среднетемпературный (средний) отпуск осуществляется при температурах 350–500°С. Целью этого отпуска является получение структуры тростита. Твердость закаленной стали при этом снижается до 40–50 HRC, предел упругости достигает максимальной величины. Среднему отпуску подвергают рессоры и пружины;
  3. высокотемпературный (высокий) отпуск проводится при температурах 550–680°С. Сталь при этом приобретает структуру сорбита (сорбит отпуска). Твердость закаленной стали снижается до 250–350 НВ, прочность уменьшается в 1,5–2 раза, пластичность и вязкость увеличиваются в несколько раз, внутренние напряжения полностью снимаются. Закалка с высоким отпуском называется улучшением. Улучшенная сталь по сравнению с отожженной или нормализованной имеет более высокие показатели прочности, пластичности и вязкости. Температура отпуска определяется по цветам побежалости.

Старение – изменение свойств стали с течением времени без заметного изменения микроструктуры. В результате старения прочность и твердость повышаются, пластичность и вязкость снижаются. Старение приводит к изменению размеров и короблению изделий. Если старение протекает при комнатной температуре, его называют естественным, если при повышенной температуре – искусственным. Старению подвергают станины станков, плунжеры, калибры, скобы и другие изделия, размеры и геометрическая форма которых не должны изменяться в процессе их эксплуатации.

Известны два вида старения – термическое и деформационное (механическое).

Термическое старение происходит в результате изменения растворимости углерода в железе в зависимости от температуры. Деформационное старение протекает в сплаве, подвергнутом пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. Процесс этого старения длится 15 суток и более при комнатной температуре и всего несколько минут при температурах 200–350о С.

Искусственное старение закаленных и отпущенных при низкой температуре изделий производится после предварительной механической обработки при 100–180о С с выдержкой в течение 18–35 ч и медленным охлаждением. Естественное старение осуществляется на открытом воздухе под навесом, где на изделия воздействуют температурные изменения, влажность и давление воздуха. Оно длится от 3 месяцев до 2 лет. Естественному старению подвергают станины прецизионных станков, корпусные детали весьма ответственного назначения, рамы роялей и пианино. Его результатом является снижение внутреннего напряжения, стабилизация размеров и геометрической формы изделий.

3. Поверхностное упрочнение стали

Поверхностной называется такая закалка, при которой высокую твердость приобретает лишь часть поверхностного слоя стали. Она отличается от всех рассмотренных ранее способов закалки методом нагрева. При такой обработке до температуры закалки нагревают только поверхностный слой изделия. При быстром охлаждении лишь этот слой подвергается закалке. Остальная часть не закаливается и сохраняет структуру и свойства, которые были до закалки.

Некоторые методы поверхностного упрочнения отличаются высокой производительностью. В ряде случаев они с большой эффективностью используются вместо обычных методов термической обработки.

Поверхностная закалка индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Этот высокопроизводительный, прогрессивный метод термической обработки обеспечивает повышение механических свойств стали, в том числе предела текучести, усталости и твердости, исключает возможность обезуглероживания, уменьшает опасность окисления поверхности изделий и их деформации.

Индукционный нагрев металла достигается путем индукции вихревых токов. Электромагнитное поле создается индуктором, подключенным через трансформатор напряжения к источнику переменного тока непосредственно или к частотному преобразователю напряжения на 10…100 тыс. Гц.

Чем выше частота тока, тем меньше глубина проникновения его в проводник и, следовательно, тем меньше глубина закалки. Распределение тока по сечению проводника зависит от его природы и свойств.

Процесс нагрева токами высокой частоты осуществляется следующим образом. Изделие 1, подлежащее нагреву, помещают внутрь спирали из медной трубки (рис. 2), т.е. в индуктор 2. Через индуктор пропускают ток высокой частоты большой силы, который создает вокруг изделия мощное переменное магнитное поле, в результате чего изделие перемагничивается много раз в секунду, в нем возникают короткозамкнутые вихревые токи. Вследствие явления поверхностного эффекта токи сосредоточиваются в поверхностном слое изделия и нагревают его на определенную глубину. Продолжительность нагрева токами высокой частоты весьма мала – она исчисляется секундами.

Поверхностная закалка токами высокой частоты оси вала при одновременном нагреве и охлаждении

Рис. 2. Поверхностная закалка токами высокой частоты оси вала при одновременном нагреве и охлаждении

Изделие 1 (рис. 2), установленное в центрах, для равномерности нагрева непрерывно вращают с определенной скоростью. Закалка происходит при вертикальном перемещении изделия сверху вниз. При таком перемещении в магнитное поле индуктора 2 последовательно поступает один участок изделия за другим и нагревается до температуры закалки. Под индуктором расположено охлаждающее устройство 3, представляющее собой согнутую кольцом перфорированную трубку, через отверстия которой на нагретые участки изделия поступает вода и охлаждает изделие.

После закалки для уменьшения внутренних напряжений изделия подвергают низкому отпуску (при 160–200°С). Глубина закалки – 3–5 мм.

Поверхностная закалка в электролите применяется при установившемся технологическом процессе, когда длительное время изготовляются одни и те же изделия из стали определенных марок. Например, закалка ведущих колес гусеничных тракторов производится в 14–16%-ном водном растворе кальцинированной соды. Закаливаемое изделие (рис. 3) присоединяют к отрицательному полюсу генератора постоянного тока и опускают в ванну с электролитом. Погруженное на заданную глубину изделие нагревается за несколько секунд, после чего ток выключают. Как правило, тот же электролит является и охлаждающей cpeдой. При нагреве в электролите происходят электролитические и электроэрозионные процессы, которые очищают нагреваемую поверхность изделий от окисных пленок, ухудшающих теплопередачу. Скорость нагрева в электролите – до 150°С/с.

Схема закалки детали в электролите

Рис. 3. Схема закалки детали в электролите: 1 – генератор постоянного тока; 2 – обмотка возбуждений генератора; 3 – регулирующий реостат; 4 – ванна с электролитом (анод); 5 – деталь (катод)

Поверхностная импульсная закалка применяется для деталей сложной формы: ленточные пилы, режущий инструмент (фрезы, сверла), рычаги, оси. Закаливаемую часть детали за очень короткий промежуток времени нагревают до температуры, превышающей температуру обычного нагрева данного материала под закалку, и затем охлаждают с большой скоростью за счет отвода тепла в остальную массу детали без применения охлаждающих сред. В результате импульсной закалки получают закаленный “белый” слой, устойчивый при отпуске до температуры 450о С, обладающий мелкозернистой структурой, высокой твердостью и износостойкостью.

При импульсной поверхностной закалке применяют высокочастотные генераторы, работающие в импульсном режиме: аппаратуру для точечной сварки или лазерные установки. Такая закалка позволяет исключить деформации, трещины, повысить коррозионную стойкость деталей, заменить в некоторых случаях легированную сталь на углеродистую.

Химико-термическая обработка стали применяется, когда к свойствам поверхностного слоя металла и к свойствам внутренних слоев детали предъявляются различные требования. Например, зубья шестерен в процессе работы испытывают сильное трение, поэтому они должны обладать большой твердостью. Однако ступица и внутренняя часть зубьев должны иметь небольшую твердость и хорошую вязкость, с тем чтобы зубья не разрушались от толчков и ударов. Следовательно, зубья шестерен должны быть твердыми на поверхности и вязкими в сердцевине.

Если деталь работает в морской воде или в среде кислот и щелочей, ее поверхность должна хорошо сопротивляться коррозии. Для повышения устойчивости детали против коррозии требуется определенный химический состав ее поверхностного слоя. Вместе с тем внутренние слои металла не входят в соприкосновение с указанными средами, поэтому могут иметь обычный химический состав. Для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя сталей осуществляется их тепловая обработка в химически активной среде, называемая химико-термической обработкой.

При химико-термической обработке происходят следующие процессы: распад молекул и образование атомов диффундирующего элемента (диссоциация), поглощение атомов поверхностью (адсорбция) и проникновение атомов в глубь металла (диффузия). Основные виды химико-термической обработки стали: цементация, азотирование, цианирование, нитроцементация, сульфо-цианирование, алитирование, хромирование, силицирование, борирование и др.

Цементация – диффузионное насыщение поверхностного слоя детали углеродом. После цементации выполняется термическая обработка – закалка и низкий отпуск. Цементации подвергают детали, работающие на истирание, испытывающие при работе вибрацию и удары. Такие детали должны иметь твердую закаленную поверхность, хорошо сопротивляющуюся истиранию, и вязкую сердцевину, способную выдерживать динамические нагрузки. Если подобные детали изготовить из стали с высоким содержанием углерода, то после термической обработки поверхность их будет твердой и износоустойчивой, а сердцевина твердой и хрупкой. В результате ударных нагрузок такие детали могут разрушиться. Детали из малоуглеродистой стали будут мягкими и вязкими, выдержат вибрацию и удары, но зато быстро износятся при истирании. Оптимальные свойства достигаются в том случае, если детали изготовляются из малоуглеродистой стали, а затем подвергаются цементации с последующей закалкой.

Цементации подлежат детали из стали, содержащие до 0,3% углерода. Поверхность деталей насыщается углеродом в пределах от 0,8 до 1%. Цементация осуществляется в твердых, газообразных и жидких средах (карбюризаторах).

При цементации в твердом карбюризаторе используется металлический ящик (стальной, чугунный или из жаропрочного сплава). Детали располагают в ящике в шахматном порядке. Вместе с деталями в ящик загружают цилиндрический образец – “свидетель”, изготовленный из стали той же марки, из которой выполнены детали. По “свидетелю” определяют глубину цементированного слоя (рис. 4). В качестве карбюризатора служит смесь древесного угля (60–90%) и углекислых солей бария ВаСО3 и натрия NaCO3. Ящики закрывают крышкой, обмазывают шамотной глиной, просушивают, устанавливают в печь и выдерживают при температуре 900–950 °С. При нагреве углерод древесного угля соединяется с кислородом воздуха, образуя окись углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода, диффундирующего в деталь; 2СО → СО2 + Сатомарный. Двуокись углерода взаимодействует с древесным углем и вновь образует окись углерода: СО2 + С → 2СО и т.д.

Схема укладки деталей в цементационный ящик

Рис. 4. Схема укладки деталей в цементационный ящик: 1 – карбюризатор; 2 – контрольный образец – “свидетель”; 3 – асбест; 4 – детали

В единичном производстве используется цементация пастами. В состав паст входят: сажа, углекислый натрий или барий, желтая кровяная соль, щавелевокислый натрий, мазут, декстрин и разжижители. Компоненты разводят до сметанообразного состояния. Пасту наносят кистью или погружением в нее деталей. Толщина слоя нанесенной пасты – 3–4 мм. Детали укладывают в цементационный ящик. Процесс цементации осуществляют при температуре 920–930°C. Цементация пастами позволяет ускорить процесс науглероживания, повысить объем использования печи.

При массовом и крупносерийном производствах хорошие результаты дает газовая цементация в специальных герметически закрытых печах.

Высокую скорость науглероживания (0,12–0,15 мм/ч) обеспечивает жидкостная цементация. Она осуществляется в соляной ванне следующего состава: 75–80% Na2CO3, 10–15% NaCl и 6–10% SiC (карборунд). Процесс ведется при температуре 850–860°С. Добавление в ванну хлористого аммония NH 4Cl интенсифицирует процесс.

Защита участков поверхности от цементации и ниироцементации производится путем гальванического меднения, забивкой отверстий и внутренних полостей смесью шамотного или кварцевого песка с порошком окалины.

После цементации детали подвергают термической обработке для обеспечения высокой твердости поверхности, исправления структуры перегрева и устранения карбидной сетки в цементированном слое. Закалку производят при 780–850°С с последующим отпуском при 150–200°С. При этом происходит измельчение зерна цементированного слоя и частично зерна сердцевины.

Азотирование – химико-термическая обработка, при которой происходит диффузионное насыщение поверхностного слоя азотом. В результате азотирования обеспечиваются высокая твердость поверхностного слоя (до 72 HRC), высокая усталостная прочность, теплостойкость, минимальная деформация, большая устойчивость против износа и коррозии. Азотирование проводят при температурах 500–520°C в течение 8–90 ч. Глубина азотированного слоя – 0,1–0,8 мм. По окончании процесса азотирования детали охлаждают до 200–300 °C вместе с печью в потоке аммиака, а затем на воздухе. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твердость азотированного слоя.

Азотированию с целью повышения твердости поверхности подвергают зубчатые колеса, гильзы, валы и другие детали из сталей 38ХЛША, 38ХВФЮА, 18Х2Н4ВА, 40ХНВА и др. Азотирование – последняя операция в технологическом процессе изготовления деталей. Перед азотированием проводят полную термическую и механическую обработку (даже шлифование), после азотирования допускается только доводка со съемом металла до 0,02 мм на сторону.

Антикоррозионное азотирование любых сталей выполняют на небольшую глубину при температурах 600–700 °C в течение 1–2 ч. Такое азотирование часто совмещают с закалкой при 770–850°C (стали У8, У10 и др.) с выдержкой 10–15 мин и охлаждением в воде или масле.

При процессе жидкостного азотирования деталей в расплавленных цианистых солях (40% KCNO и 60% NaCN), через которые при 570°C в течение 1–3 ч пропускают кислород. Толщина азотированного слоя – 0,15–0,5 мм. В результате распада солей в сталь диффундирует азот, на поверхности деталей образуется тонкий слой карбонитрида Fe3 (CN) с высоким сопротивлением износу и коррозии. Азотированный слой не склонен к хрупкому разрушению. Твердость азотированного слоя углеродистых сталей – до 350 HV, легированных – до 1100 HV. Недостатки процесса – токсичность и высокая стоимость цианистых солей. Жидкостное азотирование рекомендуется для зубчатых колес, штампов, пресс-форм и других деталей. Защита участков поверхности от насыщения азотом прозводится нанесением олова (гальваническим методом или методом окунания; толщина слоя – 10 мкм), обмазкой жидким стеклом с наполнителем (мел, тальк, асбест, окись хрома и др.), химическим никелированием заделкой отверстий металлическими пробками. В ряде отраслей промышленности используется ионное азотирование, ионитрирование или азотирование в плазме тлеющего разряда. Благодаря своим преимуществам эти виды азотирования постепенно вытесняют газовое азотирование.

Ионное азотирование осуществляется в герметичном контейнере, в котором создается разреженная азотосодержащая атмосфера. Для этой цели применяется чистый азот, аммиак или смесь азота и водорода. Размещенные внутри контейнера детали подключают к отрицательному полюсу источника постоянной электродвижущей силы. Они выполняют роль катода. Анодом служит корпус контейнера. Между анодом и катодом включают высокое напряжение (500–1000 В), происходит ионизация газа. Образующиеся положительно заряженные ионы азота устремляются к отрицательному полюсу–катоду.

Высокая кинетическая энергия, которой обладали ионы азота, переходит в тепловую. Деталь за короткое время (15– 30 мин) разогревается до 470–580°C, происходит диффузия азота в глубь металла, т.е. азотирование.

Ионное азотирование по сравнению с азотированием в печах позволяет сократить общую продолжительность процесса в 2–3 раза, уменьшить деформацию деталей за счет равномерного нагрева, создает возможность регулирования процесса с целью получения азотированного слоя с заданными свойствами. Толщина азотированного слоя – 1 мм и более, твердость поверхности – 500–1500 HV. Ионному азотированию подвергают детали насосов, форсунок, ходовые винты станков, валы и многое другое.

Цианирование – процесс химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом и азотом в расплавленных цианистых солях. Результаты цианирования определяются глубиной слоя, а также концентрацией углерода и азота в поверхностном слое и зависят от температуры и продолжительности процесса. Глубина цианированного слоя – 0,015–0,04 мм.

Нитроцементация – процесс химико-термической обработки, при котором происходит одновременное насыщение поверхностных слоев стальных изделий углеродом и азотом в газовой среде. Процесс осуществляют в газовой смеси из науглероживающего газа и диссоциированного аммиака при 850– 870°C, время выдержки – 2–10 ч, толщина получаемого слоя – 0,2–1 мм. После нитроцементации детали закаливают и затем подвергают низкому отпуску при 160–180°C. Твердость поверхностного слоя – 60–62 HRC.

При глубине слоя более 1 мм трудно предотвратить его перенасыщение азотом и образование дефектов структуры, снижающих усталостную прочность. Поэтому для легированных сталей процесс выполняют в атмосфере с минимальным количеством аммиака (до 3%). В этом случае насыщение слоя углеродом происходит значительно интенсивней, чем азотом. Такой процесс называют карбонитрированием. Нитроцементации подвергают преимущественно малолегированные и углеродистые стали при повышенном содержании в них аммиака. По сравнению с газовой цементацией нитроцементация проводится при более низкой температуре с меньшей продолжительностью процесса, обеспечивает большую износостойкость деталей, меньшее их коробление, позволяет регулировать насыщение поверхностного слоя. Преимуществом нитроцементации является также безвредность процесса.

Сульфоцианирование – один из видов химико-термической обработки, при которой поверхность стальных деталей насыщается одновременно серой, углеродом и азотом. Процесс проводят при 580–590°C в течение 3 ч в ваннах с расплавленными карбидами, поташом, желтой кровяной солью и гипосульфитом натрия. При разложении этих солей образуются атомарные углерод, азот и сера, которые адсорбируются на поверхности детали и диффундируют в глубь металла. При этом создается наружный слой из сульфидов железа с нитридными включениями и графитом с малой твердостью. Далее располагается слой из карбонитридов. Внутренний слой представляет собой азотистый аустенит. Сульфоцианированные детали имеют высокий коэффициент трения и очень хорошую износостойкость. Сульфоцианирование применяется для упрочнения металлических фрикционных деталей.

Диффузионная металлизация – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали металлом (алюминием, хромом, кремнием, бором и др.) с целью изменения его состава и структуры. В зависимости от металла, используемого для диффузионной металлизации, различают алитирование, хромирование, силицилирование, борирование и другие виды химико-термической обработки.

Алитирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали алюминием в соответствующей среде. Основная цель процесса – получение высокой жаростойкости поверхностей стальных деталей. Алитирование осуществляют в порошкообразных смесях, ваннах с расплавленным алюминием при температурах 700–800°C в течение 45–90 мин, а также напылением с последующим диффузионным отжигом при 900–1000°C. Толщина алитированного слоя – 0,2–1 мм. Алитированию подлежат детали газогенераторных машин, чугунные колосники, цементационные ящики, чехлы термопар и другие детали из низкоуглеродистой и среднеуглеродистой стали, специальной стали и серого чугуна.

Хромирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали хромом в соответствующей среде с целью повышения его коррозионной стойкости, жаростойкости, твердости и износостойкости. Для хромирования используются твердая, жидкая и газовая среды. Процeсс ведут при 900–1100°C в течение 5–20 ч. Толщина слоя – 0,1–0,3 мм, твердость хромированного слоя средне- и высокоуглеродистой стали – 1200–300 HV.

Силицирование – процесс диффузионного насыщения стали кремнием в соответствующей среде, обеспечивающий повышение коррозионной стойкости и жаростойкости поверхностей стальных деталей, а также резкое увеличение жаростойкости молибдена и некоторых других металлов и сплавов. Силицирование проводят в порошкообразных смесях, состоящих из 60% ферросилиция, 30% окиси алюминия и 1% хлористого аммония, а также в газовой среде, которая создается во вращающихся ретортах, в которых происходит разложение хлорида кремния (SiCl ), при 950–1050°C с выдержкой 2–5 ч. Толщина силицированного слоя – 0,5–1 мм, твердость – 200–300 HV.

Борирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали бором при нагревании в соответствующей среде с целью повышения твердости, коррозионной стойкости, теплостойкости и жаростойкости поверхностей стальных деталей. Толщина борированных слоев не превышает 0,3 мм, твердость 1800–2000 HV. Недостаток борированного слоя – высокая хрупкость. Борированию подвергают траки, втулки грязевых и нефтяных насосов и другие сильно изнашивающиеся детали.

Условные обозначения видов термической обработки представлены в табл. 1.

Таблица 1. Условные обозначения видов термической обработки

Вид обработки Обозначение Вид обработки Обозначение Вид обработки Обозначение
Отжиг О Закалка с охлаждением в масле до твердости 47,5 — 51,5 HRC3 М48 Цементация и закалка с охлаждением в воде до твердости 32,2— 36,8 HRC3 Ц-В48
Нормализация Н Изотермическая закалка до твердости 32,2—36,8 HRC3 ИЗО48 Цементация и закалка с нагревом ТВЧ до твердости 32,2— 36,8 HRCa ЦТВЧ48
Улучшение У Закалка с нагревом ТВЧ до твердости 32,2— 36,8 НRСЭ ТВЧ48 Жидкостная цементация ЦЖ
Закалка с охлаждением

в воде до твердости

32—42 HRC9

В35 Цементация и закалка с охлаждением в масле до твердости 32,2 — 36,8 НRСЭ Ц-М48 Азотирование до твердости 32,2—36,8 HRCэ АТ48

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *