Охлаждающие среды при закалке

Скорость охлаждения оказывает решающее влияние на результаты закалки. При небольшой скорости охлаждения из аустенита образуется перлит. Для получения мартенсита необходима высокая скорость охлаждения. Наибольшую скорость охлаждения имеют углеродистые стали. Чтобы обеспечить такую высокую скорость охлаждения, необходимо прибегать к резкому охлаждению, которое достигается погружением закаливаемых изделий в холодную воду или в воду с добавлением едкого натра.

Наибольшую охлаждающую способность имеет вода, при этом её охлаждающую способность можно регулировать изменением температуры. Скорость отвода теплоты в воде можно увеличить добавлением солей или щелочей; для сталей лучше всего прибегать к добавкам едкого натра, т.к. щелочная среда не вызывает последующей коррозии стальных изделий.

К более мягким охладителям относятся машинное, индустриальное масла и др. (для легированных сталей).

Отпуск металлов

Отпуск металлов – это термическая обработка закаленных сплавов (главным образом стали) – нагрев (ниже нижней критической точки), выдержка и охлаждение. Цель – получение требуемых механических свойств (оптимальное сочетание прочности, пластичности, ударной вязкости), снижение или полное устранение внутренних напряжений, уменьшение хрупкости закалённой стали.

Основные факторы при отпуске: температура нагрева и время выдержки.

Виды отпуска: низкий, средний, высокий.

Низкий отпуск

Низкий отпуск осуществляется путём нагрева закалённой стали до 120-250°С. Цель низкого отпуска – уменьшение внутреннего напряжения в закалённой стали без снижения твёрдости (или очень мало снижая твёрдость). В результате низкого отпуска сталь становится менее хрупкой, инструмент после такого отпуска не ломается.

Такому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, цементированные детали, детали шариковых и роликовых подшипников и др.

Средний отпуск

Средний отпуск осуществляется путём нагрева закалённой стали до 350-450°С. При таких температурах образуется тростит отпуска, что приводит к заметному снижению твёрдости закалённой стали.

Типичные примеры применения среднего отпуска: пружины и рессоры, ударный штамповый инструмент холодного деформирования.

Высокий отпуск

Высокий отпуск осуществляется путём нагрева закалённой стали до 500-650°С. При таких температурах образуется сорбит отпуска. При этом, по сравнению с закалённым состоянием, значительно понижается твёрдость и прочность и одновременно повышается пластичность и ударная вязкость.

Такому отпуску подвергаются валы, оси, шатуны, крепёжные детали, зубчатые колёса и др.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка металлов – это тепловая обработка металлических изделий в химически активных средах для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоёв металлов. Основные виды: цементация, азотирование и др.

Цементация

Цементация – химико-техническая обработка – диффузионное насыщение поверхности стальных изделий углеродом для повышения твёрдости и износостойкости.

После цементации изделие подвергают закалке на мартенсит с последующим отпуском.

Цементация применяется главным образом для повышения износостойкости трущихся деталей машин: зубчатых колёс, пальцев, толкателей и др., где наряду с высокой твёрдостью поверхности желательно получить вязкую сердцевину, чтобы обеспечить сопротивление деталей динамическим нагрузкам.

Среда, поставляющая углерод к поверхности цементируемых деталей, называется карбюризатором.

Находят применение два способа цементации:

1) цементация в твёрдом карбюризаторе;

2) газовая цементация.

1-й способ: цементация в твёрдом карбюризаторе. В качестве твёрдого карбюризатора используется активированный уголь в зёрнах с добавками активизаторов. Детали, подлежащие цементации, укладываются в стальные ящики попеременно с карбюризатором. По заполнении ящика, он закрывается крышкой, и щели замазывают огнеупорной глиной, чтобы не было свободного выхода газам, образующимся при нагреве.

При нагреве внутри цементационного ящика образуется окись углерода. На поверхности стальных деталей окись углерода диссоциирует с выделением активного атомарного углерода, который адсорбируется поверхностью детали и растворяется в ней.

2-й способ: газовая цементация. Газовая цементация осуществляется нагревом изделий в среде газов, содержащих углерод. В качестве карбюризаторов при газовой цементации применяются природный газ, а также жидкие углеводороды: керосин, синтин, бензол. При использовании жидких углеводородов их подают в рабочее пространство печи каплями. При нагреве углеводороды диссоциируют с выделением активного атомарного углерода, который адсорбируется поверхностью детали и диффундирует в аустенит.

Цементацию обычно проводят при температуре 500-600°С. Для получения высокой твёрдости цементированной поверхности после цементации необходимо провести закалку с отпуском.

Азотирование

Азотирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве её в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твёрдость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д.

Твёрдость азотированного слоя заметно выше, чем цементированной стали. Азотирование проводят в аммиаке при температуре 500-600°С. При нагреве аммиак диссоциирует с выделением атомарного азота:

2NH3 ® 2N + 6H

Образовавшийся атомарный азот адсорбируется, а затем диффундирует в поверхность, образуя там твёрдые нитриды железа и нитриды металлов.

Технологический процесс азотирования предусматривает несколько операций:

1) предварительная термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия;

2) механическая обработка деталей, а также шлифование, которое придаёт окончательные размеры детали;

3) защита участков, не подлежащих азотированию (нанесение обмазки из жидкого стекла или лужение);

4) азотирование;

5) окончательное шлифование или доводка изделия.

Азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали. Наибольшее применение находит сталь 38Х2МЮА.