Повърхностно закаляване - урок Челябинск
Когато се извършва повърхностно закаляване, най-често се използва индукционно нагряване. Частите се поставят в индуктор, захранван с променлив ток с честота от 103 до 105 Hz. В този случай в продукта се индуцират вихрови токове. Те се концентрират в повърхностния слой, където се отделя основната част от топлината. Дебелината на такъв слой е толкова по-малка, колкото по-висока е честотата на тока.
Ако при най-широко използваното нагряване на пещ скоростта му обикновено не надвишава 0,1 ... 1,0 deg / s, тогава при индукционно нагряване може да достигне 102 ... 103 deg / s. С увеличаване на скоростта на нагряване фазовите трансформации се изместват към по-високи температури. В тази връзка температурата на аустенизация по време на индукционно нагряване се избира значително по-висока, отколкото по време на нагряване в пещта. След нагряване, практически без излагане, продуктът се потапя във втвърдяваща течност или се охлажда с помощта на душ устройства.
Високочестотно закаляване, последвано от ниско темпериране при 150–250°C, често се прилага за части, изработени от въглеродни и нисколегирани стомани, съдържащи около 0,4%C. Дълбочината на втвърдения слой може да достигне няколко милиметра. Твърдостта след закаляване с индукционно нагряване е с 2,3 HRC единици по-висока, отколкото след конвенционално закаляване с нагряване в пещ. Това осигурява повишена устойчивост на износване и контактна якост. В закаления слой се създават значителни напрежения на натиск, в резултат на което се повишава якостта на умора.
За повърхностно втвърдяване на продуктите се използва втвърдяване с лазерно нагряване. Високата плътност на мощността на генерираното от лазера лъчение осигурява нагряване с изключително високи скорости до 105...106 deg/s. Лазерната обработка може да се извърши както без преформатиране, така и с преформатиране на повърхността.
Лазерна дълбочинанагряването обикновено е няколко десети от милиметъра и не надвишава 2 mm. Поради много кратката продължителност на нагряване, по-дълбоките слоеве практически не се затоплят; следователно охлаждането след лазерно нагряване става чрез отстраняване на топлината към дълбоките слоеве чрез топлопроводимост. Скоростта на охлаждане е много висока (до 106 deg/s). В резултат на такова свръхбързо охлаждане нагрятият слой се охлажда.
За продукти с големи размери се използва повърхностно втвърдяване с нагряване от пламък на горелка. Повърхността на продукта се нагрява с кислородно-ацетиленов пламък с температура 2400...3200 °C. Благодарение на интензивното подаване на топлина, повърхностните слоеве с дебелина 2...4 мм бързо се нагряват до температури над точката А3. При последващо охлаждане с помощта на душови устройства повърхностният слой се закалява.^ 33. ЗАКАЛКА НА ЗАКАЛЕНА СТОМАНАЗакалката е операция по термична обработка, която се състои в нагряване на закалена стомана до температури не по-високи от точка А1.
В зависимост от температурата на нагряване се различават ниска, средна и висока темперация.
Средно темпериране (350 ... 450 ° C), при което се образува трооститната структура, се използва главно за пружинни стомани, тъй като осигурява високи стойности на еластичност и издръжливост. В същото време твърдостта, границата на провлачване и якостта се поддържат на достатъчно високо ниво с умерена пластичност и вискозитет. При избора на среден режим на отвръщане трябва да се избягва температурният интервал за развитие на необратима крехкост при отпускане.
Високото темпериране най-пълно облекчава остатъчните напрежения. Но крайното ниво на вътрешни напрежения зависи от условията на охлаждане след темпериране. Колкото по-бавно е охлаждането, толкова по-ниски са остатъчните напрежения. Обикновено са продукти с проста формаохладете на въздух. Но ако стоманата е склонна към обратима крехкост при темпериране, тогава охлаждането след темпериране трябва да се ускори. Сравнително малки продукти след високо темпериране често се охлаждат във вода. След високо отвръщане с ускорено охлаждане, за да се намалят вътрешните напрежения, понякога се извършва още едно допълнително отвръщане с нагряване до 400 °C, т.е. под температурния интервал за развитие на обратима отпусната крехкост^ 34. ХИМИЧНА И ТЕРМИЧНА ОБРАБОТКА НА СТОМАНАПри химична и термична обработка повърхностните слоеве на продукта се насищат с един или повече елементи. За целта продуктите се нагряват до предварително определена температура и се държат при нея за определено време в среда, богата на необходимите елементи. Химико-термичната обработка позволява да се промени съставът на повърхностните слоеве и следователно тяхната структура и свойства. Такава обработка се използва за увеличаване на твърдостта, цикличната якост, устойчивостта на износване, както и за защита от корозия.
^ Обща характеристика на процесите, протичащи при химико-термична обработкаИма три етапа на процеса на химико-термична обработка. На първия етап, поради химични реакции, във външната среда се освобождава насищащ елемент в атомно състояние. На втория етап атомите на този елемент влизат в контакт с повърхността на продукта и проникват в решетката на основния метал (адсорбция). Третият етап е дифузията на атомите на насищащия елемент дълбоко в метала. Първият и вторият етап протичат много по-бързо от третия. Следователно третият етап определя скоростта на процеса на химико-термична обработка.
Дълбочината на дифузионния слой зависи от температурата, времето на излагане и концентрацията на елемента върху повърхността на продукта. При дадена температура дълбочината на дифузионния слой(y) зависи от продължителността на насищане (τ) съгласно параболичния закон: y = k √ τ, където k е константа. Следователно с течение на времето скоростта на увеличаване на дебелината на слоя постепенно намалява. Повишаването на температурата увеличава скоростта на дифузионните процеси. Следователно дълбочината на дифузионния слой при постоянно време на задържане се увеличава значително с повишаване на температурата на процеса (фиг. 34.1.). При равни други условия дебелината на дифузионния слой е толкова по-голяма, колкото по-висока е концентрацията на дифузионния елемент върху насищащата повърхност.
Ориз. 34.1. Зависимост на дебелината на дифузионния слой от продължителността (а) и температурата на насищане (б)
Естеството на разпределението на дифузионния елемент в основния метал зависи от това как те взаимодействат един с друг. Ако дифузиращият елемент е безкрайно разтворим в основния метал, тогава концентрацията му постепенно намалява от максимум на повърхността до нула на определена дълбочина. Когато се появят фазови трансформации по време на насищане на повърхностния слой, характерът на разпределението на дифузния елемент се променя значително.
Нека желязото е наситено с елемент, който стеснява γ-областта (фиг. 34.2.). При температура t1 насищането се придружава от фазова трансформация. Дифузията първо протича в γ фазата. Но когато се достигне границата на разтворимост, ще настъпи γ-α трансформация. Образуваните ядра на α-фазата ще започнат да растат от повърхността в посока на дифузия дълбоко в основния метал. В този случай се образуват колонни кристали на α-фазата. Образуването на нова фаза води до факта, че на границата на кристалите на α- и γ-фазите концентрацията на дифузиращия елемент рязко нараства от c3 до c2. Двуфазен слой α + γ не се образува, когато чист метал е наситен с един елемент.
За стоманите най-често се използва насищане.повърхностни слоеве на продукти с въглерод, азот и двата елемента заедно. Освен това се използва дифузионно насищане с някои метали (алуминий, хром), както и със силиций и бор.
Ориз. 34.2. Схема на диаграмата на състоянието на дифузионния елемент на желязо (а), кривата на промяната на концентрацията на дифузионния елемент върху дебелината на слоя (b) и структурата на дифузионния слой (c)
ЦиментиранеПроцесът на дифузионно насищане на повърхностния слой на продукта с въглерод се нарича карбурация. Стоманите, подложени на карбуризиране, като правило съдържат не повече от 0,25% С. По време на циментирането повърхностният слой се насища с въглерод до концентрация от 0,8 ... 1,0% С. По-високата концентрация на въглерод влошава механичните свойства на циментирания продукт.
Газовото карбуризиране намери широко приложение. В този случай природният газ, контролираните атмосфери, получени в специални генератори, както и течните въглеводороди (керосин, бензол) се използват като карбуризираща среда (карбуратор), както и течни въглеводороди (керосин, бензен), подавани на капки в затвореното работно пространство на пещта, където образуват активна газова среда. Основният доставчик на въглерод при газовото карбуризиране е метанът:
Циментирането се извършва при 920...950 °C в еднофазната област на съществуване на аустенит. Дълбочината на циментиране е 0,5…2,0 mm. В зависимост от определената дълбочина на циментиране, времето на експозиция варира от няколко часа до 10...12 часа.
Ако продуктите изискват повишен комплекс от механични свойства, тогава след приключване на карбуризирането продуктите се охлаждат до стайна температура и след това се нагряват за втвърдяване до 820 ... 850 ° C. Такова нагряване осигурява усъвършенстване на аустенитното зърно и пълно втвърдяване на карбуризирания слой.
Карбуризирането, последвано от закаляване и ниско темпериране, обикновено се подлага на продукти, които трябва да иматизносоустойчива повърхност и пластично ядро (зъбни колела, валове и др.). Такава обработка също осигурява високи стойности на границата на циклична якост.АзотиранеПроцесът на дифузионно насищане на повърхностните слоеве на продукта с азот се нарича азотиране. Използва се за подобряване на устойчивостта на износване и цикличната якост на различни машинни части.
Преди азотиране продуктите се подлагат на закаляване и високо темпериране. Азотирането се извършва при температури от 500 ... 540 ° C в атмосфери, съдържащи амоняк, който се дисоциира с образуването на атомен азот:
2NH3 → 2N + 6H. Процесът на азотиране е продължителна операция; продължителността му може да достигне няколко десетки часа. Дебелината на азотирания слой е 0,3…0,6 mm.
Твърдостта, получена чрез азотиране на желязо и нисковъглеродни стомани, е ниска. Следователно на азотиране се подлагат средновъглеродни стомани, легирани с Al, Cr, Mo и V. Азотът с тези елементи образува диспергирани нитриди (Cr2N, VN и др.), В резултат на което твърдостта на азотирания слой рязко се увеличава. Най-широко използваната стомана за азотиране е 38KhMYuA.
Азотът насърчава въглеродната дифузия, което предопределя по-ниската температура на нитрокарбюризирането в сравнение с карбуризирането. Понижаването на температурата на процеса води до по-слаб растеж на аустенитните зърна. Това позволява втвърдяване веднага след края на експозицията. Обикновено потапянето на продукта в охлаждащата течност се предшества от известно охлаждане. Ниско темпериране се извършва при 160...180 °C, след което твърдостта е 58...64 HRC. В сравнение с газовото карбуризиране, нитрокарбюризирането има предимства: по-висока устойчивост на износване на частите и по-малко изкривяване.^ 35. ТЕРМОМЕХАНИЧНА ОБРАБОТКА НА СТОМАНАТермомеханичнаобработка (TMT) е един от методите за комбинирано закаляване на стомани. Това е комбинация от операции на пластична деформация и термична обработка, при които структурните промени, настъпващи по време на фазовите трансформации, се появяват в условия на повишена плътност на дефектите в кристалната структура, създадена от пластичната деформация.
Има няколко вида термомеханична обработка на стомани. Най-известни са режимите на ТМТ, при които пластичната деформация протича в аустенитно състояние. Тази група включва високотемпературна термомеханична обработка (HTMT) и нискотемпературна термомеханична обработка (HTMO).