Организационно-правовые формы автотранспортных предприятий

4. Закалка с самоотпуском. При обычном отпуске, когда вся деталь нагревается до одинаковой температуры, она, пройдя одинаковые условия закалки и отпуска, обладает во всех точках (при сквозной прокаливаемости) одинаковыми твердостью и вязкостью. Для ударного инструмента (зубила, кузнечный инструмент и т. д.) такое распределение твердости нецелесообразно. Инструмент обладает высокой стойкостью тогда, когда твердость постепенно и равномерно понижается от рабочей (режущей) части к центру и к хвостовой (крепежной) части инструмента.

Такое распределение  твердости может быть достигнуто, если опускать инструмент по цветам побежалости, хотя в этом случае приходится удовлетворяться менее точным контролем температур отпуска.

Появление цветов побежалости  при отпуске в интервале 200- 300 °С объясняется тем, что при этих температурах на чистой (полированной, шлифованной) металлической поверхности возникают тонкие слои окислов. Цвет слоя окисла зависит от его толщины; уже за короткое время пребывания стали при 220 °С она покрывается слоем толщиной 0,04 мкм. Этот слой придает поверхности стали светло-желтый цвет.

5. Ступенчатая закалка. Как уже указывалось, при прерывистой закалке в тот момент, когда деталь переносят из воды в масло, более тонкие части ее сечения охладились больше, т.е. до более низких температур. Кроме того, трудно отрегулировать процесс и обеспечить постоянное, определенное и притом очень короткое время пребывания детали в воде.

Способ ступенчатой закалки лишен этих недостатков. Деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит формирование структуры, т.е. превращение аустенита в мартенсит, Разбивка охлаждения на две ступени уменьшает внутренние напряжения I рода, поэтому уменьшается и закалочная деформация.

При ступенчатой закалке, а также при закалке в двух средах длинномерных и плоских изделий (преимущественно инструмента) производится так называемая правка или рихтовка, т.е. устранение коробления, вызванного термическими напряжениями при первом быстром охлаждении.

Применение ступенчатой  закалки ограничено предельным размером сечения детали. Горячие, а следовательно, сравнительно медленно охлаждающие среды не позволяют достигнуть критической скорости закалки.

Ступенчатая закалка  для углеродистой стали применима лишь для деталей диаметром не более 10-12 мм, а для легированных сталей до 20-30 мм.

В качестве закаливающей среды применяют расплавленные  соли.

6. Изотермическая закалка.. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

Обычно температура  изотермического распада аустенита  лежит в интервале 250-350 °С. В результате изотермической закалки с распадом аустенита в этом районе температур сталь обладает меньшей твердостью, чем при любых способах закалки, но обычно повышенной вязкостью. Образующая структура - бейнит.

Продолжительность выдержки в закалочной среде определяется временем превращения аустенита при данной температуре.

 

9.6. Обработка стали холодом

 

Сущность этого метода заключается в следующем.

Во многих сортах стали  в закаленном состоянии содержится повышенное количество остаточного  аустенита. Если точка конца мартенситного  превращения лежит ниже 0°С, то, очевидно, охлаждение ниже 0°С вызовет дополнительное образование мартенсита.

Увеличение количества мартенсита: а) повышает твердость; б) увеличивает объем; в) повышает магнитные характеристики; г) стабилизирует размеры.

Эти изменения тем  значительнее, чем больше образуется мартенсита в результате обработки холодом.

Специфическими при  обработке стали холодом являются:

1. Температурный режим  обработки холодом определяется  положением нижней мартенситной  точки (М_к). Более глубокое охлаждение не вызовет дополнительного превращения. Для облегчения обработки холодом часто погружают изделие в жидкий азот (температура кипения - 196°С). Из-за низкой теплоты испарения азота металл охлаждается медленно.

2. При назначении режима  термической обработки, включающей обработку холодом, необходимо учитывать явление стабилизации аустенита. Дело в том что во многих промышленных сортах стали, в структуре которых после закалки имеется остаточный аустенит, выдержка при комнатной температуре уменьшает количество остаточного аустенита, превращающегося при обработке холодом. Это и означает, что аустенит стабилизируется. Естественно, что при этом эффект обработки холодом уменьшается. Поэтому обработку холодом рекомендуется проводить немедленно после закалки.

Обработку холодом применяют для многих деталей, изготовленных из стали с высоким содержанием углерода, для получения максимальной твердости (инструменты, цементированные детали, шарикоподшипники и т. д.).

При обработке холодом  объем увеличивается, поэтому этот метод применяют для восстановления размеров некоторых очень точных изделий (например, калибров). Наличие остаточного аустенита делает размеры закаленных деталей нестабильными из-за возможного протекания процесса изотермического распада аустенита. Обработка холодом, уменьшающая количество остаточного аустенита, стабилизирует размеры закаленных деталей.

 

9.7. Дефекты, возникающие при  закалке

 

Неправильно проведенная  закалка может вызвать различные  дефекты. Наиболее распространенные из них: недостаточная твердость, мягкие пятна, повышенная хрупкость, обезуглероживание и окисление поверхности и, наконец, коробление, деформации и трещины.

Деформация, коробление и трещины являются следствием внутренних напряжений, причину возникновения которых мы рассмотрели раньше.

Медленное охлаждение при закалке в области мартенситного превращения - самый эффективный способ уменьшения напряжений и устранения дефектов этого вида. Мелкие детали, так же как и простые по форме, без острых углов и резких переходов, менее склонны к короблению. Поэтому при конструировании придание детали технологической формы является важным способом уменьшения этого вида дефекта.

Недостаточная твердость закаленной детали может быть из-за недогрева (низкая температура в печи, недостаточная выдержка при правильной температуре в печи) или недостаточно интенсивного охлаждения. В первом случае мартенсит не обладает достаточной твердостью (не содержит достаточно углерода); во втором - не переохлаждается до мартенситного превращения, и структура полностью или частично состоит из продуктов перлитного распада аустенита (тростит, сорбит).

Повышение температуры  печи или увеличение выдержки в первом случае устраняет пониженную твердость  закаленных деталей. Во втором случае следует применять более интенсивное охлаждение, т.е. во время закалки энергично перемещать деталь в закалочной жидкости или применять вместо простой воды соленую или подкисленную.

Образование мягких пятен также является следствием недостаточного прогрева или недостаточно интенсивного охлаждения. Методы устранения такие же, как указаны выше.

Иногда мягкие пятна  появляются из-за неоднородности исходной структуры, например скоплений феррита. В этих местах при нагреве до температуры закалки может сохраниться феррит или получиться аустенит с недостаточной концентрацией углерода. Естественно, что в этих местах даже при правильно проведенной закалке твердость недостаточная. Предварительная термическая обработка (нормализация), создающая более однородную структуру, устраняет этот дефект.

Повышенная  хрупкость - дефект, обычно появляющийся в результате закалки от слишком высоких температур (более высоких, чем это требуется), при которых произошел значительный рост зерен аустенита. Дефект обнаруживается механическими испытаниями по излому или по микроструктуре. Устраняют дефект повторной закалкой от нормальных температур для данной стали.

Окисление и  обезуглероживание поверхности часто происходит при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемой атмосферы. Поэтому дают припуск на шлифование, что удорожает и усложняет технологию изготовления термически обрабатываемых деталей. Контролируемая искусственная атмосфера в термических печах является радикальным способом устранения или уменьшения этого дефекта.

Нагрев в солях также  способствует уменьшению окисления  и обезуглероживания.

 

9.8. Отжиг и нормализация

 

Отжиг и нормализация обычно являются первоначальными операциями термической обработки, цель которых - либо устранить некоторые дефекты предыдущих операций горячей обработки (литья, ковки и т.д.), либо подготовить структуру к последующим технологическим операциям (например, обработке резанием, закалке). Однако довольно часто отжиг, и особенно нормализация, являются и окончательной термической обработкой. Это бывает тогда, когда после отжига или нормализации получаются удовлетворительные с точки зрения эксплуатации детали свойства и не требуется их дальнейшее улучшение с помощью закалки и отпуска.

Основные цели отжига: перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений или исправление структуры.

Обе эти задачи выполняются обычным полным отжигом, заключающимся в нагреве стали выше верхней критической точки с последующим медленным охлаждением. Феррито-перлитная структура переходит при нагреве в аустенитную, а затем при охлаждении аустенит превращается обратно в феррит и перлит, т.е. происходит полная перекристаллизация.

Структура, состоящая  из крупных зерен перлита и  феррита, какая часто бывает после литья или ковки, после такого отжига превращается в структуру из мелких зерен феррита и перлита.

Литая сталь обычно характеризуется неоднородностью состава, дендритной и зональной ликвацией. Нагрев до высоких температур и выдержка при них приводят к устранению или смягчению дендритной неоднородности. Такая операция называется гомогенизацией, или диффузионным отжигом. В результате высокого нагрева (обычно до 1000-1100°С) и длительной выдержки наблюдается сильный рост зерна, и поэтому после такой обработки структура получается

Если исходная структура  хорошая и нет необходимости  в перекристаллизации, а требуется только снизить внутренние напряжения, то нагрев под отжиг ограничивают еще более низкими температурами, ниже критической точки. Это будет низкий отжиг.

Нормализация, естественно, - более дешевая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки при температуре нормализации, охлаждение осуществляется на воздухе, вне печи.

При нормализации охлаждение проводят на спокойном воздухе. Если после нагрела до аустенитной области следует охлаждение в струе воздуха, создающего такую повышенную скорость охлаждения, чтобы превращение произошло все же в районе изгиба С - кривой, то такая обработка носит название одинарной термической обработки.

 

9.9. Поверхностная закалка стали

 

Для получения большой  твердости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины (что обеспечивает износоустойчивость и одновременно высокую динамическую прочность) применяют поверхностную закалку или химико-термическую обработку.

Поверхностная закалка  выгодно отличается от химико-термической  обработки значительно меньшей продолжительностью процесса.

Несмотря на большое  разнообразие методов поверхностной  закалки, все они заключаются  в нагреве только поверхностного слоя с последующей закалкой детали. Методы нагрева могут быть различными: а) в расплавленных металлах или солях; б) пламенем ацетилено-кислородной или газовой горелки (так называемая пламенная закалка); в) в электролитах; г) лучем лазера; д) электротоком, индуцируемым в поверхностных слоях детали; в этом случае ток высокой частоты индукцируется в поверхностных слоях закаливаемой детали (так называемая индукционная, или высокочастотная закалка).

Последний способ широко используют в машиностроении.

Сущность любого способа  поверхностной закалки состоит  в том, что поверхностные слои детали быстро нагреваются выше критических точек и создается резкий градиент температур по сечению и по глубине. Если нагрев прервать и провести быстрое охлаждение, то слой металла, нагретый выше Ас₃, получит полную закалку, а слой, нагретый выше А_с1 но ниже Ас₃ - неполную закалку, а сердцевина или вовсе не нагреется, или нагреется только ниже А_с1 закалки не получит.

10. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА  СТАЛИ

 

Химико-термической обработкой (поверхностным легированием) называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействий на металлы и сплавы для изменения химического состава структуры и свойств в поверхностных слоях.