Виды термообработки

Цианирование стали

Данный процесс несколько отличается от цементации и заключается в том, что поверхностный слой стальной элемента насыщается не только углеродом, но еще и азотом. В промышленности используют высоко- и низкотемпературное цианирование, в то время как цементация не позволяет производить несколько видов операций.

Высокотемпературное цианирование

Основная задача данного процесса – сделать деталь более твердой, износостойкой. Осуществляется манипуляция в ваннах, которые наполняют нейтральными солями: BaCl2, NaCl, Na2CO3 и некоторыми другими. Роль карбюризаторов выполняют соли KCN и NaCN, действующее вещество которых – циан. Он способствует тому, что стальная деталь насыщается азотом и углеродом. Процесс осуществляется при температуре до 900 ОС.

Чтобы слой, подвергнутый цианированию, стал максимально прочным, детали закаливают или в масле, или в воде, в течение полутора часов. Чтобы количество циана не уменьшалось (он постепенно выгорает), в ванну добавляют маленькие порции цианистых солей.

Низкотемпературное цианирование

Данный процесс уместен в том случае, если деталь должна соответствовать критериям повышенной прочности, износостойкости. Температура, необходимая для достижения поставленных целей, находится в диапазоне от 550 до 570 ОС (быстрорежущая сталь) и 510–520 ОС (высокохромистая сталь).

Осуществляется процедура в соляной ванне, содержимое которой представляет собой равные доли NaCN и KCN. Глубина полученного слоя – от 0,01 мм (при продолжительности цианирования в 10 мин) до 0,06 мм (при длительности процесса до 60 минут).

Суть технологии

Азотирование является распространённой разновидностью операций химико-термической обработки многих (но не всех!) марок сталей. Оно представляет собой процесс термообработки, при котором азот проникает в поверхность металла с целью создания поверхности с покрытием повышенной твёрдости. В результате происходит поверхностное упрочнение, после которого при просмотре микросреза поверхности под металлографическим микроскопом отчётливо просматривается тонкий белый слой повышенной микротвёрдости. Белым слой называют потому, что он не протравливается обычными реагентами, позволяющими устанавливать и исследовать микроструктуру стали. В большинстве случаев после белого слоя располагается переходной подслой, имеющий более низкую твёрдость, а после него микроструктура плавно переходит к той, что характерна для основного металла.

Количественным показателем, характеризующим качество и эффективность процесса, является микротвёрдость, которая оценивается при помощи металлографического микроскопа, использующего метод Виккерса. Микротвёрдость по Виккерсу HV представляет собой результат, полученный при внедрении в сталь алмазного индентора. Рабочая часть индентора – четырёхгранная пирамида с углом при вершине 180. Такой же угол образуют касательные, проведенные к оттиску. Усреднённый результат эксперимента получают сравнением длины двух диагоналей. Твёрдость по Виккерсу формально считается микротвёрдостью материала, и измеряется в МПа.

Процесс азотирования заключается в диффузии азота, направление потока которой направлено внутрь поверхностных слоёв стали. Она начинается при относительно низких температурах (500…530 С), поэтому последующая закалка изделия не требуется. Процесс азотирования не влияет на свойства основной микроструктуры при условии, что конечная температура отпуска продукта будет выше, чем температура азотирования.

Нитридные поверхности обладают высокой износостойкостью и противозадирными свойствами. Повышается усталостная долговечность и коррозионная стойкость детали. Дополнительным преимуществом азотирования является то, что твёрдость поверхности, из-за наличия стойких нитридов, весьма устойчива к воздействию высоких эксплуатационных температур.

Процесс применяют для химико-термической обработки:

• зубчатых передач;
• коленчатых и распределительные валов;
• толкателей кулачков;
• клапанов;
• винтов экструзионных установок;
• инструментов для литья под давлением;
• рабочих деталей тяжелонагруженной штамповой оснастки;
• инжекторов, предназначенных для формования пластмасс.

Во многих случаях, одновременно с насыщением поверхности азотом осуществляют диффузию карбонитридов, боронитридов и прочих твёрдых соединений металлов/неметаллов с азотом. Такие операции относятся к комбинированным.

Закалка

Это термическая обработка стали, благодаря которой происходит повышение ее прочности, износостойкости, твердости, предела упругости, а также снижение пластичных свойств. Технология закалки состоит из нагрева до определенной температуры (примерно 850-900 ºС), выдержки и резкого охлаждения, благодаря которому эти свойства и достигаются. Закалка является самым распространенным способом улучшения физико-механических свойств сплава. Виды термической обработки стали: с полиморфным превращением и без такового.

Закалку с полиморфным превращением используют для сталей, в составе которых присутствует элемент, способный к полиморфным преобразованиям.

Сплав нагревается до температуры изменения кристаллической решетки полиморфного элемента. В результате нагревания увеличивается растворимость легирующего компонента. При понижении температуры тип решетки изменяется в обратную сторону, но поскольку оно происходит с большой скоростью, в сплаве остается избыточная концентрация элемента с измененной решеткой. Так возникает неравновесная структура, являющаяся термодинамически неустойчивой. Игольчатая микроструктура стали, после термической обработки образовавшаяся в сплаве, называется мартенситом. Для снятия остаточных напряжений металл далее подвергают отпуску.

Закалка без полиморфных превращений применяется в случаях, когда один из компонентов сплава ограниченно растворяется в другом. При нагревании сплава выше линии солидус произойдет растворение компонента. А при быстром охлаждении вторичная фаза не успеет вернуться в исходное состояние, т.к. для возникновения границы раздела фаз, образования исходной решетки и процесса диффузии недостаточно времени. В итоге возникает метастабильный твердый раствор с избыточным содержанием компонента. Процесс приводит к увеличению пластичности металла. Термодинамическая устойчивость достигается в процессе самопроизвольного либо термического старения.

Поскольку режимы термической обработки стали закалкой имеют такой важный решающий параметр, как скорость охлаждения, следует упомянуть среды, в которых процесс происходит (воздух, вода, инертные газы, масло, водные растворы солей).

Скорость охлаждения стали водой в 6 раз выше при температуре 600 ºС и в 28 раз при 200 ºС (в сравнении с техническим маслом). Ее применяют для охлаждения углеродистых сплавов с высокой критической скоростью закалки. Недостатком воды является достаточно большая скорость охлаждения в областях возникновения мартенсита (200-300 ºС), что может привести к образованию трещин. Соли добавляют в воду для увеличения ее закаливающей способности. Таким образом происходит, например, термическая обработка стали 45.

Сплавы с незначительной критической скоростью закалки, которыми являются легированные, охлаждают с помощью масла. Его использование ограничивается легкой воспламеняемостью и способностью пригорать к поверхности деталей. Ответственные детали из углеродистой стали охлаждают в двух средах: воде и масле.

Мартенситные стали, на которых не должно быть оксидной пленки, например, используемые для медицинского оборудования, охлаждают в разряженной атмосфере или на воздухе.

Для того чтобы превратить остаточный аустенит, придающий стали хрупкость, в мартенсит, применяют дополнительное охлаждение.

С этой целью детали помещают в холодильник с температурой -40 – -100ºС либо покрывают смесью углекислоты с ацетоном. Специальная дополнительная обработка низкими температурами способствует повышению твердости режущих инструментов, материалом которых является легированная сталь, стабилизации размерных параметров высокоточных деталей, увеличению магнитных качеств металла.

Для некоторых деталей, например, валов, кулачков, осей, шестерен, пальцев для муфт, работающих на истирание, используют поверхностную закалку. В этом случае образуется износостойкое покрытие детали, сердцевина которой – вязкая, с повышенной усталостной прочностью. Для того чтобы произвести такую закалку, используют токи высокой частоты, образуемые трансформатором от специального генератора. Они нагревают поверхность детали, охватываемую индуктором. Затем деталь охлаждается на воздухе. Толщина поверхностного слоя, подвергнутого закалке, может варьироваться от 1 до 10 мм.

Типы рабочих сред

Для выполнения азотирования могут использоваться различные типы рабочих сред. Наиболее распространенной из них является газовая среда, состоящая на 50% из аммиака и на 50% из пропана или из аммиака и эндогаза, взятых в таких же пропорциях. Процесс азотирования в такой среде выполняется при температуре 570°. При этом изделие подвергается воздействию газовой среды на протяжении 3 часов. Азотированный слой, создаваемый при использовании такой рабочей среды, имеет небольшую толщину, но высокую прочность и износостойкость.

Большое распространение в последнее время получает метод ионно-плазменного азотирования, выполняемого в азотосодержащей разряженной среде.

Ионно-плазменное азотирования – взгляд «изнутри»

Отличительной особенностью ионно-плазменного азотирования, которое также называют обработкой при тлеющем разряде, является то, что обрабатываемую деталь и муфель подключают к источнику электрического тока, при этом изделие выступает в качестве отрицательно заряженного электрода, а муфель – в роли положительно заряженного. В результате между деталью и муфелем формируется поток ионов – своего рода плазма, состоящая из N2 или NH3, за счет которой происходят и нагрев обрабатываемой поверхности, и ее насыщение необходимым количеством азота.

. . . Азотирование

— это термохимическое упрочение поверхности стальных и чугунных деталей, при которой насыщают азотом. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и получает крайне высокую микротвёрдость, значительную устойчивость к коррозии и улучшенные триботехнические свойства (уменьшение коэффициента трения). По уровню получаемой микротвёрдости азотирование превосходит цементацию и нитроцементацию. Так же — детали подвергнутые азотированию держат свою повышенную прочность при нагреве до температуры 550–600°С. Для сравнения- после цементации твердость поверхностного слоя может начать ухудшаться при нагреве детали уже свыше 225°С. В итоге можно четко констатировать — что прочностные характеристики поверхностного слоя стали после азотирования в 1,5–2 раза выше, чем после закалки или цементации. Именно поэтому уже более 60 лет такие ответственные и подвергаемые жесткому нагреву детали ДВС как впускные и выпускные тарельчатые клапана обязательно подвергают азотированию.

. . Другой важной чертой процесса азотирования стали является то, что при этом процессе детали нагревают лишь до 500-550°С. Такой достаточно щадящий процесс термического воздействия приводит к тому, что в даталях практически не возникает термических напряжений и последующих деформаций. Именно поэтому азотированию можно подвергать детали уже изготовленные «точно в размер». В отличие от азотирования, процессы цементирования или закалки предполагают нагрев до 850-950 °С, что приводит к серьезным последующим поводкам деталей (изменению их геометрии за счет появления внутренних напряжений) и необходимости далее шлифовать такие изделия. А шлифовать термоупроченные детали с высокой поверхностной твердостью- дело очень трудоемкое и дорогое….

Особенно такой щадящий режим термовоздействия на азотируемые детали характерен для передовой методики ионно-плазменного азотирования, где нагрев идет более щадящий, чем при азотировании в газовой среде аммиака.

Поверхностная твердость обработанных сталей типа 38Х2МЮА достигает величины в 63-65 HRC (твердость по Роквеллу), стали 40Х- до 50-52 HRC .

Глубина возникающего поверхностного термоупроченного слоя составляет от 0,2 до 0,6 мм в зависимости от типа стали.

Детали после процесса азотирования. Цвет изменился- нитриды железа обладают специфическим цветом.

КАКИЕ ДЕТАЛИ ПОДВЕРГАЮТ АЗОТИРОВАНИЮ?

. . . Азотированию подвергают прежде всего такие детали различных машин и механизмов, которые подвергаются повышенному износу за счет усиленного трения в условиях значительных температур.

ШНЕКОВЫЕ ПАРЫ:

… Например — шнеки и филеры (пилотезы) шнековых прессов для выдавливания с дальнейшим формованием пластиковых изделий, либо шнеков при производстве евродров из опилок-цепы, либо шнековых прессов для отжима растительного масла, и прочих похожих шнековых прессов. Например — большая технологическая проблема шнеков для формовки и прессования евродров из цепы и опила — это очень быстрый износ формующей пары «оконечник шнека- фильера». Особенно- если формовке подвергается щепа с лесосеки, загрязненная песком, глиной и почвой, то поверхности формующей пары дешевых шнековых прессов изнашиваются за 4-6 дней, а «фирменных» прессов держатся не более месяца… После этого шнек практически уже не может выдавать продукт нормального качества и нужной геометрии…

Борирование стали

Обработка стальной детали бором осуществляется при температуре в 900–950 ОС. Цель процедуры – повышение стойкости к износу и прочности детали. Толщина слоя может составлять от 0,05 до 0,15 мм. Он обладает отличными показателями стойкости к воздействию различных абразивных веществ, не поддается коррозии. Чаще всего борирование уместно в том случае, если необходимо придать прочность штамповому оборудованию или буровому инструменту.

Насыщение поверхностного слоя атомами такого металла, как бор, происходит при нагревании. Слой покрытия может быть как одинарным, так и двойным. Борирование бывает газовым, электролизным или жидким.

Газовое борирование. Процедура имеет много общего с цементацией или азотированием. Осуществляется она в камере печи. В качестве среды используется диборан, треххлористый бор, триметил. Данные вещества разбавляют:

• Аргоном.
• Аммиаком.
• Азотом.
• Водородом.

Температура, при которой происходит насыщение – 900 ОС, время воздействия – 2–6 ч. Толщина полученного боридного слоя составляет 0,1 или 0,2 миллиметра.

Электролизное борирование. Данная технология в большинстве ситуаций применяется при электролизе расплавленной буры. Температура в ванне достигает 950 ОС, длительность выдержки – до 6 часов. Детали, поверхностный слой которых подвергли борированию, служат катодами, монтируемыми на подвески.

Жидкостное борирование. Сталь насыщается бором посредством расплавленных солей NaCl, BCl2, возможно использование добавок – карбида брома или ферроброма.

Технология борирования обладает явно выраженным преимуществом перед цементацией и другими видами химико-термической обработки стали, у нее самые высокие показатели прочности поверхности.

Цементация стали

Цементацией называют процесс, позволяющий насытить стальную конструкцию углеродом. Сердцевина остается мягкой, однако, благодаря слою покрытия прочность поверхности повышается. В процессе использования такие детали не подвергаются воздействию извне, не деформируются от ударов и не стираются.

Цементации подвергают элементы, выполненные из углеродистой либо легированной стали, содержание углерода в которой не менее 0,08% и не более 0,35%. Для цементации используют составы, богатые углеродом. Их называют карбюризаторами. Такие составы могут быть жидкими, твердыми и даже газообразными.

Цементация сталей происходит через нагрев деталей, предварительно упакованных в изготовленные из железа ящики, туда же помещается карбюризатор. Твердое вещество состоит из 70% древесного угля, 20–25% углекислого бария, а оставшаяся часть – углекислый кальций (3–5%).

Цементация осуществляется при температуре в 920–930 ОС, этот показатель позволяет сделать процесс максимально быстрым. Обогащение слоя стали происходит, когда частицы угля соприкасаются с поверхностью элемента. Передатчик углерода в данной ситуации – газовая среда. Правильно организованная цементация поверхностного слоя стальной детали продолжается от 5 до 14–15 часов.

Цементации в жидкой среде принято подвергать изделия небольшого размера, выполненные из углеродистой или легированной стали. Их на некоторое время опускают в соляные ванны, которые содержат расплавленные вещества:

• соду,
• поваренную соль,
• карбид кремния.

Газовая цементация

Суть газовой цементации в том, что деталь из легированной стали сначала необходимо нагреть, а затем прокалить в печи, температура в которой составляет от 920 до 950 ОС. В камеру печи на протяжении всего периода цементации подают газ с содержанием метана.

При использовании данного метода продолжительность цементации стальной детали уменьшается в несколько раз. Так, глубина слоя цементирования в 1,2 м может быть зафиксирована уже после 4–5 часов нахождения детали в газовой камере.

Газовая цементация сталей обладает явными преимуществами по сравнению с первыми двумя способами:

• возможность регулировки процесса посредством изменения количественного и качественного состава газа,
• отсутствие габаритного оборудования,
• относительная чистота процесса, отсутствие угольной пыли,
• возможность проводить закалку стали непосредственно в камере печи.

Газовая цементация достаточно экономична в сравнении с использованием твердых и жидких карбюризаторов.

Азотирование стали

При азотировании поверхностный слой стальной детали насыщают кислородом. Промышленное применение данный способ получил практически 100 лет назад, в 20-е годы XX века. Азотирование детали – это отличный способ повысить не только твердость изделия, но и его коррозионную стойкость.

Азотирование стали осуществляется посредством погружения детали в печи, которые герметично закрывают. Туда подают аммиак, который при нагреве распадается на азот и водород. В процессе данной реакции атомы азота поглощаются слоем поверхности стали и проникают внутрь детали.

Насколько глубоким и прочным окажется слой, подверженный азотированию, сказать сложно. Этот фактор зависит от многих деталей:

• температура, при которой осуществлялось азотирование,
• продолжительность обработки детали,
• состав стали, которую подвергли азотированию.

Описываемая процедура не позволяет достигать нескольких целей одновременно, в отличие от цементации. Выделяют два вида азотирования.

Повышение прочности слоя поверхности стальной детали. Температура процесса – до 560 ОС, средняя толщина слоя – 0,5 мм. Продолжительность операции может достигать одних суток.

Повышение степени устойчивости к коррозии. Оптимальная температура – от 650 до 700 ОС. Продолжаться антикоррозийное азотирование может до 10 часов. Толщина слоя, образующегося в процессе – 0,3 мм.

Процесс азотирования стали могут проходить только полностью готовые изделия, которые прошли через этапы термической и механической обработки. Структура сорбита внутри изделия сохранена полностью, что обеспечивает повышение прочности и вязкости детали.

Газовое силицирование

В процессе такого вида цементации, как силицирование, верхний слой стали насыщают кремнием, который делает деталь стойкой к воздействию кислот, износостойкой, жаростойкой. Силицирование может быть выполнено в одном из трех цементаторов.

Твердое силицирование. В качестве среды принято брать ферросицилий и шамот. Для сокращения количества времени можно добавить хлористый алюминий. Температуры такой цементации достаточно высоки – до 1200 ОС. Если выдержать деталь в течение 10 часов, то толщина слоя составит 0,7 миллиметра.

Жидкое силицирование. Для данного вида цементации используют хлористую соль, в которую добавлен ферросилиций. Температура выдержки – 1000 ОС.

Газовое силицирование. Обладает самым важным значением в промышленности. Процесс проходит весьма интенсивно. Температура выдержки может достигать 1050 ОС, время – от 2 до 6 часов, толщина слоя – до 1 миллиметра.

Важная особенность поверхностного слоя, который насыщен кремнием – пористая структура. Масло может немного изменить ситуацию, для этого деталь необходимо проварить в нем при температуре 200 ОС. Полученный материал будет довольно жаростойким и прочным.

Характеристика химико-термической обработки

Сущность данного вида обработки стали заключается в том, что химический состав поверхностного слоя меняется искусственным путем. Цель процедуры – увеличение степени прочности поверхности и износостойкости детали.

Состав поверхности изменяется благодаря тому, что в него проникают разные элементы. Это приводит к изменению свойств металла. Осуществляется химико-термическая обработка посредством помещения детали в среду, которая содержит в себе атомы вещества, необходимые для покрытия стального листа. Складывается термическая обработка из трех этапов:

• диссоциация,
• адсорбция,
• диффузия.

Первый этап – диссоциация – осуществляется посредством создания газовой среды и включает такие процессы, как разложение молекул определенного соединения и образование атомов, проявляющих активность в отношении стальной детали. В процессе адсорбции сталь поглощает свободные активные атомы, находящиеся в газовой смеси или растворе.

Третий этап, получивший название диф­фузионной металлизации стали, заключается в проникновении атомов, подвергшихся адсорбции, вглубь металла. Воздействия внешних сил на этом этапе нет. Процесс осуществляется за счет теплового движения атомов вещества. Если три этапа химико-термической обработки выполнены без ошибок, то полученный слой покрытия будет прочным.