Технология обработки стали холодом (стр. 2 из 3)
Основные виды термической обработки – отжиг, закалка, отпуск и старение.
Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей.
Отжиг – термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающиеся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.
Закалка – термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции. Конструкционные и инструментальные сплавы закаливаются для упрочнения.[2]
Отпуск и старение – термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Сочетание закалки с отпуском или старение практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств по сравнению с отожженным состоянием.
При термической обработке стали возникают дефекты, к которым относятся: трещины – образуются при закалке в тех случаях, когда внутренние растягивающие напряжения, возникающие в результате мартеновского превращения, превышают сопротивление стали разрушению. Трещины – неисправимый дефект.
Деформация и коробление – изменения размеров и форм изделий, происходит при термической обработке в результате термических и структурных напряжений под воздействием неравномерного охлаждения и фазовыми превращениями. Коробление труднее устранить в длинных и тонких изделиях.
Химико-термической обработкой называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействия на металлы и сплавы для изменения химического состава структуры и свойств в поверхностных слоях. Химико-термическая обработка сводится к насыщению поверхностного слоя стали неметаллами или металлами в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде.
Химико-термическую обработку широко применяют для упрочнения деталей машин, повышения твердости, износостойкости. Есть несколько направлений этой процедуры.
Цементация – это химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде – карбюризаторе. Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки низкого отпуска, выполняемых после цементации. Для цементации используют обычно низкоуглеродистые, чаще легированные стали. На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование.
Нитроцементация – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом в газовой среде, состоящей из науглеруживающего газа и аммиака. После этого процесса следует закалка и отпуск. Нитроцементации обычно подвергают детали сложных конструкций, конфигурации, склонные к короблению. Широко применяется в автомобиле-, и тракторостроении.
Азотирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом, очень сильно повышающий твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах как атмосфера, вода, пар.
Цианирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом в расплавленных цианистых солях. Цианирование при сравнительно низких температурах позволяет выполнить закалку непосредственно из цианистой ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск. Применяют для упрочнения мелких деталей.
Борирование – химико-термическая обработка, заключающаяся в насыщении поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде. Применяют для повышения износостойкости втулок, грязевых нефтяных насосов, дисков пары турбобуров, вытяжных, гибочных и формировочных штампов, деталей пресс-форм машин для литья под давлением.
Силицирование – насыщение поверхности стали кремнием. Используется в обработке деталей для оборудования химической, бумажной, нефтяной промышленности.
Хромирование используют для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков и других деталей, работающих в агрессивных средах.[3]
Закалка - это операция термической обработки, заключающаяся в нагреве стали на 30-50°С выше критических точек Ас3 - для доэвтектоидных и Ас1 - для заэвтектоидных сталей и выдержке при этой температуре для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Сталь 12Х2НВФА является доэвтектойдной, критическая точка Ас3 равна 840°С, поэтому температура нагрева при закалке равна
. Оптимальной охлаждающей средой при закалке для данной стали является масло, так как оно быстро охлаждает сталь в интервале температур минимальной устойчивости аустенита и замедлено в интервале температур мартенситного превращения, то есть при охлаждении в масле происходит одновременное мартенситообразование во всей детали, и снижается возможность образования закалочных трещин. В результате закалки прочность и твёрдость увеличиваются, а пластичность и вязкость снижается.Структура после закалки: на поверхности мелкоигольчатый мартенсит, с равномерно распределёнными карбидами и аустенит остаточный, в сердцевине - малоуглеродистый мартенсит.
Обработка холодом заключается в охлаждении закалённой стали до температуры ниже Мк. Температура Мк данной стали равна -70°С, поэтому обработку холодом проводится при температуре - 50°С.[4]
Рис.1 График обработки
Холодом
Понижение температуры до температуры ниже точки конца мартенситного превращения Мк вызывает превращение аустенита в мартенсит, что повышает твёрдость стали. Однако, одновременно возрастают внутренние напряжения, поэтому деталь охлаждают медленно и сразу после обработки холодом проводят низкий отпуск.
В промышленности широко используется поверхностная пластическая деформация металла путем поверхностного наклепа. Это достигается путем: дробеструйного наклепа за счет кинетической энергии потока чугунной или стальной дроби; центробежно-шариковым наклепом за счет кинетической энергии стальных шариков, расположенных на периферии вращающегося диска.
Пластическая поверхностная деформация является эффективным методом локального упрочнения мест концентраций напряжений, способствует снижению шероховатостей.
Конструкционными называют стали, предназначенные для изготовления деталей машин (машиностроительные стали), конструкции сооружений (строительные стали). К этой группе сталей относят также стали со специальными свойствами – износостойкие, пружинные, коррозийно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и др.
Конструкционные стали должны обладать высоким пределом текучести, являющейся основой характеристики при расчетах деталей машин и конструкций, в сочетании с высокой пластичностью, сопротивлением хрупкому разрушению и низким порогам хладноломкости. Долговечность изделия зависит от сопротивление усталости, износу и коррозии.
Конструкционная сталь должна иметь хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, не образовывать шлифовочных трещин, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке. Строительные конструкционные стали должны хорошо свариваться всеми видами сварки.
Стали, применяемые в строительстве поступают без термической обработки или после термоупрочнения с прокатного нагрева. Термической обработке у потребителя эти стали не подвергаются. Стали на машиностроительные предприятия поставляются металлургическими заводами без термической обработки, после обжига или высокого отпуска. На машиностроительных заводах детали машин проходят термическую обработку для получения заданных свойств.
Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей. Стали отливают в крупные слитки, и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений. Из сталей обыкновенного качества изготавливают горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, листы, трубы и упаковки. Стали обыкновенного качества имеют и специализированное назначение и поступают по особым техническим условиям.
Качественные углеродистые стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу и структуре.
Низкоуглеродистые стали обладают не высокой прочностью и высокой пластичностью. Используют для сварных конструкций, деталей машин упрочняемых цементацией.
Среднеуглеродные стали применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения.
Стали с высоким содержанием углерода обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после закалки и отпуска, нормализации и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные волокна.