Термическая обработка металлов является неотъемлемой частью производственного процесса черной и цветной металлургии. В результате этого процесса металлы способны изменить свои характеристики до необходимых значений. Вот о том, из каких процессов состоит термическая обработка металлов, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

 

Термическая обработка металлов

 

Термическая обработка металлов, это процесс нагрева, выдержки и охлаждения металлов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры материала. Тепловая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением или резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств конечного изделия.

 

Твердость 

 

Твердость — свойство твердых материалов, определяющее их сопротивляемость про­никновению более твердого тела. В металли­ческих материалах твердость используется для оценки механических свойств, таких как прочность, обрабатываемость, пластичность и устойчивость к износу. Стандарт DIN EN ISO 18265 определяет нормативы для опреде­ления по твердости предела прочности на растяжение или разрыв.

 

Испытания на твердость

 

Испытание на твердость является неразру­шающим способом получения информации о механических свойствах материала в относи­тельно короткий период времени.

Данные испытаний получают на основе оценки размеров производимых деформаций, когда к определенному виду испытательного оборудования или инструмента прикладыва­ется конкретное усилие. Необходимо разли­чать статические и динамические испытания. Статическое испытание основано на постоян­ном отпечатке, оставляемом испытательным инструментом. Стандартные методы испыта­ний твердости включают измерения по Рок­веллу, Виккерсу и Бринеллю. На рис. «Диапазоны измерения твердости при различных методах испытаний для нелегированных и низколегированных сталей и стальных отливок» приве­дено сравнение области применения проверки твердости на основе этих процедур.

При динамическом испытании контролиру­ется величина отскока испытательного инстру­мента от поверхности испытываемого образца.

Другим методом получения показателя по­верхностной твердости является нанесение царапин с помощью испытательного инстру­мента с последующим измерением ширины образовавшейся бороздки.

 

Методы испытаний на твердость

 

Твердость по Роквеллу (DIN EN ISO 6508)

 

Этот метод наиболее подходит для бы­строго автоматизированного тестирования металлических деталей, но в местах, опреде­ленных требованиями фиксирования образца на испытательном оборудовании. Он не под­ходит для деталей, которые, из-за особенно­стей их геометрии, не могут быть установлены на испытательном оборудовании, например, трубы.

Этот метод предполагает использование ис­пытательного инструмента (индентора) задан­ного размера и формы (конической или сфе­рической), изготовленного из определенного материала (стали, твердого сплава или алмаза), который давит в два этапа на поверхность испы­туемого образца. В этом процессе, после пред­варительного действия испытательной силы, прикладывается дополнительная испытательная сила в течение определенного периода времени.

Затем дополнительная испытательная сила снимается, и, при сохранении предва­рительной испытательной силы, рассчиты­вается твердость по Роквеллу HR, исходя из глубины проникновения h и двух постоянных численных значений N и S, в соответствии с формулой:

HR = Nh/S

Численное значение N и деление шкалы S зави­сят от типа индентора и испытательной нагрузки. Испытательная поверхность должна быть гладкой и как можно более плоской. Если радиус кривизны образца составляет менее 20 мм, то ре­зультаты должны подбираться с использованием поправочного коэффициента. При испытании выпуклых цилиндрических или сферических по­верхностей определяемое значение должны быть скорректировано в зависимости от твердости.

Сокращение выбранного метода испытания добавляется к численному значению полученной твердости (например, 65 HRC, 76 HR45N). Обо­значения указывают на используемый индентор (алмазный конус или шар), на предварительную и общую испытательные силы. В зависимости от используемого индентора и общей испыта­тельной силы существуют различные шкалы твердости с сокращениями HRA, HRB, HRC, HRD, HRE, HRF, HRG, HRH, HRK, HR15N, HR30N, HR45N, HR15T, HR30T и HR45T.

К преимуществам испытания по методу Рок­велла относятся минимальная подготовка об­разца и быстрота измерения. Этот процесс испы­тания может быть полностью автоматизирован. Любые вибрации или перемещения испытуемого образца или индентора могут привести к ошиб­кам испытания, а неровная установка образца может вызвать повреждение индентора.

 

Твердость по Бринеллю (DIN EN ISO 6506)

 

Этот метод используется для металлов, имею­щих твердость от низкой до средней. В каче­стве инструмента (индентора) применяется закаленный стальной шарик диаметром D. Он прикладывается к поверхности образца с вер­тикальным усилием F. Основой для вычисле­ния твердости по Бринеллю служит определе­ние с помощью микроскопа результирующей величины деформации диаметром d:

 где:

F — сила, H;

D- диаметр шарика, мм;

d-диаметр отпечатка, мм.

Диапазон испытательных усилий составляет от 9,81 до 29 420 H. Результаты, получаемые при использовании шариков различных диа­метров, являются условно сравнимыми при идентичных уровнях прилагаемых усилий. Испытание всегда должно выполняться путем использования наибольшего из возможных шариков или выбором соответствующей на­грузки с целью получения диаметров отпечат­ков от 0,24 D до 0,6 D. В табл. «Применение данных испытаний твердости по Бринеллю«, приведены рекомендуемые коэффициенты нагрузки ис­пытаний для различных материалов, в соот­ветствии со стандартом DIN EN ISO 6506-1.

 

 

При обозначении твердости по Бринеллю численные данные сопровождаются кодом процедуры, диаметром шарика в мм и силой испытания в Н, умноженной на 0,102 (напри­мер, 600 HBW 1/30).

Высокие значения испытательных усилий, распространяющиеся на относительно боль­шую площадь поверхности, могут использо­ваться для сбора данных по материалам с не­однородной структурой. Преимущество метода Бринелля заключается в относительно высокой степени корреляции между показателями твердости и пределом прочности на разрыв.

Необходимые подготовительные работы и последующие операции испытаний являются более сложными, чем при испытании по ме­тоду Роквелла.

 

Твердость по Виккерсу (DIN EN ISO 6507)

 

Данный метод испытаний может использоваться для всех металлических материалов, независимо от твердости. Он наиболее подходит для испы­таний мелких и тонких образцов, хотя область его применения распространяется на детали, прошедшие поверхностную закалку и химико­термическое упрочнение, а также на обрабаты­ваемые заготовки, подвергшиеся азотированию.

Инструментом является октаэдрическая алмазная пирамида с углом при вершине 136°. Она прикладывается к поверхности ис­пытуемого образца при определенном значе­нии усилия F. Диагонали d₁ и d₂ отпечатка, имеющего форму ромба, измеряется с помо­щью микроскопа и непосредственно исполь­зуется для определения значения твердости по Виккерсу, которое можно получить из та­бличных данных или подсчитать по формуле:

где:

F-прикладываемая сила, Н;

d — среднеарифметическое значение длин диагоналей d₁ и d₂, мм.

В обозначении твердости по Виккерсу после аббревиатуры HV приводится значение силы в Н (помноженной на показатель 0,102) и вре­мени приложения силы в секундах, в случае если оно отличается от стандартных 15 с, на­пример, 750 HV 10/25.

Поверхность испытуемого образца должна быть гладкой и плоской. В DIN EN ISO 6507 оговаривается, что показатели внесения попра­вок должны использоваться для компенсации ошибок, возникающих из-за кривизны поверхно­сти. Уровни испытательных усилий подбираются со ссылкой на толщину проверяемого образца или параметры внешнего закаленного слоя.

Основное преимущество метода: возмож­ность оценки тонких деталей или слоев. Числа Бринелля и Виккерса коррелируют приблизи­тельно до 350 HV.

Метод Виккерса обеспечивает приблизи­тельно такой же уровень точности, как и ме­тод Бринелля, хотя в обоих случаях процесс измерения крайне чувствителен к каким-либо перемещениям испытательной установки. Это позволяет использовать чрезвычайно малые значения силы для определения твердости отдельных структурных элементов. Испыта­тельный инструмент метода Виккерса является более дорогим, чем шарики, используемые по методу Бринелля.

 

Твердость по Кнупу (DIN EN ISO 4545)

 

Этот процесс измерения напоминает метод Виккерса. Испытательное оборудование пред­назначено для получения отпечатка в виде тон­кого удлиненного ромба. Длинная диагональ d отпечатка, образуемого после приложения силы F, в семь раз длиннее маленькой. Зна­чения твердости можно получить из стандарт­ных диаграмм или вычислить по формуле:

НК = 1,451 F/d²

где:

F-прикладываемое усилие, Н;

d-большая диагональ, мм.

При обозначении твердости по Кнупу числовое значение сопровождается сокращением НК, за­тем указываются сила испытания в Н, умножен­ная на коэффициент 0,102, и, если необходимо, через разделенную косую черту, — время прило­жения силы в секундах (например, 640 НК 0,1/20).

Глубина проникновения по Кнупу в 1/3 раза меньше, чем по Виккерсу, благодаря чему оценку поверхностной твердости можно выполнять для более тонких деталей и слоев. Недостаток метода состоит в точной регулировке поверхности об­разца, которая должна быть установлена строго под прямым углом по отношению к оси при­кладываемой силы. Испытания по Кнупу часто проводятся на хрупких материалах, таких как, керамические и спеченные материалы.

 

Твердость по Шору (DIN 53505)

 

Метод используется, в основном, для ис­пытаний на твердость резиновых изделий и мягких пластиков. В качестве инструмента используется стальной штырь диаметром 1,25 мм, который вдавливается в поверхность образца с помощью пружины с последующим изменением длины пружины.

Глубина проникновения стального штыря в анализируемом материале является мерой твердости по Шору. Этот показатель измеряется по шкале от 0 (глубина проникновения — 2,5 мм) до 100 (глубина проникновения — 0 мм).

По A-методу Шора инструмент тестирова­ния имеет форму усеченного конуса. Диаметр стального штыря составляет 0,79 мм, угол конуса — 35 °. По D-методу Шора измерение производится с помощью иглы, острие кото­рой имеет угол 30 ° и радиус 0,1 мм.

 

Твердость по отпечатку шариком (DIN ISO 2039)

 

Это — стандартное испытание для определения уровней твердости в пластомерах или материа­лах из твердой резины. Инструментом явля­ется закаленный стальной шарик диаметром 5 мм. Он прикладывается к поверхности испыты­ваемого образца с предварительным нагруже­нием в 9,8 Н. Образец должен иметь толщину, по крайней мере, 4 мм. Затем последовательно прикладываются возрастающие усилия в 49, 132,358 и 961 Н. По истечении 30 с замеряется глубина проникновения. Прикладываемая на­грузка F должна выбираться таким образом, чтобы величина глубины проникновения h на­ходилась в пределах от 0,15 до 0,35 мм. Значе­ние твердости НВ в Н/мм² можно рассчитать или получить из стандартных диаграмм.

 

Твердость по Мартенсу (DIN EN ISO 14577)

 

По этому методу проникновением инструмен­том в форме пирамиды в материал оценива­ются пластическая и упругая деформации. Твердость по Мартенсу в Н/мм² определяется как отношение силы испытания F к площади боковой поверхности внедренной в материал части индентора A_s рассчитываемой по глу­бине проникновения индентора h.

Твердость по Мартенсу обозначается аб­бревиатурой НМ, после которой указываются сила испытания в Н, время нагружения при индентировании в секундах и время вы­держки под нагрузкой в секундах (например, НМ 0,5/20/20 = 8700 Н/мм²).

 

Определение твердости склероскопом

 

Динамический метод измерений склероско­пом применяется для определения твердости тяжелых и крупногабаритных металлических изделий. Этот процесс, в основном, базируется на измерении высоты отдачи (энергии удара) стального индентора (молотка), снабженного алмазным или твердосплавным наконечником и падающего с заданной высоты на поверх­ность образца. Высота отдачи служит основой для определения твердости склероскопом.

Метод не стандартизирован и не имеет непо­средственной корреляционной связи с каким-либо другим методом испытания твердости.

 

Процессы термической обработки

 

Термическая обработка применяется для придания металлическим инструментам специфических качеств, требуемых при ме­таллообработке. Таким требованиям отвечают технологические процессы производства, обе­спечивающие заданные свойства материала для выполнения соответствующих функций.

В соответствии со стандартом DIN EN 10052, термическая обработка включает «обработку заготовки целиком или по частям за один или несколько временных и темпе­ратурных циклов, для того чтобы привести к изменению свойств ее структуры. Если не­обходимо, во время обработки может быть изменен химический состав материала».

В результате термической обработки мо­дифицируется микроструктура металла с достижением соответствующих твердости, прочности, пластичности, сопротивляемости изнашиванию и т.п., требуемых для преодо­ления напряжений, связанных со статиче­скими и динамическими нагрузками. Наи­более важные технологические процессы приведены в табл. «Технологические процессы термической обработки» (для получения сведений по терминологии см. DIN EN 10052).

 

 

Закалка

 

Технология закалки позволяет получить мартен­ситную микроструктуру очень высокой твердости и прочности в железных сплавах, таких как сталь и графитизированный чугун. Этот процесс со­стоит из отдельных операций, известных как об­разование аустенита и охлаждение или закалка.

 

Сквозная закалка

 

Заготовка нагревается до температуры образо­вания аустенита или до температуры закалки (табл. «Стандартные значения температуры образования аустенита» ), при которой заготовка выдержива­ется, пока не появится аустенитная структура, и пока соответствующее количество углерода (образованного при распаде карбидов, таких как графит в чугуне) не растворится в рассматривае­мом материале. После образования аустенита заготовка охлаждается с интенсивностью, до­статочной для того, чтобы закалиться, что мо­жет происходить в течение нескольких этапов с разной температурой. Полное преобразование в мартенситную микроструктуру должно быть закончено как можно быстрее. Необходимый процесс охлаждения определяется химическим составом, условиями образования аустенита, формой и размерами заготовки и желаемой ми­кроструктурой. Справочные данные для необхо­димого уровня охлаждения могут быть найдены на диаграмме изотермического превращения аустенита для рассматриваемой стали.

Температура образования аустенита изме­няется в соответствии с составом рассматри­ваемого материала (для получения конкрет­ных данных см. «Технические требования к стали DIN»). В табл. «Стандартные значения температуры образования аустенита» приведены эталонные данные. Для получения сведений по практике операций закалки для инструментальных сталей и различных инструментов см. DIN 17 022, часть 1 и часть 2.

Не все типы сталей и чугунов подходят для закалки. В следующем уравнении приводится описание потенциала закалки для легирован­ных и нелегированных сталей с содержанием углерода 0,15-0,60 % по массе, и он может использоваться для оценки твердости, дости­гаемой при полностью мартенситной микро­структуре:

Максимальная твердость = (35 + 50х±2) HRC  (уравнение 1),

Где:

х — содержание углерода в % по массе.

Если микроструктура не полностью состоит из мартенсита, то максимальной твердости достичь невозможно.

Когда содержание углерода превышает 0,6 % по массе, то можно предположить, что структура материала содержит в допол­нение к мартенситу остаточный аустенит. Максимальной твердости при этом условии получить нельзя и, соответственно, нельзя достичь высокой сопротивляемости изна­шиванию. Остаточный аустенит является нестабильным, то есть существует возмож­ность для последующих превращений в мар­тенсит при температуре, меньшей комнатной, или при снижении внутренних напряжений с изменением объема. Операции отпуска при температурах свыше 230 °С могут быть по­лезны в случаях, когда остаточный аустенит является неизбежным продуктом закалки. Во время закалки происходит перепад темпера­тур между краем и сердцевиной заготовок.

С большими поперечными сечениями умень­шенный уровень охлаждения в сердцевине может послужить началом уменьшения твердости по мере удаления от поверхност­ных. Иными словами, существует прогрессия твердости или градиент. Градиент твердости зависит от состава материала и степени за­калки, зависящей от условий образования аустенита (согласно испытаниям по DIN EN 642). В этом случае для получения не­обходимой твердости следует использовать материал с достаточной закаливаемостью. Информация о выборе стали, подвергаемой закалке, имеется в DIN 17021.

В DIN EN IS018265 приводятся данные по определению твердости, используемой для оценки прочности на разрыв Rm. этот ме­тод может применяться только для случаев, когда поверхностная и внутренняя твердости фактически равны.

При закалке, а также обработке, приво­дящей к мартенситной структуре происходит увеличение объема заготовки. По сравнению с первоначальным состоянием, объем увели­чивается примерно на 1%. Это приведет к из­менению длины примерно на 0,3 %.

Изменения объема заготовки, связанные с перегруппировкой структуры и градиентом температуры при охлаждении, приводят к на­пряжениям, которые, в свою очередь, могут привести к искажениям в виде изменений размеров и формы. Напряжения, которые остаются в заготовке после закалки, назы­ваются внутренними напряжениями. Края закаленной заготовки имеют тенденцию к появлению внутреннего напряжения при растяжении, в то время как сердцевина, как правило, обладает внутренним напряжением сжатия.

 

Поверхностная закалка

 

Этот процесс наиболее подходит для объеди­нения с другими операциями производства и может подстраиваться к ритму технологи­ческой линии.

Нагрев при закалке ограничивается по­верхностью, таким образом, изменения формы и размеров сведены к минимуму. Нагрев обычно осуществляется переменным током высокой или средней частоты (ин­дукционная закалка) или с использованием газовой горелки (пламенная закалка). Трение (закалка трением) и лучи высокой энергии (например, электронные или лазерные) мо­гут также обеспечивать разогрев поверхности с образованием аустенита. В табл. «Удельная мощность нагрева различными источниками тепла» приве­дены краткие данные специфических видов тепловой энергии для отдельных процессов.

Эти методы могут использоваться для об­работки как простых, так и сложных поверх­ностей, находящихся как в неподвижном со­стоянии, так и во время движения. При этом источник тепла также должен перемещаться. Наилучшим способом, связанным с обра­боткой радиально-симметричных деталей, является вращение, благодаря которому обе­спечивается концентрическая закалка. Для охлаждения могут применяться операции по­гружения образца в охлаждающую жидкость или ее распыления. Информацию о выпол­нении упрочнения поверхности можно найти в DIN 17022-5 .

Также для закалки могут применяться установки спрейерного типа. Температуры при поверхностной закалке должны быть на 50-100 °С выше, чем те, что используются при нагреве в печах, с целью обеспечения очень быстрого разогрева. Данный процесс обычно охватывает малоуглеродистые или нелегированные стали с содержанием угле­рода порядка 0,35-0,60% по массе. Однако, поверхностной закалке также могут подвер­гаться легированные стали, чугун и стали, применяемые в подшипниках качения.

При таком виде обработки может быть обеспе­чено сочетание высоких прочности и по­верхностной твердости детали, в том числе и в местах, имеющих высокие напряжения (скрытые или потайные концентраторы на­пряжений, несущие поверхности, поперечные сечения переходных деталей).

Поверхностная закалка применяется в ме­стах концентрации внутренних напряжений сжатия для обеспечения повышенной уста­лостной прочности, особенно в тех случаях, когда переменным напряжениям подвер­гаются детали с отверстиями или другими концентраторами напряжений. Напряжение, показанное на рис. «Знакопеременные напряжения соответствующие закалке поверхностных слоев», соответствует напря­жению при изгибе. Напряженное состояние детали снижается с наложением напряжений при изгибе и внутренних напряжений.

Зависимость, определенная в уравнении 1, может быть использована для оценки по­тенциальной твердости поверхности. Между поверхностным слоем и внутренней неза­каленной областью детали обычно имеется существенная разница в твердости. Глубина закалки DS, при которой твердость по Вик­керсу изменяется не более чем на 80%, может быть выведена из кривой прогрессии твердо­сти (см. DIN ЕМ 10328).

 

Изотермическая закалка на аустенит

 

Цель данного процесса — создание бейнитной микроструктуры. Бейнит не является на­столько твердой структурой, как мартенсит, однако обладает большей пластичностью, а также меньшей склонностью к изменениям удельного объема.

После образования аустенита (см. раздел «За­калка»), детали, предназначенные для закалки на бейнит, подвергаются охлаждению до темпе­ратуры 200 …350 °С (в зависимости от состава материала) с определенной скоростью. Затем детали выдерживаются при этой температуре до тех пор, пока не закончится превращение ау­стенита в бейнит. После этого детали могут быть охлаждены до комнатной температуры (при этом специального режима охлаждения не требуется).

Закалка на бейнит эффективна для дета­лей, чья геометрическая поверхность чув­ствительна к концентраторам напряжений или трещинам, или в случае, когда требуется иметь высокую пластичность вместе со зна­чительной твердостью.

 

Применение

 

Головки цилиндров в современных дизель­ных насосах высокого давления для систем Common-Rail, которые должны быть спо­собны избегать высокого износа и внутрен­них сжимающих напряжений, имеют изотер­мическую закалку на аустенит.

 

Отпуск

 

Отпуск закаленных компонентов и инструмен­тов используется для повышения их деформируемости и снижения риска растрескивания. В соответствии с DIN EN 10052, отпуск включает нагрев в один или несколько этапов до температуры отпуска, выдерживание при этой температуре, а затем охлаждение соответ­ствующим образом. Отпуск осуществляется от комнатной температуры до температуры Ас₁, т.е. до той температура, при которой будут соз­даны аустенитные структурные составляющие.

Отпуск при температурах порядка 180 °С яв­ляется достаточным для уменьшения твердо­сти нелегированной или низколегированной стали приблизительно на 1-5 HRC. Отдельные материалы реагируют при более высоких температурах с характерными потерями твер­дости. На рис. «Характерные кривые отпуска для различных марок сталей» показаны характерные кри­вые отпуска для различных марки сталей. Эти кривые иллюстрируют тот факт, что твердость сталей со специальными легирующими эле­ментами (Mo, V, W) — такая же, как, например, у горячекатонной или быстрорежущей инстру­ментальной стали — увеличивается в темпера­турном диапазоне от 400 до 600 °С до величин, которые могут быть выше твердости закалки (вторичная закалка).

Зависимость между температурой отпуска, с одной стороны, и твердостью, прочностью, те­кучестью, пределом сжатия и растяжения может быть взята из диаграммы отпуска для различных сталей (см., например, DIN EN 17021).

Говоря в общем, отпуск уменьшает твердость и прочность и увеличивает деформируемость. Внутренние напряжения также могут быть умень­шены закалкой при температуре свыше 300 °С.

Объем уменьшается, когда отпускаются структуры, которые становятся свободны от остаточного аустенита. При этом для структур, содержащих остаточный аустенит, характерно увеличение объема, которое происходит при переходе от остаточного аустенита в мартенсит. Твердость увеличивается, деформируемость уменьшается, и могут быть созданы новые вну­тренние напряжения. Также увеличивается риск образования трещин.

Следует помнить, что стали, легированные марганцем, хромом и никелем или комбина­цией этих элементов, не должны отпускаться при температурах 350-550 °С, так как это может привести хрупкости. Когда эти типы материалов охлаждаются после закалки, про­изводимой при температурах свыше 550 °С, переход через этот критический диапазон должен также осуществляться как можно быстрее (для получения дополнительной информации см. DIN 17022, части 1 и 2). Этой чувствительности к закалке можно избежать использованием в качестве леги­рующих элементов молибдена и вольфрама.

 

Закалка и отпуск

 

Закалка и отпуск предполагают сочетание этих двух операций при температуре, ко­торая, как правило, находится в диапазоне от 540 до 680 °С. Эта процедура предназначена для достижения оптимального соотношения между прочностью и пластичностью. Она при­меняется в тех случаях, когда требуются пре­дельные значения пластичности и ковкости.

Особое внимание должно быть уделено тому, чтобы при выполнении операций за­калки и отпуска избежать хрупкости.

 

Отжиг

 

Отжиг может применяться для оптимизации определенных эксплуатационных и техноло­гических свойств деталей. С помощью этого метода, детали нагреваются до определенной температуры, выдерживаются в течение до­статочного времени, после чего охлаждаются до комнатной температуры. Ниже приведены наиболее важные с точки зрения технологии процессы отжига.

 

Снятие напряжений при отжиге

 

В зависимости от точного состава материала, снятие напряжения при отжиге производится в диапазоне температур от 450 до 650 °С. Кон­кретной целью является снижение внутрен­них напряжений в компоненте, инструменте или отливке.

 

Рекристаллизационный отжиг

 

Применяется для деталей, изготовленных без использования металлорежущих инструмен­тов. Требуемый диапазон температур зависит от состава материала и степени деформа­ции: для стали он находится в пределах 550 …730 °С.

 

Мягкий отжиг

 

Цель мягкого отжига — улучшение обраба­тываемости материалов, которые с трудом поддаются механической обработке или холодной штамповке. Процесс заключается в нагреве материала до температуры свыше 600 °С, кратком нагреве до температуры свыше Ас_ь выдерживании при этой температуры и медленном охлаждении до комнатной температуры.

Требование к температуре определяется составом материала. Она колеблется в диа­пазоне от 650 до 850 °С для стали и может быть ниже для цветных металлов и сплавов.

Получение шаровидного цементита (кар­бид железа) применяется, когда требуется создать микроструктуру с зернистой формой карбида. Если начальной структурой явля­ется мартенсит или бейнит, то результатом будет гомогенное распределение карбида.

 

Нормализация

 

Проводится посредством нагрева деталей до температуры образования аустенита с по­следующим постепенным охлаждением на воздухе до комнатной температуры. Низко­легированные и нелегированные стали в ре­зультате этого получают структуру, состоящую из феррита и перлита. Этот процесс необхо­дим для уменьшения размера зерен, предот­вращения выделений цементита по границам зерен и обеспечения максимальной однород­ности распределения феррита и перлита.

 

Старение

 

Этот процесс представляет собой термооб­работку для перевода второго компонента в твердый раствор с последующим старением при температуре окружающего воздуха. Де­тали нагреваются и затем выдерживаются при определенной температуре в целях пере­вода структурных компонентов в твердый раствор и подвергаются закалке для образо­вания сверхнасыщенного раствора. Процесс старения включает в себя один или несколько циклов, в течение которых материал нагре­вается и выдерживается при температурах, превышающих температуру окружающего воздуха (горячее старение). Во время этого процесса одна или несколько фаз формиру­ются и осаждаются в матрице.

Выделяющиеся частицы повышают твер­дость и прочность базовой микрострук­туры. Фактические характеристики металла определяются температурой и продолжи­тельностью процесса старения; превышение определенного максимума обычно позволяет уменьшить прочность и твердость конечного продукта.

Старение чаще всего применяется для сплавов цветных металлов, однако некото­рые сорта стали также подвергаются этой обработке.

Применение

Стали, подверженные старению, использу­ются, например, в датчиках измерения дав­ления в топливной рампе в аккумуляторной топливной системе типа Common-Rail.

 

Химико-термическая обработка

 

Во время химико-термической обработки, де­тали погружаются в среду, элементы которой диффундируют в поверхностный слой детали и модифицируют структуру поверхностного слоя. Особо важными для этого процесса являются среды, включающие углерод, азот и бор.

 

Цементация, карбонитрирование, другие типы химико-термического упрочнения поверхности

 

Цементация повышает содержание угле­рода в поверхностном слое, в то время как карбонитрирование к обогащению углеро­дом дополняет азот. Этот процесс обычно проводится в соляных ваннах, в атмосфере с гранулированным составом или в газовой среде при температурах, изменяющихся от 850 до 1000 °С. Закалка выполняется од­новременно с химико-термическим упрочне­нием при температуре науглероживания или карбонитрирования (прямая закалка), или пу­тем непосредственного охлаждения до ком­натной температуры (одиночная закалка), или во время непосредственного охлажде­ния деталей до подходящей промежуточной по значению температуры перед повторной обработкой нагревом (закалка после изо­термического превращения, например, при температуре 620 °С) до температуры закалки. Этот процесс позволяет получить мартенсит­ный поверхностный слой, хотя количество мартенсита в приповерхностных слоях пред­ставляет собой функцию температуры за­калки, прокаливаемости и толщины детали.

При этом должны выбираться конкретные значения температуры как для поверхностной закалки в верхних приповерхностных слоях с более высоким содержанием углерода (слу­чай обогащения), так и для ненауглерожен- ных внутренних частей детали (обогащение внутренних частей) (см. DIN 17022, часть 3). Расстояние между поверхностью и точкой, в которой массовое содержание углерода составляет 0,35%, обычно определяется как глубина науглероживания или цементации.

От требуемой глубины науглероживания, температуры и атмосферных характеристик диффузии углерода (его потенциала в среде) зависит продолжительность процесса цемен­тации или карбонитрирования.

Типичное содержание углерода в цемен­тированном поверхностном слое находится в диапазоне от 0,5 до 0,85% по массе. Кон­центрация углерода, по сути, определяет твердость поверхности.

В общем случае целью химико­термической обработки является достижение массового содержания углерода 0,5-0,85% с получением достаточно высокой поверх­ностной твердости. Более высокие концен­трации углерода могут привести к сохране­нию остаточного аустенита и/или выделению фазы, что может негативно сказаться на ка­честве детали. Таким образом, очень важным фактором при термической обработке явля­ется контроль атмосферного уровня угле­рода и, в итоге, окончательного содержания углерода в детали.

 

Газовая и вакуумная цементация

 

Наиболее распространенными процессами цементирования, используемыми сегодня, являются газовая цементация и вакуумная цементация. В случае газовой цементации, уровень углерода в атмосфере печи регули­руется таким образом, чтобы поверхност­ный слой заготовки получал необходимую концентрацию углерода. Устанавливается состояние равновесия с окружающей ат­мосферой печи. При вакуумной цементации, с другой стороны, содержание углерода не может быть таким образом отрегулиро­ванным. В этом случае содержание углерода регулируется с помощью многоступенчатого цементирования. На первом этапе цементи­рование осуществляется при очень высоком содержании углерода в диапазоне физиче­ского насыщения. Далее это высокое содержание углерода уменьша­ется путем диффузии до нужного уровня. Процесс вакуумной цементации состоит из нескольких последовательных этапов цементирования и диффузии.

Градиент, определяющий зависимость твердости от глубины, соответствует кривой концентрации углерода. Для оценки этого используется понятие глубины цементации CHD. В стандарте DIN EN ISO 2639 она определяется как максимальное расстояние от поверхности, при которой твердость па­дает ниже 550 HV.

Деталь, прошедшая химико-термическую обработку и закалку, испытывает, в основ­ном, напряжения сжатия на поверхности и растяжения во внутренних слоях детали. Как и в случае с поверхностной закалкой, такая схема распределения напряжений обе­спечивает повышенную сопротивляемость вибрационным нагрузкам

Азот, поглощаемый вовремя карбонитрирования, служит для улучшения поведения материала при отпуске, повышает его долго­вечность и усиливает стойкость к износу. Положительное влияние азота наиболее вы­ражено для нелегированных сталей. Допол­нительную и более подробную информацию по операциям закалки с химико-термическим упрочнением см. в DIIM 17022, часть 3 и в ин­формационном листе 452 Информационного центра стали, Дюссельдорф.

 

Применение

 

Форсунки аккумуляторной топливной си­стемы Common-Rail, способные вы­держать высокий износ и внутренние сжи­мающие напряжения, закаляются путем вакуумной цементации.

 

Азотирование и нитроцементация

 

Азотирование — процесс химико-термической обработки (в температурном диапазоне 400-600 °С), используемый для обогащения поверхностного слоя железных сплавов азотом. Вовремя нитроцементации в материал диффун­дирует и определенное количество углерода.

Молекулярный азот, находящийся в ука­занном диапазоне температур газообразного азота, не может диффундировать в металли­ческие материалы. Поэтому необходимо, чтобы это происходило с помощью подходящего донора. На практике процессы азотирования и нитроцементации выполняются в газовой атмосфере, содержащей аммиак, в плазме, содержащей азот или даже в расплавленных солевых растворах, содержащих цианат. Газо­вые выбросы аммиака способствуют диффун­дированию азота во время его термического распада. В плазме азот ионизируется, что также способствует диффузии атомов азота.

Обогащение азотом поверхностного слоя вызывает осаждение нитридов, в резуль­тате чего поверхностный слой затвердевает. В конечном счете, это приводит к большей стойкости к износу и коррозии и к большей усталостной прочности. Так как процесс про­исходит при сравнительно низких темпера­турах, нет объемных изменений, связанных с преобразованиями в микроструктуре, так что изменения размеров и формы минимальны.

Азотированная зона включает поверхност­ный слой толщиной в несколько миллиме­тров и осветленный переходный слой, твер­дость которого может находиться в пределах от 7CD до 1200 HV и выше в зависимости от состава материала. При этом чем больше расстояние от поверхности, тем мягче диффузионный слой, толщина которого со­ставляет несколько десятых миллиметра. Толщина отдельных слоев определяется температурой и продолжительностью процесса обработки. В результате обработки устанавливается градиент твердости, подобный тому, что имеет место при поверхностной закалке и химико-термической обработке с закаливанием; этот градиент служит осно­вой при установлении глубины азотирования. В DIN 50190, часть 3, она определяется как расстояние от поверхности, на котором твердость все еще на 50 HV выше, чем твер­дость внутри материала.

Сопротивляемость материала к изна­шиванию и коррозии, главным образом, определяется наличием осветленного слоя, который содержит до 10% компонентов азота по массе. Азотирование и поверхност­ная закалка определяют сопротивляемость материала к знакопеременным циклическим напряжениям (для дополнительной инфор­мации см. DIN 17022, часть 4 и информа­ционный лист 447 Информационного центра стали, Дюссельдорф.

Антикоррозионная стойкость чугуна или нитроцементация заготовок могут быть зна­чительно увеличены окислением в парах воды или других подходящих газах, или в расплавленных солевых растворах при тем­пературах в пределах от 350 до 550 °С.

 

Применение

 

Форсунки, используемые, например, в ак­кумуляторных топливных системах Bosch Common-Rail, способные выдерживать резкие перепады температур, подверга­ются газовому азотированию. Компоненты для очистителя ветрового и заднего стекол нитроцементируются для повышения их устойчивости к коррозии и износу. После обработки эти компоненты приобретают харак­терный верный цвет.

 

Обработка бором

 

В зависимости от продолжительности и тем­ператур (обычно 850-1000 °С), получают железоборный осветленный слой глубиной от 30 мкм до 0,2 мм и твердостью 2000-2500 HV.  Борирование является наиболее эффек­тивным средством защиты против абразив­ного износа, однако высокая температура процесса приводит к относительно большим изменениям формы и размеров обрабаты­ваемой детали.

 

Применение

 

Частичное борирование держателей инстру­ментов с высокой износостойкостью исполь­зуются в ударных сверлах Bosch.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЕ ПОЧИТАТЬ: