Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

ются соли,

обладают

малой

стойкостью, при плохом рас-

кислении

ванны возможно обез-

)тлероживание, детали необ-

ходимо очищать от налипших

солей.

Наиболее распространены

электрические печи-ванны, с

внешним

и внутренним нагре-

вом тигля. Внешний нагрев

осуществляется спиральными

(ленточными) элементами на-

грева (рис. 143), внутренний -

электродами (рис. 144). На-

ибольшее применение нашли

электродные печи-ванны с элек-

тромагнитной циркуляцией со-

ли.

Принцип

работы этих ванн

основан на том, что расплавлен-

ная

соль

обладает

высоким

электросопротивлением, вслед-

ствие

чего

электроэнергия пре-

вращается в тепловую.

Для термической обработки

инструмента применяют

меха-

низированные

агрегаты

с печа-

ми-ваннами.

Перенос инстру-

мента из ванны в ванну про-

изводится автооператорами.

Охлаждающие жидкости на-

ходятся в закалочных немеха-

низированных или механизиро-

ванных (см. рис. 140, 141) баках.

Немеханизированные .баки не

имеют специальных устройств

для выгрузки закалочных

дета-

лей. Для охлаждения закалоч-

ных жидкостей в баках при-

меняют змеевики с циркулирую-

щей холодной водой или осу-

ществляют принудительную

циркуляцию закалочной жид-

кости с охлаждением ее в спе-

циальных

охладителях.

Для снижения коробления

деталей сложной формы при

закалке в масле применяют ох-

лаждение в штампах (рис. 145)

или

в специальных приспособ-

ш\

-ч-

0£9Z

-*fl-E

кид

й>

ПИ1

га

ЬЙ

is"

СГ

О\

^-Г

СТ]

сид

Л^^

ага

pei

вид

J. Об

га

со

тел

в.

<и

СО

ко;

^С:

1ПО1

й>

UJ.

о,

221

Рис.

143. Электрическая печь-ванна

СВГ-20/8,5

(числитель — мощность-

ванны, кВт, знаменатель — темпера-

тура, в сотняк

С):

) — тигель; 2 — рабочая камера, вы-

ложенная шамбовым кирпичом; 3 —

чугунная плита; 4 — крышка; 5 — от-

верстие для крепления деталей; б —

термопара

лениях. При этом во многих

случаях

во время правки

используется эффект

сверх-

пластичности и снижение

сопротивления деформации

процессе протекания мар-

тенситного превращения.

8. ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА

При

поверхностной закалке

на

некоторую (заданную)

глубину

закаливается только

поверхностный слой,

тогда

как

сердцевина изделия оста-

ется незакаленной.

Основное назначение по-

верхностей закалки: повыше-

ние

твердости, износостой-

кости и предела выносли-

222

Рис.

144. Трехфазная электродная печь-ванна -

СВС-35/13:

—

кожух;

2 - футеровка; 1 - перегородка;

4 — зонт вытяжной; 5 — пирометр; 6 —

электродная группа; 7 — противовес

Рис.

145, Закалочный пресс для

зубчатых

колес:

— плунжер, передвигается сжатым

возду-

хом; 2 —цилиндр; 3 — матрица с втулкой;

4 — штамп с направляющим пуансоном;

5 — полунжер; 6 — сливные

трубы;

7 — ре-

зервуар

для масла

вости обрабатываемого изделия.

Сердцевина остается вязкой и вос-

принимает ударные нагрузки. В

практике более часто применяют поверхностную закалку с индукционным

нагревом током высокой частоты (ТВЧ). Реже, главным образом для

крупных изделий, применяют закалку с нагревом газовым пламенем.

Закалка

с индукционного нагрева. Индукционный нагрев для термиче-

ской

обработки был впервые предложен в 1935 г. В. П. Вологдиным.

В 1937 г. этот процесс был применен на ЗИЛе для упрочнения многих де-

талей автомобиля.

Индукционный

нагрев происходит вследствие теплового действия тока,

индуктируемого в изделии, помещенном в переменное магнитное поле.

Для нагрева изделие устанавливают в индуктор (соленоид), представ-

223

Рис.

146. Индукционный нагрев:

а —

схема

индукционного нагрева; б — закалка; / — при одновременном нагреве всей поверх-

ности;

// — закалка при непрерывно-последовательном нагреве; ] — деталь; 2 — индуктор;

— спрейер; 4

—

силовые линии магнитного поля

ляющий собой один или несколько витков пустотелой водоохлаждаемой

медной трубки или шины (рис. 146, а). Переменный ток, протекая через ин-

дуктор, создает переменное магнитное поле. В

результате

явления индук-

ции

в поверхностном слое, возникают вихревые токи и в слое обрабатывае-

мого изделия происходит выделение джоулевой теплоты. Плотность

индуктированного переменного тока, по сечению проводника (нагреваемо-

го изделия) неодинакова. Ток проходит в основном в поверхностном слое

проводника. Это явление называется поверхностным эффектом. Около 90%

теплоты выделяется в слое толщиной х, которая находится в следующей

зависимости от частоты тока / (Гц), магнитной проницаемости \х (Гс/Э)

электросопротивления р (Ом-см) нагреваемого металла:

х =

5000

Глубина проникновения тока увеличивается с повышением темпера-

туры

и наиболее резко возрастает при температуре, лежащей выше точки

Кюри

(768°С),

вследствие резкого уменьшения магнитной проницаемости

при

переходе

стали из ферромагнитного в парамагнитное состояние.

Одновременно уменьшается скорость нагрева, что нужно учитывать при

установлении режима нагрева. Скорость нагрева в области температур фа-

зовых превращений (A

— Л

) для доэвтектоидной стали составляет

~30

—300°С/с.

Для поверхностной закалки при поверхностном нагреве

применяют сравнительно большую

удельную

мощность

(0,1—2,0

кВт/см

поэтому время нагрева незначительно (2

—

50 с).

Для получения слоя, толщиной 1,0 мм оптимальная частота тока со-

ставляет

50000

—

60000

Гц, для слоя толщиной 2 мм ~

15000

Гц и для

слоя толщиной 4 мм всего ~

4000

Гц.

Однако уже на

частотах

звукового-диапазона

(2000

—

8000

Гц) можно

производить поверхностный нагрев и закалку на

глубину

1-2 мм. Глу-

бина закалки примерно равна глубине нагрева до температуры выше кри-

тической точки; глубинные слои детали нагреваются ниже температур кри-

тических точек и при охлаждении не упрочняются. При необходимости

224

повышения

прочности сердцевины перед поверхностной закалкой деталь

подвергают нормализации.

Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условия-

ми

работы детали. Когда изделие работает только на износ или в условиях

усталости, толщину закаленного слоя чаще принимают

1,5-3,0

мм, в усло-

виях высоких контактных нагрузок и возможной перешлифовки 4

—

5 мм.

случае

особо больших контактных нагрузок, например для валков холод-

ной

прокатки, толщина закаленного слоя достигает 10—15 мм и выше.

Обычно считают, что площадь сечения закаленного слоя должна быть

не

более 20% всего сечения. Для

зубчатых

колес толщина слоя составляет

0,2-0,28

от их модуля.

Источником

электропитания

служат

чаще всего машинные и реже, лам-

повые генераторы. Когда глубина закалки 1-3 мм и более, применяют

машинный

ге,нератор, имеющий диапазон рабочих частот 500

—

8000

Гц

мощность 12

—

500 кВт. Для нагрева деталей машин, требующих малую

глубину закалки (десятые доли миллиметра), используют ламповые генера-

торы с частотой до

450000

Гц и мощностью

10—200

кВт. Закалку при на-

греве ТВЧ производят на специальных установках, которые обычно

меха-

низированы

и автоматизированы.

При

больших скоростях нагрева превращение перлита в аустенит сдвига-

ется в область высоких температур (см. рис. 100), поэтому температура за-

калки

при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость

нагрева не превышает 1,5

—3,0°С/с.

Чем больше скорость нагрева в районе

фазовых превращений, тем выше должна быть температура для достаточно

полной

аустенитизации и получения при охлаждении оптимальной струк-

туры (мелкокристаллический мартенсит) и максимальной твердости.

Так,

например, при печном нагреве стали с 0,4%С температура закалки

84О-86О°С,

при индукционном нагреве со скоростью

250°С/с

- 880-920

С,

а со скоростью

500°С/с

980-1020°С.

Охлаждающую жидкость (воду, водные растворы полимеров) для за-

калки

обычно подают через душевое устройство (спрейер).

Существуют следующие способы закалки с индукционного нагрева:

1) одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности; этот метод

применяют для изделий (рис. 146,16), имеющих небольшую упрочняемую

поверхность (пальцы, валики, осевые инструменты);

2) последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков; данный

метод используют при закалке шеек коленчатых валов (последовательный

нагрев и закалка одной шейки за другой),

зубчатых

колес с модулем более

6 (закалка

«зуб

за зубом»), кулачков распределительных валов и т. д.,

3) непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение; метод приме-

няют для закалки длинных валов, осей и т. д.; при этом методе изделие

перемещается относительно неподвижных индуктора и охлаждающего

устройства (спрейера), или наоборот (рис. 146,116). По сравнению с первым

методом не требуется 'большой установочной мощности генератора.

При

выполнении индукционного нагрева

следует

учитывать эффект

близости. В системе из

двух

проводников, по которым течет переменный

ток

разного направления, наибольшая плотность тока создается в тех ча-

стях, которые ближе расположены

друг

другу.

В связи с этим для полу-

чения

закаленного слоя равномерной толшины расстояние от индуктора

225

до поверхности детали должно быть одинаковым, а форма индуктора -

симметричной

нагреваемой поверхности детали. Хорошие результаты

дает

вращение детали в индукторе.

После

закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому

отпуску при

160—200°С,

нередко и самоотпуску. В этом

случае

при закалке

охлаждение проводят не до конца, и в детали сохраняется некоторое коли-

чество теплоты, нагревающей закаленный слой до температур отпуска.

Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содер-

жащие

0,4—0,5%

С (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.) которые после закалки

имеют высокие твердость (HRC 50

—

60), сопротивляемость износу и не

склонны

к хрупкому разрушению.

В последние годы в

СССР

получает распространение

поверхностная

за-

калка при

глубинном

индукционном

нагреве

(объемно-поверхностная закал-

ка).

В этом

случае

глубина нагрева до надкритических температур больше,

чем глубина закалки (прокаливаемость). Детали, имеющие тонкое сечение,

нагреваются насквозь. Глубина закалки, таким образом, определяется не

глубиной нагрева, а прокаливаемостью стали, поэтому для поверхностной

закалки

применяемая сталь должна прокаливаться на меньшую глубину,

чем глубина нагрева. После закалки на поверхности образуется мартенсит

(HRC ~ 60), а в сердцевине, поскольку здесь скорость охлаждения меньше

критической,

— сорбит или троостит, что значительно упрочняет ее (HRC

30-40,

ст

120н-130

кгс/мм

Для глубинного нагрева используют специально разработанные стали

пониженной

или регламентированной прокаливаемое™. Это достигается

ограничением содержания примесей (Mn, Si, Cr, Ni и др.), получением мел-

кого и устойчивого зерна аустенита, наличием в стали нерастворимых ча-

стиц

A1N, TiC и др. Чаще применяют стали пониженной прокаливаемости

(55ПП),

содержащие 0,55

—

0,63% С и менее 0,5% примесей Si, Mn, Cr, Ni

Си и регламентированной прокаливаемости (47 ГТ), содержащие

0,44-0,51% С;

0,9-1,2%

Мп;

0,06-0,12%

Ti.

Сталь 55ПП используют для деталей, у которых глубина закаленного

слоя

должна быть ~ 2

—

3 мм. В стали регламентированной прокаливаемо-

сти получение закаленного слоя глубиной 7

—

8 мм обеспечивает марганец,

а мелкое зерно — титан.

Эти

стали можно использовать и при обычной поверхностной закалке.

Необходимость нагрева на большую глубину

требует

невысокой

концен-

трации

энергии в зоне нагрева, и поэтому удельная мощность

0,05-0,2

кВт/см

, что значительно меньше, чем в

случае

поверхностной закалки при

поверхностном нагреве. Скорость нагрева в области температур фазовых

превращений

составляет 2

—10°С/с,

время нагрева 20

—

100 с, частота тока

2500-10000

Гц.

При

поверхностной закалке с использованием индукционного нагрева

можно

получить твердость HRC больше на 3

—

5 единиц, чем при закалке

после нагрева в печи. Это явление часто объясняют высокой скоростью ох-

лаждения при поверхностной закалке в мартенситном интервале темпера-

тур, исключающей возможность отпуска в процессе закалки.

После

закалки с индукционного нагрева действительное зерно аустени-

та мельче (балл 10—12), чем при обычной закалке с печным нагревом

(балл 7

—

8). Мелкое зерно получается вследствие большой скорости наг-

226

рева и отсутствия выдержки при нагреве. Предварительное улучшение

или

нормализация, при которых можно получить мелкодисперсную ис-

ходную

структуру,

и использование высоких скоростей нагрева

(500—

1000°С/с)

при аустенитизации позволяют получить особо мелкое

зерно

аустенита (балл

14-15)

и очень тонкий мартенсит. Сталь

таким зерном

обладает

высокой прочностью (ст

< 250 кгс/мм

) и

пластичностью (i|/ < 20%).

При

поверхностной закалке, в том числе и с глубинным нагревом, силь-

но

повышается сопротивление усталостному разрушению. Предел вынос-

ливости (при испытании образца с надрезом) для стали с 0,4% С после

нормализации

составляет 15 кгс/мм

(100%), а после поверхностной закал-

ки

42 кгс/мм

(285%). Повышение предела выносливости объясняется обра-

зованием

в закаленном слое остаточных напряжений сжатия (50 -

60 кгс/мм

Большинство

деталей машин (оси, валы и др.) работает на изгиб и кру-

чение,

когда максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях,

где сосредоточены концентраторы напряжений.

При

знакопеременной нагрузке трещины усталости, как правило, возни-

кают на поверхности под влиянием растягивающих напряжений. При

образовании

на поверхности остаточных напряжений сжатия они умень-

шают растягивающие напряжения, возникающие от внешней нагрузки,

поэтому повышается предел выносливости.

Индукционный

нагрев сокращает длительность термической обработки

создает условия для автоматизации процесса и обеспечивает возмож-

ность

выполнения термической обработки непосредственно в поточной ли-

нии

механической обработки без разрыва технологического цикла.

Особенно

эффективен этот метод для серийного и массового производ-

ства. В то же время он экономически нерентабелен для закалки единичных

деталей, для каждой из которых

требуется

изготовить собственный индук-

тор и подобрать режим обработки. Закалка с индукционного нагрева

находит широкое применение в промышленности. Например, многие

детали автомобилей и тракторов подвергают индукционной закалке.

Закалка

с газопламенным нагревом. Этот способ закалки применяют

для крупных изделий (прокатных валков, валов и т. д.). Поверхность

дета-

ли

нагревают газовым пламенем, имеющим высокую

температуру

(2400-3150°С).

Вследствие подвода значительного количества теплоты по-

верхность изделия быстро нагревается до температуры закалки,

тогда

как

сердцевина детали не

успевает

нагреваться. Последующее быстрое

охла-

ждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего

применяют

ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для

нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме

щели) и многопламенные.

Толщина

закаленного слоя обычно 2 — 4 мм, а его твердость для

стали с

0,45—0,5%

С, HRC

50—56.

В тонком поверхностном слое обра-

зуется мартенсит, а в нижележащих слоях троосто-мартенсит. Газопла-

менная

закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная закалка.

Процесс

газопламенной закалки можно автоматизировать и включить

общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот спо-

соб закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом.

Глава XI

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ

ОБРАБОТКА

СТАЛИ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ

ХИМИКО-

ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение ста-

ли соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюми-

нием,

хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внеш-

ней

среды при высокой температуре.

Процесс

химико-термической обработки включает три элементарные

стадии: 1) выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии

благодаря реакциям, протекающим во внешней среде; 2) контактирование

атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия

проникновение (растворение) их в решетку железа (абсорбция); 3) диффу-

зия

атомов насыщающего элемента в

глубь

металла.

Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа

неодинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим с желе-

зом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при

насыщении

металлами, образующими твердые растворы замещения.

Если энергия активации Q для

углерода

и азота в у-железе составляет

31-32 ккал/(г

•

атом), то энергия активации для элементов, образующих

с железом твердые растворы замещения (Cr, Mo, W, A1 и др.), превышает

60 ккал/(г-атом), поэтому при диффузионном насыщении металлами про-

цесс

ведут

при более высоких температурах и длительно и, несмотря на

это,

получают меньшую толщину слоя, чем при насыщении азотом, и осо-

бенно углеродом.

Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продол-

жительности насыщения (рис. 147).

Толщина диффузионного слоя х в зависимости от продолжительности

процесса т при данной температуре обычно выражается параболической

зависимостью. Следовательно, с течением времени скорость увеличения

толщины слоя непрерывно уменьшается (рис. 147, а). Толщина диффузион-

ного слоя, при прочих равных условиях, тем больше, чем выше концентра-

ция

диффундирующего элемента на поверхности металла (рис. 147, в).

Концентрация

диффундирующего элемента на поверхности зависит от

активности окружающей среды, обеспечивающей приток атомов этого эле-

мента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих

переходу лих атомов в

глубь

металла, состава обрабатываемого метал-

ла, состава и структуры образующихся фаз. Повышение температуры уве-

личивает скорость процесса диффузии, поэтому толщина диффузионного

слоя,

образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с по-

вышением температуры процесса (рис. 147, в).

Природа первичных образований, фазовый состав и изменение

концен-

трации по толщине диффузионного слоя

могут

быть описаны диаграммой

состояния:

металл растворитель — диффундирующий элемент,

223

х =

(t =

const)

С'о'

const

в) *

Рис. 147.

Зависимость

толщины

диффузионного

слоя

от

продолжительности

насыщения

(а),

температуры

(б) и

изменение

концентрации

по

толщине

диффузионного

слоя

(в)

Покажем это на диаграммах состояния железо - диффундирующий

элемент (Cr, Al, Si и др.). При температуре t

(рис. 148) диффузия протекает

решетке а без фазовых превращений. Следовательно, при температуре

насыщения

существует

только а-твердый раствор и концентрация диффун-

дирующего элемента постепенно уменьшается от максимальной на поверх-

ности до нуля на некоторой глубине.

Диффузионный

слой по микроструктуре можно определить только из-

за несколько большей или иной его травимости. Насыщение при темпера-

туре

сопровождается фазовой перекристаллизацией при температуре

диффузии. Диффузия первоначально протекает в у-фазе, а по достижении

на

поверхности предела растворимости происходит фазовая перекристал-

лизация

у->а. Зародыши а-фазы от поверхности

растут

по направлению

диффузии, образуя характерные столбчатые кристаллиты.

На

границе раздела

двух

фаз (у и ос) устанавливается перепад концен-

трации (см. рис. 148), а в микроструктуре (после охлаждения) обнаружи-

вается пограничная диффузионная линия. Существенно, что двухфазные

слои (у + ос) при температуре диффузии не

могут

образоваться, а

могут

возникнуть только в результате превращений во время охлаждения. При

насыщении

легированной стали при температуре диффузии

могут

возник-

нуть многофазные слои.

При

определении толщины диффузионного слоя, полученного при на-

сыщении

железа (стали) металлами и неметаллами обычно указывается

не

полная толщина слоя с изменен-

ным

составом, а только толщина до ,

пограничной диффузионной линии

между

а- и у-фазами (при насыще-

нии

металлами) или до определен-

ной

твердости (концентрации диф- « Л

фундирующею элемента) —

эффек-

тивная

толщина

диффузионного

слоя.

'1L

I'IIC.

148. Схема диаграммы состояния железо —

диффундирующий

J.ICMCHI

, характеризующая

изменение

копненiранни лнфф>нлируннцего эле-

мент

но толщине лиффутонною слоя и строение

диффузионного

слоя

139В

310

Темперитура,

t..

. -V-<L r

Расстояние

от

поверхности

229

ЦЕМЕНТАЦИЯ

Цементацией

называется процесс насыщения поверхностного слоя стали

углеродом. Различают два основных вида цементации: твердыми углерод-

содержащими смесями (карбюризаторами) и газовую. Целью цементации

является

получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается

обогащением поверхностного слоя углеродом и последующей закалкой

низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка

одновременно

повышают и предел выносливости.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали

(0,12 — 0,23% С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердце-

вина

изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла

высокую вязкость после закалки.

Для цементации детали поступают после механической обработки

припуском на шлифование 0,05 — 0,10 мм или после окончательной обра-

ботки

(например, автомобильные шестерни). Во многих случаях цемента-

ции

подвергается только часть детали; тогда участки, не подлежащие

упрочнению,

защищают тонким слоем меди (0,02

—0,05

мм), которую

нано-

сят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазка-

ми,

состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста или окиси

алюминия

и талька, замешанных на жидком стекле и др.

Механизм

образования

строение

цементованного

слоя.

Диффузия

угле-

рода в сталь возможна, только в том случае, если

углерод

находится

атомарном состоянии, получаемом, например, диссоциацией газов, содер-

жащих

углерод

(СО, СН

и др.). Атомарный

углерод

адсорбируется

поверхностью стали и диффундирует в

глубь

металла.

Цементацию,

как правило, проводят при температурах выше точки Ас

при

которых устойчив аустенит, растворяющий в больших количествах

углерод. При цементации стали атомы

углерода

диффундируют в решетку

у-железа.

При

температуре цементации (выше точки Ас

) диффузионный слой со-

стоит только из аустенита, а после медленного охлаждения — из продуктов

его распада: феррита и цементита (рис, 149,а). Концентрация

углерода

при

этом

обычно не достигает предела насыщения (С

тад

) при данной темпера-

туре.

Цементованный

слой имеет переменную концентрацию

углерода

по

глубине, убывающую от поверхности к сердцевине детали (рис. 149,6).

В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного

слоя

можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны (рис. 149, в):

заэвтектоидную 1, состоящую из перлита и вторичного цементита, обра-

зующего сетку по бывшему зерну аустенита; эвтектоидную 2, состоящую

из

одного пластинчатого перлита, и доэвтектоидную 3 — из перлита и фер-

рита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере при-

ближения

к сердцевине.

За

эффективную толщину цементованного слоя принимают сумму заэв-

тектоидной,

эвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон

(см.

рис. 149, в) или глубину распространения контрольной твердости свы-

ше определенного значения. В качестве контрольной твердости (после тер-

мической

обработки) применяют: 1) твердость HRC 50, характеризующую

230