Оборудованием для нагрева стали служат нагревательные термические печи и печи-ванны, которые подразделяют на электрические и топливные, обогреваемые за счет сгорания топлива (газа, мазута, угля и др.).
Средой, в которой нагревают сталь, являются в печах - газовая среда (воздух, продукты сгорания топлива), нейтральный газ; в печах - ваннах - минеральные масла, расплавленные соли и металлы.
Закалочные среды (вода, масло) действуют следующим образом. На первом этапе, в момент погружения изделия в закалочную среду, вокруг изделия образуется пленка перегретого пара (паровая рубашка).Через слой паровой рубашки охлаждение изделия происходит относительно медленно. Это этап пленочного кипения. Затем паровая рубашка разрывается и охлаждающая жидкость начинает кипеть на поверхности изделия. Это этап пузырчатого кипения. На этом втором этапе охлаждение изделия происходит быстро. Когда температура поверхности изделия станет ниже температуры кипения жидкости, жидкость не кипит и охлаждение изделия замедлится. Это третий этап — этап конвективного теплообмена. Чем шире интервал этапа пузырчатого кипения, тем интенсивнее охлаждает сталь закалочная жидкость.
ДЕФЕКТЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Дефекты при отжиге и нормализации. В процессе отжига и нормализации могут возникнуть следующие дефекты: окисление, обезуглероживание, перегрев и пережог металла.
При нагреве в пламенных печах поверхность стальных деталей взаимодействует с печными газами. В результате металл окисляется и на деталях образуется окалина — химическое соединение металла с кислородом. С повышением температуры и увеличением времени выдержки окисление резко возрастает. Образование окалины не только вызывает угар (потерю) металла на окалину, но и повреждает поверхность в деталей. Поверхность стали под окалиной получается разъеденной и неровной, что затрудняет и обработку металла режущим инструментом.
Окалину с поверхности деталей удаляют травлением в растворе серной кислоты в воде, очисткой в дробеструйных установках или галтовкой в барабанах.
Обезуглероживание, т. е. выгорание углерода с поверхности деталей, происходит при окислении стали. Обезуглероживание резко снижает прочностные свойства конструкционной стали. Кроме того, обезуглероживание.поверхности может вызвать образование закалочных трещин и коробление (поводку детали).
Для предохранения деталей от окисления, а следовательно, и от обезуглероживания при отжиге, нормализации и закалке применяют безокислительные (защитные) газы, которые вводят в рабочее пространство печи.
При нагреве стали выше определенных температур и длительных выдержках в ней происходит быстрый рост зерен, ведущий к возникновению крупнокристаллической структуры. Это явление называют перегревом. Перегрев ведет к понижению пластических свойств стали. В перегретой стали при закалке образуются трещины. Перегрев металла может быть исправлен последующей термической обработкой — отжигом или нормализацией.
Пережог получается в результате длительного пребывания металла в печи при высокой температуре, близкой к температуре плавления. Физическая сущность пережога состоит в том, что кислород из окружающей атмосферы при высокой температуре проникает в глубь нагреваемого металла и окисляет границы зерен. В результате окисления границ зерен механическая связь между зернами ослабевает, металл теряет пластичность и становится хрупким. Пережог является неисправимым браком.
Дефекты при закалке. В процессе нагрева под закалку и при закалке могут появляться следующие дефекты: трещины, деформация и коробление, обезуглероживание, мягкие пятна и низкая твердость.
Закалочные трещины - это неисправимый брак, образующийся в процессе термической обработки. Они являются следствием возникновения больших внутренних напряжений. В штампах крупных размеров закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому штампы целесообразно охлаждать до 150 - 200°С с быстрым последующим отпуском.
Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве) и большой скорости охлаждения в деталях, конструкция которых имеет резкие переходы поверхностей, грубые риски, оставшиеся после механической обработки, острые углы, тонкие стенки и т д.
Закалочные трещины, обычно расположенные в углах деталей или инструмента, имеют дугообразный или извилистый вид.
Деформация и коробление деталей происходят в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений, обусловливающих возникновение внутренних напряжений в металле при нагреве и охлаждении.
При закалке стали коробление деталей может происходить и без. значительных объемных изменений в результате неравномерного нагрева и охлаждения. Если, например, деталь небольшого сечения и большой длины нагревать только с одной стороны, то она изгибается. При этом нагреваемая сторона детали удлиняется и становится выпуклой, а ее противоположная сторона — вогнутой. Нагревать и охлаждать детали при закалке следует равномерно.
При погружении деталей и инструмента в закалочную среду надо учитывать их форму и размеры. Детали, имеющие толстые и тонкие части, погружают в закалочную среду сначала толстой частью, длинные детали (штоки, протяжки, сверла, метчики и т. д.) опускают в строго вертикальном положении, а тонкие плоские (диски, отрезные фрезы, пластинки и др.) — ребром.
Окисление и обезуглероживание происходит в основном при нагреве под закалку от взаимодействия печных газов или расплавленных солей с поверхностными слоями детали. Этот дефект особенно опасен на режущем инструменте, так как он в несколько раз снижает его стойкость.
Окисление и обезуглероживание поверхности .изделия-предупреждается строгим соблюдением установленного режима термической обработки, а также нагревом в среде нейтральных газов (азоте, аргоне).
Мягкие пятна - это участки на поверхности детали или инструмента с пониженной твердостью. Такие дефекты образуются при закалке в процессе охлаждения в закалочной среде, когда на поверхности детали имелась окалина, следы загрязнений и участки с обезуглероженной поверхностью, а также в случае недостаточно быстрого движения детали в закалочной среде и образования на поверхности детали паровой рубашки.
Низкая твердость чаще всего наблюдается при закалке инструмента. Причинами низкой твердости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной -среде, низкая температура закалки, а так же недостаточная выдержка при нагреве под закалку. Для исправления этого дефекта деталь следует подвергнуть высокому отпуску и снова закалить.
Перегрев деталей под закалку увеличивает зернистость металла и, следовательно, ухудшает его механические свойства. Металл приобретает повышенную хрупкость. Для повторной закалки деталей их следует подвергнуть отжигу для измельчения зерна.
Недогрев получается в том случае, если температура закалки была ниже, критической точки Ас 3 (для доэвтектоидных сталей) и Ас 1 (заэвтектоидных сталей). Недогрев исправляют отжигом, после которого деталь снова закаливают.
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ
Термомеханическая обработка (ТМО) — новый метод упрочнения стали при сохранении достаточной пластичности, совмещающий пластическую деформацию и упрочняющую термическую обработку (закалку и отпуск). При ТМО деформации подвергают сталь в аустенитном состоянии, а при последующем быстром охлаждении формирование структуры закаленной стали (мартенсита) происходит в условиях наклепа аустенита, в связи с чем и повышаются механические свойства стали. Пластическое деформирование при ТМО возможно прокаткой, ковкой, штамповкой и другими способами обработки металлов давлением. Различают два способа термомеханической обработки — высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО).
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛИ
Химико-термическая обработка - процесс химического и термического воздействия на поверхностый слой стали с целью изменения состава, структуры и свойств. Химико-термическая обработка повышает твердость поверхности стали, ее износостойкость, коррозионную стойкость, кислотоустойчивость и другие свойства. Химико- термическая обработка нашла широкое применение в машиностроении, так как является одним из наиболее эффективных методов упрочнения стальных деталей для повышения их долговечности.
Химико-термической обработке можно подвергать различные по размерам и форме детали и получать обработанный слой одинаковой толщины. При химико-термической обработке за счет изменения химического состава, поверхностного слоя достигается большое различие свойств поверхности и сердцевины детали. Недостатком процессов химико-термической обработки является их малая производительность.
Химико-термическая обработка основана на диффузии атомов различных химических элементов в кристаллическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы.
Химико-термическая обработка состоит из трех процессов: диссоциации - получения насыщающего элемента в активном атомарном состоянии:
2 NH3 = 2N + 3H 2; СН 4 = С + 2Н и т. д.;
абсорбции - поглощения активных атомов насыщающего элемента поверхностью металла; диффузии — перемещения атомов насыщающего элемента с поверхности в глубь металла.
Наиболее распространенными видами химико-термической обработки является цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом), цианирование (углеродом и азотом), борирование (бором), алитирование (алюминием) и др.