Для конкретной детали (распределительный вал) режимы термической обработки состоят из:
Предварительной термической обработки слитка, которая состоит из высокого отпуска, после чего производится нормализация.
Далее проводится правка детали, которая устраняет различные искажения размеров. Далее проводят цементацию, которая заключается в процессе насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают предел выносливости. Поэтому после цементации проводится окончательная термическая обработка, которая заключается в высоком отпуске, закалке и низком отпуске.
4. Поверхностное упрочнение
Газовая цементация. Этот процесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюрезаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготавливающих детали массовыми партиями.
В случае газовой цеменации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость нагрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюрезатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процесса и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий так как можно производить закалку непосредственно из цементационной печи.
Наиболее качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана и пропано-бутановых смесей, подвергнутых специальной обработке, а также жидких углеродов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации является диссоциация окиси углерода и метана. Процесс ведут при 910-930 С, 6-12 часов (толщина слоя 1-1.7 мм).
В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных муфельных печах серии Ц. Шахтные печи серии Ц имеют рабочую температуру 950 С, единовременную загрузку 185-1100 кг, диаметр рабочего пространства 300-600 мм и высоту 600-1200мм. Изделия в печь загружают на специальных подвесках и приспособлениях, которые помещают в реторте. Необходимая для газовой цементации атмосфера создается при подаче в камеру печи жидкостей, богатых углеродом. Углеводородные соединения при высокой температуре разлагаются с образованием активного углерода и водорода.
На предприятиях с серийным масштабом производства также применяют полярные универсальные печи с герметизированной форкамерой и закалочным баком. В таких печах исключается контакт нагретых деталей с воздухом, предотвращается образование дефектов на поверхности изделий, снижающих прочность.
В крупносерийном и массовом производстве газовую цементацию проводят в безмуфельных печах непрерывного действия.
В этих установках весь цикл химико-термической обработки (цементация, закалка и низкий отпуск) механизирован и автоматизирован; производительность установок достигает 500-600 кг/ч и более. В печах непрерывного действия и камерных печах для цементации применяют эндотермическую атмосферу, в которую добавляют природный газ (92-95% эндогаза и 3-5% природного газа). Эндотермическая атмосфера получается частичным сжиганием природного газа или другого углеводорода в специальном эндотермическом генераторе при 1000-1200 С в присутствии катализатора. При небольшом содержании в эндотермической атмосфере СН4 (до 5,0%) он не участвует непосредственно в процессе насыщения углеродом, а увеличивает содержание в атмосфере СО.
В этих условиях на поверхности стали практически не выделяется сажа и сохраняется однозначная зависимость между углеродным потенциалом и содержанием Н2О и СО2 в атмосфере.
Для сокращения длительности процесса в промышленности широко используют газовую цементацию, при которой углеродный потенциал эндотермической атмосферы в начале поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностной зоне стали 1,2-1,3% С, а затем его углеродный потенциал снижают до 0,8%.
В печах непрерывного действия предусмотрены две зоны по длине печи. В первую зону, примерно соответствующую 2/3 длины печи, подают газ, состоящий из смеси природного и эндотермического газов. Во вторую зону подают только эндотермический газ, находящийся в равновесии с заданной концентрацией углерода на поверхности, обычно 0,8% С. при использовании этого метода цементации следует иметь в виду, что снижение содержания углерода в слое от 1,2-1,3% до 0,8% происходит только за счет углерода, растворенного в аустените. В случае легированной стали снижение в аустените концентрации углерода и легирующих элементов приводит к уменьшению закаливаемости и прокаливаемости цементованного слоя и в итоге к ухудшению механических свойств обрабатываемого изделия. В процессе газовой цементации в сталь может диффундировать находящийся в атмосфере кислород. Это приводит к окислению поверхностного слоя стали, обладающих большим химическим средством к кислороду по сравнению с железом. Окисление легирующих элементов («внутреннее окисление») снижает устойчивость аустенита, и при последующей закалке в цементованном слое трооститная сетка и окислы, что понижает его твердость и предел выносливости стали. Добавки и цементирующей атмосфере (в конце процесса) аммиака уменьшает вредное влияние внутреннего окисления. Скорость газовой цементации при температуре 930-950 С составляет 0,12-0,15 мм/ч при толщине слоя до 1,5-1,7 мм.
7. Разработка технологии изготовления детали
В мартеновских печах производят жидкий металл с разливой в слитке. Слиток подвергают предварительной термической обработке, которая состоит из высокого отпуска. Проходит снижение внутреннего напряжения, снижение твердости для обдирки слитка. Дялее производим прокатку и штамповку слитка методом горячей деформации при температуре от 1760 до750 С с последующим охлаждением. После этого следует термическая обработка заготовки – нормализация при температуре 880 С с последующим охлаждением на воздухе. При нормализации происходит перекристаллизация стали, устраняющая крупнозернистую структуру. Далее следует очистка от окалины. Затем проводим правку деталм, после чего следует механическая обработка заготовки, во время которой изготовляют демаль и далее подвергают ее цементации. Процесс ведут при 910-930 С 6-12 часов. Окончательные свойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации.
В данном случае проводится высокий отпуск при температуре 620 С с целью предотвращения образования остаточного аустенита при последующей закалке. Закалка проводится при температуре 820 С. это обеспечивает измельчение зерна и полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины.
Заключительным этапом термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160-180 С переведя мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снижающий напряжения. Твердость поверхностного слоя после термической обработки HRC 58-62, а сердцевины HRC 30-42.
Контроль качества термической обработки состоит из: макроанализа, который применяют для выявления неметаллических включений и микроанализа, который позволяет определить структуру стали, глубину и твердость цементованного слоя.
В процессе термической обработки возможны поводка и коробление детали. Для проверки поводки и коробления осевые детали устанавливают в приспособления между центрвами и с помощью индикатора определяют биение. Чаще всего контроль качества после термической обработки производят замером твердости на твердомерах.
Контроль качества термической обработки детали, выявление внутренних и внешних дефектов металле осуществляется с помощью магнитного, рентгеновского, люменисцентного, ультразвукового и других физических неразрушающих методов контроля.
После контроля качества термической обработки проводят окончательную механическую обработку, которая заключается в проведении шлифования. После этого получают готовую деталь. После термической обработки структура поверхностного слоя данного распределительного вала – отпущенный мартенсит + карбиды (возможно сохранение остаточного аустенита, но для его разложения после цементации применяют высокий отпуск при температуре 620 С).
Сердцевина детали состоит из феррита и мартенсита. Данная термическая обработка обеспечивает высокую твердость цементованного слоя, прочность и достаточную вязкость сердцевины.
7. Возможные причины брака термической обработки
К основным дефектам, которые могут возникнуть при термической обработке сталей относятся трещины в изделии, внутренние или наружные, деформации и коробление.
Трещины.
При закалке трещины возникают в тех случаях , когда внутренние растягивающие напряжения первого рода превышают сопротивление стали отрыву. Трещины образуются при температуре ниже точки Мм, чаще после охлаждения. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением в стали содержания углерода, повышением температуры закалки и увеличением скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения.
Другой причиной образования трещин является наличие в излделии концентраторов напряжений (резкое изменение сечения изделия или местные вырезки, углубления, выступы).
Трещины – неисправимый дефект. Для предупреждения их образования рекомендуется при конструировании изделий избегать резких выступов, заостренных уголков, резких переходов от толстых сечений к тонким и т.д. проводить закалку с возможно более низких температур;осуществлять медленное охлаждение в мартенситном интервале температур путем закалки в двух средах, ступенчатые закалки или применить изотермическую закалку; отпуск выполнять немедолнно после закалки.