Виды дополнительной обработки стали

Термомеханическая обработка (ТМО) – процесс обработки стальных изделий механически с одновременным нагревом. Пластическое деформирование изменяет характер и плотность дефектов структуры. Пластическая обработка происходит при температуре, когда сталь имеет структуру аустенит.
Виды термомеханической обработки:
1) высокотемпературная – после обработки аустенита, деталь быстро охлаждают, получается структура мартенсит, он полностью наследует дислокационные границы аустенита. Эта обработка позволяет получить высокую прочность, пластичность и ударную вязкость.
2) высокотемпературная изотермическая – охлаждение после деформации осуществляется до температуры промежуточного превращения, для получения структуры – бейнит. В результате сталь имеет более высокую пластичность и прочность, чем при обычной закалке на бейнит.
3) низкотемпературная – пластическому деформированию подвергается переохлажденный аустенит, т.е. после охлаждения аустенита до температуры ниже точки Мк и выше точки Мн на диаграмме изотермического превращения аустенита. В результате достигается более высокая прочность по сравнению высокотемпературной ТМО, но более низкая пластичность.

Нитроцементация – процесс насыщения поверхности стального изделия одновременно углеродом и азотом. Нитроцементация осуществляется в газовой среде, содержащей науглероживающий газ и аммиак. Азот ускоряет диффузию углерода. Нитроцементация проводится при температуре 850 град. Скорость насыщения поверхностного слоя – 0,1 мм/час, при этом содержание в нем углерода составляет 0,8 %, а азота 0,3 %.
После нитроцементации детали обрабатывают термически, также как и цементованные детали, т.е. закаляют (при температуре 800 град) и проводят низкий отпуск (при температуре 160 град). После всех операции имеем структуру поверхностного слоя – мартенсит, карбонитриды (небольшое количество), аустенит (25 %). Твердость верхнего слоя – 60 HRC.
Нитроцементация имеет ряд преимуществ по сравнению с газовой цементацией:
1) более мелкие зерна аустенита и мартенсита
2) меньшие деформации
3) более высокая износостойкость

Термическая обработка цементованных сталей. 
После цементации деталь подвергают закалке, для получения высокой твердости на поверхности изделия, а затем низкому отпуску.
Температура закалки детали после цементации выше, чем при обычной закалке и составляет ~850 град. На поверхности образуется структура мелкоигольчатого мартенсита, вторичного цементита и остаточного аустенита. Сердцевина будет состоять из феррита + перлита, или при использовании легированных сталей – сорбит или троостит или низкоуглеродистый мартенсит.
После цементации, закалки и низкого отпуска твердость поверхности детали составляет 60 HRC, сердцевины - меньше 20 HRC для углеродистых сталей, 25 - 45 HRC для легированных.

Цементация – диффузионное насыщение поверхностных слоев стальных изделий углеродом. Цементации подвергаются изделия, содержащие 0.25 – 0.3% углерода. Твердость и прочность этих сталей низкая, зато высокая ударная вязкость. После цементации они получают твердый поверхностный слой, оставаясь вязкими в сердцевине, что очень благоприятно для деталей, работающих в условиях повышенного износа и ударных нагрузках.
Процесс цементации – нагрев стали, находящейся в активной среде до 900 град. Выдержка, для насыщения поверхности углеродом. Охлаждение на воздухе.
Способы цементации:
1) твердая – проводится в карбюризаторе наполненным древесным углем (70%), BaCO3 (25%), CaCO3 (5%) – нужен для защиты от спекания угольных гранул. Детали кладут в стальной ящик, засыпают карбюризатором, помещают в печь. Твердая цементация применяется в мелкосерийном производстве, отличается простотой, не требует спецоборудования.
2) газовая – осуществляется при нагреве изделий в среде газов с углеродом. Обычно применяют CH4 (метан) и CO. По скорости она значительно превосходит твердую цементацию. Используется в крупносерийном производстве.
Цементация сама по себе не обеспечивает получения высокой твердости и износостойкости на поверхности детали с вязкой серединой, она только распределяет углерод по объему детали.
Поэтому после цементации необходима термическая обработка, которая позволяет достичь данных требований.

Виды отпуска сталей. 
1) низкий – нагрев детали до температуры 150 – 200 град, образуется структура – мартенсит отпуска. Твердость остается неизменной – 60 – 64 HRC. Снижаются закалочные напряжения, повышается предел прочности и текучести. Низкий отпуск применяется для обработки – режущих инструментов, штампы, подшипники, детали после закалки ТВЧ, цементованные детали.
2) средний – нагрев детали до температуры 350 – 400 град, образуется структура – троостит отпуска. Снижается твердость до 40 – 48 HRC, а также предел прочности. Сильно повышается предел упругости, выносливости. Средний отпуск применяется для обработки – пружин, рессор.
3) высокий – нагрев детали до температуры 500 – 650 град, образуется структура – сорбит отпуска. Снижается твердость до 30 HRC, предел прочности и упругости. Возрастает пластичность и ударная вязкость. Применяется для большинства деталей машин. Закалка + высокий отпуск – улучшение.

Виды закалки. 
1) закалка без полиморфного превращения – получение пересыщенного твердого раствора такого же состояния сплава, что и при высокой температуре, для закрепления его свойств. Основное назначение такой закалки – подготовка сплава к упрочнению.
2) закалка с полиморфным превращением – получение твердого пересыщенного раствора из нагретой детали с протеканием полиморфного процесса превращения. Такой закале подвергаются все сплавы на основе полиморфных металлов.

Виды закалки с полиморфным превращением:
1) непрерывная закалка – охлаждение изделия непрерывно в воде или масле.
2) прерывистая закалка – быстрое охлаждение сначала в одной среде до температуры выше Мн на ~100 град, потом более медленное в другой (например: в воде, потом в масле).
3) ступенчатая закалка – быстрое охлаждение до температуры выше Мн на ~50 град, небольшая выдержка при этой температуре, для стабилизации температуры детали по сечению, далее медленное охлаждение, обычно на воздухе.
4) изотермическая закалка – выполняется также, как и ступенчатая, только интервал выдержки при температуре выше Мн на ~50 град более длителен, в этот период происходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита.

Виды отжига. 
1) отжиг 1-го рода - это отжиг, при котором не происходит превращения фаз, поэтому нагрев производят ниже температуры Ас1. Такой отжиг предназначен для устранения отклонений от равновесного состояния деталей после литья, штамповки и т.д.
2) отжиг 2-го рода - это отжиг, при котором происходят фазовые превращения. Деталь нагревают выше критических точек Ас3 и Ас1. Такой отжиг является основным видом отжига.
Отжиг - это термическая обработка сталей, заключается в их нагреве выше критических точек Ас1 и Ас3, выдержку и едленное охлаждение, обычно вместе с печью.
Цель отжига - получение равновесной структуры, для последующей обработки. После отжига заготовки хорошо обрабатываются резанием или деформацией. Отжиг обычно используется как подготовительная технологическая обработка, которой подвергаются детали после литья, сварки и т.д.
1) Для доэвтектоидных сталей, нагрев производят до температуры выше точки Ас3 на 30 - 50 град. В результате структура Феррит + Перлит превращается в Аустенит. После охлаждения мы получаем равновесную структуру Феррит + Перлит, с высокой пластичностью и низкой твердостью.
2) Для заэвтектоидных и эвтектоидных сталей, нагрев производят до температуры выше точки Ас1 на 30 - 50 град. В результате Перлит + Цементит2 превращаются в Аустенит + Цементит2. После охлаждения происходит обратное преобразование.