Термическая обработка металла

Машиностроение – важнейшее звено народного хозяйства. От уровня развития машиностроения зависит производительность труда и качество продукции, выпускаемой многими отраслями народного хозяйства.

Основными материалами, из которых изготавливают машины и оборудование для различных отраслей народного хозяйства, являются металлы и их сплавы.

Повышение качества, надежности и долговечности выпускаемых деталей нельзя осуществить без придания металлических материалам необходимых свойств, что достигается термической обработкой.

Термическая обработка использовалась людьми еще в древности. Находки и письменные источники свидетельствуют о применении рекристаллизационного отжига меди, закалки стальных мечей, цементации мечей, ножей, инструментов путем нагрева под ковку в древесном угле с последующим быстрым охлаждением.

Термическую обработку широко применяют в металлургии, машиностроении и других важнейших отраслях промышленности. Термообработка стали является неотъемлемым элементом технологического процесса производства полуфабрикатов, изделий, конструкций и инструментов, определяет их надежность и долговечность в условиях эксплуатации.

Термическая обработка металлов и сплавов представляет собой совокупность технологических операций, связанных с нагревом, выдержкой и охлаждением.

Цель термообработки – изменение в нужном направлении механических, физико-химических и технологических свойств без изменения основных размеров и формы деталей или заготовок.

Термической обработкой можно в широком диапазоне изменять прочность, жаропрочность, пластичность, вязкость, технологические свойства (ковкость, штампуемость, обрабатываемость резанием, шлифуемость, свариваемость, прокаливемость, теплоемкость ), магнитные, электрические, коррозионные, тепловые и оптические свойства.

Термообработка стали включает в себя три основные технологические операции: нагрев с определенной интенсивностью на различных этапах до заданной температуры, выдержку для прогрева изделия либо садки и обеспечения необходимой полноты протекания фазовых и структурных превращений и, наконец, определенный характер охлаждения.

Азотирование стали

При поверхностном легировании азотом достигается повышение твердости, износостойкости и коррозионной стойкости стали и сплавов. Уровень свойств зависит, от состава применяемой стали, способа и режимов азотирования.

Основным преимуществом азотирования является возможность получения высокой износостойкости и сопротивления усталости изделий при их минимальном короблении и деформации. По износостойкости азотирования легированная сталь в 1,5 – 4 раза превосходит высокоуглеродистые закаленные и цементованные стали. При небольших толщинах слоя азотированные изделия характеризуются высоким сопротивлением усталости и малой чувствительностью к конструктивным и технологическим концентраторам напряжений. По контактной усталостной прочности азотированные детали уступают деталям после цементации и поэтому для изделий работающих при высоких контактных нагрузках, азотирование применять нецелесообразно.

Основной недостаток азотирования – большая длительность процесса.

Перед азотированием детали подвергают термической обработке, состоящей из закалки высокотемпературного отпуска. Затем производят механическую обработку, придающую окончательные размеры изделию.

Участки, не подлежащие азотированию, защищают тонким слоем олова, нанесенным электролитическим методом, или жидким стеклом.

Длительность процесса назначается в зависимости от требуемой толщины слоя и температуры процесса с учетом марки стали и условий эксплуатации изделий. Для получения оптимальных свойств толщина слоя не должна быть слишком большой (обычно на изделиях из конструкционных сталей толщина слоя не превышает 0,6мм). Увеличение толщины слоя повышает деформацию и снижает предел выносливости изделий.

Марки сталей для азотирования

Азотированию подвергают большую номенклатуру изделий из различных марок стали и чугуна:

- Изделия из конструкционных сталей: гильзы цилиндров 38Х2МЮА; коленчатые валы дизельных двигателей 18Х2Н4ВА; шестерни и другие детали станков – 40Х, 40ХФА,18ХГТ, 38Х2МЮА; детали турбин – 12Х13,20Х13, 30Х13,15Х11МФ; клапаны дизелей – 45Х14Н14В2М.

- Режущий и накатной инструмент из быстрорежущих сталей. Стойкость инструмента после кратковременного азотирования при толщине слоя 0,01-0,025 мм возрастает в 1,5-2 раза.

- Штампы из высокоуглеродистых сталей (Х12М, Х12Ф1). В результате азотирования повышается их износостойкость, тепло и разгаростойкость.

- Вставки пресс-форм для литья под давлением. Азотирование в 4-5 раз повышает устойчивость стали против растворения в жидком алюминии.

- Детали турбин в энергомашиностроении из коррозионностойких и жаропрочных сталей – 12Х13, 20Х13, 30Х13, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т, 45Х14Н14В2М.

Технологический процесс изготовления азотированных деталей

1. Предварительная объемная термическая обработка стали.

2. Механическая обработка детали с припуском под шлифовку.

3. Подготовка поверхности под азотирование.

4. Азотирование.

5. Окончательное шлифование или доводка.

Цементация стали

Цементация стали с последующей термической обработкой применяют для обеспечения высокой твердости и износостойкости поверхностного слоя, высокой прочности деталей при контактных, изгибающих и крутящих циклических нагрузках. Долговечность и надежность цементованных изделий и допустимый уровень их нагружения в эксплуатации определяется следующими параметрами: составом применяемой стали, толщиной и структурой цементованного слоя, наличием дефектов в слое, структурой и твердостью глубинных слоев и сердцевины.

Основные требования применяемые к цементованым изделиям:

- Содержание углерода;

- Твердость и структура цементованного слоя;

- Толщина диффузионного слоя.

Эти параметры определяют износостойкость изделий, а также в значительной степени их контактную выносливость и сопротивление усталости при изгибе и кручении.

Содержание углерода после цементации в поверхностном слое стали должно составлять 0,8 – 1%.

Твердость поверхности деталей после цементации и термической обработки должна быть в пределах 58-62 HRC.

Толщина цементируемого слоя влияет прежде всего на контактную твердость и усталостную прочность изделий и назначается в зависимости от размеров и условий эксплуатации изделий. Наиболее высокая усталостная прочность получается при толщине слоя цементированного слоя 10-15% от толщины (диаметра) упрочняемого сечения.

Марки сталей для цементации

Для того, чтобы удовлетворить перечисленным требованиям, стали должны обладать: закаливаемостью, прокаливаемостью, наследственной мелкозернистостью, хорошей технологичностью при механической обработке (резанием и давлением).

Цементация углеродистых сталей марок 08,10,15, 20 и др., закаливающиеся в воде, что сопровождается повышенной деформацией, применяют редко, лишь для малонагруженных деталей с рабочим сечением не более 15-25мм, работающих в основном на износ.

Цементация низколегированных сталей с содержанием углерода 0,12-0,15% марок: 15Х, 20Х, 15Г, 20ХН, 15ХФ и др. применяют для более нагруженных деталей с сечением до 35мм.

Цементация легированных сталей повышенной прочности с содержанием углерода 0,12-0,20% марок: 20ХГР, 12ХН2, 15ХГНТА, 18ХГТ, 20ХНМ и др. предназначены для деталей с сечением до 50-75мм, работающих при высоких удельных нагрузках.

Цементация крупных деталей ответственного назначения с максимальным рабочим сечением до 100-120мм с содержанием углерода 0,12-0,30% и легированным хромом, марганцем, никелем марок: 12ХН3А, 20ХН3А, 20ХГНМ, 23ХГН2М, 18Х2Н4ВА, 20Х2Н4А, 25ХГНМТ, 25ХГНМАЮ.

Цианирование и нитроцементация стали

Различают жидкое и газовое цианирование стали. Газовое цианирование еще называют нитроцементацией, о которой далее и пойдет речь.

Нитроцементацию стали (совместное насыщение поверхностных слоев стали углеродом и азотом) выполняют на том же оборудовании что и газовую цементацию. Насыщение ведется в тех же газовых средах, что и при цементации (в эндогазе с добавкой природного газа или метана), но с добавлением небольшого количества (1-5%) аммиака.

Преимущества цементации по сравнению с газовой цементацией в основном связаны с возможностью проведения процесса насыщения при более низкой температуре (830-860 С), при этом скорость насыщения остается почти такой же, как и при газовой цементации при 930С. Это объясняется возрастанием скорости диффузии углерода в присутствии азота.

Кроме того, при нитроцементации стали за счет образования в слое дисперсных карбонитридов значительно повышается износостойкость, теплостойкость и коррозионная стойкость стали. Равнозначная с цементованными деталями прочность достигается при меньших толщинах слоев. Все эти преимущества проявляются лишь при правильном, строго контролируемом выполнении всего цикла обработки и при требуемой толщине нитроцементируемого слоя, не превышающего 1мм.

Гальванические покрытия

Гальванические покрытия применяются практически во всех отраслях промышленности для защиты деталей от коррозии и получения новых функциональных свойств: повышенных поверхностной твердости, износостойкости, антифрикционной способности, высокой отрицательной способности и т.п.

Гальванические покрытия используют для восстановления изношенных деталей, облегчения пайки. Они во многих случаях позволяют заменить цветные металлы черными, благородные – неблагородными, дефицитные – распространенными. По механическим свойствам, чистоте, коррозионной стойкости и экономичности гальванические покрытия превосходят все остальные. Возможность регулировать толщину слоя изменение продолжительности процесса и плотности тока, а также уменьшать расход цветных металлов, на покрытие поверхности, выгодно отличает гальванический метод от других.

Способы нанесения покрытий

Все существующие способы нанесения гальванических покрытий можно разделить на физические, химические и электрохимические. Физические способы нанесения покрытий осуществляются погружением в расплав, диффузией, металлизацией, напылением и конденсацией в вакууме. Химические и электрохимические способы основаны на окислительно-восстановительных реакциях, которые протекают на поверхности изделий помещенных в соответствующие среды. Химическим способом можно наносить покрытия в жидкой, пастообразной или газообразной среде при различных температурах. Электрохимический способ производится только в электропроводных средах с применением внешнего источника тока.

Более подробную информацию о видах гальванических и химических покрытий в Киеве можно узнать на сайте партнера: metalcoating.com.ua

Краткое описание гальванических процессов в Киеве

Анодирование алюминия

1. Травление NaOH (каустическая сода);

2. Осветление HNO3 (азотная кислота);

3. Анодирование H2SO4 (серная кислота);

4. Наполнение: бесцветное (вода), салатовый (Na2CrO7 – хромпик), черный краситель.

Цинкование, кадмирование стали

1. Обезжиривание NaOH, Na2CO3, Na2SO3, Na3PO4;

2. Декапирование HCl;

3. Цинкование , кадмирование NaOH, ZnO;

4. Пассивация: радужная (желто-зеленая), голубая (бело-серо-голубая).

Гальваническое покрытие деталей цинком

Защита изделий от коррозии с помощью металлических покрытий широко применяется в машиностроении и других отраслях промышленности. Цинковые и кадмиевые покрытия являются наиболее распространенными видами покрытий, так как они обеспечивают наиболее эффективную защиту в условиях атмосферной коррозии.

Цинк – весьма распространенный металл голубовато-серебристого цвета со следующими основными физическими свойствами: плотность7130кг/м3, температура плавления 420С, микротвердость электролитического цинка 500-600 МПа.

Будучи более электроотрицателен, чем железо, в контакте с ним цинк создает гальванопару, в которой он является анодом, поэтому в результате коррозии цинк растворяется, защищая этим стальную деталь от разрушения. Электрохимическая защита стали от коррозии с помощью цинка используется в технике как проекторная защита различных подводных сооружений и в виде защитного покрытия на стальных деталях различного назначения. Цинковые покрытия являются самыми распространенными из металлических покрытий.

Гальваническое покрытие цинком не только хорошо защищает стальные детали от коррозии, но и будучи эластичным, хорошо выдерживает развальцовку, изгибы, вытяжку; свежеосажденные покрытия легко паяются с бескислотными флюсами. Цинкованию подвергаются листы кровельного железа, трубы, каркасные стальные детали, шасси радиоприемников, детали автомобилей, приборов, станков, сельскохозяйственных машин, крепежные детали, проволока и другие стальные изделия массового производства.

Для повышения химической устойчивости цинка при воздействии агрессивной атмосферы его поверхность подвергают хроматированию, т.е. обработке в растворах, содержащих хромовую кислоту или ее соли. При этом в результате образуются пленки хроматов цинка.

Толщина гальванического цинкового покрытия на деталях устанавливается в зависимости от условий эксплуатации деталей.

Горячее цинкование (у нас его нет)

На протяжении нескольких веков на железные изделия наносили металлические покрытия горячим способом. Благодаря своей простоте и высокой производительности этот способ широко применяется и в настоящее время. Изделия после соответствующей подготовки погружают на непродолжительное время в расплав металла покрытия. После извлечения из расплава на них остается прочно сцепленная с основой пленка, образующая после затвердевания покрытие, толщина которого колеблется о 20 до 200мкм.

Отличительной особенностью покрытий, полученных горячим способом, является отсутствие четкой границы между металлом основы и покрытием вследствие образования диффузного слоя. Особенно это характерно для горячего цинкования – при взаимодействии с железа с расплавленным цинком образуется покрытие, состоящее из ряда слоев железоцинковых фаз, последовательность расположения которых точно соответствует диаграмме состояния железо-цинк.

Горячее цинкование погружением в расплав применяется вы промышленности более 100 лет. Из известных способов цинкования этот способ занимает первое мест. Около 45% добываемого цинка расходуется на горячее цинкование кровельного железа, труб, листов и проволоки. Технологическая схема цинкования включает в себя обезжиривание, травление, флюсование, погружение в расплав и охлаждение готовой конструкции.

Температура при горячем цинковании поддерживается в пределах 440-470С. Время выдержки зависит прежде всего от массы изделия, его формы и от массы флюса на поверхности. Толщина и равномерность покрытия во много определяются условиями выгрузки.

Кадмирование

Кадмиевые гальванические покрытия, легко поддаются развальцовке, штамповке, изгибам; свежеосажденные покрытия хорошо паяются с бескислотными флюсами.

Способность их к пайке после хранения значительно лучше, чем у цинковых покрытий.

Химические свойства кадмия аналогичны свойствам цинка, однако он более устойчив в кислых растворах и в щелочах.

На кадмии, в отличие от цинка, не образуются объемистые продукты коррозии, и внешний вид кадмированных изделий лучше, чем у оцинкованных, поэтому сложилось мнение о повышенной коррозионной устойчивости кадмия.

Кадмий весьма быстро разрушается при контакте с изделиями, содержащими олифу, с различными смазочными и топливными материалами, содержащими сернистые соединения, а также с пластмассовыми деталями, выделяющими газообразные продукты.

Гальваническое покрытие кадмием имеет ряд преимуществ перед цинковыми покрытиями в условиях морской атмосферы, характеризующейся морскими туманами и брызгами соленой воды, попадающими на изделие, поэтому кадмирование в основном рекомендуется для защиты стальных деталей корабельной аппаратуры, а также судовых и портовых сооружений.

К кадмиевому покрытию предъявляют следующие требования: цвет – светло-серый или серебристо-белый. Хроматированное покрытие должно иметь цвет от золотисто-желтого до желтовато-зеленого с радужным оттенком.

Меднение металла

Медь – пластичный, легко полируемый материал. На воздухе во влажной среде в присутствии агрессивных соединений медь легко окисляется. При наличии в воздухе сернистых соединений медь быстро покрывается серым или темно-коричневым налетом сульфида меди. Под воздействием влаги и углекислоты медь постепенно покрывается зеленым налетом гидрокарбонатов.

Медь имеет более положительный потенциал, чем железо, т.е. является катодным покрытие по отношению к железу, поэтому медные покрытия не могут защищать поверхность железных деталей от коррозии электрохимически, а только механически и при отсутствии пористости.

Как правило, медные покрытия без дополнительной обработки самостоятельного защитно-декоративного значения не имеют. Медные покрытия легко полируются до высокой степени блеска и создают прочное сцепление со многими металлами: никелем, хромом, серебром и др. Поэтому медные покрытия широко применяются в качестве подслоя в автомобильных деталях.

Медные покрытия получили довольно широкое распространение для защиты отдельных участков деталей от науглероживания при цементации.

Для электрохимического осаждения меди разработано большое количество электролитов, которые можно разделить на две основные группы: кислые и цианидные.

Хромирование металлический изделий

Электротехнический хром – серебристо-белый металл с синеватым оттенком, обладающий высокой твердостью и хорошо сопротивляющийся механическому износу. В атмосферных условиях хром сохраняет цвет и блеск длительное время, что объясняется образованием на его поверхности тонкой, но очень прочной оксидной пленки. Наличием этой пленки объясняется высокая антикоррозионная стойкость хромовых покрытий.

Важнейшими областями применения электролитического хромирования являются отделка автомобильных деталей (защитно-декоративное хромирование), защита от коррозии (защитное хромирование), повышение износостойкости трущихся деталей и восстановление изношенных деталей машин (твердое хромирование).

При нанесении многослойных покрытий при защитно-декоративном хромировании толщина слоя составляет 1-60мкм. Электролитические слои хрома хорошо сцепляются, со сталью, никелем, медью и ее сплавами при тщательном проведении подготовительных операций и соблюдения режима хромирования. Наносить поверх хромовых покрытий другие металлы трудно, так как в этом случае сцепление отсутствует (из-за оксидной пленке на хроме).

В зависимости от процесса электролиза могут быть получены осадки хрома с различными свойствами. В зависимости от условий электролиза образуются три типа хромовых покрытий: серые, обладающие низкими физико-химическими свойствами и не находящие практического применения; блестящие, отличающиеся высокими значениями твердости и износостойкости; молочные, наименее пористые и более пластичные.

Подготовка поверхности металлических деталей

Механическая подготовка поверхности состоит в удалении с поверхности детали окалины, заусенцев, раковин и придании поверхности требуемой шероховатостью.

Шероховатостью называется разность высот между микровыступами и микровпадинами на поверхности изделия.

На поверхности деталей после механической обработки не должно быть дефектов, способствующих получению некачественных покрытий, содержащих неоднородности, окалину, раковины, поры, расслоения и трещины. Острые углы должны быть закруглены, чтобы во время осаждения на них не образовались наросты.

Механическая обработка, применяемая в цехах электрохимических покрытий, бывает следующих видов: шлифование, полирование, крацевание, дробеструйная и гидроабразивная галтовка.

Шлифованием называется процесс механической обработки ровной и гладкой поверхности, когда при помощи мелких зерен абразивных материалов с поверхности снимают тонкую стружку.

Шлифование бывает грубым (обдирка), оно производится при помощи шлифовальных кругов, и тонким, или декоративным, осуществляемым эластичными кругами или непрерывной лентой, на которые наносят слой абразивной пасты.

Полирование называют процесс получения блестящей зеркальной поверхности путем сглаживания мельчайших неровностей.

Цветные металлы шлифуют кругами из мягкого войлока, стальные детали - кругами из жесткого войлока, алюминиевые – кругами из мягкого войлока, накатанными электрокорундом.

Полировальные круги изготавливают из фетра, войлока, бязи, миткаля, байки, сукна, киперной ткани и т.д., на которые в процессе работы наносится полирующая паста.

ООО "Альянс-Инжиниринг"

Телефон :	095-3540035 ;	E-mail :	GDNN@ukr.net ;