Сталь 35ХГСА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка – это нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных).

В подавляющем большинстве случаев  химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных  слоев изделий определенными  элементами. Их называют насыщающими  элементами или компонентами насыщения.

В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Термическая обработка

Термическая обработка придает стальным изделиям определенные механические свойства: высокую твердость, повысив этим сопротивление износу, меньшую хрупкость для улучшения обработки или повышения ударной вязкости и т. д. Это достигается нагревом и последующим охлаждением стали по строго определенному температурному режиму. В результате в нужном направлении изменяется структура стали, которая и определяет ее механические свойства.

Различают следующие виды термической  обработки стали: закалку, отпуск, отжиг  и нормализацию.

Закалка — термическая обработка стали путем ее нагрева до определенной температуры, некоторой выдержки при этой температуре до завершения фазовых превращений с быстрым последующим охлаждением в воде, масле и других жидкостях. При закалке увеличиваются твердость и прочность, но снижается ударная вязкость. Закаленная сталь обладает большой хрупкостью, что делает ее малопригодной для практического использования.

Отпуску подвергают сталь после закалки для уменьшения хрупкости и ослабления внутренних напряжений. Отпуск стали заключается в нагреве ее ниже температуры закалки с последующим постепенным охлаждением на воздухе. В зависимости от вида отпуска изделие нагревают от 150 до 550°С. С повышением температуры отпуска сильно изменяются механические свойства закаленной стали, т. е. предел прочности и твердость понижаются, а относительное удлинение и вязкость возрастают.

Отжиг уменьшает структурную неоднородность стали, придает мелкозернистую структуру, снижает напряжение, возникшее при обработке давлением или литьем, а также улучшает обрабатываемость стали резанием.

Нормализация — это, по существу, процесс отжига. Стальное изделие нагревают до температуры несколько ниже температуры закалки, выдерживают сталь при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе. В результате сталь получается более мелкозернистой, чем при отжиге, повышаются ее твердость, прочность, ударная вязкость по сравнению с отожженной сталью.

Рассматриваемый вид стали также  подвергается термообработке, при этом в таблице 4, таблице 5 и таблице 6 мы видим изменения некоторых механических свойств стали 35ХГСА, а именно, как изменяются предел текучести, относительное удлинение, относительное удлинение и т.д.

Таблица 4 – Термообработка стали 35ХГСА

Термообработка					Передел текучести σт,(кгс/мм2) не менее	Временное сопротивление σв, Н/мм2 (кгс/мм2)	Относительное удлинение δ5,%	Относительное сужение ψ, %	Ударная вязкость KCU, Дж/см2 (кгс·м/см2)	Размер сечения заготовок для термической обработки (диаметр круга или сторона квадрата), мм
Закалка			Отпуск
Температура, 0С		Среда охлаждения	Температура, 0С	Среда охлаждения
1-й закалки или нормализации	2-й закалки
						не менее
Изотермическая закалка при 880 0С с смеси калиевой и натриевой селитры, имеющей температуру 280-310 0С, охлаждение на воздухе					1275(130)	1620(165)	9	40	39(4)	-
950	890	Масло	230	Воздух или масло

 

 

 

 

 

 

 
Таблица 5 – Изменение свойств стали при одновременной закалке и отпуске, а так же при изотермической закалке без отпуска стали 35ХГСА

 

Температура отпуска, ºС	Предел текучести ,σ0,2 МПа	Временное сопротивление  σв, МПа	Относительное удлинение δ5	Относительное сужение ψ	KCU, Дж/см2	НRCЭ
			%
Закалка 880 ºС, масло.
200 300 400 500	1570 1550 1420 1180	1910 1760 1620 1300	12 12 12 14	48 50 51 52	49 59 44 44	52 50 47 42
Изотермическая закалка 880 ºС, селитра 300 ºС
без отпуска 300 400 500	1460 1450 1410 1220	1670 1670 1570 1330	12 12 14 14	52 55 54 53	70 71 53 39	50 50 48 43

 
Таблица 6 – Изменение свойств стали при одновременной закалке и при отпуске стали 35ХГСА (причем охлаждающие среды данных видов термических обработок различны)

Сечение, мм	Предел текучести, σ0,2	Временное сопротивление  σв,	Относительное удлинение δ5	Относительное сужение ψ	HB
	МПа		%
Закалка 880 ºС, масло. Отпуск 500 ºС, вода
20 40 60	100 940 860	1110 1080 960	12 11 11	54 50 46	322 310 270
Закалка 880 ºС, масло. Отпуск 600 ºС, вода
40 60	810 780	970 880	14 13	58 58	280 250

 

Температура испытания, ºС	Предел текучести, σ0,2	Временное сопротивление  σв,	Относительное удлинение δ5	Относительное сужение ψ	HRCЭ
	МПа		%
Закалка 880 ºС, масло. Отпуск 500 ºС
20, 250 400 500	1200 - - -	1300 1260 1000 540	11 12 14 31	52 57 72 70	42 - - -

2. Оборудование для термообработки

Нагрев стали для термической  обработки производится в термических  печах. Различают термические печи электрические, работающие на газообразном и жидком топливе.

         Электрические печи обеспечивают температуру 1350⁰С, они позволяют очень точно регулировать температуру.

       По способу передачи тепла деталям, подвергающимся термообработке, печи подразделяются на камерные, муфельные, шахматные, печи-ванны.

        В камерных печах детали загружаются в камеру, сюда же поступают и горячие газы.

        В муфельных печах изделия загружаются в муфель (камеру), который снаружи нагревается.

В шахтных печах рабочее  пространство (шахта) вытянуто в вертикальном направлении, изделия загружаются сверху.

В электрических печах-ваннах рабочее пространство представляет собой тигель, муфель, ванну с  расплавленными солями или маслом, куда погружаются изделия. Они обеспечивают более равномерный и быстрый нагрев, детали в них меньше окисляются.

По назначению различают  печи для отжига, нормализации, закалки, отпуска, цементации и т. п. Каждая из этих печей имеет свои конструктивные особенности, определяемые характером вида обработки. 
При термической обработке температуры измеряются термометрами, термоэлектрическими (состоящими из термопары и гальванометра) и оптическими пирометрами (состоящего из аккумулятора, лампочки, реостата, зрительной трубы).

 Когда нет приборов, температуру можно определить приближенно по цветам побежалости (таблица 7) – появляющейся оксидной плёнке на светлой поверхности металла при нагревании в пределах температур от 220-330⁰С и цветам каления – цветам свечения, которые приобретает раскалённый металл при 530- 1300⁰С.

Цвета побежалости	температура, 0С	Цвета каления	температура, 0С
Светло-жёлтый	220	Начало свечения	530-580
жёлтый	230	Тёмно-красный	580-660
коричневый	255	Тёмно-вишнёвый	660-720
Коричнево-красный	265	Светло-вишнёвый	780-830
Фиолетовый	285	Светло-красный	900-1050
Тёмно-синий	295-310	Светло-жёлтый	1150-1250
серый	330	Белый	1250 и выше

Таблица 7 - Цвета побежалости и цвета каления и соответствующие им температуры 

Рассмотрим электропечь, применяемую для закалки и отпуска (электропечь СТЗ-5.40 5/10-Б1). В таблице 8 приведены габаритные размеры печи, а так же размеры поддона.

Таблица 8 - Габаритные размеры печи

	длина, мм	ширина, мм	высота, мм
Рабочие размеры поддона	500	500	500
Габариты электропечи	8785	8570	3960