Как закалить сталь? Методы, шаги и советы

Что на самом деле делает цементация со сталью

Закалка — это процесс термообработки, который укрепляет внешнюю поверхность стальной детали, сохраняя при этом внутреннее ядро прочным и пластичным. В результате получается компонент, который снаружи устойчив к износу и поверхностной усталости, но может поглощать удары и напряжения, не растрескиваясь внутри. Эта комбинация — именно то, что требуется для стальной поковки и механически обработанных компонентов в таких сложных условиях, как шестерни, распределительные валы, оси и режущие инструменты.

Закаленный внешний слой, называемый «корпусом», обычно имеет толщину от Глубина от 0,1 мм до более 3 мм , в зависимости от используемого метода и времени воздействия. Сердцевина остается относительно мягкой, обычно в пределах 20–40 HRC, тогда как гильза может достигать 58–65 HRС в хорошо контролируемых процессах. Такую двухзонную структуру невозможно получить только за счет сквозной закалки, что делает цементацию отдельным и очень практичным методом при ковке и производстве стали.

Стоит понимать, что не все стали одинаково реагируют на цементацию. Низкоуглеродистые стали (0,1–0,3% углерода) чаще всего подвергаются цементации, поскольку их сердцевина после обработки остается пластичной. Среднеуглеродистые стали также можно обрабатывать, но высокоуглеродистые стали обычно подвергаются сквозной закалке, поскольку их сердцевина уже способна достигать высокой твердости.

Основные методы цементации стали

Существует несколько устоявшихся методов цементации стали, каждый из которых подходит для разных материалов, требований к глубине гильзы и производственных условий. Выбор подходящего варианта зависит от сплава основной стали, желаемой твердости поверхности, допусков на размеры и имеющегося оборудования.

Науглероживание

Цементация — наиболее широко используемый метод цементации стальных поковок. Этот процесс включает в себя воздействие низкоуглеродистой стали на среду, богатую углеродом, при высоких температурах. От 850°C до 950°C (от 1560°F до 1740°F) — достаточно долго, чтобы углерод диффундировал в поверхность. После поглощения достаточного количества углерода деталь закаливается для фиксации в закаленном корпусе.

Существует три распространенных варианта цементации:

• Газовая цементация: Деталь помещается в печь с атмосферой углеродосодержащего газа, обычно эндотермического газа, обогащенного природным газом или пропаном. Это наиболее контролируемый и масштабируемый метод, широко используемый в автомобильной и сталелитейной промышленности.
• Пакет цементации: Стальную деталь упаковывают в контейнер с твердым углеродистым материалом (например, древесным углем, смешанным с карбонатом бария) и нагревают в течение нескольких часов. Это низкотехнологичный метод, который до сих пор используется в небольших мастерских или для изделий неправильной формы.
• Жидкостная (соляная ванна) цементация: Деталь погружается в ванну с расплавленной солью на основе цианида. Он быстрый и эффективный, но включает в себя опасные химические вещества, поэтому его использование сократилось из-за проблем окружающей среды и безопасности.

Типичный цикл газовой цементации для достижения глубина корпуса 1 мм на низкоуглеродистой стали, такой как AISI 8620, требуется примерно 8–10 часов при температуре 930 ° C. После цементации деталь закаливают в масле или воде, а затем отпускают при температуре 150–200°C для снятия закалочных напряжений при сохранении твердости поверхности выше 60 HRC.

Азотирование

Азотирование вводит в поверхность стали азот, а не углерод. Он работает при значительно более низких температурах — От 480°C до 590°C (от 900°F до 1095°F) — а это значит, что искажения минимальны и закалка не требуется. Это делает азотирование особенно подходящим для прецизионных компонентов и готовых деталей, где точность размеров имеет решающее значение.

В результате получается более мелкий случай, чем при цементации (обычно от 0,1 мм до 0,6 мм ), но значения поверхностной твердости могут превышать Эквивалент 70 HRC (1100 В) в легированных сталях, содержащих нитридобразующие элементы, такие как хром, молибден, алюминий и ванадий. К распространенным маркам азотирования относятся стали AISI 4140, 4340 и нитральные сплавы.

При газовом азотировании используется диссоциированный аммиак в печи. Плазменное (ионное) азотирование использует электрический тлеющий разряд для введения азота и позволяет более равномерно обрабатывать изделия сложной формы. Азотирование в солевой ванне (ферритная нитроцементация) происходит быстрее и улучшает как износостойкость, так и коррозионную стойкость.

Индукционная закалка

Индукционная закалка не предполагает химической диффузии. Вместо этого он использует электромагнитную индукцию для быстрого нагрева поверхности стальной детали до температуры, превышающей ее температуру аустенизации, с последующей немедленной закалкой. Процесс чрезвычайно быстрый — нагрев поверхности может происходить в от 1 до 10 секунд - и создает твердый мартенситный слой, не затрагивая сердечник.

Для этого метода требуются среднеуглеродистые стали (углерод 0,35–0,55%) или легированные стали, которые уже содержат достаточно углерода для образования мартенсита при закалке. Он обычно используется для валов, шестерен, коленчатых валов и компонентов рельсов в сталелитейной и автомобильной промышленности. Глубина корпуса обычно варьируется от от 1 мм до 6 мм в зависимости от используемой частоты и времени нагрева.

Более высокие частоты индукции приводят к более мелким случаям; более низкие частоты проникают глубже. Частота 10 кГц может достигать 3–5 мм, а частота 200 кГц может достигать только 0,5–1 мм. Твердость обычно достигает 55–62 HRС на правильно выбранных сталях.

Пламенная закалка

При пламенной закалке используется прямое кислородно-ацетиленовое или кислородно-пропановое пламя для быстрого нагрева поверхности стали с последующей закалкой в воде. Это один из старейших методов селективной поверхностной закалки, не требующий специального печного оборудования. Этот метод работает со среднеуглеродистыми и легированными сталями и часто применяется к крупным или громоздким деталям, таким как крупные поковки, станки и звездочки, которые не могут легко поместиться внутри печей или индукционных катушек.

Глубина корпуса с пламенной закалкой варьируется в широких пределах от от 1,5 мм до 6 мм достижимы значения твердости 50–60 HRС. Однако этот процесс менее контролируем, чем индукционная закалка, и для достижения одинаковой глубины гильзы сложной формы требуются квалифицированные операторы.

Цианирование и карбонитридирование

Карбонитрирование одновременно вводит в поверхность стали как углерод, так и азот при температурах от 700°С до 900°С . Его часто считают гибридом цементации и азотирования. Присутствие азота снижает необходимую жесткость закалки, уменьшает деформацию и улучшает прокаливаемость. Глубина гильзы обычно меньше, чем при полной цементации. от 0,07 мм до 0,75 мм - и он широко используется для изготовления деталей тонкого сечения, крепежа и небольших шестерен.

При цианировании используется жидкая ванна с цианидом натрия для одновременного введения углерода и азота. Хотя этот метод эффективен и быстр, токсичная природа цианистых солей сделала этот метод в большинстве стран устаревшим из-за экологических норм.

Пошаговый процесс цементации стали дома или в магазине

Для тех, кто работает вне промышленных условий — в кузнице, небольшом механическом цехе или в домашней кузне — науглероживание является наиболее доступным методом. Вот практическое описание этого процесса.

1. Выберите подходящую сталь. Используйте низкоуглеродистую сталь, например 1018, 1020 или A36. Высокоуглеродистые стали не получают такой же пользы от цементации. Распространенным исходным материалом являются стальные поковки, изготовленные из низкоуглеродистых марок.
2. Тщательно очистите деталь. Удалите с поверхности все масло, окалину, ржавчину и загрязнения. Загрязнения действуют как барьеры для диффузии углерода и создают неравномерную глубину корпуса.
3. Приготовьте цементирующий состав. Смешайте древесный уголь (измельченный на кусочки 6–12 мм) с карбонатным активатором — карбонат бария в концентрации 10–20% по весу является традиционным, хотя карбонат кальция (известняковый порошок) работает как более безопасная альтернатива. Карбонат реагирует с окисью углерода в контейнере с образованием CO₂, который снова превращается в CO и поддерживает атмосферу, богатую углеродом.
4. Упакуйте контейнер. Поместите деталь в металлический ящик или герметичный контейнер (чугун или толстая сталь). Нанесите угольный состав вокруг детали, обеспечивая слой состава не менее 25 мм со всех сторон. Запечатайте крышку огнеупорным цементом или шамотной глиной, чтобы свести к минимуму утечку газа.
5. Нагреть в печи. Поместите упакованный контейнер в печь и доведите до 900–950 °C (1650–1740 °F) . Поддерживайте эту температуру в течение необходимого времени выдержки. Грубо говоря, 1 час при температуре 900°C дает глубину гильзы примерно 0,25 мм; За 8 часов получается примерно 1 мм.
6. Закалите деталь. Выньте деталь из коробки, пока она еще горячая, и немедленно закалите ее в масле (моторном или закалочном масле). Закалка водой происходит быстрее, но увеличивает риск растрескивания. Закалка в масле подходит для большинства низкоуглеродистых сталей и обеспечивает твердость 58–63 HRC.
7. Закалка после закалки. Повторно нагрейте деталь до 150–200 °C (300–390 °F) в течение 1–2 часов, чтобы снять внутреннее напряжение от закалки. Это снижает хрупкость, сохраняя при этом твердость поверхности. Пропуск этого шага может привести к образованию микротрещин.

Одним из широко используемых полевых испытаний на твердость корпуса является испытание напильником: новый острый напильник должен соскальзывать с поверхности, не разрезая, если корпус полностью закален. Для более точных измерений стандартными подходами являются определение твердости по Роквеллу (шкала HRC) или определение микротвердости по Виккерсу на поперечном сечении.

Сравнение методов усиления защиты: практический обзор

В таблице ниже приведены ключевые различия между наиболее распространенными методами цементации, которые помогут выбрать правильный процесс для конкретного применения.

Марки стали, лучше всего подходящие для цементации

Не все марки стали одинаково реагируют на цементацию. Выбор основного материала существенно влияет на достижимую глубину корпуса, прочность сердечника и стабильность размеров после обработки. При ковке стали подбор правильной марки в соответствии с процессом цементации имеет основополагающее значение для производительности детали.

Низкоуглеродистые стали для цементации

• АИСИ 1018/1020: Самый распространенный и экономичный вариант. Используется для валов, штифтов и обычных стальных поковок, где требуется сопротивление поверхностному износу, но необходимо контролировать стоимость. Легко обрабатывается перед обработкой.
• АИСИ 8620: Никель-хром-молибденовая легированная сталь, широко используемая в производстве зубчатых колес и валов. Он надежно цементируется и обеспечивает превосходную прочность сердечника после термообработки, что делает его эталонным сортом для штамповки стали компонентов трансмиссии.
• АИСИ 9310: Используется в высокопроизводительных авиакосмических и тяжелонагруженных приводах. Обеспечивает исключительную прочность сердцевины и способность к закалке благодаря высокому содержанию никеля.
• AISI 4118/4320: Хромомолибденовые марки с хорошей прокаливаемостью. Используется в трансмиссионных и поковках, требующих большей глубины корпуса и лучшей усталостной прочности.

Легированные стали для азотирования

• АИСИ 4140: Универсальная хромомолибденовая сталь, хорошо поддающаяся газовому азотированию. Часто используется для держателей инструментов, шпинделей и прецизионных валов в оборудовании для ковки стали.
• АИСИ 4340: Высокопрочная легированная никель-хром-молибденовая сталь. После азотирования достигается превосходное сочетание твердости поверхности и прочности сердцевины. Распространен в поковках и конструктивных элементах аэрокосмической промышленности.
• Нитраллой 135М: Специально разработан для азотирования, содержит алюминий в качестве нитридобразующего элемента. Обеспечивает одни из самых высоких показателей твердости поверхности, достижимых при азотировании, часто превышающих 1000 HV.

Среднеуглеродистые стали для индукционной и газопламенной закалки

• АИСИ 1045: Широко используемая среднеуглеродистая сталь для индукционной закалки. Распространен в валах, осях и поковках сельскохозяйственного инвентаря. Достигает 55–60 HRC на поверхности после индукционной обработки.
• АИСИ 4140/4340: Также подходит для индукционной закалки при закалке от высоких температур поверхности. Используется в шатунных шейках, поковках бурильных труб и компонентах тяжелого машиностроения.
• АИСИ 1060/1080: Более высокое содержание углерода делает их подходящими для применения в рельсах и пружинах, где применяется огневая закалка на быстроизнашивающихся контактных поверхностях.

Как усиление защиты взаимодействует с Стальная ковка Процесс

В промышленном производстве цементация почти всегда является операцией после ковки. Ковка стали — будь то открытая матрица, закрытая матрица (оттискная матрица) или валковая ковка — улучшает зернистую структуру стали и выравнивает поток зерен с геометрией детали. Такое измельчение зерна улучшает механические свойства стали перед применением какой-либо термообработки.

После ковки стали детали обычно нормализуют или отжигают для снятия напряжений при ковке, а затем подвергают черновой обработке до практически окончательных размеров. На этом этапе применяется цементация. Последовательность имеет значение: если деталь подвергается чистовой обработке до цементации, процесс закалки может вызвать незначительные изменения размеров (искажения), которые выведут деталь за пределы допуска. Большинство производителей оставляют шлифовку или чистовую обработку последним этапом после закалки.

При цементации поковок мелкозернистая структура, образующаяся при ковке стали, помогает ограничить изменчивость диффузии углерода и обеспечивает более равномерную глубину гильзы при сложной геометрии. Поковки с плотной зернистой структурой также демонстрируют лучшую усталостную прочность в переходной зоне корпус-сердечник, где при циклическом нагружении обычно возникают усталостные трещины.

Например, автомобильные трансмиссионные шестерни, изготовленные путем штамповки стали в закрытых штампах из стали 8620, обычно подвергаются цементации до глубины корпуса 0,8–1,2 мм , закалку, отпуск, а затем шлифовку. Такое сочетание ковки и цементации позволяет производить компоненты, способные выдерживать контактные напряжения, превышающие 1500 МПа более миллионов циклов загрузки — производительность, которой не может достичь ни один процесс в отдельности.

Контроль глубины гильзы и постоянства твердости

Одной из наиболее распространенных проблем при гильзе является непостоянная глубина гильзы. Это может привести к преждевременной усталости поверхности, растрескиванию или растрескиванию в процессе эксплуатации. Несколько переменных определяют постоянство глубины гильзы, и их контроль – это то, что отличает качественную термообработку от плохой практики.

Равномерность температуры в печи

Градиенты температуры внутри печи напрямую влияют на изменение глубины корпуса в партии. Партия шестерен, обработанная в печи с Изменение температуры ±15°C разница в глубине корпуса составит 10–15 % в зависимости от нагрузки. Промышленные газовые печи для цементации обычно предназначены для поддержания ±5°C однородность по всей рабочей зоне. Калибровка термопар и аттестация печи (по таким стандартам, как AMS 2750 или CQI-9) являются стандартной практикой на предприятиях по термообработке с контролем качества.

Контроль углеродного потенциала при газовой цементации

При газовой цементации необходимо тщательно регулировать углеродный потенциал атмосферы печи. Слишком высокий углеродный потенциал приводит к образованию поверхностных карбидных сеток — хрупких пластинчатых карбидов железа на границах зерен, которые значительно снижают усталостную долговечность. Слишком низкий углеродный потенциал приводит к недостаточному содержанию углерода на поверхности и недостаточно твердой оболочке. В большинстве печных систем используются кислородные зонды (зонды с регулировочной шайбой или лямбда-зонды) для непрерывного мониторинга и регулирования углеродного потенциала, 0,8–1,0% поверхностного углерода для большинства передач и валов.

Жесткость закалки и конструкция приспособления

Неравномерная закалка является еще одной основной причиной деформации и непостоянной твердости. Детали, которые подвергаются закалке в разной ориентации или в которых закалочная среда течет вокруг детали неравномерно, будут охлаждаться с разной скоростью и образовывать разные микроструктуры в разных зонах. Правильно спроектированные приспособления надежно удерживают детали во время закалки и обеспечивают постоянный доступ закалочной среды ко всем поверхностям. Температура масла во время закалки обычно поддерживается на уровне 40–80 °C (100–175 °F) для большинства операций поковки стали — холодное масло закаливает слишком резко, горячее масло закаливает слишком медленно.

Осмотр после обработки

Проверка результатов цементации осуществляется путем разрушающего и неразрушающего контроля. Разрушающий контроль включает в себя вырезание поперечного сечения образца купона, обработанного вместе с производственной партией, а затем измерение твердости на возрастающей глубине с помощью микротвердомера Виккерса для создания профиля твердости. Эффективная глубина гильзы определяется как глубина, на которой твердость падает до 550 ВН (приблизительно 52 HRC) в соответствии со стандартом ISO 2639. Неразрушающие методы включают анализ магнитного шума Баркгаузена и вихретоковые испытания, которые позволяют обнаружить аномалии глубины корпуса и поверхностной твердости без разрезания детали.

Распространенные ошибки при цементации и как их избежать

Большинство неудачных попыток усиления защиты в полевых условиях можно объяснить небольшим количеством ошибок, которых можно было бы избежать. Заранее распознав эти ошибки — будь то в производственном цехе или небольшой кузнице — можно избежать дорогостоящих доработок и брака деталей.

• Неправильный базовый материал: Попытка науглероживания высокоуглеродистой стали приносит мало пользы и может привести к образованию хрупких карбидных сеток. Всегда проверяйте содержание углерода в базовой стали перед выбором метода цементации.
• Пропуская темперамент: Закаленная сталь без отпуска испытывает огромные внутренние напряжения. Детали могут треснуть через несколько часов после закалки, если не провести закалку вовремя. Всегда отпускайте в течение нескольких часов после закалки, даже если это всего лишь 1-часовая выдержка при температуре 160°C.
• Неравномерный нагрев перед закалкой: Деталь, температура аустенизации которой при закалке не является однородной, будет иметь неоднородную микроструктуру. Перед закалкой обеспечьте достаточное время выдержки при температуре обработки. Тонким срезам может потребоваться замачивание всего на 15–20 минут; для толстых поковок может потребоваться час или больше.
• Загрязнение поверхности: Масло, смазка или окисление на поверхности детали перед цементацией создают мертвые зоны, в которых углерод не может диффундировать. Перед обработкой детали должны быть обезжирены и слегка подвергнуты пескоструйной очистке или очистке.
• Уменьшенный кейс для применения: Тонкий корпус (0,2 мм) на сильно нагруженной шестерне прорвется под действием контактного напряжения, обнажая мягкий сердечник и вызывая быстрый износ или точечную коррозию. Сопоставьте указанную глубину корпуса с контактным давлением и нагрузкой, которую компонент будет испытывать в процессе эксплуатации.
• Чрезмерная цементация: Чрезмерное время или углеродный потенциал приводят к образованию толстого хрупкого белого слоя остаточного аустенита и карбидов на поверхности. Этот слой может отслаиваться, резко снижая усталостную прочность, а не улучшая ее.

Области применения, в которых поковки из цементированной стали являются стандартными

Закалка не является узкоспециализированным подходом. Он встроен в стандартные производственные процессы во многих отраслях, где для изготовления конструкционных и механических компонентов используется ковка стали.

• Автомобильные трансмиссии и дифференциалы: Кольцевые шестерни, шестерни и солнечные шестерни в автоматических трансмиссиях выковываются из стали 8620 или 4320 и цементируются до глубины корпуса 0,9–1,4 мм. Сочетание твердости поверхности и прочности сердцевины выдерживает повторяющиеся контактные напряжения и ударные нагрузки трансмиссии транспортных средств на протяжении сотен тысяч километров.
• Аэрокосмические конструкционные поковки: Компоненты шасси, валы приводов и шейки подшипников в самолетах часто изготавливаются из стали 4340, азотируются или науглероживаются, чтобы обеспечить износостойкость, сохраняя при этом высокую прочность и ударную вязкость, требуемые аэрокосмическими спецификациями, такими как AMS 6415.
• Горнодобывающая и строительная техника: Пальцы гусениц, втулки, зубья ковша и пальцы стрелы экскаватора выкованы из легированных сталей и закалены, чтобы противостоять абразивному износу при контакте с горными породами и почвой. В этих приложениях обычно используется глубина корпуса 2–4 мм, чтобы обеспечить долговечность в чрезвычайно суровых условиях.
• Коленчатые и распределительные валы: Автомобильные коленчатые валы, часто выкованные из стали 1045 или микролегированной стали, подвергаются индукционной закалке на поверхностях шеек для достижения локальной твердости поверхности, в то время как остальная часть вала сохраняет прочность. Твердость шейки 55–60 HRC значительно продлевает срок службы подшипников по сравнению с необработанными поверхностями.
• Ручные инструменты и режущие инструменты: Долота, пуансоны и матрицы, изготовленные из стали 1020, можно подвергнуть цементации в домашних условиях, чтобы получить твердую режущую кромку. Это одно из старейших применений цементации, которое остается актуальным для кузнецов и производителей инструментов, работающих за пределами промышленных предприятий.