Обработка нержавейки: термическая, химическая, термомеханическая

Производственные механизмы современных установок и агрегатов испытывают достаточно большие нагрузки на каждый конструктивный элемент. При высоком давлении, скоростях и определённом температурном режиме детали из обычных сталей могут достаточно быстро потерять свои производственные мощности и выйти из строя.

Именно поэтому работа в сложных условиях требует применение особых сплавов, к которым принадлежит нержавеющая сталь.

Одно из главных преимуществ «нержавейки» – сопротивление коррозии. Этим свойством она обязана хрому, который в размере 12 и более процентов содержится в составе нержавеющего сплава. В зависимости от содержания хрома может меняться устойчивость к коррозии – чем оно выше, тем выше и стойкость стали к коррозии. Нержавеющая сталь не ржавеет под воздействием атмосферных осадков, в солевых или щелочных растворах и некоторых газовых средах. Таким образом, главные достоинства нержавеющей стали – это высокая температура плавления, пластичность, высокое качество сварных соединений и простота обработки. За счёт этих характеристик ее используют во многих отраслях – в строительстве, медицине, пищевой промышленности, на производстве.

Выделяют три основных типа нержавеющей стали в зависимости от структуры:

• Ферритные стали – стали, которые имеют структуру феррита; в составе таких сплавов более 20% хрома и до 0,15% углерода, благодаря чему они имеют высокий уровень пластичности и обладают высокой устойчивостью к агрессивным средам. Ферритные стали образуются при низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента.
• Мартенситные и ферритно-мартенситные – в этих сплавах содержится до 17% хрома и до 0,5% углерода, такой вид сплавов имеет наибольшую прочность к влиянию агрессивной среды. В основном их используют для изделий, предназначенных работать на износ.
• Аустенитные (аустенитно-ферритные и аустенитно-мартенситные) коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения. до 33% состоят из никеля и хрома.

Особенности обработки

Несмотря на то, что нержавейку обрабатывают уже более ста лет, этот процесс сопряжен с некоторыми технологическими сложностями. 

Есть несколько факторов, которые могут затруднять механическое воздействие и обработку нержавеющих сталей. Они были изучены отечественными учеными-металловедами ещё во второй половине прошлого века и до сих пор являются теми факторами, которые нужно учитывать при выборе способа обработки.

• Наклёп, самоупрочнение. Это важный признак нержавеющей стали, вызывающий дополнительные трудности во время её обработки – при неправильном выборе инструмента поверхность упрочняется (в области резания твёрдость может повыситься до 100%) и при следующем проходе инструмент уже срезает более твердый материал. Так происходит быстрый износ режущих кромок инструмента, ведущий к образованию проточин (сильно локализованные повреждения как на передней, так и на задней поверхности на уровне глубины резания).

• Низкая теплопроводность. Теплопроводность нержавейки сравнительно невелика и колеблется от 15 до 30 Вт/(м*К) в зависимости от ее состава. Это одна из важнейших особенностей, которая значительно усложняет работу с нержавейкой. Высокая температура в зоне резания приводит к быстрому износу инструмента. Однако именно низкая теплопроводность во многих случаях является нужным свойством – на этом основана теплоизоляция.

• Высокая прочность. Известно, что нержавейка – это материал, в который добавили примеси, замедляющие или делающие невозможным процессы коррозии. Однако наличие в составе сплавов легирующих элементов может также затруднить обработку. В результате появляются значительные силы резания 1800-2850 Н/мм2.

• Стружкодробление – разделение стружки на отдельные элементы (различных форм и размеров), которое происходит, если в стружке возникают напряжения, которые больше предельно допустимых для обрабатываемого материала. При обработке могут возникнуть проблемы контроля над стружкообразованием. Худший контроль над стружкодробленим происходит при обработке аустенитных и дуплексных нержавеек. Такое свойство стали как пластичность позволяет не ломаться при обработке, а завивается в длинную спираль.

• Возникновение наростов, склонность к налипанию на поверхность резца, а также характерная для аустенитных и дуплексных марок вязкость. В ходе обработки нержавеющая сталь склонна налипать на режущую часть фрезы, что провоцирует образование нароста. Это отрицательно сказывается на резании, поскольку нарушается геометрия резца и увеличиваются усилия резания.

• Возникновение заусенцев. Отделившийся заусенец может стать причиной выхода из строя всей системы с самыми серьезными последствиями.
  

• Воздействие разных химических элементов на обрабатываемость. Например, высокое содержание углерода увеличивается прочность и твёрдость, но в то же время способствует сильному износу по задней поверхности, обрабатываемость стали снижается. Сера, напротив, улучшает обрабатываемость, но снижает пластичность и ударную вязкость. При сварке сера является вредной примесью, которая оказывает неблагоприятное влияние на свариваемость и механические свойства стали. Эта особенность объясняет, почему наилучшую обрабатываемость имеют низкоуглеродистые стали.

• Абразивность. В состав нержавейки входят микроскопические соединения карбида и интерметаллов, которые наделяют сталь особыми абразивными свойствами, вследствие чего стойкость инструментов резко снижается.

• Неравномерное упрочнение. Несмотря на то, что эта особенность не слишком критично влияет на обработку небольших деталей, она может сказаться на качестве крупных валов и крупногабаритных элементов.

Так, вышеперечисленные особенности при обработке нержавеющей стали зачастую не позволяют набрать высокую скорость во многих рабочих процессах. Именно поэтому приходится уменьшать скорость и подачу – так получится обеспечить подходящую стойкость и добиться качественной поверхности стали.

В металлургии применяется три вида обработки стали: техническая, термомеханическая и химико-термическая.

Под термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств. Так, основные параметры термической обработки – это температура и время. Именно правильный нагрев имеет большое значение в процессе термической обработки – перегрев делает структуру материала зернистой, а это не поддаётся исправлению.

В зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения различают следующие основные виды термической обработки:

1. Отжиг – это процесс, при котором происходит сначала нагрев металла, а затем постепенное медленное охлаждение. Такой температурный режим позволяет сформироваться кристаллической структуре до однородного состояния. В итоге сталь приобретает высокую пластичность и низкую твердость.

2. Нормализация – один из видов обработки сплавов, за которым следует вторая закалка и отпуск. Ее сущность заключается в улучшении физических и механических характеристик стали. Данная технология используется для снижения остаточных напряжений или повышения степени обрабатываемости материала различными методами.

3. Закалка проводится для увеличения прочности, твёрдости и износостойкости. При таком виде обработки металл сначала нагревается до высоких температур, способных изменить его структуру, а затем быстро охлаждается, чтобы он приобрел требуемый физико-химический состав и необходимую кристаллическую структуру. Именно этот метод обеспечивает получение требуемых эксплуатационных качеств закаливаемого металла. Главной задачей закалки является придание стали большей твердости.

4. Отпуск – это финальный процесс термической обработки изделия. Он осуществляется после закалки и позволяет снять остаточное напряжение стали, снизить её хрупкость, а также увеличить вязкость.

Следовательно, преимуществами термической обработки стали являются:

• Весомые изменения эксплуатационных свойств металлов
• Увеличение пластичности
• Повышенное сопротивление к изнашиванию/твёрдость
• Сохранение ударной вязкости

Для обработки используются специальные термические машины, которые позволяют изменять структуру именно в поверхностном слое на определенную глубину или же воздействовать только на часть заготовки.

Термомеханическая обработка металлов (ТМО) заключается в механической изменение формы при температуре, которая выше температуры фазового перехода. Способ сочетает в себе горячую прокатку (прокатка, при которой температура прокатки выше температуры рекристаллизации металла), волочение (процесс, при котором происходит протягивание заготовок через отверстия, которые сужаются) или штамповку с быстрой закалкой.

На сегодняшний день термомеханическая обработка выполняется по трем схемам:

1. Термообработка с деформационного нагрева с последующим низким отпуском или высокотемпературная термомеханическая обработка.

2. Термообработка, при которой операции горячей деформации и нагрева под закалку разделены – предварительная термомеханическая обработка.

3. Интенсивная пластическая деформация стали в температурном интервале устойчивого аустенитного состояния или низкотемпературная термомеханическая обработка.

Благодаря такому способу воздействия на металл, его прочность значительно повышается, а также достигается высокий комплекс механических свойств сталей и сплавов.

Химическая обработка нержавеющей стали – это процесс, при котором меняется не только поверхность сплава, но и структура металла с химическим составом. Такой тип обработки используется при необходимости получить деталь высокой прочности и твёрдости, сохранив при этом вязкость сердцевины. Характерные свойства такого металла – высокая устойчивость к коррозии, а также повышенная степень сопротивления. Химическая обработка производится посредством помещения детали в среду, которая содержит в себе атомы вещества, необходимые для покрытия стального листа.

• Цементация – это внедрение в поверхностные слои углерода, процесс осуществляется под действием высоких температур. Цементация производится в твердых, жидких или газообразных средах, которые называются карбюризаторами.

• Азотирование стали – это наполнение поверхностного слоя состава азотом. Это один из наиболее эффективных методов для повышения прочности сплавов.

• Цианирование и нитроцементация стальных деталей – это насыщение поверхности стали азотом и углеродом. Основная задача этого вида обработки – увеличение твердости и повышенное сопротивление к изнашиванию.

• Диффузионной металлизацией принято называть метод обработки сталей либо других металлов и сплавов, при которой поверхностный слой изменяется внедрением молекул других элементов. Метод применяется в целях повышения износоустойчивости и повышения стойкости к коррозии.