Применение защитных сред и обмазок при термической обработке

В. И. МУРАВЬЕВ
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 12. 1968 г.

При термической обработке широко применяются различные защитные среды. К ним относятся: защитные обмазки (меловая, на основе глины и жидкого стекла), чугунная стружка, графит, отработанный карбюризатор, геттеры, обладающие большим сродством к кислороду, применяемые в приспособлениях с песочным затвором или в герметичных контейнерах [1]. Однако применение защитных обмазок не всегда обеспечивает надежную защиту деталей от окисления и обезуглероживания, и не все обмазки технологичны.

В литературе имеются данные о применении защитных обмазок на основе стеклопорошка [2]. Такие обмазки надежно защищают детали от окисления и обезуглероживания, но имеют технологические недостатки (трудно удаляются с поверхности деталей после термической обработки).

Цель настоящей работы была разработка технологичной обмазки и исследование влияния, различных сред на обезуглероживание, науглероживание и окисление сталей, меди и латуни.

Защитные обмазки. Было необходимо подобрать обмазку для защиты резьб у деталей из конструкционных сталей, термическая обработка которых невозможна в соляных ваннах [3].

Испытывали различные составы обмазок на основе жидкого стекла и стеклопорошка с различными добавками. Стеклопорошок готовили из оконного стекла в шаровой мельнице грануляцией не более 0,316 мм. В качестве добавок использовали шамотную глину, мел, каолин, тальк, окислы алюминия, храма и титана. Составы на основе стеклопорошка разводили в воде до тестообразного состояния.

Предварительные испытания проводили на пластинах из стали У9А толщиной 0,3 мм. На обезжиренную поверхность кистью наносили обмазку, после чего образцы сушили при 60-100 °С, нагревали в камерной печи до 900 °С, 30 мин и охлаждали в воде. Установлено, что жидкое стекло при различных добавках обезуглероживает пластины из стали У9А до содержания углерода в них 0,19-0,44 %, а стеклопорошок с теми же добавками до 0,30-0,82 % (рис. 1).

Рис.1. Изменение содержания углерода в ленте из стали У9А в зависимости от вида обмазки:
а — обмазка на основе жидкого стекла; б — на основе стеклопорошка; добавки: 1 — шамотная глина; 2 — окись алюминия; 3 — окись хрома; 4 — окись титана; 5 — тальк; 6 — мел; 7 — каолин.

Из рис. 1 видно, что наилучшая обмазка состоит из 50-55 % стеклопорошка и 50-45 % шамотной глины. Недостатком данной обмазки является ее хрупкость после сушки. Обмазки с тальком имели удовлетворительную прочность. Тальк добавляли к обмазке, состоящей из 50 % стеклопорошка + 50 % шамотной глины. Положительные результаты получены при добавке 10 % талька. Обмазка на образцах получалась прочной.

На рис. 2 и 3 показаны результаты испытаний различных обмазок.

Рис.2. Изменение содержания углерода в ленте из стали У9А в зависимости от времени выдержки в защитной среде:
1 — обмазка состава 40 % шамотной глины + 50 % стеклопорошка + 10 % талька; 2 — 40 % талька + 20 % каолина + 40 % жидкого стекла; 3 — 20 % стеклопорошка + 80 % жидкого стекла; 4 — меловая обмазка; 5 — без обмазки.

Рис.3. Потеря веса на единицу площади для образцов из стали 30ХГСА в зависимости от вида обмазки и времени выдержки при 900 °C:
1 — обмазка состава 40 % шамотной глины + 50 % стеклопорошка + 10 % талька; 2 — 40 % талька + 20 % каолина + 40 % жидкого стекла; 3 — 20 % стеклопорошка + 80 % жидкого стекла; 4 — меловая обмазка; 5 — без обмазки.

В зависимости от вида обмазки изменялась глубина обезуглероженного слоя:

Вид обмазки	Глубина обезуглероженного слоя в мм
40 % шамотной глины + 50 % стеклопорошка + 10 % талька	0,02
40 % талька + 20 % каолина + 40 % жидкого стекла	0,12
20 % стеклопорошка + 80 % жидкого стекла	0,18
Меловая обмазка	0,29
Без обмазки	0,42

Видно, что наилучшими свойствами обладает обмазка, содержащая 40 % шамотной глины, 50 % стеклопорошка и 10 % талька. Испытания ее технологических свойств показали, что она растрескивается и отлетает при закалке в воде, масле, щелочи и селитре; поверхность деталей получается чистой без окалины. Удаление обмазки из внутренних отверстий осуществляется погружением деталей в щелочь при 370-400 °С на 3-10 мин с последующим охлаждением в воде.

Защитные среды, используемые при нагреве в приспособлении с песочным затвором. Было исследовано влияние чугунной стружки, графита, песка, шамотной крошки, окиси хрома, талька и медной стружки на обезуглероживание и науглероживание сталей У9А, Р18, а также на окисление меди М2 и латуни Л62 при нагреве в приспособлении с песочным затвором (рис. 4).

Рис.4. Эскиз приспособления с песочным затвором:
1 — крышка; 2 — песочный затвор; 3 — наружная стенка; 4 — карбюризатор (древесный уголь); 5 — внутренняя стенка; 6 — детали.

Образцы загружали внутрь приспособления с защитной средой. Для защиты медных и латунных деталей применяли только древесный уголь, который засыпали между стенками приспособления. Таким образом, в приспособлении с песочным затвором создавалась атмосфера продуктов взаимодействия воздуха с защитной средой и образцами, находящимися в нем.

Термическую обработку образцов осуществляли по режиму: нагрев 840 °С от 0,5 до 3 ч, охлаждение в воде. Результаты испытаний приведены в таблице.

Среда	Среднее, в %	Отклонение содержания углерода от исходного, в %
Без засыпки	0,84/0,82	-0,07/-0,09
Песок непрокаленный	0,72/0,66	-0,20/-0,26
Песок прокаленный	0,87/0,83	-0,01/-0,11
Графит непросушенный	0,92/0,72	-0,02/-0,20
Графит просушенный	0,94/0,84	-0,00/-0,13
Чугунная стружка (3,4 % С)	0,80/0,52	-0,07/-0,44
Шамот влажный	0,16	-0,69
Шамот прокаленный	0,69	-0,20
Окись хрома непросушенная	0,61	-0,29
Окись хрома просушенная	0,74	-0,14
Тальк непрокаленный	0,62	-0,25
Тальк прокаленный	0,61	-0,29
Медная стружка	0,26	-0,63
90 % песка + 10 % графита	0,52	-0,34
70 % песка + 30 % графита	0,76	-0,09
50 % песка + 50 % графита	0,77	-0,11
Примечание: Выдержка при 840 °С 3 ч. Во втором столбце первое значение соответствует выдержке 0,5 ч, второе — 3 ч

Из таблицы видно, что изоляция образцов от внешней среды песочным затвором даже без засыпки позволяет исключить обезуглероживание. Таким образом в герметичных печах при соответствующем соотношении количества металла и воздуха, находящегося в печи, могут создаваться защитные атмосферы. По данным работы [4], кислород воздуха, находящийся в такой печи, взаимодействуя с поверхностью металла, создает атмосферу, содержащую 7 % С0₂, 14 % СО, 79 % N₂.

Наличие влаги во всех средах увеличивает степень обезуглероживания. Наибольшее обезуглероживание происходит при засыпке образцов влажной шамотной крошкой.

При отсутствии влаги все среды также по разному обезуглероживают сталь. Наиболее инертная среда прокаленный песок, применение которого в приспособлении с песочным затвором особенно целесообразно для процессов дисперсионного твердения и отжита высоколегированных и титановых сталей и сплавов. Графит и чугунная стружка при малых выдержках могут вызывать науглероживание, при больших выдержках — обезуглероживание. Окисленная чугунная стружка обезуглероживает больше, чем не окисленная.

Смесь песка и графита, а также шамотная крошка вызывают незначительное обезуглероживание при отсутствии влаги.

Такой же агрессивной средой, как н влажная шамотная крошка, является медная стружка, что объясняется, по-видимому, наличием в меди большого количества кислорода и меньшим сродством к кислороду по сравнению с железом.

В настоящей работе изучали обезуглероживание быстрорежущей стали на образцах, обработанных по режиму отжига инструмента после стыковки: прогрев до 700 °С 3 ч, нагрев до 840 °С 1 ч, выдержка 4 ч, охлаждение до 750 °, выдержка 5 ч, медленное охлаждение до 400 °С, охлаждение на воздухе. Половину образцов отжигали в приспособлении с песочным затвором, остальные — в воздушной атмосфере камерной печи. Результаты испытаний показаны на рис. 5. При отжиге стыкованного инструмента в атмосфере негерметичной печи происходит обезуглероживание на 2-2,5 мм на сторону, а при применении приспособления с песочным затвором на 0,01-0,04 мм.

Рис.5. Изменение по глубине слоя содержания углерода и микротвёрдости в зависимости от среды нагрева:
1 — нагрев в приспособлении с песочным затвором; 2 — в атмосфере камерной печи.

Было исследовано окисление меди и латуни при отжиге в приспособлении с песочным затвором в атмосфере продуктов взаимодействия древесного угля с воздухом, находящимся в нем. Образцы изготовляли из медного листа М2 толщиной 1,5 мм и латунной проволоки Л62 диаметром 6 мм. На образцах определяли привес на единицу площади в зависимости от температуры, среды нагрева и времени выдержки (рис. 6). Привес на единицу площади значительно возрастает с повышением температуры отжига при нагреве в воздушной атмосфере и остается почта неизменным при отжиге в приспособлении. На поверхности образцов из меди и латуни после отжига в воздушной атмосфере 15 мин при 300-400 °С образуется окалина, а при отжиге в приспособлении при температурах до 600 °С и выдержке до 2,5 ч окалина не обнаружена, при 700 °С появляется слабый цвет побежалости. Механические свойства в зависимости от атмосферы не изменялись. Было обнаружено, что отжиг при наличии в приспособлении алюминия с (медью приводит к сильному окислению меди.

Рис.6. Привес образцов из меди М2 и латуни Л62 на единицу площади в зависимости от температуры отжига:
1 — М2, нагрев на воздухе; 2 — Л62, нагрев на воздухе; 3 — М2, нагрев в приспособлении; 4 — Л62, нагрев в приспособлении.

Выводы. 1. Жидкое стекло с добавками талька, каолина, шамотной крошки, окислов алюминия, хрома и титана не эффективная обмазка, особенно для защиты сталей от обезуглероживания.
2. Стеклопорошок — лучшая основа для защитной обмазки. Для предохранения сталей от обезуглероживания лучшими защитными свойствами и высокой технологичностью обладает обмазка, содержащая 40 % шамотной глины, 50 % стеклопорошка и 10 % талька.
3. Азот воздуха — хорошая защитная среда от обезуглероживания при использовании герметичной печи и при соответствующем подборе садки металла.
4. Продукты взаимодействия древесного угля и воздуха, находящиеся в приспособлении с песочным затвором, создают защитную атмосферу от окисления меди и медных сплавов.

Список литературы:

1. Гаврилов П. Д. «МиТОМ», 1959 № 2.
2. «Materials Protection», 1963, v.2, № 9; «Materials in Design Engineering», 1963, v.57, № 5.
3. Муравьев В. И., Тарнецкий Б. А. «МиТОМ», 1966, № 7.
4. Lenar E. «Industs Gas», 1966, № 9.
5. Кубошевский О., Гопкинс Б. Окисление металлов и сплавов. М., «Металлургия», 1966.