Применение термообработки крепежных изделий из нержавеющей стали

Крепежные детали из нержавеющей стали, в том числе болты, гайки, винты и шайбы, широко используются в аэрокосмической, автомобильной, морской, нефтехимической, пищевой и строительной промышленности благодаря своей превосходной коррозионной стойкости, механическим свойствам и долговечности. Однако литая или формованная нержавеющая сталь часто не соответствует строгим требованиям к производительности в сложных рабочих условиях, таким как высокая прочность, износостойкость, стабильность размеров и устойчивость к холодной сварке (истиранию). Термическая обработка, как важнейшая технология обработки, позволяет регулировать микроструктуру крепежных изделий из нержавеющей стали без существенного изменения их формы, тем самым оптимизируя их механические свойства и срок службы. В этой статье подробно рассматриваются общие процессы термообработки крепежных изделий из нержавеющей стали, принципы их применения, адаптация к конкретным материалам и практика промышленного применения.

1. Обзор термической обработки крепежных изделий из нержавеющей стали.

Основная цель термообработки крепежных изделий из нержавеющей стали — корректировка внутренней кристаллической структуры, устранение внутренних напряжений, возникающих во время формовки (таких как холодная высадка и механическая обработка), и балансировка соотношения между прочностью, твердостью, пластичностью, ударной вязкостью и коррозионной стойкостью. В отличие от крепежа из углеродистой стали, нержавеющая сталь содержит легирующие элементы, такие как хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo) и титан (Ti), которые образуют на поверхности пассивную оксидную пленку для защиты от коррозии. Следовательно, термообработка крепежных изделий из нержавеющей стали должна не только улучшать механические свойства, но и избегать повреждения этой пассивной пленки или снижения коррозионной стойкости.

Выбор процессов термообработки зависит от типа нержавеющей стали (аустенитная, мартенситная, ферритная, дуплексная), требований к производительности крепежных изделий и сценариев их применения. Общие процессы включают обработку на раствор, отжиг, закалку и отпуск, дисперсионное твердение, поверхностное упрочнение и снятие напряжений, каждый из которых имеет свои собственные характеристики и области применения.

2. Общие процессы термообработки и их применение.

2.1 Обработка раствора (отжиг раствора)

Обработка раствором — это самый основной и широко используемый процесс термообработки крепежных изделий из аустенитной нержавеющей стали (например, марок 304, 316, 321) и крепежных изделий из дуплексной нержавеющей стали. Процесс включает нагрев крепежных изделий до температуры выше предела растворимости карбидов (обычно 1000–1200°С для аустенитной нержавеющей стали), выдержку их при этой температуре в течение определенного периода времени, чтобы обеспечить полное растворение карбидов (например, карбидов хрома) в аустенитной матрице, а затем быстрое охлаждение (закалку) их в воде или на воздухе для получения однородной аустенитной микроструктуры.

Ключевой функцией обработки раствором является устранение межкристаллитного выделения карбидов, что предотвращает межкристаллитную коррозию — распространенный вид разрушения крепежных изделий из нержавеющей стали в агрессивных средах, таких как морская и химическая перерабатывающая промышленность. Кроме того, обработка раствором повышает пластичность и прочность крепежных изделий, облегчая последующие процессы формования (например, накатывание резьбы) и обеспечивая стабильность размеров во время эксплуатации. Например, крепежные детали из нержавеющей стали 316L, используемые в морском оборудовании, должны подвергаться обработке раствором, чтобы повысить их устойчивость к хлоридной коррозии и сохранить структурную целостность в соленой и влажной среде.

2.2 Отжиг

Отжиг — это процесс термообработки, целью которого является смягчение крепежных изделий из нержавеющей стали, снятие внутренних напряжений, улучшение обрабатываемости и гомогенизация микроструктуры. Процесс несколько различается в зависимости от типа нержавеющей стали: для аустенитной нержавеющей стали отжиг часто сочетают с обработкой на раствор (отжиг на раствор); для ферритной нержавеющей стали отжиг проводят при температуре 700–900°С с последующим медленным охлаждением для устранения остаточных напряжений и повышения пластичности; для мартенситной нержавеющей стали отжиг используется для смягчения материала после закалки, снижения хрупкости и облегчения механической обработки.

При производстве крепежных изделий из нержавеющей стали перед холодной высадкой или обработкой резьбы часто применяется отжиг. Например, перед холодной высадкой болтов из мартенситной нержавеющей стали 17-4 PH отжиг при температуре 800–850 ° C может смягчить материал, снизить сопротивление при холодной штамповке и избежать растрескивания крепежных изделий или чрезмерного износа форм, тем самым снижая производственные затраты. Кроме того, отжиг для снятия напряжений (разновидность отжига) применяют для обработки крепежных изделий после сварки или механической обработки, нагревая их до 600–800°С и медленно охлаждая для предотвращения деформации или растрескивания, вызванных остаточными напряжениями в процессе эксплуатации.

2.3 Закалка и отпуск

Закалка и отпуск в основном применяются к крепежным деталям из мартенситной нержавеющей стали (например, марок 410, 420) и некоторым крепежным деталям из дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали, требующим высокой прочности и твердости, например крепежным деталям, используемым в механических деталях, подвергающихся высоким нагрузкам, и компонентах аэрокосмической промышленности. Процесс состоит из двух стадий: закалки и отпуска.

Закалка включает нагрев крепежных изделий до температуры аустенитизации (850–1050°С для мартенситной нержавеющей стали), выдержку их в течение определенного времени, а затем быстрое охлаждение в масле или воде с целью превращения аустенитной матрицы в мартенситную, тем самым значительно повышая твердость и прочность крепежных изделий. Однако закаленный крепеж из мартенситной нержавеющей стали отличается высокой хрупкостью и содержит значительные остаточные напряжения, поэтому отпуск необходимо проводить сразу после закалки.

Закалка заключается в повторном нагреве закаленных крепежных изделий до более низкой температуры (150–650°С), выдержке их в течение определенного времени и последующем охлаждении до комнатной температуры. Этот процесс снижает хрупкость, снимает остаточные напряжения и регулирует баланс между твердостью, прочностью и ударной вязкостью крепежных изделий. Например, болты из нержавеющей стали 410, используемые в компонентах автомобильных двигателей, подвергаются закалке и отпуску для достижения твердости HRC 35–45, что гарантирует их способность выдерживать высокие нагрузки и повторяющиеся вибрации без деформации и разрушения.

2.4 Дисперсионное твердение

Дисперсионное упрочнение (также известное как старение) — это специализированный процесс термообработки крепежных изделий из дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали, таких как марки 17-4 PH, 17-7 PH, которые широко используются в аэрокосмической, нефтехимической и энергетической промышленности из-за их высокой прочности и хорошей коррозионной стойкости. Процесс состоит из трех стадий: обработка раствора, охлаждение (для получения пересыщенного твердого раствора) и старение (выделение упрочняющих фаз).

Сначала крепежные детали подвергают обработке на раствор при температуре 1020–1060°С для растворения легирующих элементов (таких как медь, ниобий) в аустенитной матрице, затем быстро охлаждают до комнатной температуры с получением пересыщенного мартенсита или твердого раствора аустенита. Затем проводится старение при температуре 480–620°C, в ходе которого из пересыщенного твердого раствора выделяются мелкие однородные упрочняющие фазы (например, выделения с высоким содержанием меди), что значительно повышает прочность и твердость крепежных изделий без ущерба для коррозионной стойкости. Например, крепеж из нержавеющей стали 17-4 PH после дисперсионного отверждения может достигать прочности на разрыв до 1170 МПа и твердости Rockwell C38, что делает их пригодными для изготовления компонентов самолетов и нефтехимического оборудования высокого давления.

2.5 Поверхностная закалка

Крепежные детали из нержавеющей стали часто страдают от истирания (холодной сварки) во время сборки и разборки, особенно при контакте металла с металлом с высокими моментами затяжки. Истирание в основном вызвано низкой твердостью поверхности, чрезмерной шероховатостью поверхности или недостатком смазки и может привести к заклиниванию крепежа, что чрезвычайно затрудняет его снятие без повреждения компонентов. Поверхностная закалка является эффективным решением этой проблемы, поскольку она упрочняет только поверхностный слой (от нескольких до десятков микрон) крепежных изделий, улучшая износостойкость и стойкость к истиранию, сохраняя при этом коррозионную стойкость и ударную вязкость основного материала.

Обычные процессы поверхностного упрочнения крепежных изделий из нержавеющей стали включают азотирование, цементацию и запатентованные диффузионные процессы, такие как Kolsterising® и Super Expanite®. Kolsterising®, низкотемпературный диффузионный процесс, значительно увеличивает поверхностную твердость крепежных изделий (обычно выше 1000 HV) без изменения их размеров или качества поверхности, что делает его пригодным для крепежных изделий из аустенитной и дуплексной нержавеющей стали, используемых в прецизионном оборудовании. Super Expanite® устраняет недостатки традиционных процессов поверхностной закалки (такие как пониженная коррозионная стойкость и малая глубина закалки) за счет закалки как самого внешнего слоя, так и нижележащего материала, что еще больше повышает коррозионную стойкость и износостойкость. Эти процессы поверхностного упрочнения широко используются в крепежных изделиях для медицинского оборудования, прецизионного оборудования и химической обработки, где стойкость к истиранию и коррозионная стойкость имеют решающее значение.