Лекция 7 термическая обработка металлов

Вид материала

Лекция

Содержание Превращение аустенита при охлаждении Низкий отпуск Средний отпуск Высокий отпуск Поверхностная закалка Химико-термическая обработка стали Борирование, алитирование, хромирование, силицирование

Подобный материал:

• Шифр специальности: 05. 16. 01 Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов, 25.46kb.
• Лекция 12 Химико-термическая обработка стали, 105.18kb.
• 05. 16. 01 Металловедение и термическая обработка металлов, 25.25kb.
• Программа профессиональной переподготовки мтф п/п-1 «металловедение и термическая обработка, 34.45kb.
• Закономерности превращения, 589.18kb.
• Назва модуля: Кольорові метали І сплави, 85.76kb.
• Аннотация дисциплины «термическая обработка», 18.64kb.
• Разработка методических основ идентификации избыточных фаз, образующихся в сталях, 650.71kb.
• 11 Виды термической обработки металлов, 85.54kb.
• Основная образовательная программа высшего профессионального образования 150400., 1141.74kb.

Лекция 7


ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ


Термическая обработка делится на собственно термическую, термомеханическую и химико-термическую.


Собственно термическая обработка – термическое (тепловое) воздействие на сталь.

Термомеханическая – сочетание термического воздействия и пластической деформации (примерно 80% стали подвергается горячей и тепловой прокатке).

Химико-термическая – сочетание термического и химического воздействия.


В результате термической обработки химический состав стали не меняется, изменяется ее структурное состояние, которое обеспечивает те или иные механические и технологические свойства. Для этого надо знать, какой режим нагрева, выдержки и охлаждения (то есть температуры и время) придаёт стали ту или иную структуру (то есть свойства).


Рассмотрим изменения структуры стали при нагреве. Сначала вспомним, что:

цементит – это химическое соединение Fe₃С,

аустенит – твёрдый раствор С в -Fe, максимальное содержание углерода 2,14 % при 1147 ^оС,

максимальное содержание углерода 0,8 % при 727 ^оС,

феррит – твёрдый раствор С в α-Fe, максимальное содержание углерода 0,02 % при 727 ^оС,

максимальное содержание углерода 0,006 % при 20 ^оС.


При понижении температуры менее 727 ^оС при выплавке стали -Fe переходит α-Fe, при этом углерод (разность 0,8 % – 0,02 % = 0,78 %) переходит в цементит Fe₃С, который располагается в виде пластинок по соседству с пластинками феррита. Таким образом, структура стали при температурах ниже 727 ^оС представляет собой перлит – пластинки Fe₃С (6,67 % С) перемежаются с соседними пластинками феррита, в котором содержание углерода менее или равно 0,02 %.


При нагреве до 727 ^оС перлит начинает превращаться в аустенит: увеличивается тепловое движение атомов (то есть возрастает их энергия), кристаллическая решётка железа начинает меняться (переходить из α в ), растворимость углерода в железе также увеличивается, углерод из пластинок цементита диффундирует в кристаллическую решётку -Fe, образуя аустенит. На линии GSE феррит уже полностью переходит в аустенит с разным содержанием углерода в нём.


Для ускорения диффузионных процессов, выравнивающих содержание углерода в аустените, сталь нагревают на 30-50 ^оС выше температур линии GSE и выдерживают при ней (каждый сплав при своей температуре) некоторое время, достаточное для выравнивания состава по объёму. Образующиеся при этом зёрна аустенита получаются мелкими, причём, величина зерна продуктов распада аустенита при его последующем охлаждении зависит от величины зерна аустенита: если зерно аустенита мелкое, то и продукты распада получаются мелкими, а значит, у стали после термообработки будут лучшие механические свойства.


Превращение аустенита при охлаждении


Изменения в структуре стали, происходящие при её охлаждении, зависят от скорости охлажде­ния, то есть ∆t, ^оС /∆τ, мин, час. Перечислим способы охлаждения металла в порядке нарастания скорости охлаждени – заготовка/деталь находится:


1) в печи с закрытой дверцей, отопление отключено

2) в печи с открытой дверцей

3) на воздухе

4) в машинном масле

5) в горячей воде

6) в холодной воде

7) в растворе солей или щелочей.


Способы 1 и 2. Медленное охлаждение в печи: происходит распад аустенита при температурах, близких к температурам линии РSК (700 ^оС). Аустенит распадается на грубую смесь крупных пластинок цементит + феррит = перлит; твердость таких структур мала.


Способ 3. При распаде аустенита при более низких температурах (650 ^оС) получается более тонкая смесь пластинок феррита и цементита (~ в 3 раза меньше по размеру). Это – сорбит (по имени английского естествоиспытателя Сорби), твердость сорбита больше твердости перлита.


Способ 4. При температуре 550 ^оС образуется ещё более мелкая (примерно в 2 раза мельче сорбита) ферритно-цементитная смесь – троостит (по имени французского химика Труста), твердость которого значительно больше твердости перлита. Перлит, сорбит, троостит – это ферритно-цементитные смеси, различающиеся между собой величиной частиц цементита: в троостите они самые мелкие, поэтому его твердость самая большая.

Способы 5÷7. Скорости охлаждения очень большие, аустенит не успевает распадаться на ферритно-цементитную смесь, так как углерод не успевает выделяться из твёрдого раствора (аустенита) в виде частичек цементита, хотя бы таких мелких, как в троостите. При перестройке -Fe в α-Fe атомы углерода остаются внутри решётки α-Fe и поэтому сильно её искажают. Чем больше углерода в железе, тем более искажена кристаллическая решётка, эта структура называется мартенситом (по имени немецкого металловеда Мартенса). Мартенсит очень твёрд (самая твёрдая из всех структур) и хрупок. Из-за твёрдости в стали стремятся получить именно мартенситную структуру, хотя пластичность и вязкость его практически нулевые.


Мартенситное превращение происходит в некотором интервале температур – от температуры начала превращения до температуры конца, причём, значения этих температур зависят от содержания углерода в стали. Чем больше углерода, тем ниже температуры начала и конца мартенситного превращения (аустенит переходит в мартенсит). Минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит переходит в мартенсит, называется критической скоростью закалки.


Изменяя скорость охлаждения аустенита, можно получить разные структуры стали – от мягких и пластичных, до твёрдых и хрупких. На этом и основана термическая обработка сталей в промышленности.


Различают следующие виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.


Отжиг – применяется в основном для снижения твёрдости стальных заготовок перед механической обработкой – особенно, если сталь перед этим была подвергнута деформации в холодном состоянии (холодная прокатка, волочение) и дальнейшая её деформация становится невозможной. Тогда производят отжиг, чтобы вернуть стали пластичность для дальнейшей деформации. Заготовки из стали нагревают до определённой температуры, делают выдержку для выравнивания состава аустенита и медленно охлаждают в печи с закрытой или открытой дверцей. Видов отжига много, они различаются (для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей) температурой нагрева, временем выдержки, температурой и скоростью охлаждения, цикличностью. Но в результате отжига получают мелкозернистую структуру с пониженной твёрдостью, повышенной пластичностью, с минимальными внутренними напряжениями.


Нормализация (или нормализационный отжиг) – это разновидность отжига, заключающаяся в нагреве металла выше линии GSE на 30 ÷ 50 ^оС, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе, то есть не в печи. При этом происходит измельчение зёрен перлита – образуется сорбит, так как скорость охлаждения на воздухе больше скорости охлаждения в печи. Кроме того, в заэвтектоидных сталях нормализация устраняет цементитную сетку вокруг зёрен стали – из-за большой скорости охлаждения цементит не успевает выделиться по границам зёрен.


Закалка – вид термической обработки, при которой сталь нагревается до температуры на 30 ÷ 50 ^оС больше, чем температура линии GSE, выдерживается при ней (для выравнивания в аустените углерода и легирующих элементов, если сталь легированная) и затем охлаждается со скоростью не менее критической – в воде. При этом сталь приобретает структуру мартенсита, обладающего большой прочностью и твёрдостью, особенно заэвтектоидные стали, так как в них кроме мартенсита содержится ещё и цементит. Кроме воды для закалки используются водные растворы солей, щелочей, кислот, масло, расплавленные соли, обычно комбинируют: сначала вода и растворы, потом – масло, в области температур мартенситного превращения, так как здесь скорость охлаждения не должна быть большой из-за угрозы образования трещин. Твердость закаленной стали составляет 50-65 единиц по Роквеллу.


Отпуск – вид термической обработки, заключается в нагреве закаленной стали до температуры не выше температур линии РSК, при этом углерод частично выходит из мартенситной решетки и неравновесная структура закалённой стали становится более равновесной. В результате отпуска снижаются или полностью устраняются внутренние напряжения, уменьшается хрупкость закалённой стали, получаются оптимальное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости.


В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.


Низкий отпуск – нагревают сталь до температуры примерно 250 ^оС и охлаждают для получения «мартенсита отпуска» и частичного снятия внутренних напряжений. Структура очень твёрдая, но пластичность и ударная вязкость увеличиваются не сильно.


Средний отпуск – нагрев стали от 350 до 450 ^оС и охлаждение для получения структуры «троостит отпуска»: мартенсит распадается на ферритно-цементитную смесь с высокими упругими свойствами и достаточной вязкостью. Мартенсит неустойчив, так как его кристаллическая решётка искажена ?.


Высокий отпуск – нагрев стали до температур 500 – 650 ^оС и охлаждение для получения структуры «сорбит отпуска» - практически полностью устраняются искажения кристаллической решётки α-Fe и снимаются закалочные напряжения, при этом число дислокаций становится минимальным. Зёрнышки цементита укрупняются и получается смесь более крупных зёрен «цементита и феррита», которая называется сорбит. У него сочетание свойств наилучшее – максимальная вязкость, пластичность, предел текучести (то есть опять же пластичность).


Так как качества стали после разных видов отпуска получаются разными, то эти виды отпуска применяются в соответствии с требованиями к изделиям, которые тоже разные – инструменты, пружины, валы, оси, шестерни, червяки и т.д.


Поверхностная закалка


Существуют изделия, к которым предъявляются противоположные, казалось бы, требования: с одной стороны, они должны быть износостойкими, то есть должны сопротивляться истиранию – это значит, они должны быть очень твёрдыми, с другой стороны, они не должны разрушаться при продолжительных ударных нагрузках – это значит, должны быть вязкими. Примеры таких изделий – зубья шестерён, кулачки распределительных валов, шейки коленчатых валов и др. В этих случаях всю деталь изготавливают из пластичного и вязкого материала, который имеет высокое сопротивление динамическим нагрузкам, а затем те поверхности, которые при работе будут истираться и поэтому должны обладать высокой твёрдостью и износостойкостью, дополнительно упрочняют. Для чего применяют поверхностную закалку.

При поверхностной закалке деталь изготавливают таким образом, чтобы сердцевине придать окончательные свойства – например, нормализационный отжиг. Затем закаляют необходимые поверхности на глубину до 2 мм – обычно по частям – отдельно каждый зуб зубчатого колеса или каждую шейку коленвала. Поверхностный слой стали нагревают – током высокой частоты или, реже, пламенем газовой горелки и охлаждают струями воды для получения в поверхностном слое структуры мартенсита. После этого деталь подвергают низкому отпуску с целью получения структуры «мартенсит отпуска», обладающей повышенной твердостью, пониженными ударной вязкостью и пластичностью, с пониженными внутренними напряжениями. На деталь надевают индуктор, повторяющий форму закаливаемой поверхности, подводят ток высокой частоты (от 500 Гц до 10 млн Гц). Ток высокой частоты индуцирует в детали вихревые токи, которые тем больше, чем ближе к поверхности детали и чем выше частота. Вихревые токи греют деталь.


ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ


Структуру и свойства поверхностного слоя стали можно изменить химико-термической обработкой (ХТО), которая является комплексом химического и термического воздействия. ХТО основана на диффузии, то есть проникновении в сталь атомов различных элементов. Такая диффузия может иметь место только тогда, если диффундирующий элемент образует с основным металлом твёрдый раствор или химическое соединение.


При ХТО протекают следующие процессы:

• диссоциация – распад молекул во внешней среде и образование атомов диффундирующего элемента;
  
• адсорбция или поглощение атомов поверхностью стали;
  
• диффузия (на латыни - растекание, распространение) – проникновение атомов вглубь стали.
  

Диффузионное насыщение проводится различными элементами: С, N, Cr, Al, Si и другими. В зависимости от свойств элемента повышается твердость и износостойкость или жаростойкость, коррозионная стойкость и другие свойства.


При проведении любой ХТО деталь нагревают в среде, содержащей тот элемент, которым проводится насыщение. Выдержка при нагреве должна быть достаточной для того, чтобы атомы насыщающего элемента проникли в деталь на нужную глубину. Если насыщение проводится углеродом, то процесс называется цементацией, если азотом – то азотированием, хромом – хромированием, Si – силицированием, В – борированием и так далее.


Цементация – процесс ХТО, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом на глубину 0,5 ÷ 2 мм при нагреве в соответствующей среде. Цель – получение поверхности с большой твердостью и износостойкостью при вязкой сердцевине детали. Это достигается обогащением поверхностного слоя стали углеродом до 0,8 ÷ 1,0 % и последующей термической обработкой – закалкой или нормализацией при разных температурах и низким отпуском.


Цементации подвергают обычно низкоуглеродистые (с содержанием углерода до 0,25 %) легиро­ванные стали. Цементацию проводят в твёрдых и (чаще) газообразных углеродсодержащих средах. В твёрдой среде, углем – старый способ, в газообразной – разработал Аносов в 30 гг. 19 века.

Цементируют обычно окисью углерода СО или природным газом – в основном метаном СН₄ в герметичных камерах при температуре 900 – 950 ^оС, газ разлагается на С (атомарный) и О₂ или Н₂, затем углерод диффундирует в аустенит поверхностного слоя, где образует цементит и – после закалки – мартенсит, а после отпуска – «мартенсит отпуска». Содержание углерода меняется от 0,8 ÷ 1,0 % на поверхности до 0,25 % в сердцевине детали. Структура стали тоже меняется от «перлит + цементит (в нем 6,67 % углерода)» на поверхности детали до «феррит + перлит (в нем очень малоуглерода)» в глубине детали.

Азотирование – процесс ХТО, представляющий собой диффузионное насыщение поверхност­ного слоя стали азотом. Разработан Чижевским в 1913 году. Азотирование проводят в атмосфере аммиака NH₃ при температуре 500-700 ^оС – условия как при высоком отпуске. Цель – получение поверхности с высокой твёрдостью и износостойкостью или устойчивостью против коррозии – так называемое антикоррозионное азотирование. Процесс ведут в герметичной печи. Аммиак диссоциирует на N (атомарный) и Н₂, атом азота проникает вглубь детали. Азот с металлами образует соединения – нитриды – Fe₂N, но самыми твёрдыми и термостойкими нитридами являются нитриды хрома, алюминия и молибдена – CrN, AlN и МоN, поэтому с целью получения очень твёрдой и термостойкой поверхности детали изготавливают из легированной стали, содержащей эти элементы – Cr, Al и Мо. Азотированные детали при работе могут испытывать не только трение, но и воздействие высоких температур (например, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания) – более 700 ^оС. Толщина азотированного слоя – 0,3 ÷ 0,6 мм, но процесс длится очень долго, до 90 часов. Это недостаток метода, который исправляют, используя другие режимы и среду азотирования.


Цианирование – поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в расплав­ленной соли натрия NаСN при температуре 820–960 ^оС. Однако NаСN очень ядовит, поэтому больше применяется нитроцементация, при которой детали нагревают в газовой смеси, состоя­щей из науглероживающего газа и аммиака, то есть нитроцементация совмещает процессы газо­вой цементации и азотирования. Температура нитроцементации – до 870 ^оС, толщина слоя от 0,2 мм до 1 мм.


Преимущества метода – более низкие температуры (870 ^оС) по сравнению с цементацией (950 ^оС), меньшая продолжительность (2-10 часов против 90 часов), большая износостойкость; метод невредный, неядовитый. Из-за этого нитроцементация широко применяется и постепенно становится предпочтительной, то есть вытесняет и газовую цементацию, и уж тем более цианирование.


Борирование, алитирование, хромирование, силицирование – это всё виды ХТО – диффузионное насыщение поверхности стали соответственно бором, алюминием, хромом, кремнием при нагреве в соответствующей среде. В результате поверхностный слой стали получается:

• при борировании – твёрдым, износостойким, коррозионностойким, жаростойким;
  
• при алитировании – твёрдым, коррозионностойким, жаростойким;
  
• при хромировании – твёрдым, износостойким, жаростойким, коррозионностойким;
  
• при силицировании – твёрдым, жаростойким и коррозионностойким.
  

Процессы идут в разных средах, при разных температурах и временах, по разным технологиям, с получением поверхностного слоя разной толщины.


Вопросы для повторения

1. Виды и назначение термической обработки металлов.
   
2. Что такое мартенсит?
   
3. Какая структура стали получается в результате закалки?
   
4. Как изменяется структура стали при нагреве?
   
5. Свойства мартенсита?
   
6. В каких охлаждающих средах проводится закалка? Почему?
   
7. Как скорость охлаждения зависит от вида охлаждающей среды?
   
8. Какова кристаллическая решетка мартенсита?
   
9. Какие бывают виды отпуска стали?
   
10. Какая структура стали получается при охлаждении ее в закрытой печи? Почему?
    
11. Как зависит структура стали от скорости охлаждения?
    
12. Какая структура стали получается в результате низкого отпуска?
    
13. Какая структура стали получается при ее охлаждении на воздухе? Почему?
    
14. В каких случаях применяется отжиг?
    
15. Какая структура стали получается в результате среднего отпуска?
    
16. Какая структура стали получается в результате ее охлаждения в масле? Почему?
    
17. Как проводится отжиг?
    
18. Какая структура стали получается при высоком отпуске?
    
19. Какая структура стали получается при ее охлаждении в воде? Почему?
    
20. Какая структура стали получается в результате отжига?
    
21. Как связаны свойства металла с его структурой?
    
22. Что такое перлит?
    
23. Какая структура стали получается в результате нормализации?
    
24. Какие требования предъявляются к материалу, из которого изготавливают зубчатые колеса?
    
25. Что такое сорбит?
    
26. Что такое закалка?
    
27. Каким образом проводят поверхностную закалку?
    
28. Что такое троостит?
    
29. Как проводится закалка?
    
30. Что такое поверхностная закалка? Когда она применятся?
    
31. Виды, назначение термической обработки металлов?
    
32. Что такое отпуск стали?
    
33. Как изменяется структура стали при нагреве?
    
34. Что такое критическая скорость закалки?
    
35. С какой целью проводится отпуск стали?
    
36. Почему при термической обработке стали температуру нагрева берут близкой к линиям GSE и PSK?
    
37. При какой температуре образуется мартенсит?
    
38. Для чего при термической обработке стали при нагреве делают выдержку времени?
    
39. Как зависит скорость охлаждения от вида охлаждающей среды?
    
40. Как структура стали зависит от скорости охлаждения?
    
41. Как проводится нормализация?
    

1. В чем заключается воздействие химико-термической обработки?
   
2. На чем, каком явлении основана химико-термическая обработка металлов?
   
3. При каких условиях один элемент диффундирует в другой?
   
4. Какие процессы происходят при химико-термической обработке металлов?
   
5. Что такое диссоциация молекул внешней среды?
   
6. Что такое адсорбция?
   
7. Что такое диффузия?
   
8. Как называются виды ХТО в зависимости от насыщающего элемента?
   
9. Что такое цвета побежалости?
   
10. Для чего производят ХТО стали?
    
11. Какие стали подвергаются цементации? Почему?
    
12. В какой внешней среде проводят цементацию?
    
13. Свойства поверхностного слоя стали при цементации?
    
14. В какой внешней среде проводят азотирование?
    
15. Какие стали подвергаются азотированию? Почему?
    
16. Свойства поверхностного слоя стали после азотирования?
    
17. Какая ХТО называется цианированием? Охарактеризуйте ее.
    
18. Что такое нитроцементация? В какой внешней среде проводится?
    
19. Преимущества нитроцементации перед цианированием?
    
20. Как называются процессы химико-термической обработки стали бором, алюминием, хромом, кремнием?
    
21. Какие свойства приобретает сталь в результате борирования?
    
22. Какие свойства приобретает сталь в результате алитирования?
    
23. Какие свойства приобретает сталь в результате хромирования?
    
24. Какие свойства приобретает сталь в результате силицирования?