Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие Издательство спбгпу санкт-Петербург, 1380.47kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2007, 1378.97kb.
- Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный политехнический, 2776.63kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2011 удк 621. 38. 049. 77(075) Поляков, 643.33kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2004, 1302.72kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 удк 802., 485.15kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 1935.03kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 648.91kb.
- Новые поступления в библиотеку балтийского русского института, 158.89kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003, 1310.56kb.
5.2.ВИДы ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ
Часто необходимо привести сплав в состояние близкое к структурному и фазовому равновесию (например, для облегчения механической или пластической обработки).
ТО, приближающая сплав к состоянию фазового и структурного равновесия, называется отжигом, т. е. нагрев сплава выше температуры фазового превращения, выдержка при этой температуре для завершения превращения и медленное охлаждение, когда металл остается в выключенной печи (охлаждение с печью).
Назначение отжига — снятие наклепа (изменение структуры металла после деформирования в холодном состоянии, после которого повышается прочность, но снижается пластичность), смягчение металла, повышение его пластичности и ударной вязкости, изменение структуры, придание определенных электрических, магнитных и других свойств, снятие напряжений.
Если фазовое превращение произошло полностью, отжиг является полным, если частично — то неполным.
Полный отжиг (прокат, поковки, фасонные отливки и т. п.) производится со скоростью нагрева около 100 °С/ч, выдержкой от 0,5 до 1 ч/т, с медленным охлажденим (10–100 °С/ч для легированных, 150 — 200 °С/ч для углеродистых сталей);
Неполный отжиг необходим для снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием в том случае, когда предварительная горячая механообработка не привела к образованию крупного зерна.
Иногда охлаждение металла проводят следующим образом. После нагрева и выдержки металл переносят в другую печь, которая нагрета до температуры ниже фазовых превращений, выдерживают в этой печи до завершения образования новой, более равновесной структуры, после чего охлаждают на воздухе. Такой отжиг называется изотермическим. Его применяют для небольших деталей с целью экономии времени.
Диффузионный отжиг (гомогенизация) используют для обработки отливок и слитков, которые нагревают до температуры 1100–1200 °С со скоростью 100–150 °С/ч, так как при этом наиболее полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания химического состава в отдельных объемах стали.
Продолжительность выдержки зависит от состава стали и массы садки. После гомогенизации крупное зерно измельчается последующей обработкой давлением или обычным полным отжигом.
Низкий отжиг необходим для углеродистых и легированных сталей перед механообработкой. Вначале производят нагрев до температуры 650–680 °С со скоростью 100–150 °С/ч., после выдержки отливку охлаждают на воздухе.
Светлый отжиг производят по режимам полного или неполного отжига с применением защитных атмосфер или в печах с частичным вакуумом. Применяют для обработки холоднокатаной ленты, прутков проволоки и т. д., а также для деталей, подвергаемых гальванопокрытиям для защиты от окисления и обезуглероживания.
Нормализация — это нагрев до температуры 800–950 °С и последующее охлаждение в спокойном воздухе. После нормализации сталь приобретает мелкозернистую однородную структуру. Эта операция является как бы переходной ступенью от отжига к закалке. Для низкоуглеродистой стали нормализация может заменить отжиг, а для средне- и высокоуглеродистой стали — закалку и высокий отпуск.
Кроме измельчения зерен в структуре стали нормализация улучшает обрабатываемость резанием, механические свойства, снижает порог хладноломкости.
ЗАКАЛКА
Закалкой называется операция ТО, включающая в себя нагрев выше температур фазовых превращений, выдержку при этой температуре и последующее быстрое охлаждение. При охлаждении с большой скоростью в металле не успевают произойти диффузионные процессы, и в результате создается так называемое неравновесное структурное состояние (не свойственное данному металлу при комнатной температуре).
При закалке фиксируются метастабильные структуры, т. е. относительно устойчивые. Это означает, что при нормальной температуре они практически устойчивы, но при нагреве распадаются и сплав переходит в более устойчивое состояние.
Закалке подвергаются очень многие сплавы на основе железа, меди, алюминия, титана, магния и др.
Как правило, закалка является подготовительной операцией термической обработки, так как после них свойства сплава еще не оптимальны. Например, железоуглеродистые сплавы приобретают излишнюю хрупкость, сплавы многих цветных металлов (алюминий, магний, титан) значительно повышают прочность только будучи подвергнуты после закалки дополнительному нагреву.
В то же время закалка является одним из важнейших видов ТО, так как следующая за ней обработка обеспечивает получение в сплаве такого состояния с широким диапазоном оптимально сочетающихся свойств, которые невозможно получить в результате отжига или нормализации.
Изменения свойств в результате закалки чрезвычайны разнообразны, но в среднем твердость различных металлов повышается, как правило, в 2–3 раза.
В практике термообработки может применяться закалка различных видов (рис. 90): прерывистая (или закалка в двух охладителях); ступенчатая; изотермическая; поверхностная (в основном, за счет индукционного нагрева).
Рис. 90. Виды закалки
Прерывистая закалка в двух охладителях заключается в быстром охлаждении изделия в диапазоне температур 700–400 °С например, в воде, а при снижении температуры изделия до 400–300 ° его продолжают охлаждать, но уже медленно, на воздухе или в масле. Это приводит к уменьшению закалочных напряжений и коробления.
При ступенчатой закалке изделие охлаждают с большой скоростью только до некоторой температуры, при которой оно выдерживается до выравнивания этой температуры по толщине изделия (ступень), а затем охлаждается медленно с образованием в структуре мартенсита. Ступенчатая закалка дает минимум брака по трещинам и короблению.
Изотермическая закалка — быстрое охлаждение изделия до температуры 400–200 °С с последующей некоторой (в зависимости от марки металла) изотермической выдержкой в закалочной среде. В результате получают микроструктуру также игольчатого типа — бейнит, обладающую меньшей твердостью, чем мартенсит, но достаточной для многих целей пластичностью (например, пружины, рессоры, болты, работающие под большой нагрузкой). Коробление изделий при этой закалке незначительно.
При поверхностной закалке используют индукционный нагрев (путем индуктирования токов в металлоизделиях — (рис. 91).
При этом мартенситные структуры распространяются на незначительную заданную глубину (1–5 мм), достигается повышение твердости, усталостной прочности и износостойкости поверхностных слоев изделия с незначительным изменением его формы и размеров.
Рис. 91. Схема поверхностной закалки
Широкому распространению поверхностной закалки способствует то, что она экономически выгодна (не расходуется энергия на нагрев всего изделия) и легко поддается автоматизации. Во всех случаях, как правило, после закалки стали следует отпуск, снимающий в некоторой степени напряжение, повышающий прочность и вязкость, но снижающий твердость.
ОТПУСК И СТАРЕНИЕ
Для повышения пластичности, вязкости, снижения твердости и уменьшения внутренних напряжений металлические сплавы после закалки подвергаются нагреву. Температура нагрева — ниже температуры фазовых превращений и колеблется, как и время выдержки, в довольно широких пределах в зависимости от состава сплава и характера ожидаемой структуры. Такой нагрев для сталей называется отпуском. Это конечная операция, следующая за закалкой. Отпуск используют для уменьшения внутренних напряжений и получения более равновесной структуры. Стальные изделия в закаленном (неотпущенном) состоянии не применяют из-за хрупкости и малой пластичности.
Напряжения в закаленных изделиях снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска и меньше скорость охлаждения. С повышением температуры отпуска твердость и прочность снижаются, а пластичность и ударная вязкость увеличиваются.
Поэтому в зависимости от условий эксплуатации и требуемых свойств применяют различные виды отпуска: низкий, средний, высокий (улучшенный).
Низкий отпуск состоит в нагреве закаленной стали до температуры 120–250 °С. При этом твердость почти не снижается, но благодаря выделению из мартенсита части углерода хрупкость стали существенно уменьшается. Такому отпуску подвергаются инструменты. Кроме того, этот вид ТО уменьшает остаточные напряжения в изделии, повышает сопротивление хрупкому разрушению.
Средний отпуск (нагрев до температуры 300–400 °С) увеличивает упругость стали. Такой отпуск проходят рессоры, пружины, торсионы.
При температуре 500–680 °С происходит высокий отпуск. Мартенсит распадается на ферритоцементитную смесь, имеющую зернистое строение, — сорбит отпуска. Назначение этого вида ТО состоит в получении максимальной вязкости при сохранении относительно высоких значений пределов прочности, текучести и повышенного сопротивления хрупкому разрушению, а также для практически полного снятия остаточных напряжений. Такому отпуску подвергаются детали машин, испытывающие в работе большие динамические и вибрационные нагрузки, так как сорбит отпуска обладает наиболее благоприятным комплексом механических свойств. Поэтому закалку с последующим высокотемпературным отпуском называют улучшением стали. Для сравнения можно рассмотреть значения механических свойств для хромистой стали в отожженном, нормализованном и улучшенном состояниях (табл. 24).
Таблица 24
Прочностные и пластические характеристики стали, содержащей 0,4 % углерода и 1 % хрома, после различных видов термической обработки
| Свойство | Состояние | ||
| после отжига | после нормализации | после улучшения | |
| Предел прочности, кг/мм2 | 65 | 75 | 87 |
| Предел текучести, кг/мм2 | 36 | 45 | 76 |
| Относительное удлинение, % | 21 | 21 | 22 |
| Относительное сужение, % | 53 | 56 | 67 |
| Ударная вязкость, кг м/см2 | 5,5 | 8 | 17 |
Старение заключается в переходе сплава от неустойчивого к более устойчивому состоянию. Такой процесс протекает и без нагрева (естественное старение), но в этом случае он растягивается на значительный срок — иногда до нескольких лет. Гораздо интенсивнее протекают процессы старения при повышенных температурах. Принципиальных отличий в процессах, происходящих при отпуске и старении, не наблюдается. Для сталей термины “старение” и “искусственное старение” применяются обычно при обозначении нагрева после наклепа изделия и в тех случаях, когда небольшому нагреву подвергаются незакаленные детали. Старение закаленных цветных сплавов обычно приводит к значительному повышению их механических свойств. Некоторые сплавы алюминия (дуралюмин) имеют прочность после отжига 20 кГ/мм2, после закалки — 25 кГ/мм2, а после старения — 40–45 кГ/мм2.
Старением добиваются повышения прочности и твердости при снижении пластичности и вязкости (станины станков, основания мерительных приборов и т. д.).
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
В зависимости от требований, предъявляемых к детали, иногда возникает необходимость изменения химического состава не на всей детали целиком, а только ее поверхностного слоя или отдельных участков этого слоя.
Например зуб шестерни должен иметь высокую твердость рабочей поверхности, центральная зона — сохранять пластичность и вязкость. Только при таком сочетании свойств по сечению зуба шестерни будет обеспечена долговечность. Для выполнения этого условия в качестве материала шестерни применяется сталь с малым содержанием углерода. В поверхностном же слое содержание углерода повышается в результате использования специальных технологических приемов. После дополнительной обработки и этот слой приобретает нужную твердость.
Процесс насыщения поверхностного слоя металла каким-либо элементом за счет диффузии его из внешней среды при высокой температуре называется химико-термической обработкой (ХТО).
Разновидностями ХТО являются цементация, азотирование, нитроцементация, борирование, хромирование, алитирование и др. Для увеличения твердости поверхности, износостойкости, задиростойкости, контактной выносливости и изгибной усталостной прочности применяют цементацию, азотирование, нитроцементацию; для повышения сопротивления абразивному изнашиванию — борирование и хромирование; для защиты поверхности деталей от коррозии при комнатной и повышенной температурах в различных агрессивных средах — алитирование, хромирование, силицирование и т. д.
Основные элементарные процессы любого вида ХТО:
1. Диссоциация — распад молекул и образование активных атомов диффундирующего элемента, например диссоциация окиси углерода
2СОСО2 + С или аммиака 2HN33H2 + 2N.
2. Адсорбция, т. е. контактирования атомов дифференцирующего элемента с поверхностью стального изделия и образование химических связей с атомами металлов.
Рис. 92. Схема цементации
3. Диффузия, т. е. проникновение насыщенного элемента в глубь металла.
Различают следующие виды ХТО: цементацию, азотирование, цианирование (нитроцементацию) и др.
Цементация — процесс насыщения поверхностного слоя металла в углеродсодержащей среде (карбюризатор) при нагреве до температуры 930–950 °С. Существует два основных вида цементации: в газовой и твердой средах. Газовая цементация (рис. 92) является основным процессом для отливок массового производства. Она проходит быстрее, чем твердая, так как не требует времени на прогрев ящика и карбюризатора. Слой толщиной 1 мм образуется за 6–7 ч.
Твердая цементация производится в специальных ящиках, куда детали укладываются вместе с карбюризатором. В течение 8–10 ч. образуется слой толщиной около 1 мм.
Глубину цементации контролируют по куску стали, имеющей такой же химический состав. Этот кусок, называемый свидетелем, закладывают в цементационный ящик. Контрольный кусок можно подвергнуть такой же ТО, разрезать и исследовать результаты цементации.
После цементации наблюдается неравномерное распределение углерода по сечению детали, поэтому детали после ХТО подвергают закалке с низким отпуском.
Азотирование — насыщение поверхности стали азотом в среде аммиака при температуре 480–650 °С. При этих температурах по реакции 2NH32N + 3H2 выделяется азот, который диффундирует в поверхностные слои металла.
Азотирование применяют для среднеуглеродистых сталей, содержащих хром, вольфрам, молибден, ванадий, алюминий, с которыми азот образует устойчивые нитриды с приданием азотированному слою высокой твердости.
Перед азотированием детали подвергают закалке и высокотемпературному отпуску, т. е. улучшению.
В XVIII в. на железоделательных заводах Урала возник способ закалки “скотинный рог с солью”, позволявший получать металл весьма высокого качества. Изготовленные таким способом топоры, ножи или сабли подолгу не теряли своей остроты да и к тому же не подвергались ржавчине.
Суть дела была не в самой закалке, а в предшествовавшем ей длительном томлении стали, полученной в кричных горнах. Вместе с рогами и солью стальные изделия укладывали в специальные ящики-тигли и выдерживали в особых печах при высоких температурах без доступа воздуха. Затем обработанную таким образом сталь подвергали обычной закалке.
Что происходило при совместном пребывании железа со “скотинным рогом” в томильных ящиках, никто тогда не знал. А происходило не что иное, как азотирование стали. Так почти за два столетия до открытия и научной разработки технологии азотирования уральские металлурги широко пользовались этим надежным способом повышения износостойкости и коррозионной стойкости стальных изделий.
Рис. 93. Схема цианирования
По сравнению с цементацией азотирование имеет следующие преимущества: более высокие твердость, износостойкость поверхностного слоя и коррозионные свойства. Кроме того, после азотирования не требуется закалка.
Недостатком является более высокая длительность процесса. Используется для обработки ответственных деталей из легированных сталей, к качеству поверхностного слоя которых предъявляются повышенные требования (зубчатых колес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др.).
Цианирование (нитроцементация) — процесс одновременного насыщения поверхности деталей азотом и углеродом. Нагрев производится либо в расплавленных цианистых слоях (NaCN, KCN), либо в газовой среде, состоящей из смеси СН4 и NH3.
После цианирования детали охлаждают на воздухе, повторно нагревают для закалки и проводят низкотемпературный отпуск (рис. 93). Чем больше требуется глубина цианируемого слоя, тем больше время цианирования. Преимущества глубокого цианирования — меньшая деформация, более высокая износостойкость и усталостная прочность. Недостатком является высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей.