Термическая обработка металлов и сплавов

Назначениетермической обработки металлов – получение требуемой твердости, улучшениепрочностных характеристик металлов и сплавов. Термическая обработка подразделяетсяна термическую, термомеханическую и химико-термическую. Термическая обработка –только термическое воздействие, термомеханическая – сочетание термическоговоздействия и пластической деформации, химико-термическая – сочетаниетермического и химического воздействия. Термическая обработка, в зависимости отструктурного состояния, получаемого в результате ее применения, подразделяетсяна отжиг (первого и второго рода), закалку и отпуск.

Отжиг

Отжиг – термическая обработка заключающаяся в нагреве металла доопределенных температур, выдержка и последующего очень медленного охлаждениявместе с печью. Применяют для улучшения обработки металлов резанием, снижениятвердости, получения зернистой структуры, а также для снятия напряжений,устраняет частично (или полностью) всякого рода неоднородности, которые быливнесены в металл при предшествующих операциях (механическая обработка,обработка давлением, литье, сварка), улучшает структуру стали.

Отжигпервого рода. Это отжиг при котором непроисходит фазовых превращений, а если они имеют место, то не оказывают влиянияна конечные результаты, предусмотренные его целевым назначением. Различаютследующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный ирекристаллизационный.

Гомогенизационный – это отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950ºС(обычно 1100–1200ºС) с целью выравнивания химического состава.

Рекристаллизационный – это отжиг наклепанной стали при температуре, превышающейтемпературу начала рекристаллизации, с целью устранения наклепаи получениеопределенной величины зерна.

Отжигвторого рода. Это отжиг, при которомфазовые превращения определяют его целевое назначение. Различают следующиевиды: полный, неполный, диффузионный, изотермический, светлый, нормализованный(нормализация), сфероидизирующий (на зернистый перлит).

Полныйотжиг производят путем нагрева стали на 30–50 °Свыше критической точки, выдержкой при этой температуре и медленным охлаждениемдо 400–500 °С со скоростью 200 °С в час углеродистых сталей, 100 °Св час для низколегированных сталей и 50 °С в час для высоколегированныхсталей. Структура стали после отжига равновесная, устойчивая.

Неполныйотжиг производится путем нагрева стали доодной из температур, находящейся в интервале превращений, выдержкой и медленнымохлаждением. Неполный отжиг применяют для снижения внутренних напряжений,понижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием

Диффузионныйотжиг. Металл нагревают до температур 1100–1200ºС,так как при этом более полно протекают диффузионные процессы, необходимые длявыравнивания химического состава.

Изотермическийотжиг заключается в следующем: стальнагревают, а затем быстро охлаждают (чаще переносом в другую печь) дотемпературы, находящейся ниже критической на 50–100ºС. В основномприменяется для легированных сталей. Экономически выгоден, так как длительностьобычного отжига (13 – 15) ч, а изотермического отжига (4 – 6) ч

Сфероидизирующийотжиг (на зернистый перлит) заключается в нагревестали выше критической температуры на 20 – 30 °С, выдержке при этой температуреи медленном охлаждении.

Светлыйотжиг осуществляется по режимам полного илинеполного отжига с применением защитных атмосфер ил в печах с частичнымвакуумом. Применяется с целью защиты поверхности металла от окисления иобезуглероживания.

Нормализация – заключается в нагреве металла до температуры на (30–50) ºСвыше критической точки и последующего охлаждения на воздухе. Назначениенормализации различно в зависимости от состава стали. Вместо отжиганизкоуглеродистые стали подвергают нормализации. Для среднеуглеродистых сталейнормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска. Высокоуглеродистыестали подвергают нормализации с целью устранения цементитной сетки.Нормализацию с последующим высоким отпуском применяют вместо отжига дляисправления структуры легированных сталей. Нормализация по сравнению с отжигом– более экономичная операция, так как не требует охлаждения вместе с печью.

Закалка

Закалка – это нагрев до оптимальной температуры, выдержка и последующеебыстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры.

Врезультате закалки повышается прочность и твердость и понжается пластичностьстали. Основные параметры при закалке – температура нагрева и скоростьохлаждения. Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающаяполучение структуры – мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.

Взависимости от формы детали, марки стали и требуемого комплекса свойствприменяют различные способы закалки.

Закалка водном охладителе. Деталь нагревают дотемпературы закалки и охлаждают в одном охладителе (вода, масло).

Закалка вдвух средах (прерывистая закалка) – этозакалка при которой деталь охлаждают последовательно в двух средах: перваясреда – охлаждающая жидкость (вода), вторая – воздух или масло.

Ступенчатаязакалка. Нагретую до температуры закалки детальохлаждают в расплавленных солях, после выдержки в течении времени необходимогодля выравнивания температуры по всему сечению, деталь охлаждают на воздухе, чтоспособствует снижению закалочных напряжений.

Изотермическаязакалка так же, как и ступенчатая, производитсяв двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые илищелочные ванны) различна: она зависит от химического состава стали, но всегдана 20–100 °С выше точки мартенситного превращения для данной стали.Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе.Изотермическая закалка широко применяется для деталей из высоколегированныхсталей. После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностныесвойства, то есть сочетание высокой вязкости с прочностью.

Закалка ссамоотпуском имеет широкое применение винструментальном производстве. Процесс состоит в том, что детали выдерживаютсяв охлаждающей среде не до полного охлаждения, а в определенный момент извлекаютсяиз нее с целью сохранения в сердцевине детали некоторого количества тепла, засчет которого производится последующий отпуск.

Отпуск

Отпуск стали является завершающей операцией термической обработки,формирующей структуру, а следовательно, и свойства стали. Отпуск заключается внагреве стали до различных температур (в зависимости от вида отпуска, но всегданиже критической точки), выдержке при этой температуре и охлаждении с разнымискоростями. Назначение отпуска – снять внутренние напряжения, возникающие впроцессе закалки, и получить необходимую структуру.

Взависимости от температуры нагрева закаленной детали различают три видаотпуска: высокий, средний и низкий.

Высокийотпуск производится при температурах нагревавыше 350–600 °С, но ниже критической точки; такой отпуск применяется дляконструкционных сталей.

Среднийотпуск производится при температурах нагрева350 – 500 °С; такой отпуск широко применяется для пружинной и рессорнойсталей.

Низкийотпуск производится при температурах 150–250 °С. Твердостьдетали после закалки почти не изменяется; низкий отпуск применяется дляуглеродистых и легированных инструментальных сталей, для которых необходимывысокая твердость и износостойкость.

Контрольотпуска осуществляется по цветам побежалости, появляющимся на поверхностидетали.

Старение

Старение –это процесс изменения свойств сплавов без заметногоизменения микроструктуры. Известны два вида старения: термическое идеформационное.

Термическоестарение протекает в результате изменениярастворимости углерода в железе в зависимости от температуры.

Еслиизменение твердости, пластичности и прочности протекает при комнатнойтемпературе, то такое старение называется естественным.

Если жепроцесс протекает при повышенной температуре, то старение называетсяискусственным.

Деформационное(механическое) старение протекает послехолодной пластической деформации.

Обработкахолодом

Новый видтермической обработки, для повышения твердости стали путем перевода остаточногоаустенита закаленной стали в мартенсит. Это выполняется при охлаждении стали дотемпературы нижней мартенситной точки.

Методыповерхностного упрочнения

Поверхностнойзакалкой называют процесс термической обработки,представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры вышекритической и последующее охлаждение с целью получения в поверхностном слоеструктуры мартенсита.

Различаютследующие виды: индукционная закалка; закалка в электролите, закалка принагреве токами высокой частоты(ТВЧ), закалка с газопламенным нагревом.

Индукционнаязакалка основана на физическом явлении,сущность которого заключается в том, что электрический ток высокой частоты,проходя по проводнику, создает вокруг него электромагнитное поле. Наповерхности детали, помещенной в этом поле, индуцируются вихревые токи, вызываянагрев металла до высоких температур. Это обеспечивает возможность протеканияфазовых превращений.

Взависимости от способа нагрева индукционная закалка подразделяется на три вида:

одновременныйнагрев и закалка всей поверхности (используется для мелких деталей);

последовательныйнагрев и закалка отдельных участков (используется для коленчатых валов иподобных им деталей);

непрерывно-последовательныйнагрев и закалка перемещением (используется для длинных деталей).

Газопламеннаязакалка. Процесс газопламенной закалкизаключается в быстром нагреве поверхности детали ацетилено-кислородным,газокислородным или кислородно-керосиновым пламенем до температуры закалки споследующим охлаждением водой или эмульсией.

Закалка вэлектролите. Процесс закалки в электролитезаключается в следующем: в ванну с электролитом (5–10% раствор кальцинированнойсоли) опускают закаливаемую деталь и пропускают ток напряжением 220–250 В. Врезультате чего происходит нагрев детали до высоких температур. Охлаждениедетали производят или в том же электролите (после выключения тока) или вспециальном закалочном баке.

Термомеханическаяобработка

Термомеханическаяобработка (Т.М.О.) – новый метод упрочнения металлов и сплавов при сохранениидостаточной пластичности, совмещающий пластическую деформацию и упрочняющуютермическую обработку (закалку и отпуск). Различают три основных способатермомеханической обработки.

Низкотемпературнаятермомеханическая обработка (Н.Т.М.О) основанана ступенчатой закалке, то есть пластическая деформация стали осуществляетсяпри температурах относительной устойчивости аустенита с последующей закалкой иотпуском.

Высокотемпературнаятермомеханическая обработка (В.Т.М.О) при этом пластическуюдеформацию проводят при температурах устойчивости аустенита с последующейзакалкой и отпуском.

Предварительнаятермомеханическая обработка (П.Т.М.О) деформацияпри этом может осуществляться при температурах Н.Т.М.О и В.Т.М.О или притемпературе 20ºС. Далее осуществляется обычная термическая обработка:закалка и отпуск.

Назначениеи виды химико-термической обработки

Химико-термическойобработкой называют процесс, представляющий собой сочетание термического ихимического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойствповерхностного слоя стали.

Цельхимико-термической обработки: повышение поверхностной твердости,износостойкости, предела выносливости, коррозионной стойкости, жаростойкости(окалиностойкости), кислотоустойчивости.

Наибольшееприменение в промышленности получили следующие виды химико-термической обработки:цементация; нитроцементация; азотирование; цианирование; диффузионнаяметаллизация.

Цементация– это процесс поверхностногонасыщения углеродом, произведенный с целью поверхностного упрочнения деталей.

Взависимости от применяемого карбюризатора цементация подразделяется на тривида: цементация твердым карбюризатором; газовая цементация (метан, пропан,природный газ).

Газоваяцементация. Детали нагревают до 900–950ºС вспециальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подаютцементующий углеродосодержащий газ [естественный (природный) илиискусственный].

Процесс цементациив твердом карбюризаторе заключается в следующем. Детали, упакованные в ящиквместе с карбюризатором (смесь древесного угля с активизатором), нагревают доопределенной температуры и в течении длительного времени выдерживают при этойтемпературе, затем охлаждают и подвергают термической обработке.

Цементациилюбым из рассмотренных выше способов подвергаются детали из углеродистой илегированной стали с содержанием углерода не более 0,2%. Цементациялегированных сталей, содержащих карбидообразующие элементы Cr, W, V, дает особохорошие результаты: у них, кроме повышения поверхностной твердости иизносостойкости, увеличивается также предел усталости.

Азотирование – это процесс насыщения поверхностного слоя различных металлов исплавов, стальных изделий или деталей азотом при нагреве в соответствующейсреде. Повышается твердость поверхности изделия, выносливости, износостойкости,повышение коррозионной стойкости.

Цианирование–.насыщение поверхностногослоя изделий одновременно углеродом и азотом.

Взависимости от используемой среды различают цианирование: в твердых средах; вжидких средах; в газовых средах.

Взависимости от температуры нагрева цианирование подразделяется нанизкотемпературное и высокотемпературное.

Цианированиев жидких средах производят в ваннах срасплавленными солями.

Цианированиев газовых средах (нитроцементация). Процессодновременного насыщения поверхности детали углеродом и азотом. Для этогодетали нагревают в среде, состоящей из цементующего газа и аммиака, то естьнитроцементация совмещает в себе процессы газовой цементации и азотирования.

Диффузионноенасыщение металлами и металлоидами

Существуюти применяются в промышленности способы насыщения поверхности деталей различнымиметаллами (алюминием, хромом и др.) и металлоидами (кремнием, бором и др.)Назначение такого насыщения – повышение окалиностойкости, коррозионностойкости,кислотостойкости, твердости и износостойкости деталей. В результате поверхностныйслой приобретает особые свойства, что позволяет экономить легирующие элементы.