Термическая обработка металлов и сплавов

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

В зависимости от применяемого карбюризатора цементация подразделяется на три вида: цементация твердым карбюризатором; газовая цементация (метан, пропан, природный газ).

Газовая цементация . Детали нагревают до 900–950ºС в специальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подают цементующий углеродосодержащий газ [естественный (природный) или искусственный].

Процесс цементации в твердом карбюризаторе заключается в следующем. Детали, упакованные в ящик вместе с карбюризатором (смесь древесного угля с активизатором), нагревают до определенной температуры и в течении длительного времени выдерживают при этой температуре, затем охлаждают и подвергают термической обработке.

Цементации любым из рассмотренных выше способов подвергаются детали из углеродистой и легированной стали с содержанием углерода не более 0,2%. Цементация легированных сталей, содержащих карбидообразующие элементы Cr, W, V, дает особо хорошие результаты: у них, кроме повышения поверхностной твердости и износостойкости, увеличивается также предел усталости.

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

Цианирование – .насыщение поверхностного слоя изделий одновременно углеродом и азотом.

В зависимости от используемой среды различают цианирование: в твердых средах; в жидких средах; в газовых средах.

В зависимости от температуры нагрева цианирование подразделяется на низкотемпературное и высокотемпературное.

Цианирование в жидких средах производят в ваннах с расплавленными солями.

Цианирование в газовых средах (нитроцементация ). Процесс одновременного насыщения поверхности детали углеродом и азотом. Для этого детали нагревают в среде, состоящей из цементующего газа и аммиака, то есть нитроцементация совмещает в себе процессы газовой цементации и азотирования.

Диффузионное насыщение металлами и металлоидами

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

Алитирование – процесс насыщения поверхностного слоя стали алюминием для повышения жаростойкости (окалиностойкости) и сопротивления атмосферной коррозии.

Алитирование проводят в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, в газовой среде и распыливанием жидкого алюминия.

Хромирование – процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом для повышении коррозионной стойкости и жаростойкости, а при хромировании высокоуглеродистых сталей – для повышения твердости и износостойкости.

Силицирование – процесс насыщения поверхностного слоя детали кремнием для повышения коррозионной стойкости и кислотостойкости. Силицированию подвергают детали из низко- и среднеуглеродистых сталей, а также из ковкого и высокопрочного чугунов.

Борирование – процесс насыщения поверхностного слоя детали бором. Назначение борирования – повысить твердость, сопротивление абразивному износу и коррозии в агрессивных средах, теплостойкость и жаростойкость стальных деталей. Существует два метода борирования: жидкостное электролизное и газовое борирование.

Сульфидирование – процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей серой для улучшения противозадирных свойств и повышения износостойкости деталей.

Сульфоцианирование – процесс поверхностного насыщения стальных деталей серой, углеродом и азотом. Совместное влияние серы и азота в поверхностном слое металла обеспечивает более высокие противозадирные свойства и износостойкость по сравнению насыщение только серой.

Термическая обработка чугуна

Термическую обработку чугунов проводят с целью снятия внутренних напряжений, возникающих при литье и вызывающих с течением времени изменения размеров и формы отливки, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием, повышения механических свойств. Чугун подвергают отжигу, нормализации, закалке и отпуску, а также некоторым видам химико-термической обработки (азотированию, алитированию, хромированию).

Отжиг для снятия внутренних напряжений . Этому отжигу подвергают чугуны при следующих температурах: серый чугун с пластинчатым графитом 500 – 570ºС; высокопрочный чугун с шаровидным графитом 550 – 650ºС; низколегированный чугун 570 – 600ºС; высоколегированный чугун 620 – 650ºС. При этом отжиге фазовых превращении не происходит, а снимаются внутренне напряжения, повышается вязкость, исключается коробление и образование трещин в процессе эксплуатации.

Смягчающий отжиг (отжиг графитизирующий низкотемпературный ). Проводят для улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности. Его осуществляют продолжительной выдержкой при 680 – 700ºС или медленным охлаждением отливок при 760 – 700ºС. Для деталей сложной конфигурации охлаждение медленное, а для деталей простой формы – ускоренное.

Отжиг графитизирующий , в результате которого из белого чугуна получают ковкий чугун.

Нормализацию применяют для увеличения связанного углерода, повышения твердости, прочности и износостойкости серого, ковкого и высокопрочного чугунов. При нормализации чугун (отливки) нагревают выше температур интервала превращения 850 – 950ºС и после выдержки, охлаждают на воздухе.

Закалке подвергают серый, ковкий и высокопрочный чугун для повышения твердости, прочности и износостойкости. По способу выполнения закалка чугуна может быть объемной непрерывной, изотермической и поверхностной.

При объемной непрерывной закалке чугун нагревают до температуры 850 – 950ºС. Затем выдерживают для прогрева и полного растворения углерода. Охлаждение осуществляют в воде или масле. После закалки проводят отпуск при температуре 200 – 600ºС. В результате повышается твердость, прочность и износостойкость чугуна.

При изотермической закалке чугуны нагревают так же, как и при объемнойнепрерывной закалке, выдерживают от 10 до 90 минут и охлаждают в расплавленной соли при 200 – 400ºС, и после выдержки охлаждают на воздухе.

Поверхностная закалка с нагревом поверхностного слоя кислородно – ацетиленовым пламенем, токами высокой частоты или в электролите. Температура нагрева 900 – 1000ºС. Охлаждение в воде, масле или масляной эмульсии.

Старение применяют для стабилизации размеров литых чугунных деталей, предотвращения коробления и снятия внутренних напряжений. Обычно старении проводят после грубой механической обработки. Различают два вида старения: естественное и искусственное.

Естественное старении осуществляется на открытом воздухе или в помещении. Изделия после литья выдерживаются в течении 6 – 15 месяцев.

Искусственное старение осуществляется при повышенных температурах; длительность – несколько часов. При искусственном старении отливки чугуна загружают в печь, нагретую до 100 – 200º С, нагревают до температуры 550 – 570ºС со скоростью 30 – 60ºС в час, выдерживаю 3 – 5 часов и охлаждают вместе с печью со скоростью 20 – 40ºС в час до температуры 150 – 200ºС, а затем охлаждают на воздухе.

Химико-термическая обработка чугуна

Для повышения поверхностной твердости и износостойкости серые чугуны подвергают азотированию. Чаще азотируют серые перлитные чугуны, легированные хромом, молибденом, алюминием. Температура азотирования 550 – 580ºС, время выдержки 30 – 70 часов. Кроме азотирования, повышения поверхностной твердости и износостойкости легированного серого перлитного чугуна можно достигнуть газовым и жидкостным цианированием при температуре 570ºС. Для повышения жаростойкости чугунные отливки можно подвергать алитированию, а для получения высокой коррозионной стойкости в кислотах – силицированию.

 

Термическая обработка сплавов цветных металлов

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы подвергаются трем видам термической обработки: отжигу, закалке и старению. Основными видами отжига являются: диффузионный, рекристаллизационный и термически упрочненных сплавов.

Гомогенизацию применяют для выравнивания химической микронеоднородности зерен твердого раствора. Для выполнения гомогенизации алюминиевые сплавы нагревают до 450 – 520ºС и выдерживают при этих температурах от 4 до 40 часов; после выдержки – охлаждение вместе с печью или на воздух. В результате этого структура становится более однородной и повышается пластичность.

Рекристаллизационный отжиг для алюминия и сплавов на ег основе применяют гораздо шире, чем для стали. Это объясняется тем, что такие металлы, как алюминий и медь, а так же многие сплавы на их основе, не упрочняются закалкой и повышение механических свойств может быть достигнуто только холодной обработкой давлением, а промежуточной операцией при такой обработке является рекристаллизационный отжиг. Температура рекристаллизационного отжига алюминиевых сплавов 300 – 500ºС выдержка 0,5 – 2 часа.

Отжиг термически упрочненных сплавов применяют для полного снятия упрочнения, он проводится при температурах 350 – 450ºС с выдержкой 1 – 2 часа и последующим достаточно медленным охлаждением.

После закалки прочность сплава несколько повышается, а пластичность не изменяется. После закалки алюминиевые сплавы подвергают старению , при котором происходит распад пересыщенного твердого раствора.

Деформируемые алюминиевые сплавы

В закаленном состоянии дуралюмины пластичны и легко деформируются. После закалки и естественного или искусственного старения прочность дуралюмина резко повышается.

Литейные алюминиевые сплавы

Для литейных алюминиевых сплавов используют различные виды термической обработки в зависимости от химического состава. Для упрочнения литейные алюминиевые сплавы подвергают закалке с получением пересыщенного твердого раствора и искусственному старению, а также только закалке без старения с получением в закаленном состоянии устойчивого твердого раствора.

Магниевые сплавы

Магниевые сплавы, так же как и алюминиевые, подвергают отжигу, закалке и старению. Для выравнивания химической микронеоднородности зерен твердого раствора путем диффузии слитки магниевых сплавов подвергают гомогенизации при температурах 350 – 400ºС с выдержкой 18 – 24 часа. Полуфабрикаты деформируемых магниевых сплавов подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре ≈ 350ºС, а также при боле низких температурах 150 – 250ºС отжигу для снятия остаточных напряжений.

Магниевые сплавы подвергают закалке , или закалке и искусственному старению . При температуре 20С в закаленных магниевых сплавах никаких изменений не происходит, то есть они не подвержены естественному старению.

Медь и медные сплавы

Термическая обработка меди . Деформирование меди сопровождается повышением ее прочности и понижением пластичности. Для повышения пластичности медь подвергают рекристаллизационному отжигу при 500 – 600ºС, в результате которого пластичность резко повышается, а прочность снижается.

Термическая обработка латуней . Они подвергаются только рекристаллизационному отжигу при 600 – 700ºС (для снятия наклепа). Охлаждают латуни при отжиге на воздухе или для ускорения охлаждения и лучшего отделения окалины в воде. Для латунных деталей, имеющих после деформации остаточные напряжения, в условиях влажной атмосферы характерно явление самопроизвольного растрескивания. Чтобы этого избежать латунные детали подвергают низкотемпературному отжигу при 200 – 300 С, в результате чего остаточные напряжения снимаются, а наклеп остается. Низкотемпературному отжигу особенно необходимо подвергать алюминиевые латуни, которые склонны к самопроизвольному растрескиванию.

Термическая обработка бронз . Для выравнивания химического состава бронзы подвергают гомогенизации при 700 – 750ºС с последующим быстрым охлаждением. Для снятия внутренних напряжений отливки отжигают при 550ºС. Для восстановления пластичности между операциями холодной обработки давлением подвергают рекристаллизационному отжигу при 600 – 700ºС.

Алюминиевые бронзы с содержанием алюминия от 8 до 11%, испытывающие при нагреве и охлаждении фазовую перекристаллизацию, могут подвергаться закалке. В результате закалки повышается прочность и твердость, но снижается пластичность. После закалки следует отпуск при 400 – 650º С в зависимости о требуемых свойств. Также подвергают гомогенизации, а деформируемые полуфабрикаты – рекристаллизационному отжигу при 650 – 800ºС.

Бериллиевую бронзу закаливают в воде от температуры 760 – 780ºС; при это избыточная фаза выделиться не успевает, и после закалки сплав состоит из пересыщенного твердого раствора и обладает небольшой твердостью и прочностью и большой пластичностью. После закалки проводитсяотпуск (старение) при 300 – 350ºС выдержкой 2 часа. Для повышения устойчивости пересыщенного твердого раствора и облегчения закалки бериллиевые бронзы дополнительно легируют никелем .

Титановые сплавы

Титановые сплавы подвергают рекристаллизационному отжигу и отжигу с фазовой перекристаллизацией, атак же упрочнению термической обработкой – закалкой и старением. Для повышения износостойкости и задиростойкости титановые сплавы подвергают азотированию, цементации или окислению.