Термическая обработка металлов и сплавов

Алитирование– процесс насыщения поверхностного слоя стали алюминием дляповышения жаростойкости (окалиностойкости) и сопротивления атмосфернойкоррозии.

Алитированиепроводят в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, вгазовой среде и распыливанием жидкого алюминия.

Хромирование– процесс насыщенияповерхностного слоя стали хромом для повышении коррозионной стойкости ижаростойкости, а при хромировании высокоуглеродистых сталей – для повышениятвердости и износостойкости.

Силицирование – процесс насыщения поверхностного слоя детали кремнием дляповышения коррозионной стойкости и кислотостойкости. Силицированию подвергаютдетали из низко- и среднеуглеродистых сталей, а также из ковкого ивысокопрочного чугунов.

Борирование– процесс насыщения поверхностного слоядетали бором. Назначение борирования – повысить твердость, сопротивлениеабразивному износу и коррозии в агрессивных средах, теплостойкость ижаростойкость стальных деталей. Существует два метода борирования: жидкостноеэлектролизное и газовое борирование.

Сульфидирование– процесс насыщенияповерхностного слоя стальных деталей серой для улучшения противозадирныхсвойств и повышения износостойкости деталей.

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

Термическаяобработка чугуна

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

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

Смягчающийотжиг (отжиг графитизирующий низкотемпературный).Проводят для улучшения обрабатываемости резанием и повышенияпластичности. Его осуществляют продолжительной выдержкой при 680 – 700ºСили медленным охлаждением отливок при 760 – 700ºС. Для деталей сложнойконфигурации охлаждение медленное, а для деталей простой формы – ускоренное.

Отжигграфитизирующий, в результате которого из белого чугуна получают ковкий чугун.

Нормализацию применяют для увеличения связанногоуглерода, повышения твердости, прочности и износостойкости серого, ковкого ивысокопрочного чугунов. При нормализации чугун (отливки) нагревают вышетемператур интервала превращения 850 – 950ºС и после выдержки, охлаждаютна воздухе.

Закалке подвергают серый, ковкий и высокопрочный чугун для повышениятвердости, прочности и износостойкости. По способу выполнения закалка чугунаможет быть объемной непрерывной, изотермической и поверхностной.

При объемнойнепрерывной закалке чугун нагревают до температуры 850 – 950ºС. Затемвыдерживают для прогрева и полного растворения углерода. Охлаждениеосуществляют в воде или масле. После закалки проводят отпуск при температуре200 – 600ºС. В результате повышается твердость, прочность иизносостойкость чугуна.

При изотермическойзакалке 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.

Поверхностнаязакалка с нагревом поверхностного слоякислородно – ацетиленовым пламенем, токами высокой частоты или в электролите.Температура нагрева 900 – 1000ºС. Охлаждение в воде, масле или маслянойэмульсии.

Старениеприменяют для стабилизацииразмеров литых чугунных деталей, предотвращения коробления и снятия внутреннихнапряжений. Обычно старении проводят после грубой механической обработки.Различают два вида старения: естественное и искусственное.

Естественноестарении осуществляется на открытом воздухе илив помещении. Изделия после литья выдерживаются в течении 6 – 15 месяцев.

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

Химико-термическаяобработка чугуна

Дляповышения поверхностной твердости и износостойкости серые чугуны подвергаютазотированию. Чаще азотируют серые перлитные чугуны, легированные хромом,молибденом, алюминием. Температура азотирования 550 – 580ºС, времявыдержки 30 – 70 часов. Кроме азотирования, повышения поверхностной твердости иизносостойкости легированного серого перлитного чугуна можно достигнуть газовыми жидкостным цианированием при температуре 570ºС. Для повышения жаростойкостичугунные отливки можно подвергать алитированию, а для получения высокойкоррозионной стойкости в кислотах – силицированию.

 

Термическаяобработка сплавов цветных металлов 

 

Алюминиевыесплавы

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

Гомогенизацию применяют для выравнивания химической микронеоднородности зерентвердого раствора. Для выполнения гомогенизации алюминиевые сплавы нагревают до450 – 520ºС и выдерживают при этих температурах от 4 до 40 часов; послевыдержки – охлаждение вместе с печью или на воздух. В результате этогоструктура становится более однородной и повышается пластичность.

Рекристаллизационныйотжиг для алюминия и сплавов на ег основеприменяют гораздо шире, чем для стали. Это объясняется тем, что такие металлы,как алюминий и медь, а так же многие сплавы на их основе, не упрочняютсязакалкой и повышение механических свойств может быть достигнуто только холоднойобработкой давлением, а промежуточной операцией при такой обработке являетсярекристаллизационный отжиг. Температура рекристаллизационного отжигаалюминиевых сплавов 300 – 500ºС выдержка 0,5 – 2 часа.

Отжигтермически упрочненных сплавов применяютдля полного снятия упрочнения, он проводится при температурах 350 – 450ºСс выдержкой 1 – 2 часа и последующим достаточно медленным охлаждением.

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

Деформируемыеалюминиевые сплавы

Взакаленном состоянии дуралюмины пластичны и легко деформируются. После закалкии естественного или искусственного старения прочность дуралюмина резкоповышается.

Литейныеалюминиевые сплавы

Длялитейных алюминиевых сплавов используют различные виды термической обработки взависимости от химического состава. Для упрочнения литейные алюминиевые сплавыподвергают закалке с получением пересыщенного твердого раствора иискусственному старению, а также только закалке без старения с получением взакаленном состоянии устойчивого твердого раствора.

Магниевыесплавы

Магниевыесплавы, так же как и алюминиевые, подвергают отжигу, закалке и старению. Длявыравнивания химической микронеоднородности зерен твердого раствора путемдиффузии слитки магниевых сплавов подвергают гомогенизации притемпературах 350 – 400ºС с выдержкой 18 – 24 часа. Полуфабрикатыдеформируемых магниевых сплавов подвергают рекристаллизационному отжигупри температуре ≈ 350ºС, а также при боле низких температурах 150 –250ºС отжигу для снятия остаточных напряжений.

Магниевыесплавы подвергают закалке, или закалке и искусственномустарению. При температуре 20С в закаленных магниевых сплавах никакихизменений не происходит, то есть они не подвержены естественному старению.

Медь имедные сплавы

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

Термическаяобработка латуней. Они подвергаются толькорекристаллизационному отжигу при 600 – 700ºС (для снятия наклепа).Охлаждают латуни при отжиге на воздухе или для ускорения охлаждения и лучшегоотделения окалины в воде. Для латунных деталей, имеющих после деформацииостаточные напряжения, в условиях влажной атмосферы характерно явлениесамопроизвольного растрескивания. Чтобы этого избежать латунные деталиподвергают низкотемпературному отжигу при 200 – 300 С, в результате чегоостаточные напряжения снимаются, а наклеп остается. Низкотемпературному отжигуособенно необходимо подвергать алюминиевые латуни, которые склонны ксамопроизвольному растрескиванию.

Термическаяобработка бронз. Для выравниванияхимического состава бронзы подвергают гомогенизации при 700 – 750ºС споследующим быстрым охлаждением. Для снятия внутренних напряжений отливки отжигаютпри 550ºС. Для восстановления пластичности между операциями холоднойобработки давлением подвергают рекристаллизационному отжигу при 600 – 700ºС.

Алюминиевыебронзы с содержанием алюминия от 8 до 11%,испытывающие при нагреве и охлаждении фазовую перекристаллизацию, могутподвергаться закалке. В результате закалки повышается прочность итвердость, но снижается пластичность. После закалки следует отпуск при400 – 650º С в зависимости о требуемых свойств. Также подвергают гомогенизации,а деформируемые полуфабрикаты – рекристаллизационному отжигу при 650 –800ºС.

Бериллиевуюбронзу закаливают в воде от температуры760 – 780ºС; при это избыточная фаза выделиться не успевает, и послезакалки сплав состоит из пересыщенного твердого раствора и обладает небольшойтвердостью и прочностью и большой пластичностью. После закалки проводится отпуск(старение) при 300 – 350ºС выдержкой 2 часа. Для повышения устойчивостипересыщенного твердого раствора и облегчения закалки бериллиевые бронзыдополнительно легируют никелем.

Титановыесплавы

Титановыесплавы подвергают рекристаллизационному отжигу и отжигу с фазовойперекристаллизацией, атак же упрочнению термической обработкой – закалкой истарением. Для повышения износостойкости и задиростойкости титановые сплавыподвергают азотированию, цементации или окислению.

Рекристаллизационныйотжиг применяют для титана и сплавов дляснятия наклепа после холодной обработки давлением. Температурарекристаллизационного отжига 520 – 850ºС в зависимости от химическогосостава сплава и вида полуфабриката.

Отжиг сфазовой перекристаллизацией применяют с цельюснижения твердости, повышения пластичности, измельчения зерна, устраненияструктурной неоднородности. Применяют простой, изотермический и двойной отжиг;температура нагрева при отжиге 750 – 950ºС в зависимости от сплава.

При изотермическомотжиге после выдержки при температуре отжига детали охлаждают до 500 – 650ºС(в зависимости от сплава) в той же печи иди переносят в другую печь ивыдерживают определенное время, и охлаждают на воздухе. При изотермическомотжиге сокращается продолжительность отжига, а пластичность получается болеевысокой.

При двойномотжиге детали нагревают до температуры отжига, выдерживают и охлаждают навоздухе. Затем повторно нагреваю до 500 – 650ºС, выдерживают и охлаждаютна воздухе. Двойной отжиг по сравнению с изотермическим повышает пределпрочности при незначительном снижении пластичности и сокращает длительностьобработки.

Из всехвидов химико-термической обработки титановых сплавов наибольшее распространениеполучило азотирование, осуществляемое в среде азота или в смеси азота и аргонапри температурах 850 – 950 С в течении 10 – 50 часов. Детали из титановыхсплавов после азотирования обладают хорошими антифрикционными свойствами.

 

Заключение

Термическаяобработка является одной из основных, наиболее важных операций общеготехнологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависиткачество (механические и физико-химические свойства) изготовляемых деталеймашин и механизмов, инструмента и другой продукции. Разработаны ирационализированы технологические процессы термической обработки серых и белыхчугунов, сплавов цветных металлов

Перспективнымнаправлением совершенствования технологии термической обработки являетсяустановка агрегатов для термической обработки в механических цехах, созданиеавтоматических линий с включением в них процессов термической обработки, атакже и разработка методов, обеспечивающих повышение прочностных свойствдеталей, их надежности и долговечности.

 

Литература

1.  Б.В. Захаров. В.Н. Берсенева «Прогрессивныетехнологические процессы и оборудование при термической обработке металлов» М.«Высшая школа» 1988 г.

2.  В.М. Зуев «Термическая обработка металлов» М. Высшаяшкола 1986 г.

3.  Б.А. Кузьмин «Технология металлов и конструкционныематериалы» М. «Машиностроение» 1981 г.

4.  В.М. Никифоров «Технология металлов и конструкционныематериалы» М. «Высшая школа» 1968 г.

5.  А.И. Самохоцкий Н.Г. Парфеновская «Технологиятермической обработки металлов» М. Машиностроение 1976 г.