Белорусский Национальный Технический Университет

Приборостроительный факультет

Кафедра: Конструирование и производство приборов

Реферат на тему:

“Термическая обработка в технологии изготовления металлических деталей”

Содержание

Введение

1. Особенности конструирования термически обрабатываемых деталей

2. Классификация видов термической обработки

3. Материалы для изготовления зубчатых колес и валов

4. Собственно термическая обработка сталей

4.1 Отжиг стали

4.2 Закалка стали

4.3 Отпуск стали

5. Термомеханическая обработка

6. Химико-термическая обработка стали

6.1 Цементация стали

6.2 Азотирование, цианирование и нитроцементация стали

7. Старение

8. Термическая обработка легированных сталей

9. Термическая обработка чугуна

9.1 Отжиг чугуна

9.2 Закалка и отпуск чугуна

9.3 Старение чугуна

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением, вызывающие изменения внутреннего строения сплава, и в связи с этим изменения физических, механических и других свойств.

Термической обработке подвергают полуфабрикаты (заготовки, поковки, штамповки и т. п.) для улучшения структуры, снижения твердости, улучшения обрабатываемости, и окончательно изготовленные детали и инструмент для придания им требуемых свойств.

В результате термической обработки свойства сплавов могут меняться в широких пределах. Например, можно получить любую твердость стали от 150 до 250 НВ (исходное состояние) до 600--650 НВ (после закалки). Возможность значительного повышения механических свойств с помощью термической обработки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, а также уменьшить размеры и вес детали.

Основоположником теории термической обработки является выдающийся русский ученый Д. К. Чернов, который в середине XIX в., наблюдая изменение цвета каления стали при ее нагреве и охлаждении и регистрируя температуру «на глаз», обнаружил критические точки (точки Чернова).

Основными видами термической обработки стали являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

1. Особенности конструирования термически обрабатываемых деталей

При объемном или поверхностном упрочнении методом закалки или химико-термической обработки в деталях возникают внутренние напряжения. Характер и величина напряжений зависят от вида термической обработки, выбранной марки стали и ряда конструктивных особенностей. При неправильном сочетании этих трех факторов термическая и последующая механическая обработка деталей затрудняется. В отдельных случаях получается брак или детали поступают в эксплуатацию в напряженном состоянии.

Общие конструктивные требования к деталям:

1. Форма детали должна предусматривать устранения возможности возникновения концентрации напряжений и чрезмерных деформаций. При термической обработке концентрация напряжений появляется в местах резких изменений формы детали (шпоночные пазы, вырезы, подрезы, грубо обработанные поверхности и сварочные швы).

2. Детали не должны иметь острых углов, тонких концов и выступов.

3. Стенки полых деталей должны быть одинаковой толщины.

4. Сечение детали должно быть по возможности симметричным. Большая асимметрия может привести при закалке к значительной деформации и даже к разрушению детали.

5. Внутренние углы и резкие переходы деталей должны быть закруглены, чтобы избежать образования закалочных трещин. У деталей, закаливаемых в воде, радиусы закругления должны быть не менее 0,5 мм, а у деталей, закаливаемых в масле, - не менее 0,25 мм. При меньших радиусах закруглений необходимы специальные меры для защиты деталей в углах и в местах резких переходов от трещинообразования, что усложняет и удорожает термообработку.

6. У деталей, подвергаемых закалке с внутренней поверхности, необходимо обеспечить возможность удаления образующегося при закалке пара. В противном случае нельзя гарантировать получения на внутренних поверхностях требуемой твердости, не исключены коробления и трещины.

Если закалка поверхности отверстия не обязательна, то его защищают от охлаждения пробкой из огнеупорной массы. Для этого на чертеже детали делают указание или соответствующую запись помещают в технических требованиях.

На внутренних поверхностях, в глухих отверстиях, выемках цементуемых деталей не рекомендуется назначать высокую твердость.

Влияние разных размеров сечений детали. Резкая разница в размерах отдельных сечений детали - разница в их массе - вызывает при закалке большие напряжения, приводящие к короблению и образованию трещин.

Коробление можно уменьшить усилением тонкой стороны профиля и ослаблением массивной. При изменении сечений в детали следует избегать резких переходов от тонких сечений к толстым. Если нельзя заменить деталью с плавным переходом от тонких сечений к толстым, следует применять конструкцию, состоящую из двух частей.

Отверстия в тонких выступах и стенках с переменным сечением не допускаются, так как это приводит к образованию трещин. Если по конструктивным соображениям нельзя увеличить толщину стенок до толщины основного сечения, то деталь следует подвергать местной или поверхностной закалке, оставляя стенку незакаленной.

При невозможности получения требуемой твердости или прочности на заданных толщинах детали в отдельных случаях необходимо делать дополнительные отверстия, уменьшая массу. Это увеличит прокаливаемость и обеспечит требуемую прочность детали.

Не рекомендуется назначать жесткие допуски, так как не всегда удается правкой или рихтовкой исправить деформированную деталь из-за образования трещин.

Влияние острых углов канавок, надрезов и грубо обработанных поверхностей. При закалке острые углы, канавки, надрезы являются местами концентрации напряжений. Создаваемые напряжения могут образовывать трещины. Влияние этих факторов тем сильнее, чем выше требуемая точность.

В местах резких переходов должны быть галтели или максимально допустимые радиусы.

Влияние концентрации напряжений может быть снижено за счет выбора марки стали, выбора вида химико-термической обработки, снижения твердости.

2. Материалы для изготовления зубчатых колес и валов

Материалы для изготовления зубчатых колес. Зубчатые колеса должны обладать необходимой стойкостью рабочих поверхностей зубьев против выкрашивания, абразивного изнашивания и заедания и требуемой точностью зубьев на изгиб.

Основные материалы для изготовления зубчатых колес - термически обрабатываемые стали, а также чугуны и пластические массы. Материал и термообработку сталей назначают в зависимости от условий работы передачи и размеров колес.

Используют качественные углеродистые стали 20, 35, 40, 45, 50, 50Г (ГОСТ 1050-74), легированные стали 15Х, 20Х, 40Х, 45ХН (ГОСТ 4543-71) и др.

В зависимости от нагрузочной способности зубчатые колеса разделяют на две группы:

1. колеса, твердость рабочих поверхностей зубьев которых меньше 350 НВ.

Такая твердость обеспечивается нормализацией или улучшением стали. Зубья колес нарезают после термообработки, благодаря чему отпадает необходимость выполнения доводочных операций;

2. колеса с твердостью рабочих поверхностей зубьев больше 350 НВ (больше 35 НRC).

Для обеспечения такой твердости используют следующие виды термического и химико-термического упрочнения колес: поверхностную закалку, цементацию, азотирование, цианирование, поверхностную закалку токами высокой частоты. Твердость поверхностных слоев колес в этом случае - 50…55 НRC, толщина закаленного слоя - 3,5…4 мм.

Цементацией (насыщением поверхностных слоев колес углеродом) с последующей закалкой повышает твердость рабочих поверхностей зубьев до 58…63 HRC при глубине цементированного слоя не более 2 мм.

Азотирование (насыщение азотом) и цианирование ( насыщение углеродом и азотом в ваннах, содержащих цианистые соли) применяются реже.

Зубья колес с твердостью больше 350 НВ нарезают до термообработки, а доводочные операции (шлифование, хонингование, обкатку) выполняют после термообработки с целью устранения коробления (деформации) зубьев.

При выборе материала для изготовления зубчатой пары твердость материала шестерни должна быть больше твердости материала колеса на 30…40 НВ, чтобы обеспечивалась одинаковая долговечность обоих колес.

Материалы для изготовления валов и осей. Валы и оси изготавливают в основном из углеродистых и легированных сталей. Для валов и осей, не подвергаемых термообработке, используют углеродистые стали Ст5, Ст6, 30, 40, 45; для валов с термообработкой - стали 35, 40, 40ХН и др. Быстроходные валы, работающие в подшипниках скольжения, для повышения их износостойкости изготавливают из цементуемых сталей 20, 20Х, 12ХН3А и др.

3.Классификация видов термической обработки

Любой процесс термической обработки можно графически изобразить в координатах температура - время. Параметрами процесса термической обработки являются: максимальная температура нагрева сплава (t_max); время выдержки (_н) сплава при температуре нагрева; скорость нагрева (v_н) и скорость охлаждения (v_охл) . На практике обычно рассчитывают среднюю скорость нагрева или охлаждения. Она равна максимальной температуре нагрева, поделенной на время нагрева или охлаждения:

v_н.ср.=t_max/_н;

v_охл.ср.=t_max/_oхл.

Термическая обработка подразделяется на:

1.собственно термическую,

2.термомеханическую,

3.химико-термическую.

Собственно термическая обработка --только термическое воздействие на сталь,

Термомеханическая обработка -- сочетание термического воздействия и пластической деформации,

Химико-термическая обработка -- сочетание термического и химического воздействия.

Собственно термическая обработка, в зависимости от структурного состояния, получаемого в результате ее применения, подразделяется на

- отжиг (первого и второго рода),

- закалку,

- отпуск.

Рассмотрим подробно виды термической обработки и условия её реализации.

4. Собственно термическая обработка

4.1 Отжиг стали

Отжигом называется процесс термической обработки -- нагрев стали до определенной температуры, выдержка и последующее, как правило, медленное охлаждение (в печи) с целью получения более равновесной структуры.

Отжиг первого рода. Это отжиг, при котором, как правило, не происходит фазовых превращений (перекристаллизации), а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты, предусмотренные его целевым назначением. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекри-сталлизационный.

Гомогенизационный отжиг. Это отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950 °С (обычно при 1100--1200 °С) с целью выравнивания химического состава в фасонных отливках и слитках главным образом легированной стали.

Рекристаллизационный отжиг. Это отжиг наклепанной стали при температуре, превышающей температуру начала рекристаллизации, с целью устранения наклепа (см. с. 16) и получения определенной величины зерна.

При нагреве холоднодеформированной (наклепанной) стали до 400--450 °С не наблюдаются изменения формы и размеров деформированных зерен. Механические свойства изменяются незначительно и только снимается большая часть внутренних напряжений. При нагреве до более высокой температуры механические свойства стали резко изменяются: твердость и прочность понижаются, а пластичность повышается. Вместо вытянутых зёрен образуются новые равновесные зерна (рис. 1). Рекристаллизация начинается с появления зародышей на границах деформированных зерен, в связи с чем происходит образование новых зерен до полного исчезновения деформированной структуры.

Под температурой рекристаллизации подразумевается температура, при которой в металлах, подвергнутых зерен образуются новые равновесные зерна (рис. 8.1). Рекристаллизация начинается с появления зародышей на границах деформированных зерен, в связи с чем происходит образование новых зерен до деформации в холодном состоянии, начинается образование новых зерен. Температура рекристаллизации железа 450 °С. В связи с тем, что при данной температуре процесс образования новых зерен происходит очень медленно, практически холоднодеформиро-ванные металлы и сплавы нагревают до более высокой температуры, например низкоуглеродистую сталь до 600--700 °С. Это и есть температура рекристал-лизационного отжига.

Отжиг второго рода. Это отжиг, при котором фазовые превращения (перекристаллизация) определяют его целевое назначение. Различают следующие разновидности отжига второго рода: полный, неполный, изотермический, нормализационный (нормализация).

Полный отжиг. Этому виду отжига подвергают доэвтектоидную сталь с целью создания мелкозернистости, понижения твердости и повышения пластичности, снятия внутренних напряжений. Сталь нагревают до температуры на 20--30° выше точки Ас₃. При нагреве крупная исходная ферритно-перлитная структура превращается в мелкую структуру аустенита. При последующем медленном охлаждении из мелкозернистого аустенита образуется мелкая ферритно-перлитная структура. Заэвтектоидную сталь полному ожигу не подвергают.

Неполный отжиг. Этому отжигу подвергают заэвтектоидную и эвтек-тоидную сталь с целью превращения пластинчатого перлита в зернистый. Для получения зернистого перлита заэвтектоидную сталь нагревают до температуры немного выше точки Ас_х (до 740--780 °С). При нагреве происходит превращение перлита в аустенит, а цементит остается и образуется структура цементит аустенит. При исследующем медленном охлаждении из аустенита образуется феррит-но-цементитная структура с зернистой формой цементита -- зернистый перлит. Доэвтектоидные стали неполному отжигу подвергают редко в связи с неполной перекристаллизацией структуры.

Изотермический отжиг. Доэвтектоидную сталь нагревают до температуры точки Ас₃ + (20--30°) и после выдержки быстро охлаждают ш температуры немного ниже точки Аг_х (до 700--680 °С). При этсм^температуре сталь выдерживают в течение времени, необходимого/для полного распада аустенита и образования ферритно-пер-литной структуры. От температуры изотермической выдержки сталь охлаждают на воздухе.

Нормализационный отжиг (нормализация). Нормализацией называют процесс термической обработки -- нагрев до температуры выше точки Ас₃ для доэвтектоидной или Аст для заэвтектоидной стали с последующим охлаждением на воздухе. Цель нормализации -- исправление структуры перегретой и литой стали, измельчение зерна, смягчение стали перед обработкой резанием, общее улучшение структуры перед закалкой, устранение сетки вторичного цементита в заэвтектоидной стали. Нормализация, по сравнению с отжигом, более экономичная операция, так как не требуется охлаждения вместе с печью.

4.2 Закалка стали

Закалкой называют процесс термической обработки --нагрев стали до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность стали. Основные параметры при закалке --температура нагрева и скорость охлаждения.

Температура закалки. Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по левой нижней части диаграммы состояния железо--цементит.

При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30--50° выше точки Ас₃. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью больше критической образуется структура мартенсита.

При закалке заэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30--50° выше точки Ас_г. При таком нагреве перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной и структура состоит из аустенита и цементита. После охлаждения со скоростью больше критической аустенит превращается в мартенсит. Структура закаленной стали состоит из мартенсита и цементита. Наличие в структуре закаленной заэвтектоидной стали кроме мартенсита еще и цементита повышает твердость и износостойкость стали.

Время нагрева. В зависимости от размеров деталей и теплопроводности стали выбирают время нагрева. Время выдержки при температуре закалки выбирают таким, чтобы полностью завершились фазовые превращения. Практически время нагрева в электропечах принято 1,5--2 мин на 1 мм сечения.

Охлаждение при закалке. Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат закалки. Наиболее распространенные закалочные среды -- вода, водные растворы солей и щелочей, масло, воздух, расплавленные соли.

Вода охлаждает гораздо быстрее, чем масло: в 6 раз быстрее при 550 --650 °С и в 28 раз быстрее при 200 °С. Поэтому воду применяют для охлаждения сталей с большой критической скоростью закалки (углеродистых сталей), а в масле охлаждают стали с малой критической скоростью закалки (легированные стали). Основной недостаток воды как охладителя -- высокая скорость охлаждения при пониженных температурах в области образования мартенсита, что приводит, к возникновению больших структурных напряжений и создает опасность возникновения трещин. Добавление'к воде солей, щелочей увеличивает ее закаливающую способность.

Масло охлаждает значительно медленнее, чем вода. Но преимущество масла как охладителя заключается также в том, что оно обладает небольшой скоростью охлаждения в области температур мар-тенситного превращения, поэтому при охлаждении в масле опасность образования трещин резко уменьшается. Недостатки масла -- это легкая воспламеняемость, пригорание к поверхности деталей.

Прокаливаемость стали. Под прокаливаемостью подразумевают способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость не следует смешивать с закаливаемостью, которая характеризуется максимальным значением твердости, приобретенной сталью в результате закалки.

При закалке стали в зависимости от сечения детали и критической скорости закалки v_K получается различная структура от края к сердцевине. Так как внутренние слои детали охлаждаются медленнее наружных, то в тех объемах, где скорость охлаждения меньше критической (рис. 8.2, а), образуется троостит, сорбит или перлит. Если сердцевина охлаждается со скоростью, большей критической (рис. 8.2, б), то по всему сечению детали образуется мартенситная структура. Следовательно, чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость.

За глубину прокаливаемое™ обычно принимают расстояние от поверхности до слоя с полумартенситной структурой (50 % мартенсита и 50 % троостита). Характеристикой прокаливаемое™ служит критический диаметр (D_K), т. е. диаметр максимального сечения, которое в данном охладителе прокаливается насквозь (рис. 8.3). Чем интенсивнее охлаждающая среда, тем больше величина критического диаметра.

Прокаливаемость можно определять по излому, измерением твердости по сечению образца и методом торцовой закалки.

Способы закалки. В зависимости от формы детали, марки стали и требуемого комплекса свойств применяют различные способы закалки.

Закалка в одном охладителе. Деталь нагревают до температуры закалки и охлаждают в одном охладителе (вода, масло). Для уменьшения коробления длинных цилиндрических, тонких плоских деталей применяют специальные закалочные машины и прессы. Недостаток закалки в воде -- возникновение значительных внутренних напряжений, которые могут вызвать трещины.

Ступенчатая закалка. Нагретую до температуры закалки деталь охлаждают в расплавленных солях, имеющих температуру немного выше температуры точки М_и. После выдержки в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению (без превращения аустенита), деталь охлаждают на воздухе, что способствует уменьшению закалочных напряжений. Недостаток ступенчатой закалки --ограниченность ее применения (для углеродистых сталей --только для мелких деталей диаметром до 10 мм).

Изотермическая закалка. Так же как и при ступенчатой закалке, нагретые до температуры закалки детали охлаждают в соляной ванне, где выдерживают в течение времени, необходимого для полного распада аустенита, после чего охлаждают на воздухе. В результате изотермической закалки образуется бейиит твердостью HRC 45--55.

Закалка с самоотпуском. Охлаждение при закалке прерывают с таким расчетом, чтобы оставшаяся в детали теплота произвела необходимый отпуск.

Закалка с обработкой холодом. Сущность этого способа обработки (предложен в 1937 г. А. П. Гуляевым) заключается в продолжении охлаждения закаленной стали до температур ниже + 20 °С, но в интервале М_н --УИ_К (см. с. 70) --для дополнительного более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит. Обработка холодом целесообразна только для тех сталей, у которых точка М_к расположена при температурах ниже комнатной. В результате обработки холодом повышается твердость, увеличивается объем, стабилизируются размеры деталей. Наиболее распространенный охладитель -- смесь из твердой углекислоты с ацетоном (--78° С).

4.3 Отпуск стали

Отпуском называют процесс термической обработки -- нагрев закаленной стали до температуры не выше точки Ас_г (727 °С). Отпуск проводят для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости закаленной стали и получения требуемой структуры и механических свойств. В зависимости от температуры отпуск делят на низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск -- нагрев стали до температуры 250 °С и охлаждение для получения структуры мартенсита отпуска и частичного снятия внутренних напряжений:

Средний отпуск --нагрев стали от 350 до 450 °С и охлаждение для получения структуры троостита отпуска.

Высокий отпуск --нагрев стали от 450 до 650 °С и охлаждение для получения структуры сорбита отпуска. Закалку с высоким отпуском называют улучшением.

5. Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка (ТМО) -- новый метод упрочнения стали при сохранении достаточной пластичности, совмещающий пластическую деформацию и упрочняющую термическую обработку (закалку и отпуск). При ТЛЮ деформации подвергают сталь в аустенитном состоянии, а при последующем быстром охлаждении формирование структуры закаленной стали (мартенсита) происходит в условиях повышенной плотности дислокаций (см. с. 16), обусловленных наклепом аустенита, в связи с чем и повышаются механические свойства стали. Пластическое деформирование при ТМО возможно прокаткой, ковкой, штамповкой и другими способами обработки металлов давлением. Различают два способа термомеханической обработки --высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) (рис. 8.4).

При ВТМО сталь нагревают выше точки Ас₃, пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 20--30 %) и закаливают. При НТМО сталь нагревают выше точки Ас₃, охлаждают до температуры относительной устойчивости аустенита, но ниже температуры рекристаллизации, пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 75--95 %) и закаливают. В обоих случаях после закалки следует низкий отпуск. ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО -- только стали с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита (легированные стали).

По сравнению с обычной закалкой после ТМО механические свойства получаются более высокими. Наибольшее упрочнение достигается после НТМО [а_в = 2800 -н 3300 МПа (280--300 кгс/мм²), fi = 6%, после обычной закалки и низкого отпуска предел прочности не превышает 2000 --2200 МПа (200--220 кгс/мм²) и б = 3 ч- 4 %].

6. Химико-термическая обработка стали

Химико-термической обработкой называют процесс, представляющий собой сочетание термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали, а следовательно, и всей детали в целом.

При химико-термической обработке протекают следующие процессы: распад молекул во внешней среде и образование атомов диффундирующего элемента (диссоциация); поглощение атомов поверхностью стали (адсорбция); проникновение атомов в глубь стали (диффузия).

Диффузионное насыщение поверхности деталей проводят различными элементами: углеродом, азотом, хромом, алюминием, кремнием и др. Если используют углерод, то такой процесс называют цементацией, если азот--азотированием, хром--хромированием, кремний --силицированием и т. д.

6.1 Цементация стали

Цементация -- процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде.

Цель цементации--получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине, что достигается обогащением поверхностного слоя стали углеродом в пределах 0,8--1 % и последующей термической обработкой. Цементации подвергают детали, изготовленные из сталей с низким содержанием углерода (обычно до 0,25 %).

В зависимости от агрегатного состояния внешней среды, в которую помещают обрабатываемые детали, различают цементацию в твердой, жидкой и газовой средах. Наиболее широкое применение имеет цементация в газовых средах (газовая цементация).

При газовой цементации детали нагревают до 900--950 °С в специальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подают цементующий углеродсодержащий газ [естественный (природный) или искусственный газ]. Атомарный углерод, необходимый для цементации, образуется при разложении углеводородов и окиси углерода, содержащихся в цементующих газах. Основным углеводородом является метан СН₄.

Заданную концентрацию углерода (0,8--1 %) в поверхностном слое получают путем автоматического регулирования состава газа и применения газа-разбавителя, например эндотермического газа (эндо-газа), состоящего из окиси углерода (20 %), водорода (40 %) и азота (40 %). Для повышения активности газовой среды к эндогазу добавляют природный газ.

В цементованной детали содержание углерода уменьшается от поверхности к центру; в связи с этим распределяются и структурные составляющие.

Цементованные детали подвергают термической обработке, наиболее часто закалке с 820--850 °С и низкому отпуску. Для деталей, изготовленных из наследственно мелкозернистых сталей, широко применяют непосредственную закалку из печи с предварительным охлаждением до 840--860 °С.

После термической обработки структура поверхностного слоя представляет собой мартенсит или мартенсит с небольшим количеством карбидов; твердость HRC 58--63. Структура сердцевины деталей из углеродистых сталей -- феррит и перлит, а из легированных сталей --низкоуглеродистый мартенсит, троостит или сорбит (в зависимости от размера детали); твердость HRC 20--40 (в зависимости от марки стали). ¹

Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые пальцы, червяки, крупногабаритные кольца, ролики подшипников и др.

6.2 Азотирование, цианирование и нитроцементация стали

Азотирование -- процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Цель азотирования -- получение поверхности деталей высокой твердости и износостойкости или устойчивости против коррозии (антикоррозионное азотирование).

Для азотирования детали нагревают (при 500--700 °С) в специальной герметически закрытой печи, через которую пропускают аммиак NH₃. При нагреве аммиак разлагается с образованием атомарного азота, который поглощается поверхностью стали и проникает в глубь детали. Для получения высокой твердости и износостойкости слоя применяют специальные стали, например сталь, содержащую хром, молибден, алюминий.

При азотировании такой стали при 500--550 °С азот образует химические соединения, называемые нитридами (нитриды железа Fe_aN, хрома CrN, алюминия A1N и др.), придающие слою очень высокую твердость (до 1200 HV). Недостаток азотирования --длительность процесса (до 90 ч). Азотированию подвергают цилиндры моторов и насосов, зубчатые колеса, штампы, пуансоны и др. Антикоррозионному азотированию подвергают в основном углеродистые стали при 600 --700 °С с выдержкой 0,5--1 ч.

Поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли называют цианированием, а в газовой среде -- нитроцементацией. Цель этих процессов -- получение высокой твердости и износостойкости поверхности деталей с сохранением пластичной сердцевины. Цианированию и нитроцемента-ции подвергают детали из сталей с 0,2--0,4 % С.

При цианировании детали нагревают при 820--960 °С в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN. Для получения слоя толщиной до 0,3 мм цианирование ведут при 820--860 °С в цианистых солях, содержащих NaCN, NaCl, Na₂C0₃. При нагреве образующиеся в ванне атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Слой содержит ~ 0,7 % С и ~ 1 % N, Затем детали закаливают непосредственно из ванны и подвергают низкому отпуску. Твердость слоя HRC 58--62.

Для получения слоя толщиной до 2 мм цианирование ведут при 930 --960 °С в цианистой ванне, содержащей NaCN, NaCl, ВаС1₂. Слой содержит -- 1 %С и ~ 0,3 % N. Затем детали охлаждают на воздухе, проводят закалку и низкий отпуск. Недостаток цианирования -- ядовитость цианистых солей.

При нитроцементации детали нагревают при 850--870 °С в газовой смеси, обычно состоящей из эндогаза, к которому добавляют 5--15 % природного газа и 3--8 % аммиака. После насыщения поверхности деталей углеродом и азотом их подвергают закалке и низкому отпуску; HRC 60--62. Нитроцементацию применяют для обработки широкой номенклатуры деталей.

7. Старение

Старение применимо к сплавам, которые были подвергнуты закалке без полиморфного превращения. Пересыщенный твёрдый раствор в таких сплавах термодинамически неустойчив и склонен к самопроизвольному распаду. Старение заключается в образовании путём диффузии внутри зерен твердого раствора участков, обогащенных растворённым элементом (зон Гинье -- Престона) и (или) дисперсных частиц избыточных фаз, чаще всего химических соединений. Эти зоны и дисперсные частицы выделившихся фаз тормозят скольжение дислокаций, чем и обусловлено упрочнение при старении. Стареющие сплавы называют поэтому дисперсионно-твердеющими. Основные параметры старения -- температура и время выдержки. С повышением температуры ускоряются диффузионные процессы распада пересыщенного твёрдого раствора, и сплав быстрее упрочняется. Начиная с определённой выдержки, при достаточно высокой температуре происходит перестаривание -- снижение прочности сплава. Причиной перестаривания является коагуляция дисперсных выделений из раствора, которая заключается в растворении более мелких и росте более крупных частиц выделившейся фазы. В результате коагуляции расстояние между этими частицами возрастает и торможение дислокаций в зёрнах твёрдого раствора уменьшается. Одни сплавы, например дуралюмины, после закалки сильно упрочняются уже во время выдержки при комнатной температуре (естественное старение). Большинство сплавов после закалки нагревают, чтобы ускорить процессы распада пересыщенного твёрдого раствора (искусств. старение). Иногда проводят ступенчатое старение с выдержкой вначале при одной, а затем при другой температуре. Старение применяют главным образом для повышения прочности и твёрдости конструкционных материалов (алюминиевых, магниевых, медных, никелевых сплавов и некоторых легированных сталей), а также для повышения коэрцитивной силы магнитно-твёрдых материалов. Время выдержки для достижения заданных свойств в зависимости от состава сплава и температуры старения колеблется от десятков минут до нескольких суток.

8. Термическая обработка легированных сталей

Элементы, специально вводимые в сталь в определённых концентрациях с целью изменения её строения и свойств, называются легирующими элементами.

Стали, в которые добавляют легирующие элементы, называются легированными.

Легирующие элементы оказывают влияние не только не температуру аллотропических превращений железа, но и на скорость протекания диффузионнвх процессов, совершающихся в стали ри нагреве и охлаждении. Поэтому режимы термической обработки легированной стали иные, чем у прстой углеродистой стали.

Скорость нагрева при термической обработке легированной стали должна быть тем меньше, чем больше содержание легирующих элементов. Все легирующие элементы (за исключением кобальта) ухудшают теплопроводность стали, а поэтому, чтобы не появлялось коробления деталей, внутренних трещин и других дефектов из-за большой разницы температур на поверхности и в сердцевине, детали из легированных сталей нагревают более медленно и равномерно, чем детали из углеродистой стали.

Скорость охлаждения легированных сталей зависит от требуемых механических свойств, но всегда значительно меньше, чем скорость охлаждения углеродистых сталей.

При отпуске углеродистой стали скорость охлаждения не имеет значения, а для легированной стали - оказывает существенное влияние на механические свойства, особенно на ударную вязкость. Кроме того, отпуск легированных сталей проводят при более высоких температурах, чем отпуск углеродистой, так как многие легирующие элементы сдвигают процессы разупрочнения при нагреве закалённых сталей в область более высоких температур, т.е. повышают устойчивость стали против отпуска.

Легирующие элементы оказывают большое влияние на характер насыщения поверхности стальных изделий при химико-термической обработке. Так, при цементации легирующие элементы оказывают влияние на концентрацию углерода на поверхности, его распределение по глубине слоя, на количество и характер распределения карбидной фазы.

Легирующие элементы оказывают большое влияние на процесс обезуглероживания стали при нагреве. Некоторые элементы (кремний, алюминий и т.д.) повышают склонность стали к обезуглероживанию, а некоторые (хром, марганец и др.), наоборот, уменьшают.

При термической обработке во многих марках легированных сталей встречаются дефекты, которые почти не наблюдаются в углеродистых сталях. Наиболее характерные дефекты - флокены, отпускная хрупкость, шиферный излом, карбидная ликвация и т.д.

Флокены - это мелкие внутренние трещины, появляющиеся в кованых или катаных сталях.

Отпускная хрупкость - эторезкое снижение ударной вязкости стали при отпуске.

Шиферный излом - слоистый излом, наблюдается только после горячей деформации и вызывается неравномерным распределением соединений серы, фосфора, кислорода и других примесей.

Карбидная ликвация - наблюдается в средне- и высокоуглеродистых легированных сталях в виде строчек и местных скоплений карбидов.

9. Термическая обработка чугуна

Сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода больше 2,14%, называются чугунами. В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

- белые чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита, излом чугуна матово-белый;

- серые чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в виде графита. Графит в серых чугунах имеет пластинчатую форму, излом темно-серый;

- высокопрочные чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в свободном состоянии и имеет шаровидную (глобулярную) форму;

- ковкие чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в свободном состоянии и имеет хлопьевидную форму. Ковкие чугуны получают путем отжига отливок из белых чугунов.

9.1 Отжиг чугуна

Термическую обработку чугунов проводят с целью снятия внутренних напряжений, возникающих при литье и вызывающих с течением времени изменение размеров и формы отливки, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием, повышения механических свойств.

1. Отжиг для снятия внутренних напряжений. Этому виду отжига подвергают чугуны при следующих температурах: серый чугун с пластинчатым графитом 500-- 570 °С; высокопрочный чугун с шаровидным графитом 550--650 °С; низколегированный чугун 570--600 °С; высоколегированный чугун (типа нирезист) 620--650°С.

Скорость нагрева составляет примерно 70--100° град/ /ч, выдержка при температуре нагрева зависит от массы и конструкции отливки и составляет от 1 до 8 ч.

Охлаждение до 200 °С (для предупреждения возникновения термических напряжений) медленное, со скоростью 20--50 град/ч, что достигается охлаждением отливки вместе с печью. Далее отливки охлаждают на воздухе.

При этом отжиге фазовых превращений не происходит, а снимаются внутренние напряжения, повышается вязкость, исключается коробление и образование трещин в процессе эксплуатации.

2. Смягчающий отжиг (отжиг графитизирующий низкотемпературный) проводят для улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности. Его осуществляют продолжительной выдержкой при 680--700 °С (ниже точки Лi) или медленным охлаждением отливок при 760--700 °С. Время выдержки должно быть достаточным для полного и требуемого частичного распада эвтектоидного цементита (для серых чугунов время выдержки 1--4 ч, для ковких -- до 60 ч). Охлаждение медленное для деталей сложной конфигурации и ускоренное для деталей простой формы.

В результате этого отжига в структуре чугунов увеличивается количество феррита.

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

4. Нормализация (серого и ковкого чугуна) при температуре 850--950 °С.

Время выдержки должно быть достаточным для насыщения аустенита углеродом и в зависимости от конфигурации изделий составляет от 1 до 3 ч.

(Охлаждение ускоренное, чтобы аустенит смог превратиться в перлит и чаще всего осуществляется на воздухе. Для деталей сложной формы охлаждение с температуры | по--550"С должно быть замедленное, чтобы уменьшить Величину внутренних термических напряжений.

В результате нормализации получается структура перлит + графит и повышается прочность и износостойкость.

После нормализации для снятия внутренних напряжений применяется высокий отпуск при 650--680°С с выдержкой 1 --1,5 ч.

9.2 Закалка и отпуск чугуна

Для закалки чугун нагревают до температуры НГ>0--950°С. Скорость нагрева изделий сложной конфигурации меньше, чем изделий простой формы. Время выдержки определяется исходя из массы садки, но должно быть достаточным для полного растворения углерода в у-железе. Обычно оно составляет от 1 до 3 ч. Охлаждение осуществляют в воде или масле. При закалке аустенит превращается в неравновесные структуры: мартенсит или троостит-j- графит. После закалки проводят отпуск при температуре 200--600 °С. В результате повышается твердость, прочность и износостойкость чугуна.

При изотермической закалке чугуны нагревают так же, как и при обычной закалке, выдерживают от 10 до 90 мин и охлаждают в расплавленной соли при 200-- 400°С. При этом происходит изотермический распад аустенита с образованием структуры игольчатый троостит +графит. В результате изотермической закалки повышается твердость и прочность, но сохраняется пластичность.

Поверхностная закалка с нагревом поверхностного слоя кислородно-ацетиленовым пламенем, токами высокой частоты или в электролите. Температура нагрева 900--1000 °С. Охлаждение в воде, масле или масляной эмульсии. При поверхностной закалке в поверхностном слое образуется мартенсит-f графит или троостомартенсит + графит. Отпуск при 200--600 °С, охлаждение на воздухе. В результате повышается твердость, прочность и износостойкость поверхностного слоя при наличии мягкой сердцевины.

9.3 Старение чугуна

Для стабилизации размеров литых чугунных деталей,. предотвращения коробления и снятия внутренних напряжений применяют старение.

Различают два вида старения: естественное и искусственное.

Естественное старение осуществляется на открытом воздухе или в помещении склада. Изделия после литья . выдерживаются в течение 6--15 месяцев. При естественном старении снижение напряжений в отливках составляет 3--10 %.

При вибрационном старении снижение напряжений достигает 10--15 %. Во время вибрации в отливке возникают дополнительные временные напряжения, вызывающие локальные пластические деформации чугуна и таким образом повышающие стойкость против последующего коробления.

Старение методом статической перегрузки отличается тем, что для создания дополнительных временных напряжений деталь подвергают воздействию внешних статических нагрузок. При этом методе снижение напряжений достигает 10--30 %.

Старение методом термоударов (термоциклическое старение) осуществляется быстрым нагревом и охлаждением всей детали или отдельных участков ее. Стойкость против коробления повышается вследствие пластических деформаций, вызываемых временными температурными напряжениями. Общий уровень напряжений снижается на 10--20%. Термоциклическое старение осуществляется по такому режиму: загрузка в печь и нагрев за 3-- 3,5 ч до 350 °С, выдержка 2--2,5 ч, а затем резкое охлаждение (на воздухе); снова повторный нагрев (за 1-- 1,5 ч) до 320 °С, выдержка 4--5 ч и охлаждение вместе с печью до 150--100 °С.

Искусственное старение осуществляется при повышенных температурах; длительность -- несколько часов.

При искусственном старении отливки чугуна загружают в печь, нагретую до 100--200 °С, нагревают до температуры 550--570 °С со скоростью 30--60 °С в час, выдерживают 3--5 ч и охлаждают вместе с печью со скоростью 20--40 °С в час до температуры 150--200°С, а затем охлаждают на воздухе.

Обычно старение производят после грубой механической обработки.

Заключение

Термическая обработка, вызывая разнообразные по природе структурные изменения, позволяет управлять строением металлов и сплавов и получать изделия с требуемым комплексом механических, физических и химических свойств. Благодаря этому, а также простоте и дешевизне оборудования термическая обработка является самым распространённым в промышленности способом изменения свойств металлических материалов.

На металлургических заводах применяют гомогенизационный отжиг слитков для повышения их пластичности перед обработкой давлением, рекристаллизационный отжиг листов, лент, труб и проволоки для снятия наклёпа между операциями холодной обработки давлением и после неё, закалку, отпуск, старение и термомеханическую обработку для упрочнения проката и прессованных изделий. На машиностроительных заводах отжигают поковки и др. заготовки для уменьшения твёрдости и улучшения обрабатываемости резанием, применяют закалку, отпуск, старение и химико-термическую обработку разнообразных деталей машин, а также инструмента для повышения их прочности, твёрдости, ударной вязкости, сопротивления усталости и износу и отжигают изделия для уменьшения остаточных напряжений. В приборостроении, электротехнической и радиотехнической промышленности с помощью отжига, закалки, отпуска и старения изменяют механические, электрические, магнитные и др. физические свойства металлов и сплавов.

Список используемой литературы

1. Бочвар А.А. “Основы термической обработки сплавов”, 5 изд., М.-- Л., 1940;

2. В.М. Зуев “Термическая обработка метеаллов”, 4 изд., Москва, 1999 г.;

3. “Технология металлов и конструкционные материалы”, под ред. Б.А. Кузьмина, Москва “Машиностроение”, 1981 г.

4. “Прикладная механика”, под общей редакцией профессора А.Т. Скойбеды, Минск, “Вышэйшая школа”, 1997 г.