Характеристика и структурные методы исследования металлов

35. Превращение мартенсита и остаточного аустенита при нагреве (отпуск стали)

Изменение структуры при отпуске. Находясь в напряженном и неустойчивом состоянии, закаленная сталь стремится к своему устойчивому стабильному состоянию, т. е. к превращению мартенсита и остаточного аустенита в феррито-цементитную смесь.

Образовавшийся в результате первого превращения мартенсит называется мартенситом отпуска и представляет собой смесь пересыщенного твердого раствора углерода в а-железе неоднородной концентрации и карбида, еще полностью не обособившегося от решетки мартенсита. Отпуск изменяет окраску игл мартенсита: в мартенсите закалки иглы светлые, а после отпуска -- темные.

При втором превращении (нагрев до 200--300° С) продолжается распад мартенсита; содержание углерода в пересыщенном а-растворе снижается приблизительно до 0,15%. Кроме того, одновременно происходит распад остаточного аустенита с превращением его в мартенсит отпуска. Таким образом, после второго превращения в твердом растворе (мартенсите) содержится небольшое количество углерода и в связи с этим тетрагональность решетки незначительна.

. В результате третьего превращения образуется троостит отпуска.

При четвертом превращении (нагрев выше 400° С) интенсивно протекает коагуляция (укрупнение) и сфероидизация (скругление) частиц цементита. Эти процессы протекают при растворении более мелких цементитных частиц, диффузии углерода через твердый раствор и выделении цементита на более крупных частицах вдали от их вершин и ребер, в связи с чем частица цементита укрупняется и по форме приближается к сферической. Таким образом, процессы коагуляции и сфероидизации взаимно связаны и протекают одновременно. Скорость этих процессов при отпуске зависит от скорости диффузии углерода и растет с температурой.

Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске. Легирующие элементы влияют на диффузионные процессы, связанные с выделением и коагуляцией карбидов и происходящие при отпуске закаленной стали. металл кристаллизация сплав полигонизация

Некоторые легированные стали обнаруживают явление отпускной хрупкости, выявляемой только при испытании на ударную вязкость. Различают два вида отпускной хрупкости (рис. 37); первого рода (необратимую), при отпуске в интервале 250-- 400° С, и второго рода (обратимую), при отпуске в интервале 450 650° С.

Причиной отпускной хрупкости первого рода является распад мартенсита с выделением карбидов по границам бывших аустенитных зерен при отсутствии его распада внутри зерна. В результате прочность граничных слоев и внутри зерна получается различной и менее прочные граничные слои служат концентраторами напряжений, вызывающими хрупкое разрушение с характерным межкристаллитным изломом по границам бывших аустепитных зерен. Отпускная хрупкость этого вида вызывается необратимыми процессами в граничном слое, поэтому она необратима и зависит от скорости охлаждения после нагрева. Повторный отпуск при той же температуре не устраняет хрупкости. При повышении температуры отпуска выше 400° С распад мартенсита распространяется и в глубь зерна, в результате чего структура выравнивается и хрупкость устраняется, но при этом снижается твердость. Повторный нагрев при 250--400° С отпускной хрупкости не вызывает. Кроме легированных сталей отпускная хрупкость первого рода свойственна и углеродистым сталям.

Отпускная хрупкость второго рода возникает только в том случае, если охлаждение после нагрева медленное (с печью или па воздухе). Причиной хрупкости является выделение по границам зерен каких-либо фаз (фосфидов, карбидов, нитридов или других). При быстром охлаждении после нагрева (в воде или масле) эти фазы выделиться не успевают и хрупкости не наблюдается. Характерной особенностью отпускной хрупкости второго рода является ее обратимость. Если сталь с низкой ударной вязкостью, возникшей из-за медленного охлаждения после нагрева, вновь нагреть до температуры отпуска и быстро охладить, она становится вязкой, и, наоборот, если сталь с высокой ударной вязкостью, полученной при быстром охлаждении после нагрева, вновь нагреть до температуры отпуска и охладить медленно, она становится хрупкой.

Наиболее восприимчивы к отпускной хрупкости второго рода стали, содержащие повышенное количество фосфора или марганца, а также хромомарганцевые и хромоникелевые стали. Введение в сталь небольшого количества молибдена (0,2--0,3%) или вольфрама (0,5--0,7%) значительно уменьшает склонность стали к отпускной хрупкости второго рода.

36. Термическое и деформационное старение углеродистой стали

Старение- изменение свойств, протекающие во времени без заметного изменения микроструктуры.

1. Термическое старение

в результате изменения растворимости углерода в б-железе в зависимости от Т°С. При ускоренном охлаждении с 650--700°С в низкоуглеродистой стали задерживается выделение ЦIII и при Ткомн фиксируется пересыщенный б -р-р. При последующей выдержке стали при Ткомн (естественное старение) или при несколько повышенной (искусственное старение) происходит распад твердого р-ра с выделением ЦIII .

2. Деформационное (механическое) старение

после пл. деформации, если она выполняется при Т°С ниже Т°С рекристаллизации. Оно развивается в течение 15-16 суток и более при Ткомн и в течение нескольких минут при 200--350°С. Отдельные объемы б -тв.р-ра под влиянием пл.деформации пересыщаются С и N; в процессе старения из них выделяются дисперсные Ni- и K-частицы

3. Термо-деформационное старение - одновременное протекание термического и деформационного старения.

В и НВ, но резко ударную вязкость и порог хладноломкости.

Т.е. отрицательно влияет на эксплуатационные и технологические свойства многих сталей.

Может протекать в строительных и мостовых сталях, подвергаемых пл. деформации и сварке, и, усиливаясь охрупчиванием при низких Т0С приводит к разрушению конструкций.

Деформационное старения штампуемость листовой стали. Поэтому многие углеродистые стали подвергают обязательно испытаниям на склонность к деформационному старению (ГОСТ 7268--67).

37. Отжиг I рода

1. Отжиг 1 рода предназначен для выравнивания физической или химической неоднородности. Целью этого отжига не является фазовая перекристаллизация, поэтому он может проводится как выше, так и ниже критических точек.

а) Гомогенизация (диффузионный отжиг) - это нагрев стали до температуры 1100-1200оС, выдержка 15-20 часов, охлаждение с печью до 800-820оС и з тем охлаждение на воздухе. Диффузионному отжигу подвергают слитки легированной стали с целью устранения ликваций, повышения пластичности и вязкости.

Для быстрорежущих, подшипниковых и других высокоуглеродистых легированных сталей с целью повышения пластичности проводят трехступенчатую гомогенизацию - первая выдержка 2 часа при 1120-1200оС, вторая - 1160-1240оС, третья - 1150-1200оС. В результате получается крупнозернистая равновесная структура: у доэвтектоидных сталей - Ф+П, эвтэктоидной - П, заэвтектоидных - П+ЦII.

б) Рекристаллизационный отжиг - это нагрев холоднодеформированной стали выше температуры начала рекристаллизации (680-740оС), выдержка в течении 0,5-1,5 часов и замедленное охлаждение с печью до 600-650оС, а затем на воздухе. Рекристаллизационный отжиг предназначен для снятия наклепа и повышения пластичности, т.к. происходит образование и рост новых равноосных зерен вместо деформированных.

в) Отжиг для снятия остаточных напряжений проводится при температуре 200-700оС в течени 2-3 часов с последующим замедленным охлаждением. Он устраняет остаточные напряжения в отливках, сварных деталях, после резания, правки и др.

38. Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация)

основан на использовании диффузионных (нормальных) фазовых превращений при охлаждении металлов и сплавов.

Основные параметры отжига II рода: температура нагрева, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения. Обычно при отжиге изделия охлаждают вместе с печью или на воздухе вне печи. Основной фактор, от которого зависит микроструктура стали после отжига 2-го рода -- это степень переохлаждения аустенита.

Отжигом II рода или фазовой перекристаллизацией - т/о, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно медленным охлаждением для получения устойчивого структурного состояния сплава.

Цель:

-получение более равновесной структуры,

- подготовка ее к дальнейшей обработке,

- измельчение зерно,

-повышение пластичности,

-повышение вязкости,

-снижение прочности,

-снижение твердости,

-улучшение обрабатываемости резанием.

а) Полный отжиг- это нагрев доэвтектоидной стали на 30-50оС выше точки Ас3, выдержка при этой температуре, охлаждение с печью до температуры 550-650оС, а затем на воздухе. При нагреве образуется мелкозернистый аустенит, который затем превращается в перлит.

б) Изотермический отжиг - это нагрев стали как для полного отжига, быстрое охлаждение до температуры 660-680оС, выдержка при этой температуре до полного распада аустенита и охлаждение на воздухе. Как и полный отжиг, изотермический, приводит к снижению твердости, повышению пластичности и улучшению обрабатываемости резанием. Изотермический отжиг применяется для мелких деталей и имеет меньшую продолжительность процесса, чем полный отжиг.

в) Неполный отжиг- это нагрев сталей на 10-30оС выше точки Ас1, выдержка при этой температуре и медленное охлаждение, для улучшения обрабатываемости резанием.

Чаще всего неполный отжиг применяется для заэвтэктоидных сталей и называется сфероидизацией, т.к. приводит к образованию зернистого перлита. Т.к. нагрев при неполном отжиге происходит немного выше Ас1, то не весь цементит успевает раствориться в аустените. При последующем медленном охлаждении этот нерастворившейся цементит выполняет роль центров кристаллизации, в результате чего цементит приобретает зернистую форму

Нормализация - это вид отжига, который заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-50оС выше Ас3, а заэвтектоидной стали - выше Асm, непродолжительной выдержке для завершения превращений и охлаждении на воздухе.

Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную на предыдущих стадиях обработки металла. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска. Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах и получению структуры сорбита и троостита. Это повышает твердость и прочность нормализированной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожжённой. В результате нормализацииу доэвтектоидных сталей образуется мелкозернистая феррито-сорбитная или феррито-трооститная структура, у эвтектоидной - сорбит или троостит и заэвтектоидной - сорбит или троостит с разрозненными включениями вторичного цементита.

39. Закалка стали

Закалкой называется операция термической обработки, состоящая из нагрева до температур выше верхней критической точки AC3 для доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки АС1 для заэвтектоидной стали и выдержки при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных растворах солей и пр.).

В результате закалки сталь получает структуру мартенсита и благодаря этому становится твердой.

Закалка повышает прочность конструкционных сталей, придает твердость и износостойкость инструментальным сталям.

Режимы закалки определяются скоростью и температурой нагрева, длительностью выдержки при этой температуре и особенно скоростью охлаждения.

Температура нагрева стали для закалки зависит в основном от химического состава стали.

Наиболее распространенные закалочные среды --вода, 5--10%-ный водный раствор едкого натра или поваренной соли и минеральное масло. Для закалки углеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С; а для закалки большинства легированных сталей -- масло.

Закаливаемость показывает способность стали к повышению твердости при закалке.

Прокаливаемость стали характеризуется ее способностью закаливаться на определенную глубину. При закалке поверхность детали охлаждается быстрее, так как она непосредственно соприкасается с охлаждающей жидкостью, отнимающей тепло. Сердцевина детали охлаждается гораздо медленнее, тепло из центральной части детали передается через массу металла к поверхности итолько на поверхности поглощается охлаждающей жидкостью.

Прокаливаемость стали зависит от критической скорости закалки: чем ниже критическая скорость, тем на большую глубину прокаливаются стальные детали.

Виды закалки стали.

Существует несколько способов закалки, применяемых в зависимости от состава стали, характера обрабатываемой детали, твердости, которую необходимо получить, и условий охлаждения.

Закалка в одной среде Такую закалку проще выполнять, но ее можно применять не для каждой стали и не для любых деталей, так как быстрое охлаждение деталей переменного сечения в большом интервале температур способствует возникновению температурной неравномерности и больших внутренних напряжений, что может вызвать коробление детали, а иногда и растрескивание (если величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности).

Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.

Закалку в двух средах применяют для инструмента из высокоуглеродистой стали (метчики, плашки, фрезы). Сущность способа состоит в том, что деталь вначале замачивают в воде, быстро охлаждая ее до 300--400° С, а затем переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.

Ступенчатую закалку выполняют путем быстрого охлаждения деталей в соляной ванне, температура которой намного выше температуры начала мартенситного превращения (240--250° С). Выдержка при этой температуре должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению детали. Затем детали охлаждают до комнатной температуры в масле или на спокойном воздухе, устраняя тем самым термические внутренние напряжения.

Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, коробление и возможность образования трещин.

Недостаток этого вида закалки в том, что горячие следы не могут обеспечить большую скорость охлаждения при температуре 400--600° С.

Изотермическую закалку проводят так же, как ступенчатую, но с более длительной выдержкой при температуре горячей ванны (250--300° С), чтобы обеспечить полный распад аустенита. Выдержка, необходимая для полного распада аустенита, определяется по точкам а и b и по S-образной кривой (см. рис. 1). Изотермическая закалка имеет следующие преимущества перед обычной:минимальное коробление стали и отсутствие трещин; большая вязкость стали.

В настоящее время широко используют ступенчатую и изотермическую светлую закалки.

Светлую закалку стальных деталей проводят в специально оборудованных печах с защитной средой.

При ступенчатой закалке стали с переохлаждением аустенита в расплавленной едкой щелочи с последующим окончательным охлаждением на воздухе детали приобретают чистую светлую поверхность серебристо-белого цвета; в этом случае отпадает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка с самоотпуском широко применяется в инструментальном производстве. Сущность ее состоит в том, что детали не выдерживают в охлаждающей среде до полного охлаждения, а в определенный момент извлекают из нее, чтобы сохранить в сердцевине изделия некоторое количество тепла, за счет которого производится последующий отпуск. После достижения требуемой температуры отпуска за счет внутреннего тепла деталь окончательно охлаждают в закалочной жидкости.

Способы охлаждения при закалке.

Быстрое охлаждение стальных деталей при закалке является причиной возникновения в них больших внутренних напряжений. Эти напряжения иногда приводят к короблению деталей, а в наиболее тяжелых случаях -- к трещинам. Особенно большие и опасные внутренние напряжения возникают при охлаждении в воде. Поэтому там, где можно, следует охлаждать детали в масле.

Внутренние напряжения зависят также от способа погружения деталей в закалочную среду. Необходимо придерживаться следующих основных правил:

детали, имеющие толстую и тонкую части, погружать в закалочную среду сначала толстой частью;

Дефекты, возникающие при закалке стали.

Недостаточная твердость закаленной детали -- следствие низкой температуры нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.

Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.

Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200--1300° С) в окислительной атмосфере. Окисление и обезуглероживание стали характеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности деталей и выгоранием углерода в поверхностных слоях.

Коробление и трещины -- следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных превращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема до 3%).

40. Отпуск стали

Отпуск закаленных углеродистых сталей

Отпуском называют термическую операцию, заключающуюся в нагреве закалённой стали до температур, не превышающих точку Аc1 (т.е. не выше линии PSK), выдержке и последующем охлаждении чаще всего на воздухе. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск частично или полностью устраняет внутренние напряжения, возникшие при закалке.

Окончательные свойства стали в большей степени зависят от температуры отпуска. Различают три вида отпуска стали в зависимости от температуры нагрева.

Низкий (низкотемпературный отпуск) проводят при температурах не выше 250...300°С. При таких температурах происходит частичное обезуглероживание мартенсита и выделение из него некоторого количества избыточного углерода в виде частиц е - карбида железа. Образующаяся структура, состоящая из частичного обезуглероженного мартенсита и е-карбидов, называется отпущенным мартенситом.

Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, работающий без значительного разогрева рабочей части, а такие детали, прошедшие поверхностную закалку или цементацию. Цель такого отпуска - некоторое снижение внутренних напряжений.

Средний (средне-температурный) отпуск выполняют при температурах 350...500°С и применяют преимущественно для рессор, пружин, некоторых видов штампов. При таких температурах происходит дальнейшее обезуглероживание мартенсита, приводящее к его превращению в обычный а-раствор, т.е. в феррит. Одновременно происходит карбидное превращение по схеме; Fe2C Fе3С,

В результате образуется феррито-цементитная смесь, называемая троститом отпуска. Наблюдается снижение твёрдости до величины 40...50 HRC, а также снижение внутренних напряжений.

Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости и предел выносливости, что позволяет применять его для различных упругих элементов.

Высокий (высокотемпературный) отпуск проводят при 500...600°С. Структурные изменения при таких температурах заключаются в укрупнении (коагуляции) частиц цементита. В результате этого образуется феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом отпуска.

Высокий отпуск на сорбит обеспечивает наилучший комплекс механических свойств, позволяющий применять его для деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. Такой же отпуск рекомендуется для деталей машин из легированных сталей, работающих при повышенных температурах.

Термическую обработку, состоящую из закалки на мартенсит и последующего высокого отпуска на сорбит, называют термическим улучшением. Вообще термическому улучшению подвергают детали из среднеуглеродистых (0,3...0,5%С) конструкционных сталей, к которым предъявляют высокие требования по пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие её" пониженной твёрдости невысока.

Скорость охлаждения после отпуска оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Так охлаждение на воздухе даёт напряжения в 7 раз меньше, а охлаждение в масле в 2,5 раза меньше по сравнению с охлаждением в воде. По этой причине изделия сложной формы во избежание их деформации после отпуска следует охлаждать медленно (на воздухе), а детали из некоторых легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости, рекомендуется охлаждать в масле (иногда даже в воде).

Легирующие элементы, входящие в состав легированных сталей, особенно такие, как Мо5 W, Cr, Ti, V и Si, сильно тормозят диффузионные процессы, происходящие при отпуске закалённой стали. Поэтому после отпуска при одинаковой температуре легированная сталь сохраняет более высокую твёрдость и прочность. Это делает легированные стали более теплостойкими, способными работать при повышенных температурах.

41. Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка стали заключается в сочетании механической обработки давлением (прокатки, штамповки) с термической обработкой (закалкой). Это позволяет повысить прочность стали как в результате наклепа, который получается при пластической деформации, так и вследствие закалки. Благодаря этому при термомеханической обработке удается достичь более высокого упрочнения, чем при обычной закалке.

Существует два основных способа термомеханической обработки.

1.Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО). Она заключается в том, что непосредственно после горячей обработки давлением (прокатки, штамповки), когда сталь имеет температуру выше Ас3 и аустенитную структуру, проводится резкое охлаждение-- закалка. За короткое время между окончанием прокатки (или штамповки) и закалкой рекристаллизация не успевает произойти.

2.Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО). Сталь нагревают до аустенитного состояния, а затем охлаждают ниже температуры рекристаллизации, но выше температуры начала мартенситного превращения, т. е. в температурном интервале примерно 400--600°С. В этом интервале, в котором еще сохраняется аустенитная структура, производится деформация стали, например штамповка.

После термомеханической обработки как по первому, так и по второму способу нужно проводить отпуск с нагревом в интервале температур 150--300°С.

Термомеханическая обработка позволяет получить предел прочности в стали до 300 кгс/мм2, в то время как при обычной закалке он бывает не более 200-- 220 кгс/мм2. Очень важно, что одновременно с повышением прочности возрастает и пластичность.

В некоторых случаях эффект термомеханической обработки получается в результате несложного усовершенствования технологических операций. На Ленинградском металлическом заводе им. XXII съезда КПСС направляющие лопатки турбин изготовляют из хромистых сталей 12X13 и 15X11МФ методом прокатки. По старой технологии они подвергались закалке на воздухе от температуры 1030°С и отпуску при 720°С. По усовершенствованной технологии прокатка лопаток из стали 12X13 заканчивается при температуре 900--920°С, а из стали 15X11МФ -- при 930--950°С. Непосредственно вслед за этим осуществляется закалка с охлаждением на воздухе и отпуск при. температуре 700--720°С. В результате повысились прочностные свойства деталей при сохранении пластических свойств. Кроме того, снизилась трудоемкость их изготовления вследствие упразднения специального нагрева под закалку.

3. Высокотемпературная поверхностная термомеханическая обработка (ВТМПО). Сущность такой обработки заключается в том, что деталь подвергается поверхностному нагреву ТВЧ и одновременно обкатывается роликами. В результате в поверхностном слое детали, разогретом до аустенитного состояния, происходит наклеп и после закалки образуется мартенситная структура, в которой наследуется дополнительное упрочнение, полученное при обкатке роликами. В отличие от обычной высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) разупрочнения вследствие разрыва по времени между наклепом и закалкой в данном случае не происходит. Метод ВТМПО очень эффективен при упрочнении шеек и галтелей коленчатых валов и других ответственных деталей.

42. Дефекты термической обработки

Дефекты при отжиге и нормализации. В процессе отжига и нормализации могут возникнуть следующие дефекты: окисление, обезуглероживание, перегрев и пережог металла.

При нагреве в пламенных печах поверхность стальных деталей взаимодействует с печными газами. В результате металл окисляется и на деталях образуется окалина -- химическое соединение металла с кислородом. С повышением температуры и увеличением времени выдержки окисление резко возрастает. Образование окалины не только вызывает угар (потерю) металла на окалину, но и повреждает поверхность в деталей. Поверхность стали под окалиной получается разъеденной и неровной, что затрудняет и обработку металла режущим инструментом.

Окалину с поверхности деталей удаляют травлением в растворе серной кислоты в воде, очисткой в дробеструйных установках или галтовкой в барабанах.

Обезуглероживание, т. е. выгорание углерода с поверхности деталей, происходит при окислении стали. Обезуглероживание резко снижает прочностные свойства конструкционной стали. Кроме того, обезуглероживание. поверхности может вызвать образование закалочных трещин и коробление (поводку детали).

Для предохранения деталей от окисления, а следовательно, и от обезуглероживания при отжиге, нормализации и закалке применяют безокислительные (защитные) газы, которые вво-дят в рабочее пространство печи.

При нагреве стали выше определенных температур и длительных выдержках в ней проис¬ходит быстрый рост зерен, ведущий к возникновению крупнокристаллической структуры. Это явление называют перегревом. Перегрев ведет к понижению пластических свойств стали. В перегретой стали при закалке образуются трещины. Перегрев металла может быть исправлен последующей термической обработкой -- отжигом или нормализацией.

Дефекты при закалке. В процессе нагрева под закалку и при закалке могут появляться следующие дефекты: трещины, деформация и коробление, обезуглероживание, мягкие пятна и низкая твердость.

Закалочные трещины - это неисправимый брак, образующийся в процессе термической обработки. Они являются следствием возникновения больших внутренних напряжений. В штампах крупных размеров закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому штампы целесообразно охлаждать до 150 - 200°С с быстрым последующим отпуском.

Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве) и большой скорости охлаждения в деталях, конструкция которых имеет резкие переходы поверхностей, грубые риски, оставшиеся после механической обработки, острые углы, тонкие стенки и т д.

Деформация и коробление деталей происходят в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений, обусловливающих возникновение внутренних напряжений в металле при нагреве и охлаждении.

При закалке стали коробление деталей может происходить и без. значительных объемных изменений в результате неравномерного нагрева и охлаждения.

При погружении деталей и инструмента в закалочную среду надо учитывать их форму и размеры. Детали, имеющие толстые и тонкие части, погружают в закалочную среду сначала толстой частью, длинные детали (штоки, протяжки, сверла, метчики и т. д.) опускают в строго вертикальном положении, а тонкие плоские (диски, отрезные фрезы, пластинки и др.) -- ребром.

Мягкие пятна - это участки на поверхности детали или инструмента с пониженной твердостью. Такие дефекты образуются при закалке в процессе охлаждения в закалочной среде, когда на поверхности детали имелась окалина, следы загрязнений и участки с обезуглероженной поверхностью, а также в случае недостаточно быстрого движения детали в закалочной среде и образования на поверхности детали паровой рубашки.
Низкая твердость чаще всего наблюдается при закалке инструмента. Причинами низкой твердости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной -среде, низкая темпе-ратура закалки, а так же недостаточная выдержка при нагреве под закалку. Для исправления этого дефекта деталь следует подвергнуть высокому отпуску и снова закалить.

43. Поверхностная закалка

это закалка, при которой только поверхностный слой изделия нагревают до заданной температуры.

При поверхностной закалке на некоторую (заданную) глубину закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.

Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки.

Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, заключающийся в нагреве поверхностного слоя изделия до температуры выше Ас для доэвтектоидных и Асх для заэвтектоидных сталей с последующим охлаждением с целью получения структуры мартенсита в поверхностном слое.

Наиболее распространены следующие методы поверхностной закалки: с индукционным нагревателем (нагрев токами высокой час­тоты - ТВЧ), газоплазменная поверхностная и в электролите. Все способы поверхностной закалки основаны на быстром нагреве поверхностного слоя выше точек фазовых превращений и последующем охлаждении, приводящем к тому, что слой I, нагретый выше температуры Асъ, закалится полностью, слой II - частично, а слой III оста­нется незакаленным. В результате обеспечивается высокая прочность и износостойкость поверхностных слоев в сочетании с пластично­стью и вязкостью сердцевины изделия.

Закалочные температуры для поверхностной закалки выбираются более высокими (на 100...200 °С), чем для обычной, так как при на­греве с высокими скоростями превращение перлита в аустенит про­исходит в области более высоких температур. Поскольку перегрев тонкого поверхностного слоя осуществляется с очень большой скоро­стью и выдержка при Температуре закалки отсутствует, он не приводит к ухудшению структуры за счет роста зерна аустенита. Глубина закал­ки составляет 1,5...15 мм и определяется условиями работы деталей. Так, детали, подвергающиеся усталостному изнашиванию, закалива­ются на глубину 1,5...3 мм, при особо высоких контактных нагруз­ках - 10...15 мм.

При закалке ТВЧ изделия помещают в специальный индуктор (ка­тушку), состоящий из одного или нескольких витков медной трубки (рис. 3.11, б). Для равномерного нагрева поверхности изделий раз­личной формы применяют индукторы, по форме и размерам соответствующие деталям. Через индуктор 1 пропускают переменный ток высокойчастоты(500...15 000 Гц). При этом вокруг индуктора возни­кает магнитное поле, а в детали 2 генерируются вихревые токи, кото­рые и нагревают поверхность детали до температуры закалки, после чего следует резкое охлаждение водой и низкий отпуск.

Скорость нагрева колеблется от 100 до 1000 °С/с. Время нагрева за­висит от скорости нагрева и находится в пределах 1,5...40 с. Толщина закаленного слоя зависит от частоты тока, которая определяет глубину проникновения индуцируемых в деталях вихревых токов. Закалка ТВЧ позволяет получить структуру стали с твердостью на 3...5 HRC, выше, чем при обычной закалке, с более мелким зерном (на 2...4 балла) и меньшим браком по короблению и образованию закалочных тре­щин. При нагреве ТВЧ не происходит окалинообразования и выгора­ния углерода. Кроме того, обеспечивается высокая производитель­ность труда. Этот вид закалки используют для сталей, содержащих 0,4...0,5 % углерода (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), которые после за­калки имеют высокие твердость (50...60 HRC3), сопротивляемость из­нашиванию и не склонны к хрупкому разрушению.

Газоплазменная поверхностная закалка заключается в нагреве по­верхностного слоя детали пламенем сгорающего газа, имеющего тем­пературу 2400...3000 °С, и последующем охлаждении водой. Толщина закаленного слоя 2...4 мм, твердость 50...56 HRC3, структура состоит из мартенсита и феррита. Применяется газоплазменная закалка в основ­ном для крупных изделий, таких как коленчатые валы особо мощных двигателей, прокатные валы и т. п. При этом в крупных деталях созда­ются меньшие напряжения, чем при обычной объемной закалке.

Закалка в электролите основана на том, что при пропускании тока через электролит (5...10%-ный раствор кальцинированной соды) на катоде, которым является закаливаемая деталь, образуется газовая ру­башка водорода. Ток при этом сильно возрастает и деталь нагревается, после чего, отключив ток, можно сразу закалить ее в том же электро­лите. Способ применяется для закалки небольших деталей в условиях массового производства. .

44. Цементация стали

поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости.

Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.25 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900--950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) -- при 850--900 °С.

После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузиднном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде -- карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки Ас3 (930--950 °С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в большом количестве. Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации. Назначение цементации и последующей термической обработки -- придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении. Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (0,1--0,18 % С), чаще легированные, стали. Для цементации крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2--0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки. На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование (50--100 мкм). Во многих случаях цементации подвергается только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (20--40 мкм), которую наносят электролитическим способом или изолируют специальными обмазками, состоящим из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, ленитом и др.

45. Нитроцементация

Нитроцементация сталей -- процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 700--950 °C в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Наиболее часто нитроцементация проводится при 850--870 °С. После нитроцементации следует закалка в масло с повторного нагрева или непосредственно из нитроцементационной печи с температурой насыщения или небольшого подстуживания. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180--200 °С.

Преимущества

По сравнению с цементацией, нитроцементация имеет ряд существенных преимуществ. При легировании аустенита азотом снижается температура б - г-превращения, что позволяет вести процесс насыщения при более низких температурах. Одновременно в присутствии азота резко возрастаетдиффузионная подвижность углерода в аустените. С повышением температуры эффект ускорения уменьшается

Несмотря на значительно более низкую температуру насыщения, скорость роста диффузионного слоя при цементации (930--950 °С) и нитроцементации (840--860 °С) на толщину 0,5--0,8 мм практически одинакова. Производственный цикл при нитроцементации, по сравнению с цементацией, сокращается на 50--60 %.

Понижение температуры насыщения, без увеличения длительности процесса, позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей, повысить стойкость печного оборудования и уменьшить время на подстуживание перед закалкой.

Применение

Процесс нитроцементации получил широкое распространение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщинаупрочненного слоя 0,2--1,0 мм. На ВАЗе 94,5 % деталей, упрочняемых химико-термической обработкой, подвергается нитроцементации. Например, нитроцементация широко применяется для упрочнения зубчатых колёс. В этом случае эффективная толщина слоя (до HV 600) для шестерён с модулем 1,5--3,5 мм принимается 0,3 ± 0,1, а при модуле 4,0--5,5 мм -- 0,4 ± 0,1.

Оборудование

Для газовой цементации и нитроцементации применяют практически одинаковое оборудование -- шахтные, камерные или проходные печи.

46. Азотирование

Азонирование -- это технологический процесс химико-термической обработки, при которой поверхность различных металлов или сплавов насыщаютазотом в специальной азотирующей среде. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и приобретает повышенную коррозионную стойкость и высочайшую микротвёрдость. По микротвёрдости азотирование уступает только борированию, в то же время превосходя цементацию и нитроцементацию (незначительно).

Назначение азотирования

Упрочнение поверхности;Защита от коррозии;Повышение усталостной прочности

В зависимости от назначения используемые технологические процессы азотирования могут существенно отличаться.

Основные виды азотирования

Газовое азотирование

Насыщение поверхности металла производится при температурах от 400 (для некоторых сталей) до 1200 (аустенитные стали и тугоплавкие металлы) градусов Цельсия. Средой для насыщения является диссоциированный аммиак. Для управления структурой и механическими свойствами слоя при газовом азотировании сталей применяют:

двух-, трёхступенчатые температурные режимы насыщения;

разбавление диссоциированного аммиака:

воздухом, реже водородом.

Контрольными параметрами процесса являются:

степень диссоциации аммиака;расход аммиака; температура, расходы дополнительных технологических газов (если применяются).

Каталитическое газовое азотирование

Это последняя модификация технологии газового азотирования. Средой для насыщения является аммиак, диссоциированный при температуре 400--600 градусов Цельсия на катализаторе в рабочем пространстве печи. Для управления структурой и механическими свойствами слоя при каталитическом газовом азотировании сталей применяют изменение

перенаправление потенциала насыщения. В целом применяются более низкие температуры, чем при газовом азотировании.

Ионно-плазменное азотирование

Технология насыщения металлических изделий в азотсодержащем вакууме (примерно 0,01 атм.), в котором возбуждается тлеющий электрический разряд. Анодом служат стенки камеры нагрева, а катодом -- обрабатываемые изделия. Для управления структурой слоя и механическими свойствами слоя применяют (в разные стадии процесса):

изменение плотности тока

изменение расхода азота

изменение степени разрежения

добавки к азоту особо чистых технологических газов: водорода; аргона; метана

Азотирование из растворов электролитов

Использование анодного эффекта для диффузионного насыщения обрабатываемой поверхности азотом в многокомпонентных растворах электролитов, один из видов скоростной электрохимико-термической обработки (анодный электролитный нагрев) малогабаритных изделий. Анод-деталь при наложении постоянного напряжения в диапазоне от 150 до 300 В разогревается до температур 450--1050 °C. Достижение таких температур обеспечивает сплошная и устойчивая парогазовая оболочка, отделяющая анод от электролита. Для обеспечения азотирования в электролит, кроме электропроводящего компонента, вводят вещества-доноры, обычно нитраты.

Оборудование для азотирования

Для проведения газового азотирования используются преимущественно шахтные, ретортные и камерные печи. Для подготовки аммиака перед подачей в печь используется диссоциатор.

Для проведения каталитического газового азотирования используются преимущественно шахтные, ретортные и камерные печи, оснащенные встроенными катализаторами и кислородными зондами для определения насыщающей способности атмосферы.

Для проведения процессов ионно-плазменного азотирования применяются специализированные установки, в которых происходит нагрев изделий за счёт катодной бомбардировки ионами и, собственно, насыщение. Для азотирования из растворов электролитов применяются установки для электрохимико-термической обработки.

47. Цианирование

Цианирование в сталелитейном производстве -- процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температурах 820-950° C в расплаве цианида натрия или других солей с тем же анионом.

Применение

Цианирование применяют для повышения износостойкости и коррозионостойкости деталей. Процесс цианирования по сравнению с процессомцементации требует гораздо меньше времени для получения слоя заданной толщины, характеризуется значительно меньшими деформациями и короблением деталей сложной формы.

Борирование -- процесс химико-термической обработки, диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов бором при нагреве и выдержке в химически активной среде. Борирование приводит к упрочнению поверхности.

Борирование проводят преимущественно с целью повышенияизносостойкости (в условиях сухого трения, скольжения со смазкой и без смазки, абразивного изнашивания, фреттинг-коррозии и т.п.). Борирование повышает также коррозийную стойкость железо-углеродистых сплавов во многих агрессивных средах и жаростойкость при температурах ниже 850 °C и жаростойка до 800 °С.

Борирование можно проводить всеми известными методами и способами. Промышленное применение получили: борирование в порошковых смесях, электролизное борирование, жидкостное безэлектролизное борирование, ионное борирование [1] и борирование из обмазок (паст) [2].

Борирование чаще всего проводят при электролизе расплавленной буры(Na2B4O7). Изделие служит катодом. Температура насыщения 930--950 °C, выдержка 2 -- 6 часов.

Борирование можно проводить при отливке деталей. В этом случае на поверхность литейной формы наносится слой специальной борсодержащей массы (пасты). При использовании выжигаемых моделей из пенопластов борсодержащая паста наносится на поверхность модели. Способ отличается производительностью и простотой.

Борирование применяют для повышения износостойкости втулок подшипников и рабочих колес погружных электроцентробежных насосов, дисков пяты турбобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм машин литья под давлением и деталей из углеродистых и легированных сталей с различным содержанием углерода (20, 18ХГТ, 15X11МФ, Х23Н18, 45, 40Х, Х12, У10 и др.). Стойкость деталей после борирования увеличивается в 2 -- 10 раз. Изделия, подвергшиеся борированию, обладают повышенной до 800 °C окалиностойкостью и теплостойкостью до 900-950 °C. Твердость борированного слоя в сталях перлитного класса составляет 15 000-20 000 МПа.

Силицирование -- процесс химико-термической обработки, состоящий в высокотемпературном (950--1100 °C) насыщении поверхности сталикремнием. Силицирование придаёт стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает стойкость против износа. Силицирование может производиться в газообразных и жидких средах как электролизным, так и безэлектролизным методом. Силицированный слой отличается повышенной пористостью толщина его 300--1000 мкм. Несмотря на низкую твёрдость 200--300 HV, силицированный слой обладает высокой износостойкостью после пропитки маслом при температурах 170--200 °C.

Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов,трубопроводы, арматура, гайки, болты и т. д.). Силицирование широко применяют для повышения сопротивления окислению при высоких температурах сплавов молибдена. Так же силицированию подвергают детали из карбида кремния (SiC). Пример: электрические нагреватели из карбида кремния, подшипники скольжения для нефтяной и химической промышленности, конструкционные детали и др.

50. Диффузионное насыщение металлами -- поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком, кремнием и другими элементами. Один из методов упрочнения материалов.

Изделия, обогащённые этими элементами, приобретают ценные свойства, к числу которых относятся высокая жаростойкость, коррозионная стойкость, повышенная износостойкость и твёрдость.

Методы насыщения

Твёрдая диффузионная металлизация

Металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или Cl2 образуются летучие соединения хлора с металлом (AlCl3, CrCl2, SiCl4 и так далее), которое в результате контакта с металлической поверхностью диссоциирует с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная металлизация

Данный вид металлизации проводят погружением детали в расплавленный металл, если диффундирующий металл имеет низкую температуру плавления.

Газовая диффузионная металлизация

Проводят в газовых средах, состоящих из галогенных соединений диффундирующего элемента. Газовая диффузионная металлизация осуществляется в муфельных печах или в печах специальной конструкции при 700...1000 °С. Газовая фаза может генерироваться на расстоянии от поверхности насыщения (бесконтактный способ), или же в зоне контакта источника активной фазы с поверхностью металла (контактный способ).

Виды диффузионного насыщения металлами

Наиболее распространёнными видами диффузионного насыщения металлами являются:

· алюминирование (насыщение алюминием), используется для деталей, работающих при высоких температурах;

· диффузионное хромирование (насыщение хромом) используют для деталей и полуфабрикатов из стали, сплавов на основе никеля, молибдена, ниобия, меди и других элементов;

· борирование (насыщение бором), обеспечивает высокую твёрдость (1800...2000 HV), износостойкость и стойкость против коррозии в разных средах;

· силицирование (насыщение кремнием);

· бериллизация (насыщение бериллием), обеспечивает для сталей повышение твёрдости, жаростойкости при 800-1100 °С и коррозионной стойкости.

Достоинства диффузионного насыщения

Поверхность диффузионно-металлизированной детали обладает высокойжаростойкостью, поэтому жаростойкие изделия изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием исилицированием. Исключительно высокой твёрдостью (до HV 2000) и высоким сопротивлением абразивному износу обладают борированныеслои, вследствие образования на поверхности высокотвёрдых боридов железа - FeB и Fe2B; однако борированные слои очень хрупкие. Сульфидирование - поверхностное насыщение стали серой. Для режущего инструмента стойкость повышается в 2-3 раза.

Недостатки диффузионного насыщения металлов

Диффузия хрома, алюминия и других металлов протекает значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом растворы внедрения, а металлы - растворы замещения. При одинаковых температурных и временных условиях диффузионные слои при металлизации в десятки, а то и в сотни раз более тонкие, чем при цементации. Такая малая скорость диффузии препятствует широкому распространению процессов диффузионного насыщения в промышленности, так как процесс является дорогостоящим, и его проводят при высоких температурах (1000-1200 °C) длительное время. Только особые свойства слоя и возможность экономии легирующих элементов при использовании процессов диффузионной металлизации обусловили некоторое их применение в промышленности.

48. Состав, классификация и свойства пластмасс

Пластическими массами (пластмассами) называются материалы, получаемые на основе природных или синтетических полимеров. Они обладают рядом ценных свойств: малой плотностью (до 2 г/см3), высокой удельной прочностью, низкой теплопроводностью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, звукоизоляционными свойствами. Некоторые пластмассы обладают оптической прозрачностью, фрикционными и антифрикционными свойствами, стойкостью к истиранию и др. Кроме того, пластмассы имеют хорошие технологические свойства: легко формуются, прессуются, обрабатываются резанием, их можно склеивать и сваривать. Недостатками пластмасс являются низкая теплостойкость, низкая ударная вязкость, склонность к старению для ряда пластмасс.

По поведению при нагреве все пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные при неоднократном нагревании и охлаждении каждый раз размягчаются и затвердевают. Термореактивные при нагревании размягчаются, затем еще до охлаждения затвердевают (вследствие протекания химических реакций) и при повторном нагревании остаются твердыми.

По виду наполнителя пластмассы делятся на порошковые, волокнистые, слоистые, газонаполненные и пластмассы без наполнителя.

По способу переработки в изделия пластмассы подразделяются на литьевые и прессовочные. Литьевые перерабатываются в изделия методами литьевого прессования и являются термопластичными. Прессовочные перерабатываются в изделия методами горячего прессования и являются термореактивными.

По назначению пластмассы делятся на конструкционные, химически стойкие, прокладочные и уплотнительные, фрикционные и антифрикционные, теплоизоляционные и теплозащитные, электроизоляционные, оптически прозрачные, облицовочно-декоративные и отделочные.

Слоистые пластмассы получают прессованием слоистых наполнителей, пропитанных смолой. Они обычно выпускаются в виде листов, плит, труб, из которых механической обработкой получают различные детали.