Опорный конспект по теме: «Химико-термическая обработка металлов и сплавов». Учебной дисциплины МДК 02.01 «Технология металлообработки на токарных станках» по программе профессионального обучения по профессии 19149 «Токарь».

Химико - термическая обработка металлов и сплавов.

Термическая обработка металлов и сплавов представляет собой технологические операции, реализующие разнообразные способы теплового воздействия на металл, находящийся в твердом состоянии. В том случае, когда тепловая обработка сочетается с химическим или механическим воздействием, операции называются химико-термической и термомеханической обработками.

Цель термической обработки - изменение структуры материала для придания ему необходимых механических, физико-химических или технологических свойств. Термической обработкой достигается изменение прочности и пластичности материалов, обеспечивается высокая надежность и долговечность деталей и конструкций, стабилизация их размеров, придаются особые свойства: жаропрочность, жаростойкость, коррозионная стойкость, износостойкость и др. Термическая обработка специально используется для улучшения технологических свойств материалов: ковкости, штампуемости, обрабатываемости резанием, шлифуемости, свариваемости, прокаливаемости и др.

По характеру фазовых и структурных изменений и условиям теплового воздействия различаются следующие виды термической обработки: отжиг первого и второго рода, закалка, отпуск и старение.

По характеру обрабатываемых участков изделий: объемные, поверхностные, местные и последовательные термические операции.

По месту термической операции в общезаводском процессе изготовления: предварительные, промежуточные и окончательные.

По связям со смежными процессами: преемственные и совмещаемые.

Выбор вида термической обработки определяется тем комплексом свойств, которые необходимо получить от металла и изделия. При разработке рациональной технологии термической обработки изделий необходимо иметь в виду, что приводимые в справочной литературе сведения о режимах термической обработки и получаемых свойств являются до некоторой степени ориентировочными. Это обусловлено тем, что они не могут в должной мере учитывать многообразие форм и размеров изделий. В технологии необходимо также регламентировать продолжительность нагрева и выдержки изделий. Время должно быть достаточным для завершения структурных изменений материала. Оно зависит от множества факторов: конфигурации изделий, величины садки, способов укладки изделий и др.

Виды термической обработки. Отжиг - термическая операция, заключающаяся в нагреве материала до определенной температуры, выдержке при ней и последующим медленным, обычно с печью, охлаждением со скоростью 30 - 200 °С/ч. Различают отжиги первого и второго рода. Отжиг первого рода. Отжиг не связан с фазовыми превращениями материала в твердом состоянии. Как правило, фазовые превращения (перекристаллизация) отсутствуют при этом виде термической обработки. Отжиг проводится с целью уменьшения остаточных напряжений в изделиях, рекристаллизации пластически деформированных материалов, выравнивания химического состава по объему в слитках или отливках. В зависимости от целевого назначения существует несколько видов отжига:

Отжиг для снятия остаточных напряжений. Отжигу подвергаются полуфабрикаты изделий, находящиеся в напряженном состоянии, вызванном технологическими особенностями их получения. Отжигают отливки, поковки, прокат, неравномерно охлажденные при этих операциях, холодно деформированные заготовки, сварные соединения и т.д. Цель отжига - уменьшение остаточных напряжений. Температура отжига обычно невелика и составляет для стальных и чугунных изделий до 600 °С, для изделий из сплавов на основе меди и алюминия 250 - 300 °С.

Отжиг рекристаллизационный. Отжигу подвергаются изделия или полуфабрикаты после пластической деформации. Цель отжига - снижение твердости и восстановление пластичности деформированного материала, получение заданного размера зерна. Отжиг часто применяют в качестве межоперационной смягчающей обработки при холодной прокатке, волочении и других операциях холодного деформирования. Температура отжига обычно берется на 100 - 200 °С выше температуры рекристаллизации материала.

Отжиг диффузионный (гомогенизация). Отжиг применяется для крупных стальных отливок, слитков легированных сталей, а также слитков многих алюминиевых сплавов. В результате отжига выравнивается химическая неоднородность и уменьшается ликвация. Отжиг проводится при высоких температурах с длительной выдержкой. Для остальных слитков температура отжига составляет 1100 – 1300 °С с выдержкой 20 - 50 ч. Отжиг слитков алюминиевых сплавов проводят при 420 - 520 °С в течение 20 - 30 ч.

Отжиг второго рода. Отжиг проводится в условиях фазовых превращений (перекристаллизация). В сталях в процессе охлаждения при отжиге происходит распад аустенита с образованием равновесных структур. Отжигом достигается снижение твердости и повышение пластичности и вязкости материала. Отжиг применяется для слитков, проката, поковок с целью снижения внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости резанием, устранение дефектов структуры (полосчатость, крупно- и разнозернистость и т. д.) и подготовке их к последующей термической обработке. Отжиг может быть: полный, неполный, изотермический, сфероиднизирующий и нормализационный (нормализация).

Отжиг полный проводится для доэвтектоидных сталей при температуре выше Ас3 на 30 - 50 °С с целью получения равновесной перлитной структуры после полной перекристаллизации. Исправляется структура, снижается твердость.

Отжиг неполный. Температура отжига лежит в интервале превращений между Ас1 и Ас3 (Ас_т), используется для заэвтектоидной стали (сортовой прокат, поковки) с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием.

Отжиг изотермический осуществляется нагревом деталей до температуры Ас3, Ас3 и Ас_т (соответственно для сталей доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных), выдержкой при температуре ускоренного охлаждения до температуры минимальной устойчивости аустенита с выдержкой при этой температуре до окончательного распада аустенита и последующего охлаждения на воздухе, По результатам изменения физико-механических свойств изотермический отжиг аналогичен полному отжигу, но продолжительность его существенно меньшее. Экономически выгодно подвергать такому отжигу высоколегированные стали.

Отжиг сфероиднзирующий проводится при циклическом изменении температуры около точки АС1 или несколько ниже ее. Отжиг обеспечивает получение зернистого цементита (перлита) и уничтожение цементитной сетки у заэвтектокдных сталей. Он приводит к снижению твердости, повышению пластичности и вязкости материала. Применяется главным образом для улучшения обрабатываемости резанием высокоуглеродистых сталей.

Нормализация является разновидностью полного отжига и отличается от него более ускоренным (на воздухе) охлаждением. Соответственно получается более мелкозернистая структура с повышенной твердостью. Нормализации подвергают поковки, штамповки и некоторые виды фасонного литья из углеродистых и легированных конструкционных сталей с малым и средним содержанием углерода.

Закалка - термическая операция, включающая нагрев материала до определенной температуры, выдержку и последующее быстрое охлаждение, обеспечивающее получение неравновесной структуры. Закалке могут подвергаться только сплавы, имеющие переменную растворимость в твердом состоянии, полиморфное превращение или претерпевающие распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции. Закалке подвергают конструкционные и инструментальные сплавы с целью их упрочнения. Сильно упрочняются непосредственно после закалки сплавы, имеющие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Упрочнение достигается вследствие образования при закалке мартенсита или получения мелкодисперсного эвтектоида, В случае фиксации после закалки пересыщенного твердого раствора максимальное упрочнение сплава достигается лишь при последующем старении. В соответствии с этим принято рассматривать два типа закалок.

Закалке с полиморфным превращением подвергают большинство сталей, а также двухфазные алюминиевые бронзы и многие сплавы на основе титана. Эти материалы в равновесных условиях имеют эвтектоидное превращение. После закалки они получают преимущественно структуру мартенсита. Закалку доэвтектоидных сталей проводят при температуре Ас3+ (30 - 50 °С), а заэвтектоидных - при температуре Ac_t + (30 - 50 °С). Скорость охлаждения должна быть выше критической.

Закалка без полиморфного превращения состоит в нагреве сплава до температуры растворения избыточных фаз, выдержке и быстром охлаждении с целью предотвращения распада твердого раствора и сохранения его в пересыщенном состоянии при комнатной температуре. После закалки сплавов проводят их старение.

Разновидности закалок. По условиям нагрева и охлаждения при закалке, а также изменению структуры по объему и поверхности изделий различают несколько видов закалок:

Закалка полная. Закалка стали из области аустенитного состояния, т.е. температура закалки выше Ас3 и Ас_г. Полной закалке подвергают доэвтектоидные и заэвтектоидные стали.

Закалка неполная проводится с температур выше Ас3 и Ас_т, В этом случае после закалки кроме мартенсита в структуре доэвтектоидной стали содержится феррит, а в заэвтектоидной стали - карбиды. Неполная закалка применяется для заэвтектоидных сталей.

Закалка объемная. Нагрев и охлаждение под закалку осуществляют всего изделия.

Закалка местная. Закалке подвергают только части детали.

Закалка поверхностная. Обычно в этом случае используют нагрев токами высокой частоты поверхностного слоя детали.

Закалка ступенчатая. Охлаждение проводится в среде, обеспечивающей скорость охлаждения в области минимальной устойчивости аустенита выше. Затем в этой среде при температуре выше М_н на 20 - 30 °С делается выдержка (ступень) до начала изотермического распада аустенита с целью выравнивания температуры по сечению изделия и уменьшения остаточных напряжений. Далее следует быстрое охлаждение стали с образованием мартенсита.

Закалка изотермическая на троостит проводится по режиму, аналогичному ступенчатой закалке, однако выдержка при температуре М_н на 20 - 100 °С должна обеспечить полный распад аустенита с образованием игольчатого троостита. После такой закалки не требуется проведение последующего отпуска. Закалка обеспечивает высокие механические свойства при минимальном короблении изделия.

Закалка изотермическая на сорбит. Условия охлаждения аналогичны изотермической закалке на троостит. Однако температура изотермической выдержки лежит на 50 - 100 °С ниже температуры наименьшей устойчивости аустенита. Процесс обеспечивает получение требуемых механических свойств при минимальной деформации деталей. Применительно к термической обработке проволоки этот процесс называется патентированием.

Закалка прерывистая. Охлаждение проводится сначала в среде с высокой, а затем с низкой охлаждающей способностью. Например, закалка с переносом деталей из воды в масло. Закалка используется для крупных и сплошных деталей с целью уменьшения их коробления.

Закалка с подсуживанием. Операцию осуществляют путем медленного охлаждения (подсуживания) с температуры нагрева детали до температуры близкой к Ас3 и последующей закалки. Закалке с подсуживанием подвергают стали с природно-мелким зерном, а также детали после цементации с целью снижения в закаленном слое остаточного аустенита и уменьшения остаточных напряжений.

Закалка с самоотпуском проводится путем прерывания процесса охлаждения с тем, чтобы за счет остаточного внутреннего тепла происходил отпуск закаленного поверхностного слоя деталей. Закалка с самоотпуском применяется для изделий простой формы.

Закалка с обработкой холодом. Охлаждение при закалке ниже комнатной температуры. Цель - уменьшение остаточного аустенита после закалки. Обработке подвергаю легированные стали с высокой устойчивостью аустенита.

Закалка светлая проводится с использованием защитной атмосферы в процессе нагрева, выдержки и светлокалящего масла при охлаждении с целью предохранения поверхности изделия от окисления и обезуглероживания.

Закалка чистая аналогична светлой закалке, но используются любые закалочные среды. На поверхности деталей в этом случае имеются цвета побежалости или пригар масла.

Закалка под давлением чаще всего осуществляется в штампах. Основное назначение - уменьшение коробления «тонких» деталей.

Отпуск закаленных деталей. Отпуск является обязательной операцией после закалки с полиморфным превращением. Он состоит в нагреве закаленной стали до температуры АС, выдержке и последующем охлаждении, как правило, на воздухе. Цель отпуска заключается в переводе неравновесной структуры закаленного состояния в более равновесное. При отпуске происходит последовательный переход мартенсита в мартенсит отпуска, затем в троостит, сорбит и перлит. Если в структуре после закалки кроме мартенсита присутствует остаточный аустенит, то при отпуске он будет переходить в мартенсит, а далее превращения идут по выше приведенной схеме. Отпуск используется для снятия высоких остаточных напряжений, возникающих при закалке и получении структуры, обеспечивающей требуемый комплекс механических свойств. По условиям нагрева и характеру превращений отпуск подразделяется на низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск проводится при температуре 120 - 250 °С. Продолжительность выдержки при отпуске устанавливается из условий обеспечения стабильности свойств стали и объемных изменений деталей при эксплуатации. Обычно выдержка тем длиннее, чем ниже температура отпуска. Она может длиться от 0,5 до 15 ч, Цель низкого отпуска состоит в сохранении высокой твердости и уменьшении остаточных напряжений, возникших при закалке. При отпуске получают структуру - мартенсит отпуска. Низкому отпуску подвергают инструментальные, углеродистые и легированные стали, а также детали, прошедшие перед закалкой цементацию, нитроцементацию, или детали, подвергнутые поверхностной закалке.

Средний отпуск проводится при температуре 350 - 450 °С, Выдержка при отпуске обычно составляет 1 - 2 ч для деталей небольшого сечения и 3 - 8 ч для крупных деталей массой 200 - 1000 кг. Среднему отпуску обычно подвергают изделия, работающие при значительных динамических нагрузках: рессоры, пружины и другие упругие элементы. При среднем отпуске получают трооститную структуру, обладающую высокими упругими характеристиками. Отпуск в районе температур выше 250 и ниже 350 °С не проводят, так как все стали независимо от степени их легирования при таком отпуске имеют пониженное значение ударной вязкости (отпускная хрупкость первого рода).

Высокий отпуск проводят при температуре 500 - 680 °С. Продолжительность его составляет от одного до нескольких часов. У легированных конструкционных сталей (хромистых, марганцевых, хромоникелевых и др.) при охлаждении деталей на воздухе наблюдается снижение ударной вязкости (отпускная хрупкость второго рода). Для устранения этого явления используют быстрое охлаждение (в воде или масле) деталей от температуры отпуска или применяют стали, дополнительно легированные в малых количествах молибденом либо вольфрамом. Сочетание закалки с высоким отпуском называют улучшением. После высокого отпуска, в зависимости от состава стали, образуется структура либо сорбита, либо мартенсита отпуска. На сорбит обрабатывают изделия, работающие главным образом на растяжение и сжатие при относительном равномерном распределении нагрузок по всему сечению изделия. Улучшению подвергают изделия типа валов, полуосей, шатунов, крепежные детали и др.

Отпуск многократный осуществляется путем проведения последовательно нескольких отпусков. Применяют главным образом при термической обработке инструментальных сталей. Цель - обеспечение наиболее полного превращения остаточного аустенита и повышения твердости материалов.

Старение проводят после закалки (без полиморфного превращения). Структура после закалки представляет собой пересыщенный твердый раствор. Естественное старение осуществляют путем вылеживания деталей при комнатной температуре; искусственное старение технологически аналогично отпуску. Основная цель старения - повышение твердости и прочности материалов. В случае использования цветных сплавов, например, дуралюминов, естественное старение проводят в течение нескольких суток. При искусственном старении детали нагревают до температуры 200 °С, выдерживают несколько часов и охлаждают на воздухе. Упрочнение достигается в основном вследствие образования зон Гинъе-Престона. Старение коррозионно-стойких и жаропрочных сталей проводят после аустенизации. Температура старения для сталей большинства марок находится в интервале 650 - 850 °С. Продолжительность старения составляет 4 - 100 ч.

Термическая обработка. Эффект упрочнения этих материалов достигается выделением из твердого раствора избыточных фаз в мелкодисперсном состоянии (дисперсионное твердение). Подобный эффект упрочнения проявляется и у специальных мартенсито-стареющих сталей. Они подвергаются закалке на мартенсит и при последующем старении при 480 - 520 °С из него выделяются мелкодисперсные частицы вторичных фаз, обеспечивающие основное упрочнение материала. Химико-термическая обработка стали заключается в изменении химического состава стали на поверхности изделия и последующем проведении термообработки. Цель ее - упрочнение поверхностных слоев стали (повышение твердости, усталостной прочности, износостойкости и т. п.), изменение физико-химических и других свойств (коррозионных, фракционных и т.д.). От поверхностной закалки данный вид обработки отличается тем, что предварительно производят насыщение поверхности обрабатываемых изделий различными элементами (С, N, Al, Si, Cr и др.). Проникая в основную решетку металла, атомы элемента образуют твердый раствор внедрения или замещения, либо химическое соединение.

Цементация - поверхностное насыщение малоуглеродистой стали (Связкой, а поверхностный слой - твердым и прочным (твердость по Бринеллю повышается до 660 - 650 единиц).

Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя азотом. Целью азотирования является создание поверхностного слоя с высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии. Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 ч) деталей в атмосфере аммиака при 500 - 600 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак. Реторту помещают в нагревательную печь. Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). Азотирование применяют в машиностроении для изготовления мерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др.

Цианирование стали. Цианированием (нитроцементацией) называется процесс совместного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом. Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей. При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавленных солях, либо в газовой среде. В зависимости от температуры процесса различают высокотемпературное (850 - 950 °С) и низкотемпературное (500 - 600 °С) цианирование. После низкотемпературного цианирования отпуск не производится. Глубина цианированного слоя 0,01 - 0,04 мм о твердостью HV 1000. После высокотемпературного цианирования на глубину 0,6 - 1,8 мм в течение 3 - 10 ч детали подвергают закалке и низкому отпуску, Твердость после термообработки составляет HRC 59 - 62. Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей.

Диффузионная металлизация. Диффузионной металлизацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Детали, поверхность которых насыщена алюминием, хромом, кремнием, бором, приобретают ряд ценных свойств, например жаростойкость, коррозионную стойкость, повышенную износостойкость и твердость. Металлизация бывает твердая, жидкостная и газовая.

При алитировании, т. е. насыщении алюминием, которое обычно проводится в порошкообразных смесях или расплавленном алюминии, детали приобретают повышенную коррозионную стойкость благодаря образованию плотной пленки А1₂О₃, предохраняющей металл от окисления. Толщина слоя составляет 0,2 - 0,5 мм. При хромировании обеспечивается высокая стойкость против газовой коррозии до 800 °С, а также стойкость против коррозии в воде, морской воде и кислотах. Толщина слоя составляет до 0,2 мм.

Силицирование, т. е. насыщение кремнием, придает высокую кислотоупорность в соляной, серной и азотной кислотах и применяется для деталей, используемых в химической и нефтяной промышленности. Толщина слоя колеблется в пределах 0,3 - 1,0 мм.

Борирование придает поверхностному слою исключительно высокую твердость (до HV 1800 - 2000), износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Борирование часто проводят при электролизе расплавленных солей, например буры Na₂B₂O₇, когда стальная деталь является катодом. При температуре около 150 °С и выдержке 2 - 5 ч на поверхности образуется твердый борид железа и толщина слоя достигает 0,1 - 0,2 мм.

Литература:

1. Алексеев В.С. Токарные работы: учебное. / В.С. Алексеев. – М.: Инфра – М, 2010 г., - ил. – (Мастер). – Библиогр. В конце книги.

2. Багдасарова Т.А. Технология токарных работ: рабочая тетрадь: учебное пособие / Т.А. Багдасарова. – М.: Академия, 2010 г. (начальное профессиональное образование).

3.Холодкова А.Г. Общие основы технологии металлообработки и работ на металлорежущих станках. Учебник (1-е изд.).- М: Издательский центр «Академия», 2016 г.