Термічна обробка металів та сплавів. Металеві матеріали Термічна та механічна обробка

Підвищення міцності та інших механічних властивостей металів досягається багатьма способами, одним із найпоширеніших є термомеханічна обробка. Цей метод поєднує в собі термообробку та пластичну деформацію.

Термомеханічна обробка металів(ТМО) використовується людиною давно, ковалі ще за давніх часів виготовляли мечі за цією технологією, вони розжарювали заготівлю в горні, потім обробляли її молотом і різко охолоджували в холодній воді, процес повторювався кілька разів.

У такий спосіб можна було створювати міцні, гострі та досить стійкі вироби. У наші дні також застосовується подібна дія на метал і сплави; розглянемо, які види ТМО існують, та які характеристики оброблюваних заготовок вони підвищують.

Бувають такі види термомеханічної обробки:

• Високотемпературна;


• Низькотемпературна.

Для кожного виду металу та сплаву індивідуально вибирається схема обробки, оскільки всі матеріали відрізняються своїми фізико-хімічними властивостями. Познайомимося докладніше з технологією цих процесів.

Високотемпературна термомеханічна обробка металів

Деформація металу при цьому виді обробки відбувається після попереднього розігріву. Температура матеріалу повинна бути вищою за температуру рекристалізації, іншими словами, він повинен бути в аустенітному стані.

Пластична деформація веде до того, що на аустеніті утворюється наклеп, після чого метал піддають загартування з відпусткою.

Термомеханічна обробка металу за високої температури дає такі результати:

• Зниження температурного порога холодоємності;


• Підвищення опору тендітному руйнуванню;


• Усувається розвиток відпускної крихкості;


• Підвищення ударної в'язкості;


• Знижується чутливість до утворення тріщин під час термічної обробки.

Такій обробці піддаються леговані, конструкційні, пружинні, вуглецеві та інструментальні сталі.

Низькотемпературна термомеханічна обробка металів

При цьому виді обробки здійснюється нагрівання заготівлі до стану аустеніту, її витримують в цьому стані, потім відбувається охолодження. При цьому важливо, щоб температура після охолодження була нижчою, ніж температура рекристалізації, і вищою, ніж температура мартенситного перетворення. У такому стані проводять пластичну деформацію деталей.

Також практикується деформація аустеніту, який перебуває в переохолодженому стані, коли його температура дорівнює температурі бейнітного перетворення.

Низькотемпературна термомеханічна обробка металуне дає стійкості матеріалу під час відпустки, крім того, пластична деформація здійснюється з використанням потужного обладнання. Ці фактори обмежують сферу застосування даного методуу промисловості.

Де застосовується термомеханічна обробка металів

Сфер, у яких використовується термомеханічна обробка металу, досить багато, оскільки вона допомагає значно підвищити якість деталей, що виготовляються.

Головною перевагою даної технології є те, що вона дозволяє одночасно підвищити пластичність та міцність матеріалу, що є унікальним явищем.

У машинобудуванні, оборонній та транспортній промисловості такі якості цінуються дуже високо, тому технологія застосовується досить часто.

Оскільки метал зміцнюється, і усуваються дефекти його кристалічних ґрат, готових виробівпідвищується стійкість до ерозії та корозії, у них немає залишкової напруги, значно збільшується термін експлуатації.

Яке обладнання використовується для термомеханічної обробки металів

Термомеханічна обробка металу передбачає використання спеціальних пристроїв для нагрівання, охолодження та тиску на заготівлі.

Насамперед, для розігріву деталей використовуються спеціальні печі, температурний режим у них може бути різним, все залежить від виду матеріалу, що підлягає обробці.

Пластична деформація здійснюється на спеціальних верстатах - це може бути протяжка, кування або штампування.

Потужні агрегати можуть бути включені до автоматичних ліній, що значно спрощує процес обробки і робить його більш продуктивним.

Устаткування для ТМО на виставці

Дізнатися, як відбувається ТМО та інші процеси обробки металу, можна на , яка відбудеться в московському «Експоцентрі».

Захід буде цікавим для відвідування власникам промислових заводів та невеликих майстерень, оскільки на ньому представники понад 1000 компаній продемонструють новітні верстати, інструменти та інше обладнання.

Також експоненти з різних країн представлять гостям свої інноваційні технології, які допомагають оптимізувати бізнес та підвищити його прибутковість.

Загальні відомості.Термічною обробкою сталі та інших конструкційних матеріалів називається технологічний процес теплової обробки заготовок, деталей машин та інструменту, в результаті якої змінюється мікроструктура матеріалу, а разом з нею механічні, фізико-хімічні та технологічні властивості. Процеси термічної обробки конструкційних матеріалів пов'язані з алотропними перетвореннями (поліморфізмом), а також із зміною хімічного складу матеріалу виробу.

Термічній обробці піддають заготівлі, поковки, штампування, а також готові деталі та інструмент для надання їм необхідних властивостей: твердості, міцності, зносостійкості, пружності, зняття внутрішніх напруг, поліпшення оброблюваності.

Сутність термічної обробки полягає в нагріванні металу до температури, яка дещо вища або нижча від критичних температур, витримці при цих температурах і швидкому або повільному охолодженні. У процесі охолодження у структурі металу відбуваються алотропні зміни, внаслідок яких різко змінюються механічні властивості. При швидкому охолодженні збільшуються твердість, зносостійкість, пружність тощо, при повільному охолодженні - пластичність, ударна в'язкість, оброблюваність. Крім того, існує термічна обробка, пов'язана із зміною хімічного складу матеріалу виробу, так звана хіміко-термічна обробка.

Залежно від способу нагріву та глибини прогріву алотропні перетворення відбуваються по всьому перерізу або лише в поверхневих шарах оброблюваних деталей. При нагріванні до певної температури, витримці при цій температурі та охолодженні з певною швидкістю мікроструктура деталей змінюється по всьому перерізу.

Зміна хімічного складу поверхневих шарах оброблюваних деталей супроводжується їх зміцненням чи зміною інших властивостей.

Існують такі способи термічної обробки сталей:

• об'ємна термічна обробка сталей, що виробляється з метою зміни мікроструктури металевих сплавів, що перебувають у твердому стані, та надання їм необхідних властивостей по всьому обсягу оброблюваних деталей (загартування, відпустка, відпал, нормалізація);
• поверхнева термічна обробка сталі, що викликає зміну структури та властивостей лише в поверхневому шарі виробу;
• хіміко-термічна обробка, що полягає в нагріванні металевих виробів разом з речовинами, здатними змінювати склад і структуру, головним чином поверхневого шару виробу, що обробляється;
• електротермічна обробка, що виробляється за допомогою індукційного нагріву струмами високої частоти, а також шляхом контактного нагріву та нагріву в електролітах;
• термомеханічна обробка, пов'язана з нагріванням виробів, що піддаються, наприклад, прокатці, волочению і подібним операціям, з метою усунення наклепу, викликаного пластичними деформаціями.

Перетворення сталі при нагріванні.Перетворення сталі при нагріванні пов'язані з досягненням сплавами критичних температур, у яких відбуваються фазові перетворення.

У системі залізовуглецевих сплавів прийнято такі позначення критичних температур: температура лінії PSK (див. рис. 3.6) позначається А 1 (727 ° С), температура лінії МО - А 2 (768 ° С), температура лінії GOS - А 3 (727 ... 911 °С), температура лінії ES - А m(727 … 1147 ° С). Щоб відрізнити критичну температуру, одержану при охолодженні, від критичної температури, одержаної при нагріванні, перед цифровим індексом при охолодженні ставлять букву r (Аr 1 , Аr 2), а при нагріванні - з (Ас 1 , Ас 2).

Перетворення перліту на аустеніт у повній відповідності з діаграмою Fe-Fe 3 C може завершитися при температурі 727 °С.

(Ас 1) при повільному нагріванні. Швидкість перетворення перліту в аустеніт перебуває у прямій залежності від вмісту сталі вуглецю.

При температурі 768 ° С (точка Кюрі - Ас 2) стали втрачати свої магнітні властивості.

Закінчення процесу перетворення характеризується утворенням аустеніту та зникненням перліту.

При нагріванні сталей із вмістом вуглецю менше 0,8 %, тобто доевтектоїдних, з вихідною структурою, що складається з фериту та перліту, відбуваються такі структурні перетворення. При температурі 727 °С відбувається перетворення перліту на аустеніт. При цьому зберігається двофазна структура - з аустеніту та фериту. При подальшому нагріванні відбувається перетворення фериту на аустеніт, яке закінчується при досягненні критичної температури Ас 3 , тобто на лінії GOS.

У заевтектоїдних сталей при нагріванні вище температури Ас 1 відбувається розчинення цеменіту в аустеніті (відповідно до лінії SE), яке закінчується при критичній температурі Ас m, Т. е. на лінії SE.

Для більш повного розуміння процесів структурних перетворень розглянемо діаграму ізотермічного перетворення перліту на аустеніт при нагріванні (рис. 1).

Рис. 1. t – температура; τ – час; А – аустеніт; П – перліт; Ц – цементит; v 1 і v 2 - швидкості нагріву; Ас 1 - критична температура (евтектоїд)

Так як перліт - це суміш цементиту та фериту у співвідношенні приблизно 1: 6, то при нагріванні на межі розділу фериту та цементиту утворюються зерна аустеніту. При подальшому нагріванні відбуваються розчинення цементиту в аустеніті та подальше зростання зерен аустеніту. Зі зростанням зерен аустеніту відбувається поступове збільшення масової частки вуглецю в аустеніті. Швидкість нагрівання також впливає на перетворення перліту на аустеніт. На діаграмі променями v 1 і v 2 графічно зображені різні швидкості нагріву. Чим менша швидкість нагрівання, тим при нижчих температурах відбувається весь процес фазових перетворень.

Важливою характеристикою сталі є схильність до зростання аустеніту зерна при нагріванні. При зростанні зерна при незначному перегріві вище критичної точки сталь вважається спадково крупнозернистою. Якщо зерно починає рости при більшому перегріві - спадково дрібнозернистої. На зростання зерна великий вплив мають різні домішки, які у сталь у процесі плавки. Схильність до зростання аустенітного зерна є плавною характеристикою.

Зернистість впливає механічні властивості сталей. Дрібнозерниста сталь має значно більшу ударну в'язкість, ніж крупнозерниста, тому при термічній обробці сталей цей фактор слід враховувати.

Справжня величина зерна - це розмір зерна за звичайних температурних умов після певного типу термообробки. Для визначення величини зерна прийнято стандартну шкалу. У ГОСТ 5639-82 представлена ​​шкала для оцінки величини зерна за десятибальною системою (рис. 2).

Рис. 2. Стандартна шкала зернистості сталі (100x):1-10 – бали зерна

Величину зерна визначають за стократного збільшення методом порівняння зі стандартною шкалою. Для визначення зернистості сталь має бути нагріта до температури 930 °С. Якщо за цієї температури номер зерна 1 - 4, це сталь спадково крупнозернистая. Сталі, у яких номер зерна 5 – 8 і більше, – спадково дрібнозернисті. Легуючі елементи (ванадій, вольфрам, молібден, титан та ін.) сприяють утворенню спадково дрібнозернистої макроструктури. Така сталь при високих температурах добре піддається будь-якому виду обробки деформуванням (прокатка, кування, штампування та ін.). Укрупнення зерна та зниження механічних властивостей при цьому не відбувається. Як правило, більшість легованих сталей, а також спокійні сталі – спадково дрібнозернисті. Всі киплячі сталі - спадково крупнозернисті, мають низьку ударну в'язкість і високу холоднокламкість.

Перетворення на сталі при охолодженні.При охолодженні сталей з аустенітною структурою можуть відбуватися різні перетворення, що залежать від швидкості охолодження. Розглянемо діаграму ізотермічного перетворення аустеніту на перліт (рис. 3). Криві перетворення аустеніту мають С-подібну характеристику і показують, що швидкість перетворень неоднакова. Максимальна швидкість перетворення відповідає охолодженню нижче за Ас 1 (727 °С) на 170 °С. Криві початку та кінця перетворень зміщені вправо та відповідають найбільшій стійкості.

Рис. 3. t – температура; τ – час; А – аустеніт; П – перліт; Б - бейніт; М – мартенсит; А зост - залишковий аустеніт; Т - троостить; Ф – ферит; Ц – цементит; С – сорбіт; v 1 і v 2 - швидкості охолодження; М н і М к - відповідно температури початку та кінця мартенситного перетворення; А п – половинчастий аустеніт; v кр – критична швидкість

Ліва крива на діаграмі відповідає межі початку перетворень, права крива показує кінець перетворення аустеніту. Перетворення аустеніту на перліт носить дифузійний характер.

Швидкість дифузії залежить від ступеня переохолодження або швидкості охолодження. Продукти перлітного перетворення мають пластинчасту будову, визначені як перліт, сорбіт і троостит і відрізняються ступенем дисперсності. Але якщо перліт - це рівноважна структура, то сорбіт і троостит - нерівноважні структури, у яких вміст вуглецю більше чи менше 0,8 %. Існує ще проміжне (бейнітне) перетворення в області температур 500...350 °С. При більшій мірі переохолодження (до 230 ° С) аустеніт знаходиться в нестійкому стані, дифузійні процеси відсутні, утворюється твердий розчин, що перенасичений вуглецем.

Мартенситне перетворення на сталі має три особливості. По-перше, мартенситне перетворення має бездифузійний характер. По-друге, кристали мартенситу орієнтовані. Третя особливість полягає в тому, що мартенситне перетворення відбувається при безперервному охолодженні інтервалу певних температур для кожної сталі. Температуру початку мартенситного перетворення називають мартенситною точкою і позначають М н, а температуру закінчення позначають М к. Положення точок М н і М к на діаграмі залежить від кількості вуглецю в сталі та присутності легуючих елементів. Як правило, великий вміст вуглецю та наявність легуючих елементів знижують положення крапок.

Накладемо на діаграму графіки швидкостей охолодження та зобразимо схему впливу швидкості охолодження на температуру перетворень аустеніту. З діаграм бачимо, що чим більша швидкість охолодження, тим дисперсніше отримувана структура. При невеликій швидкості v 1 утворюється перліт, при більшій швидкості v 2 - сорбіт і ще більшої v кр - троостит. При швидкості охолодження, більшої, ніж v кр, частина аустеніту перетворюється на мартенсит. Мінімальна швидкість охолодження, при якій весь аустеніт переохолоджується до точки М н і перетворюється на мартенсит, називається критичною швидкістю загартування. Цей процес перетворення на мартенсит має велике практичне значення і покладено в основу термічної обробки.

Перлітне перетворення на сталі застосовують у процесі отжига; мартенситне - при загартуванні; проміжне - при ізотермічному загартуванні.

Механічні властивості сталі зі структурами перліту, сорбіту та трооститу залежать від ступеня зниження температури розпаду та дисперсності феритно-цементитної структури. При цьому твердість, межі міцності, плинності та витривалості зростають.

Структура мартенситу має більш високу твердість та міцність, а також залежить від вмісту вуглецю в сталі. Негативним фактором мартенситної структури є підвищена крихкість. Як мовилося раніше, легуючі елементи впливають становище точок М н і М к і відповідно впливають практичну швидкість гарту, зазвичай у бік зменшення.

Режим термічного оброблення.Процес термічної обробки з метою зміни структури та механічних властивостей складається з операцій нагрівання виробу, витримки при даній температурі та охолодження з певною швидкістю. Параметрами технологічного процесутермічної обробки будуть максимальна температура нагрівання сплаву, час витримки при даній температурі та швидкості нагрівання та охолодження.

Нагрів сталі - це одна з основних операцій термічної обробки, від якої залежать фазові та структурні перетворення, зміни фізичних та механічних властивостей, тому режим нагріву є визначальним для отримання конкретних характеристик сплаву. У практиці розрізняють технічно можливу та технічно допустиму швидкість нагрівання для кожної деталі або партії деталей.

Технічно можлива швидкість нагрівання залежить від способу нагрівання, типу нагрівальних пристроїв, форми і розташування виробів, маси деталей, що одночасно нагріваються, та інших факторів.

Технічно допустима, або технологічна, швидкість нагрівання залежить від хімічного складу сплаву, структури, конфігурації виробу та інтервалу температур, за яких ведеться нагрівання. Час витримки - це час, необхідне повного вирівнювання температур з усього обсягу виробів і для завершення всіх фазових і структурних перетворень.

Охолодження - це завершальний процес, здійснюваний для одержання необхідної структури з необхідними механічними властивостями.

Залежно від температури нагрівання та швидкості охолодження розрізняють такі основні види термічної обробки: відпал, нормалізація та загартування з подальшою відпусткою.

Рис. 4. 1 - перліт + ферит; 2 – аустеніт; 3 – мартенсит; 4 - троостить; 5 - сорбіт; 6 - ферит + перліт

На рис. 4 представлені мікроструктури, отримані в результаті нагрівання та охолодження сталі марки 40 с різною швидкістю. Характеристика цих мікроструктур розглянуто у табл. 1.

Таблиця 1. Характеристики мікроструктур, утворених в результаті нагрівання та охолодження стали 40
Структура	Визначення	Режим охолодження	Критична точка	Характеристика	Твердість НВ
Перліт +	Механічна суміш частинок перліту та фериту при розпаді аустеніту.	При повільному охолодженні аустеніту внаслідок дифузії вуглецю. Охолодження природне зі швидкістю до 50 ° С/год	Нижче за 730 °С	Твердий і міцніший, ніж ферит, але мее пластичний, магнітний, за формою зернистий	160 … 200
Сорбіт	Механічна суміш фериту та цементиту. За будовою дисперсніший, ніж перліт. Вміст вуглецю не лімітований	При прискореному охолодженні в інтервалі температур 600...700 °С. Охолодж ня зі швидкістю 50 °С/с	Нижче Ас1	Пластичний і в'язок, магнітний, міцніший, ніж перліт	270 … 320
Тростит	Механічна суміш фериту та цементиту. За будовою ще дисперсніший, ніж сорбіт. Вміст вуглецю не лімітований	При прискореному охолодженні в інтервалі температур 400...600 °С. Охолодження зі швидкістю 100 ° С/с	Нижче Ас1	Магнітен, міцніший, ніж сорбіт	330 … 400
Мартенсіт	Твердий розчин вуглецю та інших елементів у залізі. Вміст вуглецю не лімітований	При охолодженні зі швидкістю 150 °С/с та вище	Нижче за 150 °С	Тендітний, твердий, магнітний. Твердість залежить від вмісту вуглецю. Мало тепло- та електропровідний	650 … 750

2. Відпал та нормалізація

Відпал.Відпалом називається розміцнююча обробка деталей і заготовок, що полягає в нагріванні до певної температури в межах критичних точок і подальшому повільному охолодженні разом з піччю. Головним призначенням відпалу є усунення структурної неоднорідності в деталях і заготовках, отриманих обробкою тиском, литтям, куванням та зварюванням, та перекристалізація структур деталей (у тому числі отримання мікроструктури зернистого перліту та цементиту). З усуненням структурної неоднорідності відбувається зміна механічних і технологічних властивостей, зняття внутрішніх напруг, усунення крихкості, зниження твердості, збільшення міцності, пластичності та ударної в'язкості, поліпшення штампування та оброблюваності різанням. У практиці розрізняють відпал першого та другого роду.

Відпал першого роду - це нагрівання деталей та заготовок з нерівноважною структурою для отримання стабільно рівноважної структури.

Відпал другого роду - це нагрівання деталей і заготовок вище за критичні температури з подальшим повільним охолодженням для отримання стійкого стану структури. Нагрів деталей і заготовок вище за критичні температури забезпечує повну перекристалізацію структури металу. Наприклад, вуглецева конструкційна сталь марки 40 у виливку або поковці матиме деформовану структуру у вигляді великих зерен фериту та перліту (рис. 5, а). При нагріванні цієї сталі до температури вище за Ас 3 деформована структура перетворюється на аустеніт, а при повільному охолодженні - в рівноважну структуру у вигляді дрібних зерен правильної форми фериту і перліту (рис. 5, б). Ця структура відрізняється високою твердістю, крихкістю і має низьку оброблюваність різанням. Після операції повного відпалу відбувається укрупнення структури, рівномірний розподіл зерен перліту, зменшується твердість і покращується оброблюваність. У цьому полягає сутність процесу відпалу деталей та заготовок.

Рис. 5. Мікроструктура стали марки 40, отримана в результаті лиття та кування (а) та після нормалізації (б)

Важливим фактором, що зумовлює якісний відпал, є правильний вибіртемператури нагріву, яку визначають за діаграмою залізо - вуглець (цементит) залежно від марки сталі та масової частки вуглецю. Так, доевтектоїдні сталі нагрівають до критичної температури Ас 3 + (20 ... 30 ° С), заевтектоїдні сталі на неповний відпал нагрівають до критичної температури Ас 1 + (20 ... 30 ° С). При нагріванні стали вище критичної температури Ас 3 або Ас m(залежно від марки) мікроструктура перліту перетворюється на мікроструктуру дрібнозернистого аустеніту.

Для якісного проведення відпалу необхідно правильно вибирати швидкість та температуру нагріву, а також швидкість охолодження.

Види відпалу.У практиці застосовуються такі види відпалу: повний, неповний, низькотемпературний, ізотермічний, вирівнюючий або дифузійний (рис. 6).

Повного відпалу піддають штампування, поковки та виливки з доевтектоїдної та заевтектоїдної сталі для перекристалізації їх деформованої мікроструктури. Температуру нагріву для повного відпалу вибирають на 20 ... 30 ° С вище за критичну точку Ас 3 (рис. 7, а) і до температури 500 ° С охолоджують разом з піччю, далі охолоджують на повітрі. Після повного відпалу виправляється деформована структура, подрібнюється зерно та відбувається рівномірний розподіл зерен перліту та фериту по всьому перерізу деталей. При цьому твердість знижується, ударна в'язкість, міцність і пластичність підвищуються, покращується оброблюваність різанням і, головне, знімаються внутрішні напруги.

Рис. 6.

Рис. 7. Схема повного (а) та неповного (б) відпалу вуглецевих сталей:

Неповний відпал застосовують в основному для деталей і заготовок із заевтектоїдних сталей. Для доевтектоїдних сталей цей вид відпалу застосовують для поковок, штампувань і виливків, мікроструктура яких отримала правильну рівноважну дрібнозернисту форму. При неповному відпалі (рис. 7 б) деталі нагрівають до критичної температури Ас 1 + (20 … 30 °С), витримують при цій температурі і охолоджують разом з піччю до температури Ас 1 – (20 … 30 °С), витримують при цій температурі і далі охолоджують разом з піччю до температури 500 °С, потім охолоджують деталь на повітрі.

При неповному відпалі утворюється мікроструктура зернистого (сфероїдизованого) перліту або зернистого цементиту. При цьому також знижуються внутрішні напруження. Знову отримана мікроструктура зернистого перліту знижує твердість, підвищує пластичність і ударну в'язкість. Поліпшується оброблюваність різанням.

За допомогою неповного відпалу знімають внутрішню напругу, запобігають викривленню та утворенню мікротріщин, покращують оброблюваність різанням деталей і заготовок. При нагріванні заготовки тривалий час витримують у печі для повного прогрівання і охолоджують разом з піччю (зі швидкістю не більше 60 °С/год). Неповний відпал за своїм призначенням і фізикохімічним процесам, що відбуваються в деталях, аналогічний сфероїдизуючий відпал.

Низькотемпературний відпал застосовується для деталей та заготовок, отриманих куванням, штампуванням та литтям, структура яких не зазнала особливої ​​деформації, знаходиться у рівноважному стані і не потребує виправлення, немає потреби у її перекристалізації. У зв'язку з цим низькотемпературного відпалу піддають заготовки з метою зняття внутрішніх напруг, поліпшення оброблюваності різанням, волочінням. Для цього деталі нагрівають нижче критичної точки Ас 1 . Нагрівання виробляють повільно зі швидкістю до 150 °С/год, витримують при цій температурі, після тривалої витримки деталі охолоджують разом із піччю або на повітрі.

Ізотермічне відпал піддають деталі невеликих перерізів з легованих та вуглецевих сталей. При цьому конструкційні сталі нагрівають до температури на 30 ... 40 ° С вище за критичну точку Ас 1 , а інструментальні сталі - до температури на 50 ... 100 ° С вище за критичну точку Ас 3 . Після нагрівання та прогріву (витримки) деталі переносять в іншу піч (ванну), де охолоджують до температури на 50 … 100 °С нижче отриманої спочатку

процесу. За цієї температури деталі витримують до повного (ізотермічного) розпаду аустеніту на зернистий перліт. У процесі цієї термічної операції знижується твердість, збільшується міцність і пластичність та покращується оброблюваність різанням різними технологічними операціями. Схему ізотермічного відпалу поковки з легованої сталі марки ХВГ наведено на рис. 8 а.

Як видно зі схеми, нагрівання поковки після кування проводять ступінчастим методом. Спочатку охолоджують на 50 ... 100 ° С нижче критичної точки Ас 1 витримують при цій температурі, потім нагрівають вище критичної точки Ас 1 на 20 ... 50 ° С, тривалий час витримують при цій температурі і охолоджують разом з піччю.

Різновидом ізотермічного відпалу є відпал на зернистий перліт (Рис. 8, б). Відпал на зернистий перліт здійснюють ступінчастим нагріванням і охолодженням до розпаду аустеніту в зернистий перліт. Спочатку здійснюють нагрівання до критичної точки Ас 1 + (20 ... 30 ° С), потім охолоджують до температури нижче за Ас 1 (700 ° С) і далі знову нагрівають до температури 500 ... 660 ° С. Після тривалої витримки за останньої температури деталі охолоджують на повітрі.

Рис. 8. Схема ізотермічного відпалу (а) та відпалу на зернистий перліт (б) поковки з легованої сталі марки ХВГ:t – температура; τ – час; Ас 1, Ас 3 - критичні температури

У більшості виливків, у тому числі із залізовуглецевих сплавів, виходить різнорідність за хімічним складом кристалів (зерен) - так звана іонна міжкристалітна (дендритна або зональна) ліквація. З метою усунення цієї хімічної неоднорідності на практиці застосовується вирівнюючий , або дифузійний , відпал (Гомогенізація). Для цього виду відпалу виливки нагрівають до високої температури, зазвичай до 1000 ... 1100 ° С, тривалий час витримують при цій температурі і потім охолоджують повільно разом з піччю. При високій температурі атоми одних хімічних елементів, зосереджені нерівномірно, набувають більшої рухливості і дифундують з одних кристалів до інших. Відбувається хімічне вирівнювання за хімічним складом як великих кристалів (дендрит), так і дрібних кристалів.

Після дифузійного відпалу виходить крупнозерниста структура, яка потребує додаткового повного чи неповного відпалу. Якщо цьому відпалу піддавалися заготівлі, що вимагають подальшої обробки тиском, ці заготовки додатковому відпалу до обробки не піддаються. Такі деталі піддаються одному з видів відпалу тільки після обробки тиском (ковки, штампування, волочіння).

Дефекти під час відпалу.При відпалі через порушення технологічних режимів можуть утворюватися такі дефекти: перегрів, перепал, знеуглерожування та окислення деталей та заготовок.

Перегрів виникає при недотриманні температурного режиму при високих температурах і при технологічно необґрунтованій тривалій витримці печі. При цьому виникає крупнозерниста структура, яка отримала назву структури перегріву.

Крупнозерниста структура має знижену пластичність, схильність до утворення тріщин, напруг, що розтягують, і до жолоблення деталей. Також перегрів може виникнути при нагріванні заготовок для гарячого деформування, при відпалюванні виробів складної конфігурації, нагріванні до температури значно вище критичної або тривалої витримки при технологічно обґрунтованій температурі.

Перегрів є поправним дефектом. Для його виправлення слід здійснити повний відпал з дотриманням усіх температурних режимів.

Значний перегрів супроводжується швидким зростанням зерна, що ушкоджує межі цих зерен. Пошкодження меж зерен називається перепалом . Перепал виникає тоді, коли метал тривалий час витримують за високих температурних режимів. При цьому іноді відбувається часткове оплавлення меж зерен або їхнє активне окислення. Деталь стає крихкою.

Перепал - непоправний дефект і є шлюбом відпалу.

Обезуглерожування і окислення деталей та заготовок відбуваються при відпалі у соляних ваннах, електричних та полум'яних печах. За таких способів нагрівання поверхня деталей взаємодіє з різними газами. За ступенем впливу та хімічної взаємодії з поверхнями деталей реагенти поділяються на окислюючі (кисень, оксид вуглецю, водяну пару) та знеуглерожуючі (кисень, водень, водяну пару).

Характер окислення в печі обумовлюється паливом та його хімічним складом, атмосферою печі, часом знаходження деталей у печі та маркою конструкційного матеріалу. Окислення викликає окалину металу на поверхні деталі, зміна її розмірів і призводить до витрат за додатковими технологічними операціями для очищення окалини.

Обезуглероживание як дефект відпалу викликано тим, що кисень, присутній у атмосфері печі, окислює вуглець раніше, ніж залізо, т. е. відбувається вигоряння вуглецю на невелику глибину від поверхні деталі. Якщо кисень одночасно окислює вуглець і залізо, відбуваються окалиноутворення та чад металу. Якщо в атмосфері печі знаходиться пара, то обезуглерожування протікає дуже активно. Обезуглерожування знижує прожарювання або взагалі зумовлює несприйнятливість до загартування, знижує міцність втоми, погіршує хімічні властивості поверхонь деталей.

З метою запобігання обезуглерожування деталей в атмосфері печі повинні бути сухий водень, оксид вуглецю або інертні нейтральні гази. Крім того, при відпалі деталі нагрівають у герметично закритих ящиках, обмазаних глиною, з вугіллям з дерева або чавунною стружкою.

Нормалізація.Нормалізацією називається процес термічної обробки деталей та заготовок, при якій їх нагрівають до критичної температури Ас 3 або Ас m+ (30 ... 50 ° С), витримують при цій температурі і охолоджують на повітрі. У процесі нормалізації утворюється мікроструктура тонкого (дисперсного) перліту. При цьому трохи знижуються твердість, міцність, підвищуються пластичність і ударна в'язкість, покращується оброблюваність різанням.

Температуру нагріву для нормалізації вибирають залежно від марки сталі та масової частки вуглецю в ній по сталевій частині діаграми залізо - вуглець. Призначення нормалізації залежить від складу сталі, конкретної подальшої обробки тиском та конструкції деталі.

Наприклад, низьковуглецеві сталі для поліпшення оброблюваності замість відпалу нормалізують. Інструментальні вуглецеві сталі перед гартуванням для усунення цементитної сітки та одержання структури дрібнодисперсного перліту також піддають нормалізації. Сталь марки 30 після повного відпалу (у стані постачання) має такі властивості: міцність - 440 МПа; пластичність – 17 %; твердість – 179 НВ; ударна в'язкість КСV – 62 Дж/см2. Після нормалізації ці властивості трохи змінюються: міцність становить 390 МПа; пластичність – 23 %; твердість – 143 … 179 НВ; ударна в'язкість КСV – 49 Дж/см2. Приклад взятий для поковування діаметром до 100 мм. Як бачимо, після нормалізації механічні властивості будуть дещо нижчими, ніж у стані поставки, внаслідок стабілізації структури металу деталей. Цей фактор значно покращує оброблюваність різанням заготовок.

У процесі нормалізації виникають дефекти, аналогічні дефектам відпалу, але менш вираженою формі. Наприклад, незначне перегрів металу не призводить до перепалу. Часткове обезуглерожування не призводить до утворення окалини та чаду металу.

3. Загартування та відпустка

Загартування.Загартуванням називається нагрівання сталі до температури вище критичних, витримка при цій температурі і подальше швидке охолодження. В результаті загартування підвищуються твердість, міцність, пружність, зносостійкість та інші механічні властивості.

Швидкість охолодження повинна бути значно вищою за критичну швидкість, при якій мікроструктура аустеніту розпадається на метастабільну мікроструктуру мартенситу. Як відомо, ця мікроструктура, як і мікроструктура аустеніту, має рівномірну розчинність вуглецю. Збереження рівномірної розчинності вуглецю шляхом фіксації мікроструктури є основною метою загартування.

При критичній швидкості охолодження або значно вище за неї фіксується фізико-хімічний стан аустеніту в його рівномірній розчинності вуглецю.

У процесі загартування зі зміною мікроструктури змінюються механічні властивості (твердість, ударна в'язкість), фізичні властивості (магнітність, електричний опір та ін.) та хімічні властивості (однорідність за хімічним складом, корозійна стійкість).

Основне призначення гарту - отримання високої твердості, зносостійкості, підвищеної міцності, пружності та зменшення пластичності. Всі ці властивості утворюються за дотримання наступних технологічних режимів термообробки:

• температура нагріву;
• швидкість нагрівання та час витримки;
• середовище нагріву;
• швидкість охолодження.

Вибір температури загартування.Температура нагріву для загартування теоретично визначається за діаграмою Fe - Fe 3 C. Для вуглецевих сталей вона повинна бути вищою за лінію GSК (див. рис. 3.6) на 30 … 50 °С, тобто для доевтектоїдних сталей вона збігається з критичною температурою Ас 3 + (30 ... 50 ° С), для евтектоїдних і заевтектоїдних сталей - з критичною температурою Ас 1 + (50 ... 70 ° С).

Для легованих сталей температура нагріву для загартування визначається трьома методами: діаметрічним, магнітним або пробним загартуванням.

Встановлено, що чим складніше легована сталь за хімічним складом і природою мікроструктури, тим вищою повинна бути температура нагріву для загартування, тому що тільки при підвищених температурах карбіди ванадію, вольфраму, молібдену, титану та хрому успішно розчиняються в аустеніті. При цьому за основу, як і при виборі температур загартування для вуглецевих сталей, беруться критичні точки Ас 1 Ас 3 і Ас m. Температури нагріву для гарту легованих сталей підвищуються на 250 … 300 °С вище критичних, а для швидкорізальних сталей – на 400 … 450 °С.

Режими нагріву та охолодження.Час нагрівання залежить від перерізу деталей та заготовок, конструкції та потужності нагрівальних пристроїв. Наприклад, при нагріванні в повітряних електричних печах час нагрівання визначається в середньому з розрахунку 1 хв на 1 мм перерізу деталі. Час нагріву в соляних ваннах у 2 рази нижче, ніж у електричних печах, оскільки швидкість нагріву у цих ваннах у 2 рази вища. Після нагрівання деталей до заданої температури здійснюється витримка до фазового перетворення і прогріву по всьому перерізу. Показником часу витримки є перетворення вихідної структури перліт + ферит на структуру аустеніту. Практика показала, що задана температура нагрівання деталей настає тоді, коли колір деталей зрівняється з кольором печі (під стінки, склепіння).

Від середовища в нагрівальних пристроях (горн, печі, ванни) залежать як швидкість нагрівання, і побічні (негативні) явища. До негативних явищ відносяться обезуглерожування і окислення деталей, що гартуються. Ковальський горн і електричні (муфельні) печі містять повітряне середовище, кисень якого окислює деталі, що гартуються. У соляних ваннах солі не тільки окислюють, а й обезуглерожують деталі. Ванни з розплавленим металом (свинцем) негативного впливу на деталі, що нагріваються, для гарту не надають.

До отримання структури аустеніту потрібен час, що становить 1/5 часу нагріву деталі. При дотриманні технологічно обґрунтованих режимів нагріву, витримки та охолодження виключається поява великої внутрішньої напруги, утворення тріщин та інших дефектів загартування. З іншого боку, технологічний часовий режим виключає поверхневе окислення та знеуглерожування деталей.

Від швидкості охолодження при загартуванні залежать структура і властивості деталей, що гартуються. Швидкість охолодження, коли він структура аустеніту перетворюється на структуру загартування (мартенсит), називається критичної швидкістю загартування. Цей режим вибирається залежно від необхідної мікроструктури деталі. Найвища швидкість охолодження дає мікроструктуру мартенситу, найнижча (природна) – сорбіту.

Гартувальні середовища.Гартувальне середовище, його охолоджувальна здатність забезпечують фіксування рівномірного розчинення вуглецю в новоствореній мікроструктурі розпаду аустеніту. В інтервалі температур розпаду аустеніту в мартенсит необхідно повільне охолодження з метою зменшення внутрішньої напруги. Для отримання повного загартування застосовують охолоджувачі з різною здатністю, що охолоджує. Ця здатність залежить від кількох факторів: зниження температур охолоджувача, теплоємності металу, його теплопровідності, збереження сталості температури охолоджуючого середовища, швидкості циркуляції, зменшення температури пароутворення та зменшення в'язкості охолоджувача. Усі ці фактори збільшують швидкість охолодження.

В якості гартових середовищзастосовуються такі розчини та рідини: вода, водний розчин кухонної солі, олія, повітря, мінерали та інші матеріали.

За силою дії охолоджувачі поділяються на такі групи:

• слабкі - струмінь повітря, розплавлені солі, гаряча та мильна вода;
• помірні - веретена олія, трансформаторна олія, розплавлені соляні ванни з 1% води;
• середньодіючі - розчини в холодній воді вапна, гліцерину та рідкого скла;
• сильні – чиста холодна вода, кухонна сіль у розчині холодної води, дистильована вода та ртуть.

Швидкість охолодження також залежить від способу охолодження (занурення) деталі, що гартується. У цьому випадку при зануренні деталі, що гартується у воду або масло розрізняють три стадії охолодження:

• виникнення парової сорочки, що перешкоджає подальшій віддачі теплоти (плівкове кипіння);
• руйнування парової сорочки та збільшення швидкості охолодження (бульбашковий кипіння);
• конвекція рідини, що охолоджує, яка проходить при температурі нижче температури кипіння.

За всіх цих стадіях швидкість охолодження тим швидше, що нижчі температурні режими від стадії до стадії. Це також залежить від інтервалу бульбашкового кипіння.

Той чи інший вид охолоджуючого середовища вибирається залежно від технологічної доцільності, хімічного складу металу деталі, необхідні фізико-механічних властивостей.

Вода та її розчини є сильнішими охолоджувачами. Вода має істотні недоліки. При підвищенні температури води в процесі загартування її здатність, що охолоджує, різко падає. Крім того, вода має високу швидкістьохолодження в інтервалі температур мартенситного перетворення

Водні розчини солей, лугів, соди збільшують швидкість охолодження і збільшують інтервал бульбашкового кипіння. Різні види масел як охолоджуючих середовищ зменшують швидкість охолодження, процеси мартенситного перетворення проходять стійкіше. До недоліків масел слід віднести їхню вогненебезпечність і утворення пригару на поверхні деталей.

Загартованість і прожарювання.Гартування залежить від масової частки вуглецю в сталі. Чим більша масова частка вуглецю в сталі, тим вище здатність до загартовування цієї сталі. Загартування не сприймають сталі з масовою часткою вуглецю до 0,3%, а також вуглецеві конструкційні сталі звичайної якості за ГОСТ 380-2005, так як у цій групі сталей вуглець коливається в широких межах. Враховуючи, що вибір температури для загартування здійснюється в залежності від масової частки вуглецю, а в сталях звичайної якості ми не можемо точно визначити його зміст, ця група загартуванню сталей не піддається.

Загартування піддаються вуглецеві конструкційні якісні та леговані сталі з масовою часткою вуглецю від 0,3 % і вище і всі інструментальні сталі.

Під прожарювання сталей розуміють глибину загартування, тобто здатність у процесі загартування утворювати мікроструктури мартенситу, трооститу або сорбіту.

Прожарювання залежить від критичної швидкості охолодження і, як наслідок цього, від стійкої здатності аустеніту не змінювати своєї мікроструктури. Структура аустеніту, що залишається в холодному стані, отримала назву переохолодженого аустеніту.

Якщо критична швидкість охолодження деталі по всьому перерізу дорівнюватиме, то деталь матиме наскрізну прожарюваність, тобто по всьому перерізу буде структура мартенситу. Якщо швидкість охолодження по всьому перерізу зменшуватиметься до серцевини, то в серцевині буде ферит, ферит + перліт, сорбіт або троостит. Серцевина деталей великого перерізу практично загартування не сприймає, оскільки швидкість охолодження серцевини буде повільна, природна.

Всі легуючі елементи підвищують прожарювання. Наприклад, нікель сприяє значному збільшенню прожарюваності та загартовуваності. Марганець, хром, вольфрам і молібден підвищують температуру загартування та відпустки, а також збільшують гартування і гартування деталей та інструменту, тому всі леговані сталі, що піддаються гартуванню, мають високу гартування, а вуглецеві сталі мають нижчу гартування. При наскрізному загартуванні по всьому перерізу твердість деталі буде однакова. При ненаскрізному загартуванні вона зменшуватиметься від поверхні до серцевини. У поверхні деталь матиме структуру мартенситу, а в серцевини структуру трооститу. Чим менша масова частка вуглецю в сталі, тим більше структури трооститу і менше твердість, і навпаки.

Прожарювання деталей при загартуванні оцінюється критичним параметром. Цей параметр є максимальним діаметром (перетином) деталей, у серцевині якого буде напівмартенситна структура загартування. Зазвичай для вуглецевих конструкційних та інструментальних сталей критичний параметр становить 10...20 мм, а для легованих сталей – до 100 мм і більше (залежно від масової частки вуглецю та легуючих елементів). Крім того, прожарювання залежить від охолоджуючого середовища. Вода дає більш високу прожарювання, ніж масло.

Сталь з масовою часткою вуглецю 0,2 % (охолодження у воді) після загартування матиме твердість 25 НRС, а сталь з масовою часткою вуглецю 0,5 % після загартування матиме твердість 45 HRC. Отже, чим більше вуглецю в сталі, тим вище твердість деталі, що отримується при загартуванні, і, отже, більша глибина прожарювання. Для визначення глибини прожарювання вуглецевих інструментальних сталей готують зразки після високої відпустки квадратного або круглого перерізів (21...23 мм) завдовжки 100 мм. Посередині зразків робиться надріз глибиною 5...7 мм. Готові зразкизагартовують за наступних температур: 760; 800; 840 °С. Загартовані зразки руйнують на маятникових копрах (чи пресі). За станом та видом зламу визначають глибину прожарюваності (загартованого шару) або непрожарюваності (незагартованого шару), перегрів або загартовані тріщини.

За стандартною шкалою визначають групу (або бал) глибини прожарювання загартованих зразків при різних температурах. У стандартній шкалі кожній групі (від 0 до V) відповідають глибини прожарювання від 0,3 мм до 9 мм, наскрізна прожарюваність, в'язка серцевина, незагартована зона і загартовані тріщини. Усе це визначається візуально по зламу зразків. Крім того, по зламу зразків можна визначити структуру загартування (мартенсит, напівмартенсит, троостит, сорбіт) або незагартовану зону (перліт або ферит + перліт).

На рис. 9, а умовно показані зразки сталі марки 40 (ГОСТ 1050-88 *) діаметром 12 ... 60 мм після загартування та охолодження у воді. Зразки 1 - 4 отримують повне загартування з утворенням структури мартенсит (суцільна прожарювання). Зі збільшенням діаметра утворюється суцільна загартування, але структури залежатимуть від критичної швидкості загартування: мартенсит, напівмартенсит, троостит і сорбіт. Твердість зразка по перерізу також змінюватиметься і складатиме 25...46 НRС залежно від структури. Зі збільшенням діаметра зразка критична швидкість загартування зменшується. Структура по перерізу зразка буде наступною: мартенсит, напівмартенсит, троостит, сорбіт і перліт (або перліт + ферит). Твердість за перерізом зразка буде 25...46 НRС. Серцевина зразка, маючи структуру сорбіт + перліт, матиме високу ударну в'язкість та міцність.

Рис. 9. а - після загартування та охолодження у воді; б - після загартування та охолодження в маслі; - Мартенсит; - Напівмартенсит; - троостить; - сорбіт; - перліт (або перліт + ферит)

При суцільному загартуванні (охолодження у воді) зразки 1 - 4 будуть крихкими.

У практиці застосовують такі способи визначення прожарюваності:

• за структурою зламу зразка;
• на твердомір типу ТК по перерізу в декількох точках (від поверхні до серцевини);
• методом торцевого гарту.

Для визначення діаметра деталей, що вимагають суцільного загартування, необхідно виконати таку умову: критичний діаметр загартування повинен бути більшим, ніж діаметр виробу.

При визначенні прожарювання стали за методом торцевого гарту рекомендують глибину прожарюваності визначати за різними діаграмами.

Дефекти загартування.Порушення режимів загартування (температури нагріву, способів охолодження тощо) може викликати в деталях та інструментах різні види дефектів:

• деформація, короблення та тріщини;
• недостатня твердість;
• підвищена крихкість;
• утворення м'яких плям;
• зміна розмірів;
• внутрішні напруги;
• окислення та обезуглерожування.

Відпустка.Відпусткою називається технологічний процес нагрівання деталей після гарту до низьких температур (150 … 650 °С), тобто нижче критичної точки Ас 1 , витримка при цій температурі та повільне природне охолодження на повітрі.

Призначення відпустки - усунення внутрішніх напруг у деталей після гарту, підвищення ударної в'язкості, зменшення крихкості та часткове зменшення твердості. Ці показники досягаються у зв'язку з отриманням сталої структури металу деталі. Температура відпустки залежить від виду деталей, що гартують, і призначення відпустки. У практиці застосовуються низька, середня та висока відпустка.

Низька відпустка застосовується для зняття внутрішніх напруг, підвищення ударної в'язкості інструменту з легованих та вуглецевих сталей. При низькій відпустці деталі нагрівають до температури 150 ... 250 ° С, витримують при цій температурі і охолоджують на повітрі. При цьому твердість та зносостійкість ріжучого інструменту, отримані після загартування, зберігаються.

Низькій відпустці піддають різальний та вимірювальний інструмент, деталі кулькових та роликових підшипників, постійні магніти, деталі машин, виготовлені з легованих конструкційних цементованих та високоміцних сталей.

Середня відпустка застосовується для пружних деталей: ресор, пружин, ударного та штампового інструменту, торсіонів та ін. Після охолодження виходить структура трооститу відпустки. Твердість деталей, отримана при загартуванні після відпустки, помітно знижується. Різко зростає ударна в'язкість, що призводить до збільшення циклічної в'язкості (така властивість потрібна для пружних деталей).

Висока відпустка виробляють для деталей машин з вуглецевих конструкційних якісних і легованих сталей, що працюють при великих навантаженнях: валів, шпинделів, блоків шестерень, кулачкових муфт, храпових механізмів та ін.

При високій відпустці деталі нагрівають до температури 500 ... 650 ° С, витримують при цій температурі і охолоджують на повітрі (в окремих випадках разом із піччю). Після відпустки структура у деталей буде сорбіт відпустки. Деталь матиме високу зносостійкість, міцність, ударну в'язкість та відносну пластичність. У практиці також застосовується висока відпустка з деформуванням деталей у процесі нагрівання (рис. 10). Деформування деталі здійснюють між критичними температурами Ас 1 і Ас 3 . Після деформування деталі повільно охолоджують до температури нижче Ас 1 потім нагрівають, витримують і повільно охолоджують.

Рис. 10. t – температура; τ – час; Ас 1 Ас 3 - критичні температури; М н - температура початку мартенситного перетворення

Поліпшення - це загартування сталі з наступною високою відпусткою. Цю термічну операцію застосовують для деталей машин, що працюють при значних, у тому числі знакозмінних, навантаженнях і виготовлених з конструкційних сталей марок 30, 35, 40, 45, 50, 40Х та ін.

Старіння - Це процес зміни властивостей сплавів без помітної зміни мікроструктури. Якщо зміна твердості, міцності та пластичності здійснюється в нормальних умовах (18...20 °С), то таке старіння називається природним. Якщо ж процес протікає за підвищеної температури (120 … 150 °З), то старіння називається штучним.

При природному старінні деталі витримують кілька місяців, при штучному старінні - 24...36 год. У процесі старіння відбувається стабілізація розчинності хімічних елементів (вуглецю, кремнію та марганцю, а також легуючих добавок) у структурі деталей та разом з ними стабілізація структур.

Відпустка як термічна обробка є обов'язковою операцією після загартування і проводиться одночасно із загартуванням відразу після охолодження деталей.

4. Хіміко-термічна обробка

Поверхневе зміцнення.У процесі роботи деталей машин, механізмів та інструменту робочі (тертя) поверхні деталей та інструменту зношуються та вимагають перезаточування або повної заміни.

Зношування робочих поверхонь навіть на невелику глибину може призвести до серйозних наслідків. З метою надання робочим поверхням високої зносостійкості, надійності та довговічності застосовуються різні технологічні прийоми зміцнення цих поверхонь. Існують такі види покриттів:

• однокомпонентні покриття - насичення поверхонь одним будь-яким хімічним елементом (металом або неметалом): вуглецем, азотом, хромом, танталом, марганцем та ін;
• двокомпонентні покриття - насичення поверхонь двома хімічними елементами (металом та неметалом): вуглець + хром, вуглець + бор, вуглець + азот, вуглець + марганець, вуглець + сірка та ін;
• багатокомпонентні покриття: вуглець + хром + азот, вуглець + бор + азот, вуглець + фосфор + азот, хром + амоній + кремній та ін.

Окрему групу складають покриття з хімічних сполук: карбідів, нітридів та оксидів.

При видимих ​​відмінностях технологічних процесів зміцнення робочих поверхонь, що труться, полягає в насиченні їх якими-небудь металами або неметалами під дією температури або інших фізико-хімічних процесів.

Хіміко-термічна обробка за призначенням поділяється на дві групи:

• хіміко-термічна обробка, призначена для підвищення зносостійкості та поверхневої твердості робочих поверхонь деталей. До цього виду обробки відносяться цементація, азотування, нітроцементація та дифузійна металізація;

• хіміко-термічна обробка, що застосовується для отримання високих антифрикційних (протизадирних) властивостей. Хімічний елемент, що насичує поверхню деталей, запобігає задир і слипання поверхонь, що труться. До цього виду відносяться сульфідування, свинцювання, телурування та ін.

Таким чином, хіміко-термічною обробкою прийнято називати технологічний процес, що полягає в насиченні поверхневого шару деталей за високої температури металами або неметалами методом дифузії.

Хіміко-термічна обробка використовується для збільшення твердості, зносостійкості, корозійної та втомної стійкості, а також для декоративного оздоблення.

Хіміко-термічна обробка деталей проводиться в якомусь середовищі (карбюризаторі), атоми якого можуть дифундувати поверхню цих деталей. Процеси хіміко-термічної обробки складаються із трьох стадій: дисоціації, адсорбції та дифузії. Дисоціація - це виділення атомів хімічних елементів (металів та неметалів), здатних розчинятися в металах (сплавах) деталей методом дифузії. Цей процес протікає у газовому середовищі. Адсорбція - це контактування виділених (дисоційованих) атомів хімічних елементів (металів та неметалів) з поверхнями деталей та утворення хімічного зв'язку з атомами металу деталей.

Дифузія - Це процес проникнення насичуючого елемента в атомні грати металу деталей.

Чим вище температура нагрівання деталей, тим швидше проходять усі три стадії. Особливо активно процес триває за температур, рівних критичним, оскільки за цих температурах відбувається перебудова атомних решіток металу деталей. У процесі перебудови атоми дифузного елемента успішно впроваджуються в атомні грати або заміщають атоми металу деталей.

Хіміко-термічна обробка в порівнянні з термічною обробкою має ряд переваг:

• можливість обробки деталей та інструменту будь-якої форми, складності та конфігурації;
• відмінність у механічних властивостях робочої частини деталей та його серцевини;
• можливість усунення дефектів перегріву наступною термічною обробкою;
• можливість гарту низьковуглецевих сталей.

Рис. 11. 1 – твердий карбюризатор; 2 – свідки; 3 – цементаційний ящик; 4 - деталі, що цементуються

Цементація.Цементацією називається хіміко-термічна операція, у процесі якої виробляють насичення поверхневого шару деталей вуглецем. Цементацію проводять з метою отримання високої твердості, зносостійкості поверхні деталей за високої ударної в'язкості серцевини. Цементують деталі із сталі з масовою часткою вуглецю до 0,25 %, що працюють на тертя та при знакозмінних навантаженнях: зубчасті колеса, блоки шестерень, розподільні та кулачкові валики, кулачки, штовхачі клапанів та інші деталі, а також вимірювальний інструмент - калібри, шаблони, щупи і т. д. Поверхня деталей та інструменту насичується вуглецем в окремих випадках на глибину до 1,4 мм, зазвичай цей шар становить 0,8 мм. Масова частка вуглецю, що насичується в поверхню деталей, досягає 0,8...1,0 %. Концентрація вуглецю від поверхні деталі до серцевини зменшується. Таким чином, цементації піддають деталі з конструкційних вуглецевих та низьколегованих сталей, які не сприймають покращення загартуванням.

Робоче тіло, в якому здійснюється хіміко-термічна обробка, називається карбюризатором. Розрізняють цементацію у твердому, рідкому та газовому карбюризаторах. Для цементації в твердому карбюризаторі в сталевий ящик (мал. 11) поміщаються деталі, цементації, що піддаються, які рівномірно пересипаються карбюризатором. Поруч із карбюризатором поміщаються контрольні зразки, звані свідки. У процесі нагрівання та витримки контрольні зразки виймаються, і за ними визначається перебіг технологічного процесу.

На рис. 12 показано залежність концентрації вуглецю залежно від глибини насичення. Так, на глибині насичення 0,1 мм концентрація вуглецю сягає 1 %, 0,2 мм – 0,9 %, 1 мм – 0,6 %, 1,6 мм – 0,16 %. Така концентрація вуглецю в поверхнях деталей, що труться (зубчасті колеса, шестерні, вали, осі та ін.) забезпечує надійність і довговічність роботи контактної пари.

Рис. 12.

При цементації, залежно від глибини насичення вуглецем, утворюються різні мікроструктури (рис. 13). До термообробки на глибині до 1 мм буде структура цементиту, більше 1 мм – перліту і далі – фериту. Після термообробки (загартування) на глибині до 1 мм буде структура мартенситу, далі - трооститу та сорбіту. На глибині понад 2...3 мм – вихідна структура.

Рис. 13. Різні мікроструктури, що утворюються під час цементації, залежно від глибини насичення вуглецем:1 - заевтектоїдна зона (П+Ц); 2 - евтектоїдна зона (П); 3 - доевтектоїдна зона (П + Ф); 4 - серцевина

Цементація в газовому середовищі є основним хіміко-термічним процесом при масовому виробництві. Газову цементацію проводять у муфельних чи шахтних печах у навуглероженій атмосфері. Атмосферу печей навуглерожують метаном, гасом чи бензолом. Після газової цементації застосовують загартування з наступною низькою відпусткою. Газова цементація дає можливість контролювати процес, що у свою чергу створює умови механізації та автоматизації виробництва.

При цементації утворюються такі дефекти:

• роз'їдання поверхневого шару солями сульфату барію;
• знижена масова частка вуглецю в цементованому шарі;
• обезуглерожування, що відбувається в процесі охолодження через тріщини або прогари в ящиках;
• нерівномірна глибина цементованого шару у зв'язку з перепадами температур печі;
• перенасичення вуглецем у цементованому шарі при порушеннях температурного та тимчасового режимів, а також через високий вміст у карбюризаторі карбонатів;
• мала глибина цементованого шару, що виникає при низьких температурах та витримках;
• внутрішнє окислення, що відбувається під час газової цементації через високий вміст кисню в атмосфері печі.

Появи цих дефектів можна уникнути шляхом дотримання хімічного складу карбюризаторів, теплового та тимчасового режимів. Виправлення дефектів у деталей машин здійснюють шляхом додаткової нормалізації та подальшої хіміко-термічної обробки.

Азотування.Азотування називається процес хімікотермічної обробки, при якій поверхні деталей насичуються азотом. Азотування здійснюють для отримання високої твердості поверхні, зносостійкості, втомної міцності та стійкості до виникнення задирів, підвищення межі витривалості, корозійної стійкості в атмосфері, прісній воді та водяній парі, а також кавітаційної стійкості різних деталей та інструменту. Азотування застосовується також при декоративному оздобленні. Азотований шар може бути глибиною до 0,5 мм і мати твердість 1000...1100 НV, що значно твердіше цементиту. Через тривалість процесу (до 90 год) та високу вартість азотування застосовується рідше, ніж цементація. Процес азотування проводять серед аміаку при температурах 500 … 600 °З. При нагріванні з аміаку виділяється атомарний азот, який дифундує поверхню деталей. З метою прискорення процесу азотування застосовується двоступінчастий цикл (рис. 14). Така технологія азотування прискорює процес у 1,5 – 2 рази. Спочатку деталь нагрівається до температури 500...520 °C, потім здійснюється швидке нагрівання до температури 580...600 °С і далі - тривала витримка та охолодження разом з піччю або на повітрі.

Рис. 14. t – температура; τ - час

Рідинне азотування проводять при температурі 570 ° С в розплаві солей, що містять азот. Рідкісне азотування в десятки разів прискорює процес і значно підвищує в'язкість деталі. Недоліком рідинного азотування є застосування отруйних ціанистих солей.

Таким чином, азотування - це багатоцільова технологічна операція хіміко-термічної обробки, що проводиться для збільшення міцності та інших властивостей різних вуглецевих та легованих конструкційних, інструментальних та спеціальних сталей (корозійно-стійких, жаростійких та жароміцних), тугоплавких та спечених матеріалів, а також гальванічних та дифузійних покриттів.

У процесі азотування можуть виникнути дефекти. Деформація та зміна розмірів деталей виникають у зв'язку з великими внутрішніми напругами через збільшення об'єму азотованого шару. Для усунення цього дефекту при механічній обробці слід передбачити заниження розмірів на 4…6 % глибини азотованого шару.

Крихкість і лущення виникають при перенасиченні азотованого шару азотом. На поверхні утворюється тендітна скоринка на глибину до 0,05 мм та її лущення. Цей дефект усувається шліфуванням.

Знижена твердість, плямиста твердість або знижена глибина азотованого шару - дефекти, що виникають при недотриманні хімічного складу довкілля, погана підготовка поверхні деталей і порушення теплового режиму. Для уникнення появи цих дефектів необхідно виконувати технологічні вимоги підготовки деталей до азотування та дотримуватись послідовності технологічного процесу.

Ціанування та нітроцементація.Ціанування - це процес насичення поверхні деталей вуглецем та азотом одночасно. Ціанування піддають деталі зі сталей з масовою часткою вуглецю 0,3 … 0,4 %. Ціанування проводять з метою підвищення поверхневої твердості, міцності, зносостійкості, витривалості та інших механічних та експлуатаційних властивостей. Ціанування в порівнянні з іншими видами хіміко-термічної обробки має ряд переваг: можливість обробляти деталі складної форми, малу тривалість процесу, практично відсутність короблення та деформації деталей у процесі обробки. Як недоліки слід відзначити великі витрати на охорону праці через токсичність та високу вартість ціанистих солей. Все це значно підвищує собівартість ціанованих деталей.

Розрізняють рідинне та газове ціанування. Газове ціанування отримало назву нітроцементації.

Рідинне ціанування проводять серед розплавлених солей ціаністого натрію. Його проводять при температурі 820...850 або 900...950 °С. Процес, що здійснюється при температурі 820 ... 850 ° С, за 30 ... 90 хв дозволяє отримати шар завтовшки до 0,35 мм, насичений вуглецем і азотом, а при 900 ... 950 ° С за 2 ... 6 год - шар завтовшки до 2 мм. На рис. 15 представлена ​​залежність товщини ціанованого шару від температури та тривалості процесу. Наприклад, при тривалості витримки 2 години при температурі 890 °С глибина ціанованого шару досягає 0,6 мм, при витримці 4,5 години при температурі 830 °С - також 0,6 мм.

Після ціанування проводять загартування та низьку відпустку. Твердість ціанованого шару досягає 58...62 НRС.

На практиці для цементації інструменту із швидкорізальних сталей застосовують низькотемпературне ціанування в розплавлених ціаністих солях. Його проводять при температурі 540 ... 560 ° С при витримці 1,0 ... 1,5 год. В результаті такої обробки ціанований шар матиме твердість 950 ... 1100 НV.

Рис. 15.

Масова частка вуглецю в процесі ціанування досягає 1%, азоту – 0,2%. Ці показники залежить від температури ціанування (рис. 16).

Дифузійна металізація.Процес насичення поверхневого шару деталей методом дифузії за високої температури

Рис. 16. Вміст вуглецю (C) та азоту (N) у процесі ціанування

різними металами називається дифузійною металізацією. Вона може здійснюватися у твердому, рідкому та газовому карбюризаторах (металізаторах).

Тверді металізатори - це порошкові суміші, що складаються з феросплавів: ферохрому, металевого хрому, хлориду амонію та ін.

Рідкі металізатори - це, як правило, розплавлений метал, наприклад, цинк, алюміній та ін.

Газові металізатори - це летючі хлориди металів: алюмінію, хрому, кремнію, титану та ін.

Залежно від застосовуваного металу, що дифундується, деталей розрізняють такі види дифузійної металізації: алітування (насичення алюмінієм), хромування, титанування, вольфрамування, сульфатування (насичення сірої), борування та ін.

Алітування здійснюють при температурі 700...1100 °С. У поверхневому шарі в структурі -заліза розчиняється алюміній, на поверхні утворюється щільна плівка з оксиду алюмінію, яка має високу корозійну стійкість в атмосфері і морській воді, а також високу окалиностійкість при температурі 800 ... 850 ° С, твердість 500 V. Алітуванню піддають деталі, що працюють при підвищених температурах: клапани двигунів, чохли для термопар та ін. Хромування піддають деталі, що працюють в агресивних середовищах: деталі парових установок, пароводяні прилади, деталі та вузли, що працюють у газових середовищах за високої температури. Хромування проводять у порошкоподібних сумішах, вакуумі, розплаві хрому, газовому середовищі та керамічних масах. Поверхня, насичена хромом на глибину до 0,15 мм, має окалиностійкість у газовому середовищі до температури 800 °С, у прісній та морській воді та в слабких кислотах. Хромування піддаються будь-які сталі. Твердість хромованого шару поверхні досягає 1 200 … 1 300 НV. Для підвищення твердості та ударної в'язкості після хромування деталі піддають нормалізації.

Контрольна робота

За матеріалознавством

На тему: «Термічна обробка металів та сплавів»

Іжевськ

1. Введення

2.Призначення та види термічної обробки

4.Гарт

6.Старіння

7.Обробка холодом

8.Термомеханічна обробка

9.Призначення та види хіміко-термічної обробки

10.Термічна обробка сплавів кольорових металів

11. Висновок

12.Література

Вступ

Термічну обробку застосовують на різних стадіях виробництва деталей машин та металовиробів. В одних випадках вона може бути проміжною операцією, що служить для покращення оброблюваності сплавів тиском, різанням, в інших – є остаточною операцією, яка забезпечує необхідний комплекс показників механічних, фізичних та експлуатаційних властивостей виробів або напівфабрикатів. Напівфабрикати піддають термічній обробці для поліпшення структури, зниження твердості (покращення оброблюваності), а деталі – для надання їм певних властивостей (твердості, зносостійкості, міцності та інших).

Внаслідок термічної обробки властивості сплавів можуть бути змінені в широких межах. Можливість значного підвищення механічних властивостей після термічної обробки порівняно з вихідним станом дозволяє збільшити напруги, що допускаються, зменшити розміри і масу машин і механізмів, підвищити надійність і термін служби виробів. Поліпшення властивостей в результаті термічної обробки дозволяє застосовувати сплави простіших складів, а тому дешевші. Сплави набувають також деякі нові властивості, у зв'язку з чим розширюється сфера їх застосування.

Призначення та види термічної обробки

Термічною (тепловою) обробкою називаються процеси, сутність яких полягає у нагріванні та охолодженні виробів за певними режимами, внаслідок чого відбуваються зміни структури, фазового складу, механічних та фізичних властивостей матеріалу, без зміни хімічного складу.

Призначення термічної обробки металів – отримання необхідної твердості, покращення характеристик міцності металів і сплавів. Термічна обробка поділяється на термічну, термомеханічну та хіміко-термічну. Термічна обробка – лише термічна дія, термомеханічна – поєднання термічної дії та пластичної деформації, хіміко-термічна – поєднання термічної та хімічної дії. Термічна обробка, залежно від структурного стану, одержуваного в результаті її застосування, підрозділяється на відпал (першого та другого роду), загартування та відпустку.

Відпал

Відпал -термічна обробка полягає в нагріванні металу до певних температур, витримка та подальшого дуже повільного охолодження разом із піччю. Застосовують для поліпшення обробки металів різанням, зниження твердості, отримання зернистої структури, а також для зняття напруг, усуває частково (або повністю) всякого роду неоднорідності, які були внесені до металу при попередніх операціях (механічна обробка, обробка тиском, лиття, зварювання), покращує структуру сталі.

Відпал першого роду. Це відпал у якому немає фазових перетворень, і якщо вони мають місце, то впливають кінцеві результати, передбачені його цільовим призначенням. Розрізняють такі різновиди відпалу першого роду: гомогенізаційний та рекристалізаційний.

Гомогенізаційний– це відпал із тривалою витримкою при температурі вище 950ºС (зазвичай 1100–1200ºС) з метою вирівнювання хімічного складу.

Рекристалізаційний– це відпал наклепаної сталі при температурі, що перевищує температуру початку рекристалізації, з метою усунення наклепу певної величинизерна.

Відпал другого роду. Це відпал, у якому фазові перетворення визначають його цільове призначення. Розрізняють такі види: повний, неповний, дифузійний, ізотермічний, світлий, нормалізований (нормалізація), сфероїдизуючий (на зернистий перліт).

Повний відпалвиробляють шляхом нагрівання сталі на 30-50 ° С вище критичної точки, витримкою при цій температурі і повільним охолодженням до 400-500 ° С зі швидкістю 200 ° С на годину вуглецевих сталей, 100 ° С на годину для низьколегованих сталей і 50 ° С годину для високолегованих сталей. Структура сталі після відпалу рівноважна, стійка.

Неповний відпалпроводиться шляхом нагрівання сталі до однієї з температур, що знаходиться в інтервалі перетворень, витримкою та повільним охолодженням. Неповний відпал застосовують для зниження внутрішніх напруг, зниження твердості та поліпшення оброблюваності різанням

Дифузійний відпал. Метал нагрівають до температур 1100-1200ºС, оскільки при цьому повніше протікають дифузійні процеси, необхідні для вирівнювання хімічного складу.

Ізотермічний відпалполягає в наступному: сталь нагрівають, а потім швидко охолоджують (частіше перенесенням в іншу піч) до температури, що знаходиться нижче критичної на 50-100 ºС. В основному застосовується для легованих сталей. Економічно вигідний, оскільки тривалість звичайного відпалу (13 – 15) год, а ізотермічного відпалу (4 – 6) год

Сфероїдизуючий відпал (на зернистий перліт) полягає в нагріванні сталі вище критичної температури на 20 - 30 ° С, витримці при цій температурі та повільному охолодженні.

Світлий відпалздійснюється за режимами повного або неповного відпалу із застосуванням захисних атмосфер мул у печах із частковим вакуумом. Застосовується з метою захисту поверхні металу від окислення та обезуглерожування.

Нормалізація– полягає у нагріванні металу до температури на (30–50) ºЗ вище критичної точки та подальшого охолодження на повітрі. Призначення нормалізації по-різному залежно від складу стали. Замість відпалу низьковуглецеві сталі нормалізують. Для середньовуглецевих сталей нормалізацію застосовують замість гарту та високої відпустки. Високовуглецеві сталі піддають нормалізації з метою усунення цементитної сітки. Нормалізацію з подальшою високою відпусткою застосовують замість відпалу для виправлення структури легованих сталей. Нормалізація проти відпалом – більш економічна операція, оскільки потребує охолодження разом із печью.

Загартування

Загартування– це нагрівання до оптимальної температури, витримка та подальше швидке охолодження з метою отримання нерівноважної структури.

В результаті загартування підвищується міцність і твердість і пластичність сталі. Основні параметри при загартуванні – температура нагрівання та швидкість охолодження. Критичною швидкістю загартування називається швидкість охолодження, що забезпечує отримання структури – мартенсит або мартенсит та залишковий аустеніт.

Залежно від форми деталі, марки сталі та необхідного комплексу властивостей застосовують різні способи загартування.

Загартування в одному охолоджувачі. Деталь нагрівають до температури загартування та охолоджують в одному охолоджувачі (вода, олія).

Загартування у двох середовищах (переривчасте гартування)– це загартування, при якому деталь охолоджують послідовно у двох середовищах: перше середовище – охолодна рідина (вода), друга – повітря або олія.

Ступінчасте загартування. Нагріту до температури загартування деталь охолоджують у розплавлених солях, після витримки протягом часу необхідного для вирівнювання температури по всьому перерізу, деталь охолоджують на повітрі, що сприяє зниженню загартування.

Ізотермічне загартуваннятак само, як і ступінчаста, виробляється у двох охолоджуючих середовищах. Температура гарячого середовища (соляні, селітрові або лужні ванни) різна: вона залежить від хімічного складу сталі, але завжди на 20–100 °С вище точки мартенситного перетворення для цієї сталі. Остаточне охолодження до кімнатної температури провадиться на повітрі. Ізотермічне загартування широко застосовується для деталей з високолегованих сталей. Після ізотермічного гарту сталь набуває високих властивостей міцності, тобто поєднання високої в'язкості з міцністю.

Загартування з самовідпусткоюмає широке застосування у інструментальному виробництві. Процес полягає в тому, що деталі витримуються в охолодному середовищі не до повного охолодження, а в певний момент витягуються з неї з метою збереження в серцевині деталі деякої кількості тепла, за рахунок якого проводиться наступна відпустка.

Відпустка

Відпусткасталі є завершальною операцією термічної обробки, що формує структуру, а отже, і властивості сталі. Відпустка полягає в нагріванні сталі до різних температур (залежно від виду відпустки, але завжди нижче критичної точки), витримці при цій температурі та охолодженні з різними швидкостями. Призначення відпустки – зняти внутрішні напруження, що виникають у процесі загартування, та отримати необхідну структуру.

Залежно від температури нагрівання загартованої деталі розрізняють три види відпустки: високу, середню і низьку.

Висока відпусткапроводиться при температурах нагріву вище 350-600 ° С, але нижче критичної точки; така відпустка застосовується для конструкційних сталей.

Середня відпусткапроводиться при температурах нагріву 350 - 500 ° С; така відпустка широко застосовується для пружинної та ресорної сталей.

Низька відпусткавиробляється за температур 150–250 °З. Твердість деталі після загартування майже змінюється; низька відпустка застосовується для вуглецевих та легованих інструментальних сталей, для яких необхідні висока твердість та зносостійкість.

Контроль відпустки здійснюється за кольорами втечі, що з'являються на поверхні деталі.

Старіння

Старіння- Це процес зміни властивостей сплавів без помітної зміни мікроструктури. Відомі два види старіння: термічне та деформаційне.

Термічне старінняпротікає внаслідок зміни розчинності вуглецю в залозі залежно від температури.

Якщо зміна твердості, пластичності та міцності протікає за кімнатної температури, то таке старіння називається природним.

Якщо ж процес протікає за підвищеної температури, то старіння називається штучним.

Деформаційне (механічне) старінняпротікає після холодної пластичної деформації.

Обробка холодом

Новий видтермічної обробки, для підвищення твердості сталі шляхом переведення залишкового аустеніту загартованої сталі в мартенсит. Це виконується при охолодженні до температури нижньої мартенситної точки.

Методи поверхневого зміцнення

Поверхневим загартуваннямназивають процес термічної обробки, що представляє собою нагрівання поверхневого шару сталі до температури вище критичної та подальше охолодження з метою отримання поверхневому шарі структури мартенситу.

Розрізняють такі види: індукційне загартування; загартування в електроліті, загартування при нагріванні струмами високої частоти (ТВЧ), загартування з газополум'яним нагріванням.

Індукційне загартуваннязаснована на фізичному явищі, сутність якого полягає в тому, що електричний струм високої частоти, проходячи провідником, створює навколо нього електромагнітне поле. На поверхні деталі, вміщеній у цьому полі, індукуються вихрові струми, викликаючи нагрівання металу до високих температур. Це забезпечує можливість перебігу фазових перетворень.

Залежно від способу нагрівання індукційне загартування поділяється на три види:

одночасне нагрівання і загартування всієї поверхні (використовується для дрібних деталей);

послідовне нагрівання та загартування окремих ділянок (використовується для колінчастих валів та подібних до них деталей);

безперервно-послідовне нагрівання і загартування переміщенням (використовується для довгих деталей).

Газополум'яне загартування.Процес газополум'яного загартування полягає у швидкому нагріванні поверхні деталі ацетилено-кисневим, газокисневим або киснево-гасовим полум'ям до температури загартування з подальшим охолодженням водою або емульсією.

Загартування в електроліті.Процес загартування в електроліті полягає в наступному: у ванну з електролітом (5-10% розчин кальцинованої солі) опускають деталь, що загартовується, і пропускають струм напругою 220-250 В. В результаті чого відбувається нагрівання деталі до високих температур. Охолодження деталі роблять або в тому ж електроліті (після вимкнення струму) або в спеціальному гартовому баку.

Термомеханічна обробка

Термомеханічна обробка (Т.М.О.) – новий метод зміцнення металів і сплавів при збереженні достатньої пластичності, що поєднує пластичну деформацію та зміцнює термічну обробку (загартування та відпустку). Розрізняють три основні способи термомеханічної обробки.

Низькотемпературна термомеханічна обробка (Н.Т.М.О)заснована на ступінчастому загартуванні, тобто пластична деформація сталі здійснюється при температурах відносної стійкості аустеніту з наступним загартуванням і відпусткою.

Високотемпературна термомеханічна обробка (В.Т.М.О) при цьомупластичну деформацію проводять при температурах стійкості аустеніту з наступним загартуванням і відпусткою.

Попередня термомеханічна обробка (П.Т.М.О)деформація при цьому може здійснюватися при температурах Н.Т.М.О та В.Т.М.О або за температури 20ºС. Далі здійснюється звичайна термічна обробка: загартування та відпустка.

Щоб змінити технічні характеристикиметалу, можна створити сплав на його основі та додати до нього інші компоненти. Однак існує ще один спосіб зміни параметрів металевого виробу – термообробка металу. З її допомогою можна впливати на структуру матеріалу та змінювати його характеристики.

Термічна обробка металу - це низка процесів, які дозволяють зняти з деталі залишкову напругу, змінити внутрішню структуру матеріалу, підвищити експлуатаційні якості. Хімічний склад металу після нагрівання не змінюється. При рівномірному розігріванні заготовки змінюється розмір насіння структури матеріалу.

Історія

Технологія термічної обробки металу відома людству з давніх-давен. За часів Середньовіччя ковалі розігрівали та остуджували заготовки для мечів за допомогою води. До 19 століття людина навчилася обробляти чавун. Коваль поміщав метал у ємність повну льоду, а зверху засинав цукром. Далі починається процес рівномірного розігріву, що триває 20 годин. Після цього чавунну заготівлю можна було кувати.

У середині 19 століття російський металург Д. К. Чернов задокументував те, що при нагріванні металу його параметри змінюються. Від цього вченого пішла наука – матеріалознавство.

Навіщо потрібна термічна обробка

Деталі для обладнання та вузли комунікацій, що виготовляються з металу, часто зазнають серйозних навантажень. Додатково до впливу тиском вони можуть перебувати в умовах критичних температур. Щоб витримати такі умови, матеріал має бути зносостійким, надійним та довговічним.

Покупні конструкції з металу не завжди здатні тривалий час витримувати навантаження. Щоб вони прослужили набагато довше, майстри металургії використовують термічну обробку. Під час та після нагрівання хімічний склад металу залишається незмінним, а характеристики змінюються. Процес термічної обробки збільшує корозійну стійкість, зносостійкість та міцність матеріалу.

Переваги термообробки

Термічна обробка металевих заготовок є обов'язковим процесом, якщо це стосується виготовлення конструкцій для тривалого користування. Ця технологія має ряд переваг:

1. Підвищена зносостійкість металу.
2. Готові деталі служать довше, знижується кількість бракованих заготовок.
3. Поліпшується стійкість до корозійних процесів.

Металеві конструкції після термічної обробки витримують великі навантаження, збільшується термін експлуатації.

Види термічної обробки сталі

У металургії застосовується три види обробки сталі: технічна, термомеханічна та хіміко-термічна. Про кожен із представлених способів термічної обробки необхідно поговорити окремо.

Відпал

Різновид чи ще один етап технічної обробки металу. Цей процес має на увазі під собою рівномірне нагрівання металевої заготовки до певної температури і подальше її охолодження природним шляхом. Після відпалу зникає внутрішня напруга металу, його неоднорідність. Матеріал розм'якшується під впливом температури. Його простіше обробляти надалі.

Існує два види відпалу:

1. Першого роду. Відбувається незначна зміна кристалічних ґрату металі.
2. Другого роду. Починаються фазові зміни структури матеріалу. Його ще називають повним відпалом металу.

Діапазон впливу температур при проведенні цього процесу – від 25 до 1200 градусів.

Загартування

Ще один етап технічної обробки. Металева загартування проводиться для збільшення міцності заготівлі та зменшення її пластичності. Виріб розігрівається до критичних температур, а потім швидко остуджується методом занурення у ванну з різними рідинами. Види загартування:

1. Двоетапне охолодження. Спочатку заготівля остуджується до 300 градусів водою. Після цього деталь кладуть у ванну, заповнену олією.
2. Використання однієї рідини. Якщо обробляються невеликі деталі використовується олія. Великі заготівлі охолоджуються водою.
3. Ступінчаста. Після розігріву заготовку охолоджують у розплавлених солях. Після цього її викладають на свіже повітря до повного остигання.

Також можна виділити ізотермічний вид загартування. Він схожий на ступінчастий, проте змінюється час витримки заготовки у розплавлених солях.

Термомеханічна обробка

Це типовий режим термічної обробки сталей. При такому технологічному процесі використовується обладнання, що створює тиск, нагрівальні елементи та ємності для охолодження. При різних температурах заготівля розігрівається, а після цього відбувається пластична деформація.

Відпустка

Це останній етап технічної термообробки сталі. Проводиться цей процес після загартування. Підвищується в'язкість металу, знімається внутрішня напруга. Матеріал стає міцнішим. Може проводитися за різних температур. Від цього змінюється процес.

Кріогенна обробка

Головна відмінність термічної обробки від кріогенного впливу в тому, що останній має на увазі охолодження заготівлі. Після закінчення такої процедури деталі стають міцнішими, не вимагають проведення відпустки, краще шліфуються і поліруються.

При взаємодії з середовищем, що охолоджує, температура опускається до мінус 195 градусів. Швидкість охолодження може змінюватись в залежності від матеріалу. Щоб охолодити виріб до потрібної температури, використовується процесор, який генерує холод. Заготівля поступово охолоджується і залишається в камері на певний проміжок часу. Після цього її дістають і дають нагрітися самостійно до кімнатної температури.

Хіміко-термічна обробка

Ще один вид термообробки, при якому заготівля розігрівається та піддається дії різних хімічних елементів. Поверхня заготовки очищається та покривається. хімічними складами. Проводиться цей процес перед загартуванням.

Майстер може насичувати поверхню виробу азотом. Для цього вони нагріваються до 650 градусів. При нагріванні заготівля повинна знаходитись у кріогенній атмосфері.

Термообробка кольорових сплавів

Представлені види термічної обробки металів не підходять для різних видів сплавів та кольорового металу. Наприклад, під час роботи з міддю проводиться рекристалізаційний відпал. Бронза розігрівається до 550 градусів. З латунню працюють за 200 градусів. Алюміній спочатку гартують, потім відпалюють і старіють.

Термообробка металу вважається необхідним процесом при виготовленні та подальше використанняконструкцій та деталей для промислового обладнання, машин, літаків, кораблів та іншої техніки. Матеріал стає міцнішим, довговічнішим і стійкішим до корозійних процесів. Вибір технологічного процесу залежить від металу або сплаву, що використовується.

31 жовтня 2011

На малюнку наведено основні схеми ТМО старіючих сплавів. Зубчастими лініями позначено пластичну деформацію.

Низькотемпературна термомеханічна обробка (НТМО)

НТМО старіючих сплавів- Це перша за часом появи (30-і роки) і найбільш широко використовується в промисловості термомеханічна обробка.

Основне призначення НТМО- Підвищення властивостей міцності.

При НТМО сплав спочатку піддають загартування, а потім перед старінням - холодної деформації.

Порівняно зі старінням без попередньої деформації при НТМО отримують більш високі межі міцності та плинності, але й нижчі показники пластичності.

На малюнку показано вплив ступеня холодної деформації на твердість загартованого нікелевого сплаву (крива 1) і того ж сплаву, зістареного після деформації (крива 2).

Вплив ступеня обтискання при волочении після загартування з 1000 °С на твердість холоднотянутого та зістареного дроту діаметром 4 мм зі сплаву німонік-90 (за даними У. Беттериджа):

1 - холоднотягнута;
2 - деформація + старіння при 460 ° С, 16 год.

Зміцнення при НТМО спричинене двома причинами.По-перше, холодна деформація створює наклеп, і подальше дисперсійне твердіння починається від вищого рівня твердості сплаву. По-друге, особливо важливо, холодна деформація збільшує ефект дисперсійного твердіння. Так, за відсутності холодного наклепу зміцнення сплаву німонік-90 в результаті старіння при 450 ° С дуже мало всього 15 кгс/мм 2 . Зі збільшенням ступеня холодної деформації зміцнення при старінні безперервно зростає (криві 1 і 2 малюнку розходяться).

При обтисканні 90% приріст твердості внаслідок старіння становив 175 кгс/мм 2 . Отже, в даному випадку холодна наклеп збільшила зміцнення при старінні на порядок (!). Такий сильний ефект зміцнення від НТМО порівняно зі зміцненням при термічній обробці за звичайною схемою (загартування + старіння) порівняно рідкісне явище.

Обумовлений він тим, що температура старіння 450 ° С дуже низька для німоніка, і за відсутності холодного наклеп розпад пересиченого розчину при цій температурі розвивається дуже мляво. Якщо після загартування проводити старіння при температурі, оптимальній для максимального зміцнення (близько 700 ° С), то ефект від введення холодного наклепу буде значно меншим.

У першому наближенні можна стверджувати, що холодна наклеп, підвищуючи щільність недосконалостей в кристалах пересиченого розчину, робить його термодинамічно менш стабільним і прискорює старіння. Однак експериментальні факти і детальніший аналіз показують, що вплив наклепу на старіння може бути дуже складним. Характер цього впливу залежить від режимів загартування, деформації та старіння, від природи сплаву, а одного сплаву — від типу виділень при старінні.

«Теорія термічної обробки металів»,
І.І.Новіков

При ВТМО аустеніт деформують в області термодинамічної стабільності і потім проводять загартування на мартенсит (дивіться малюнок Схема обробки легованої сталі). Після загартування проводять низьку відпустку. Основна мета звичайної термообробки з деформаційного (прокатного кувального) нагріву - виключити спеціальне нагрівання під загартування і завдяки цьому отримати економічний ефект. Головна мета ВТМО — підвищення механічних властивостей…

Великий інтерес представляє виявлене М. Л. Бернштейном явище успадкування (зворотності) зміцнення від ВТМО при повторній термічній обробці. Виявилося, що зміцнення від ВТМО зберігається, якщо сталь перезагартувати з короткочасною витримкою при температурі нагрівання під загартування або якщо зміцнену ВТМО сталь спочатку піддати високій відпустці, а потім перезагартувати. Наприклад, межа міцності стали 37XH3A після ВТМО за режимом...

Процеси ТМО сталей почали інтенсивно вивчати з середини 50-х у зв'язку з пошуком нових шляхів підвищення конструктивної міцності. Низькотемпературна термомеханічна обробка (НТМО) При НТМО переохолоджений аустеніт деформується в області його підвищеної стійкості, але обов'язково нижче температури початку рекристалізації і потім (перетворюється на мартенсит. Після цього проводять низьку відпустку (на малюнку не показаний).