Сплавы и металлы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Диаграмма для случая ограниченной растворимости в твёрдом состоянии

2. Термическая обработка стали и сплавов

3. Кристаллизация и аллотропия металлов

Литература



1. Диаграмма для случая ограниченной растворимости в твёрдом состоянии

Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграммы состояния строят для условий равновесия, т. е. такого состояния сплава, которое достигается при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Диаграммы состояния сплавов в равновесном состоянии являются теоретическими диаграммами, так как истинное равновесие в практических условиях достигается редко. В большинстве случаев сплавы находятся в метастабильном состоянии, т. е. в состоянии с ограниченной устойчивостью.

Диаграмма состояния сплавов для случая неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Рассмотрим диаграмму состояния сплавов системы медь - никель (рис. 1). Медь и никель, соединяясь в любых пропорциях, образуют непрерывный ряд твердых растворов, так как атомы никеля способны заместить в кристаллической решетке все атомы меди. Температура плавления меди составляет 1083°С, никеля 1445°С.

Рассмотрим кривые охлаждения (рис. 1, а) сплавов системы медь никель для пяти составов следующей концентрации, %: lOOCu, 80Cu+20Ni, 60Cu+40Ni, 20Cu+80Ni, lOONi. Чистые металлы (кривые 1 и 5) имеют одну критическую точку - температуру затвердевания (кристаллизации), а сплавы (кривые 2, 3, 4) - две, т. е. сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются в интервале температур. Например, кристаллизация сплава 3 начинается при температуре t1 (точка a1), при этой температуре из жидкого сплава начинают выпадать первые кристаллы твердого б-раствора, а заканчивается кристаллизация при температуре t3 (точка b1). При этой температуре затвердевает последняя капля жидкого сплава. Разная температура конца кристаллизации сплавов свидетельствует о том, что состав твердой фазы непрерывно изменяется.

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов медь-никель

Для построения диаграммы состояния (рис. 1, 6) на оси абсцисс сетки в координатах температура - концентрация откладывают (отмечают точками) составы пяти сплавов и восстанавливают из каждой точки вертикальные линии. После этого переносят на эти вертикальные линии с кривых охлаждения сплавов критические точки, а на левой и правой ординатах температур отмечают температуры кристаллизации чистых металлов - меди (100%) и никеля (100%). Соединив плавными кривыми температуры начала и конца кристаллизации всех сплавов, получают диаграмму состояния сплавов системы медь - никель с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Сплавы меди и никеля кристаллизуются и затвердевают в некотором температурном интервале. В пределах этого температурного интервала одновременно существуют две фазы: жидкий сплав и кристаллы твердого раствора - меди и никеля. На диаграмме этот интервал ограничен двумя линиями, соединяющими точки плавления чистых меди и никеля. Верхняя линия обозначает начало затвердевания при охлаждении или конец расплавления при нагреве, нижняя соответственно конец затвердевания или начало плавления. Рассмотренная диаграмма состояния сплава меди и никеля имеет три области. Область существования жидкого расплава лежит выше верхней линии, соединяющей точки плавления меди и никеля, а область существования кристаллических твердых растворов - ниже нижней линии. Между этими линиями находится двухфазная область, в которой одновременно существуют расплав и кристаллы твердого раствора. Верхнюю границу этой области называют линией ликвидус, а нижнюю - солидус («ликвидус» в переводе с латинского означает жидкий, «солидус» - твердый).

По этой же диаграмме состояния можно определить концентрации твердой и жидкой фаз в сплаве при его кристаллизации. Например, для сплава 3 при температуре t2 концентрация фаз определяется горизонтальной линией mn1, проведенной до пересечения с линиями солидус и ликвидус. Точка n1 показывает концентрацию твердой фазы, а точка m - концентрацию жидкой фазы.

При температуре t3 концентрация твердой фазы определяется точкой b1 на диаграмме состояния, а концентрация жидкой фазы - точкой m1.

Из сказанного следует, что в процессе кристаллизации непрерывно изменяется состав фаз: жидкой по линии ликвидус и твердой по линии солидус. Кристаллы твердого раствора, выпадающие из жидкого при разной температуре, имеют переменный состав. Выросшие в первый момент кристаллизации, оси кристаллов обычно обогащаются тугоплавким компонентом (никелем), а междуосные пространства заполняются позже и обогащаются более легкоплавким компонентом (медью). Такую неоднородность отдельных кристаллов какого-либо сплава называют внутрикристаллической, или дендритной ликвацией. Дендритная ликвация тем больше, чем больше расстояние между линиями ликвидус и солидус.

Обычно это явление нежелательно и дендритную ликвацию предотвращают последующим длительным нагревом для выравнивания состава сплава, вследствие происходящего в нем диффузионного процесса.

К твердым растворам относят также сплавы систем Си-Аи, Ag-Аи, Ni-Аи, Fe-Cr, Fe-Va, Bi-Sb и др., кристаллизующиеся по рассмотренному типу диаграммы состояния, когда оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений.

Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов. Рассмотрим, например, диаграмму состояния сплавов системы висмут-кадмий (рис. 2.).

Область существования жидкого расплава ограничена сверху ломаной линией, соединяющей точки плавления висмута и кадмия через точку Е. В точке Е сплав (40% висмута и 60% кадмия) имеет одинаковые температуры ликвидуса и солидуса. Все остальные сплавы системы затвердевают и плавятся в пределах температурного интервала, который снизу ограничен горизонтальной линией солидуса. Сплав в точке Е имеет очень мелкие кристаллы висмута и кадмия, находящиеся в определенном взаимном расположении. Этот сплав называется эвтектикой(«эвтектика » в переводе с греческого означает легкоплавкая). Эвтектикой называют механическую смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкого сплава.

Твердые сплавы, лежащие левее эвтектической точки Е, и сплавы, содержащие до 40% висмута, называют доэвтектическими, а лежащие правее точки Е и содержащие более 40% висмута - заэвтектическими. Доэвтектические сплавы состоят из смеси кристаллов висмута и эвтектики (кристаллы висмута + кристаллы кадмия), а заэвтектические - из смеси кристаллов кадмия с эвтектикой.

По этому типу диаграммы состояния кристаллизуются также сплавы систем Zn-Sn, Pb-Ag, Ni-Cr, Cr-Mn, Cu-Bi, Al-Si.



Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов висмут-кадмий: 1 - жидкий сплав, 2 - линия ликвидуса, 3 - линия солидуса, 4 - механическая смесь кристаллов висмута и кадмия, Е - эвтектика

Диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Одна из таких диаграмм показана на рис. 3, а. Система содержит три фазы - жидкий раствор, твердый раствор компонента В в компоненте А (назовем его б) и твердый раствор компонента А в компоненте В (назовем его в). Линия диаграммы KCD - линия ликвидуса, линия KECFD - линия солидуса. Кристаллы б выделяются из жидкого сплава по линии ликвидуса КС, а кристаллы в - по линии CD. Затвердевание сплавов происходит по линии солидуса КЕ с образованием кристаллов б и по линии DF - с образованием кристаллов в. Одновременная кристаллизация б- и в-фаз с образованием механической смеси кристаллов этих фаз происходит на линии солидуса ECF.

Сплав состава точки С после затвердевания называется эвтектическим, поскольку он состоит только из одной эвтектики б+в.

Составы сплавов, лежащих левее эвтектической точки С на линии ЕС после затвердевания, называются доэвтектическими сплавами и имеют структуру б+эвтектика (б+в). Составы сплавов, лежащих правее точки С на линии CF после затвердевания, называются заэвтектическими сплавами и имеют структуру в+эвтектика(б+в).

Рис. 3. Диаграмма состояния сплавов для случаев ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии (а) и для случаев образования компонентами А и В химического соединения (б)

Линия ES показывает ограниченную растворимость в твердом состоянии компонента В в компоненте А, уменьшающуюся с понижением температуры. Линия FM показывает растворимость компонента А в В, не изменяющуюся с понижением температуры.

Предельная растворимость компонента В в А характеризуется точкой Е, а А в В - точкой F. При кристаллизации сплавов, состав которых находится левее точки S (или правее точки М), при любой температуре в твердом состоянии все количество компонента В (или А) находится в твердом растворе и структура таких сплавов состоит из зерен б (или в).

В сплавах, состав которых находится между точками S и Е (за пределами растворимости В в А), образовавшиеся при затвердевании кристаллы б при понижении температуры ниже линии ES пересыщены компонентом В и поэтому из них происходит выделение избыточных кристаллов. Этими кристаллами являются кристаллы в концентрации точки М, называемые вторичными (вII). Такие сплавы после полного охлаждения имеют структуру, состоящую из кристаллов б состава точки S и кристаллов вII, т. е. б+вII.

В сплавах состава линии ЕС, имеющих после затвердевания структуру б+эвтектика (б+в), из кристаллов б выделяются кристаллы в и после полного охлаждения структура будет б+эвтектика (б+в)+вII.

2. Термическая обработка стали и сплавов

Термическую обработку применяют на различных стадиях производства деталей машин и металлоизделий. В одних случаях она может быть промежуточной операцией, служащей для улучшения обрабатываемости сплавов давлением, резанием, в других - является окончательной операцией, обеспечивающей необходимый комплекс показателей механических, физических и эксплуатационных свойств изделий или полуфабрикатов. Полуфабрикаты подвергают термической обработке для улучшения структуры, снижения твердости (улучшения обрабатываемости), а детали - для придания им определенных, требуемых свойств (твердости, износостойкости, прочности и других).

В результате термической обработки свойства сплавов могут быть изменены в широких пределах. Возможность значительного повышения механических свойств после термической обработки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и массу машин и механизмов, повысить надежность и срок службы изделий. Улучшение свойств в результате термической обработки позволяет применять сплавы более простых составов, а поэтому более дешевые. Сплавы приобретают также некоторые новые свойства, в связи с чем расширяется область их применения.

Назначение и виды термической обработки.

Термической (тепловой) обработкой называются процессы, сущность которых заключается в нагреве и охлаждении изделий по определенным режимам, в результате чего происходят изменения структуры, фазового состава, механических и физических свойств материала, без изменения химического состава.

Назначение термической обработки металлов - получение требуемой твердости, улучшение прочностных характеристик металлов и сплавов. Термическая обработка подразделяется на термическую, термомеханическую и химико-термическую. Термическая обработка - только термическое воздействие, термомеханическая - сочетание термического воздействия и пластической деформации, химико-термическая - сочетание термического и химического воздействия. Термическая обработка, в зависимости от структурного состояния, получаемого в результате ее применения, подразделяется на отжиг (первого и второго рода), закалку и отпуск.

Отжиг

Отжиг - термическая обработка заключающаяся в нагреве металла до определенных температур, выдержка и последующего очень медленного охлаждения вместе с печью. Применяют для улучшения обработки металлов резанием, снижения твердости, получения зернистой структуры, а также для снятия напряжений, устраняет частично (или полностью) всякого рода неоднородности, которые были внесены в металл при предшествующих операциях (механическая обработка, обработка давлением, литье, сварка), улучшает структуру стали.

Отжиг первого рода. Это отжиг при котором не происходит фазовых превращений, а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты, предусмотренные его целевым назначением. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекристаллизационный.

Гомогенизационный - это отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950?С (обычно 1100-1200?С) с целью выравнивания химического состава.

Рекристаллизационный - это отжиг наклепанной стали при температуре, превышающей температуру начала рекристаллизации, с целью устранения наклепаи получение определенной величины зерна.

Отжиг второго рода. Это отжиг, при котором фазовые превращения определяют его целевое назначение. Различают следующие виды: полный, неполный, диффузионный, изотермический, светлый, нормализованный (нормализация), сфероидизирующий (на зернистый перлит).

Полный отжиг производят путем нагрева стали на 30-50 °С выше критической точки, выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением до 400-500 °С со скоростью 200 °С в час углеродистых сталей, 100 °С в час для низколегированных сталей и 50 °С в час для высоколегированных сталей. Структура стали после отжига равновесная, устойчивая.

Неполный отжиг производится путем нагрева стали до одной из температур, находящейся в интервале превращений, выдержкой и медленным охлаждением. Неполный отжиг применяют для снижения внутренних напряжений, понижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием

Диффузионный отжиг. Металл нагревают до температур 1100-1200?С, так как при этом более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания химического состава.

Изотермический отжиг заключается в следующем: сталь нагревают, а затем быстро охлаждают (чаще переносом в другую печь) до температуры, находящейся ниже критической на 50-100?С. В основном применяется для легированных сталей. Экономически выгоден, так как длительность обычного отжига (13 - 15) ч, а изотермического отжига (4 - 6) ч

Сфероидизирующий отжиг (на зернистый перлит) заключается в нагреве стали выше критической температуры на 20 - 30 °С, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении.

Светлый отжиг осуществляется по режимам полного или неполного отжига с применением защитных атмосфер ил в печах с частичным вакуумом. Применяется с целью защиты поверхности металла от окисления и обезуглероживания.

Нормализация - заключается в нагреве металла до температуры на (30-50) ?С выше критической точки и последующего охлаждения на воздухе. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Вместо отжига низкоуглеродистые стали подвергают нормализации. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска. Высокоуглеродистые стали подвергают нормализации с целью устранения цементитной сетки. Нормализацию с последующим высоким отпуском применяют вместо отжига для исправления структуры легированных сталей. Нормализация по сравнению с отжигом - более экономичная операция, так как не требует охлаждения вместе с печью.

Закалка

Закалка - это нагрев до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры.

В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность стали. Основные параметры при закалке - температура нагрева и скорость охлаждения. Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры - мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.

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

Закалка в одном охладителе. Деталь нагревают до температуры закалки и охлаждают в одном охладителе (вода, масло).

Закалка в двух средах (прерывистая закалка) - это закалка при которой деталь охлаждают последовательно в двух средах: первая среда - охлаждающая жидкость (вода), вторая - воздух или масло.

Ступенчатая закалка. Нагретую до температуры закалки деталь охлаждают в расплавленных солях, после выдержки в течении времени необходимого для выравнивания температуры по всему сечению, деталь охлаждают на воздухе, что способствует снижению закалочных напряжений.

Изотермическая закалка так же, как и ступенчатая, производится в двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые или щелочные ванны) различна: она зависит от химического состава стали, но всегда на 20-100 °С выше точки мартенситного превращения для данной стали. Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе. Изотермическая закалка широко применяется для деталей из высоколегированных сталей. После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностные свойства, то есть сочетание высокой вязкости с прочностью.

Закалка с самоотпуском имеет широкое применение в инструментальном производстве. Процесс состоит в том, что детали выдерживаются в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а в определенный момент извлекаются из нее с целью сохранения в сердцевине детали некоторого количества тепла, за счет которого производится последующий отпуск.

Отпуск

Отпуск стали является завершающей операцией термической обработки, формирующей структуру, а следовательно, и свойства стали. Отпуск заключается в нагреве стали до различных температур (в зависимости от вида отпуска, но всегда ниже критической точки), выдержке при этой температуре и охлаждении с разными скоростями. Назначение отпуска - снять внутренние напряжения, возникающие в процессе закалки, и получить необходимую структуру.

В зависимости от температуры нагрева закаленной детали различают три вида отпуска: высокий, средний и низкий.

Высокий отпуск производится при температурах нагрева выше 350-600 °С, но ниже критической точки; такой отпуск применяется для конструкционных сталей.

Средний отпуск производится при температурах нагрева 350 - 500 °С; такой отпуск широко применяется для пружинной и рессорной сталей.

Низкий отпуск производится при температурах 150-250 °С. Твердость детали после закалки почти не изменяется; низкий отпуск применяется для углеродистых и легированных инструментальных сталей, для которых необходимы высокая твердость и износостойкость.

Контроль отпуска осуществляется по цветам побежалости, появляющимся на поверхности детали.

Старение

Старение - это процесс изменения свойств сплавов без заметного изменения микроструктуры. Известны два вида старения: термическое и деформационное.

Термическое старение протекает в результате изменения растворимости углерода в железе в зависимости от температуры.

Если изменение твердости, пластичности и прочности протекает при комнатной температуре, то такое старение называется естественным.

Если же процесс протекает при повышенной температуре, то старение называется искусственным.

Деформационное (механическое) старение протекает после холодной пластической деформации.

Обработка холодом

Новый вид термической обработки, для повышения твердости стали путем перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Это выполняется при охлаждении стали до температуры нижней мартенситной точки.

Методы поверхностного упрочнения

Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры выше критической и последующее охлаждение с целью получения в поверхностном слое структуры мартенсита.

Различают следующие виды: индукционная закалка; закалка в электролите, закалка при нагреве токами высокой частоты(ТВЧ), закалка с газопламенным нагревом.

Индукционная закалка основана на физическом явлении, сущность которого заключается в том, что электрический ток высокой частоты, проходя по проводнику, создает вокруг него электромагнитное поле. На поверхности детали, помещенной в этом поле, индуцируются вихревые токи, вызывая нагрев металла до высоких температур. Это обеспечивает возможность протекания фазовых превращений.

В зависимости от способа нагрева индукционная закалка подразделяется на три вида:

одновременный нагрев и закалка всей поверхности (используется для мелких деталей);

последовательный нагрев и закалка отдельных участков (используется для коленчатых валов и подобных им деталей);

непрерывно-последовательный нагрев и закалка перемещением (используется для длинных деталей).

Газопламенная закалка. Процесс газопламенной закалки заключается в быстром нагреве поверхности детали ацетилено-кислородным, газокислородным или кислородно-керосиновым пламенем до температуры закалки с последующим охлаждением водой или эмульсией.

Закалка в электролите. Процесс закалки в электролите заключается в следующем: в ванну с электролитом (5-10% раствор кальцинированной соли) опускают закаливаемую деталь и пропускают ток напряжением 220-250 В. В результате чего происходит нагрев детали до высоких температур. Охлаждение детали производят или в том же электролите (после выключения тока) или в специальном закалочном баке.

Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка (Т.М.О.) - новый метод упрочнения металлов и сплавов при сохранении достаточной пластичности, совмещающий пластическую деформацию и упрочняющую термическую обработку (закалку и отпуск). Различают три основных способа термомеханической обработки.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (Н.Т.М.О) основана на ступенчатой закалке, то есть пластическая деформация стали осуществляется при температурах относительной устойчивости аустенита с последующей закалкой и отпуском.

Высокотемпературная термомеханическая обработка (В.Т.М.О) при этом пластическую деформацию проводят при температурах устойчивости аустенита с последующей закалкой и отпуском.

Предварительная термомеханическая обработка (П.Т.М.О) деформация при этом может осуществляться при температурах Н.Т.М.О и В.Т.М.О или при температуре 20?С. Далее осуществляется обычная термическая обработка: закалка и отпуск.

Назначение и виды химико-термической обработки.

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

Цель химико-термической обработки: повышение поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости, коррозионной стойкости, жаростойкости (окалиностойкости), кислотоустойчивости.

Наибольшее применение в промышленности получили следующие виды химико-термической обработки: цементация; нитроцементация; азотирование; цианирование; диффузионная металлизация.

Цементация - это процесс поверхностного насыщения углеродом, произведенный с целью поверхностного упрочнения деталей.

В зависимости от применяемого карбюризатора цементация подразделяется на три вида: цементация твердым карбюризатором; газовая цементация (метан, пропан, природный газ).

Газовая цементация. Детали нагревают до 900-950?С в специальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подают цементующий углеродосодержащий газ [естественный (природный) или искусственный].

Процесс цементации в твердом карбюризаторе заключается в следующем. Детали, упакованные в ящик вместе с карбюризатором (смесь древесного угля с активизатором), нагревают до определенной температуры и в течении длительного времени выдерживают при этой температуре, затем охлаждают и подвергают термической обработке.

Цементации любым из рассмотренных выше способов подвергаются детали из углеродистой и легированной стали с содержанием углерода не более 0,2%. Цементация легированных сталей, содержащих карбидообразующие элементы Cr, W, V, дает особо хорошие результаты: у них, кроме повышения поверхностной твердости и износостойкости, увеличивается также предел усталости.

Азотирование - это процесс насыщения поверхностного слоя различных металлов и сплавов, стальных изделий или деталей азотом при нагреве в соответствующей среде. Повышается твердость поверхности изделия, выносливости, износостойкости, повышение коррозионной стойкости.

Цианирование - насыщение поверхностного слоя изделий одновременно углеродом и азотом.

В зависимости от используемой среды различают цианирование: в твердых средах; в жидких средах; в газовых средах.

В зависимости от температуры нагрева цианирование подразделяется на низкотемпературное и высокотемпературное.

Цианирование в жидких средах производят в ваннах с расплавленными солями.

Цианирование в газовых средах (нитроцементация). Процесс одновременного насыщения поверхности детали углеродом и азотом. Для этого детали нагревают в среде, состоящей из цементующего газа и аммиака, то есть нитроцементация совмещает в себе процессы газовой цементации и азотирования.

Диффузионное насыщение металлами и металлоидами.

Существуют и применяются в промышленности способы насыщения поверхности деталей различными металлами (алюминием, хромом и др.) и металлоидами (кремнием, бором и др.) Назначение такого насыщения - повышение окалиностойкости, коррозионностойкости, кислотостойкости, твердости и износостойкости деталей. В результате поверхностный слой приобретает особые свойства, что позволяет экономить легирующие элементы.

Алитирование - процесс насыщения поверхностного слоя стали алюминием для повышения жаростойкости (окалиностойкости) и сопротивления атмосферной коррозии.

Алитирование проводят в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, в газовой среде и распыливанием жидкого алюминия.

Хромирование - процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом для повышении коррозионной стойкости и жаростойкости, а при хромировании высокоуглеродистых сталей - для повышения твердости и износостойкости.

Силицирование - процесс насыщения поверхностного слоя детали кремнием для повышения коррозионной стойкости и кислотостойкости. Силицированию подвергают детали из низко- и среднеуглеродистых сталей, а также из ковкого и высокопрочного чугунов.

Борирование - процесс насыщения поверхностного слоя детали бором. Назначение борирования - повысить твердость, сопротивление абразивному износу и коррозии в агрессивных средах, теплостойкость и жаростойкость стальных деталей. Существует два метода борирования: жидкостное электролизное и газовое борирование.

Сульфидирование - процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей серой для улучшения противозадирных свойств и повышения износостойкости деталей.

Сульфоцианирование - процесс поверхностного насыщения стальных деталей серой, углеродом и азотом. Совместное влияние серы и азота в поверхностном слое металла обеспечивает более высокие противозадирные свойства и износостойкость по сравнению насыщение только серой.

Термическая обработка чугуна.

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

Отжиг для снятия внутренних напряжений. Этому отжигу подвергают чугуны при следующих температурах: серый чугун с пластинчатым графитом 500 - 570 °С; высокопрочный чугун с шаровидным графитом 550 - 650°С; низколегированный чугун 570 - 600°С; высоколегированный чугун 620 - 650°С. При этом отжиге фазовых превращении не происходит, а снимаются внутренне напряжения, повышается вязкость, исключается коробление и образование трещин в процессе эксплуатации.

Смягчающий отжиг (отжиг графитизирующий низкотемпературный). Проводят для улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности. Его осуществляют продолжительной выдержкой при 680 - 700°С или медленным охлаждением отливок при 760 - 700°С.

Для деталей сложной конфигурации охлаждение медленное, а для деталей простой формы - ускоренное.

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

Нормализацию применяют для увеличения связанного углерода, повышения твердости, прочности и износостойкости серого, ковкого и высокопрочного чугунов. При нормализации чугун (отливки) нагревают выше температур интервала превращения 850 - 950°С и после выдержки, охлаждают на воздухе.

Закалке подвергают серый, ковкий и высокопрочный чугун для повышения твердости, прочности и износостойкости. По способу выполнения закалка чугуна может быть объемной непрерывной, изотермической и поверхностной.

При объемной непрерывной закалке чугун нагревают до температуры 850 - 950°С. Затем выдерживают для прогрева и полного растворения углерода. Охлаждение осуществляют в воде или масле. После закалки проводят отпуск при температуре 200 - 600°С. В результате повышается твердость, прочность и износостойкость чугуна.

При изотермической закалке чугуны нагревают так же, как и при объемной непрерывной закалке, выдерживают от 10 до 90 минут и охлаждают в расплавленной соли при 200 - 400°С, и после выдержки охлаждают на воздухе.

Поверхностная закалка с нагревом поверхностного слоя кислородно - ацетиленовым пламенем, токами высокой частоты или в электролите. Температура нагрева 900 - 1000°С. Охлаждение в воде, масле или масляной эмульсии.

Старение применяют для стабилизации размеров литых чугунных деталей, предотвращения коробления и снятия внутренних напряжений. Обычно старении проводят после грубой механической обработки. Различают два вида старения: естественное и искусственное.

Естественное старении осуществляется на открытом воздухе или в помещении. Изделия после литья выдерживаются в течении 6 - 15 месяцев.

Искусственное старение осуществляется при повышенных температурах; длительность - несколько часов. При искусственном старении отливки чугуна загружают в печь, нагретую до 100 - 200° С, нагревают до температуры 550 - 570°С со скоростью 30 - 60°С в час, выдерживаю 3 - 5 часов и охлаждают вместе с печью со скоростью 20 - 40°С в час до температуры 150 - 200°С, а затем охлаждают на воздухе.

Химико-термическая обработка чугуна.

Для повышения поверхностной твердости и износостойкости серые чугуны подвергают азотированию. Чаще азотируют серые перлитные чугуны, легированные хромом, молибденом, алюминием. Температура азотирования 550 - 580°С, время выдержки 30 - 70 часов. Кроме азотирования, повышения поверхностной твердости и износостойкости легированного серого перлитного чугуна можно достигнуть газовым и жидкостным цианированием при температуре 570°С. Для повышения жаростойкости чугунные отливки можно подвергать алитированию, а для получения высокой коррозионной стойкости в кислотах - силицированию.

Термическая обработка сплавов цветных металлов.

Алюминиевые сплавы.

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

Гомогенизацию применяют для выравнивания химической микронеоднородности зерен твердого раствора. Для выполнения гомогенизации алюминиевые сплавы нагревают до 450 - 520°С и выдерживают при этих температурах от 4 до 40 часов; после выдержки - охлаждение вместе с печью или на воздух. В результате этого структура становится более однородной и повышается пластичность.

Рекристаллизационный отжиг для алюминия и сплавов на ег основе применяют гораздо шире, чем для стали. Это объясняется тем, что такие металлы, как алюминий и медь, а так же многие сплавы на их основе, не упрочняются закалкой и повышение механических свойств может быть достигнуто только холодной обработкой давлением, а промежуточной операцией при такой обработке является рекристаллизационный отжиг. Температура рекристаллизационного отжига алюминиевых сплавов 300 - 500°С выдержка 0,5 - 2 часа.

Отжиг термически упрочненных сплавов применяют для полного снятия упрочнения, он проводится при температурах 350 - 450°С с выдержкой 1 - 2 часа и последующим достаточно медленным охлаждением.

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

Деформируемые алюминиевые сплавы.

В закаленном состоянии дуралюмины пластичны и легко деформируются. После закалки и естественного или искусственного старения прочность дуралюмина резко повышается.

Литейные алюминиевые сплавы.

Для литейных алюминиевых сплавов используют различные виды термической обработки в зависимости от химического состава. Для упрочнения литейные алюминиевые сплавы подвергают закалке с получением пересыщенного твердого раствора и искусственному старению, а также только закалке без старения с получением в закаленном состоянии устойчивого твердого раствора.

Магниевые сплавы.

Магниевые сплавы, так же как и алюминиевые, подвергают отжигу, закалке и старению. Для выравнивания химической микронеоднородности зерен твердого раствора путем диффузии слитки магниевых сплавов подвергают гомогенизации при температурах 350 - 400С °с выдержкой 18 - 24 часа. Полуфабрикаты деформируемых магниевых сплавов подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре 350°С, а также при боле низких температурах 150 - 250°С отжигу для снятия остаточных напряжений.

Магниевые сплавы подвергают закалке, или закалке и искусственному старению. При температуре 20°С в закаленных магниевых сплавах никаких изменений не происходит, то есть они не подвержены естественному старению.

Медь и медные сплавы.

Термическая обработка меди. Деформирование меди сопровождается повышением ее прочности и понижением пластичности. Для повышения пластичности медь подвергают рекристаллизационному отжигу при 500 - 600°С, в результате которого пластичность резко повышается, а прочность снижается.

Термическая обработка латуней. Они подвергаются только рекристаллизационному отжигу при 600 - 700° С (для снятия наклепа). Охлаждают латуни при отжиге на воздухе или для ускорения охлаждения и лучшего отделения окалины в воде. Для латунных деталей, имеющих после деформации остаточные напряжения, в условиях влажной атмосферы характерно явление самопроизвольного растрескивания.

Чтобы этого избежать латунные детали подвергают низкотемпературному отжигу при 200 - 300°С, в результате чего остаточные напряжения снимаются, а наклеп остается. Низкотемпературному отжигу особенно необходимо подвергать алюминиевые латуни, которые склонны к самопроизвольному растрескиванию.

Термическая обработка бронз. Для выравнивания химического состава бронзы подвергают гомогенизации при 700 - 750°С с последующим быстрым охлаждением. Для снятия внутренних напряжений отливки отжигают при 550°С. Для восстановления пластичности между операциями холодной обработки давлением подвергают рекристаллизационному отжигу при 600 - 700°С.

Алюминиевые бронзы с содержанием алюминия от 8 до 11%, испытывающие при нагреве и охлаждении фазовую перекристаллизацию, могут подвергаться закалке.

В результате закалки повышается прочность и твердость, но снижается пластичность. После закалки следует отпуск при 400 - 650° С в зависимости о требуемых свойств. Также подвергают гомогенизации, а деформируемые полуфабрикаты - рекристаллизационному отжигу при 650 - 800°С.

Бериллиевую бронзу закаливают в воде от температуры 760 - 780°С; при это избыточная фаза выделиться не успевает, и после закалки сплав состоит из пересыщенного твердого раствора и обладает небольшой твердостью и прочностью и большой пластичностью. После закалки проводится отпуск (старение) при 300 - 350°С выдержкой 2 часа. Для повышения устойчивости пересыщенного твердого раствора и облегчения закалки бериллиевые бронзы дополнительно легируют никелем.

Титановые сплавы.

Титановые сплавы подвергают рекристаллизационному отжигу и отжигу с фазовой перекристаллизацией, атак же упрочнению термической обработкой - закалкой и старением. Для повышения износостойкости и задиростойкости титановые сплавы подвергают азотированию, цементации или окислению.

Рекристаллизационный отжиг применяют для титана и сплавов для снятия наклепа после холодной обработки давлением. Температура рекристаллизационного отжига 520 - 850°С в зависимости от химического состава сплава и вида полуфабриката.

Отжиг с фазовой перекристаллизацией применяют с целью снижения твердости, повышения пластичности, измельчения зерна, устранения структурной неоднородности. Применяют простой, изотермический и двойной отжиг; температура нагрева при отжиге 750 - 950°С в зависимости от сплава.

При изотермическом отжиге после выдержки при температуре отжига детали охлаждают до 500 - 650С (°в зависимости от сплава) в той же печи иди переносят в другую печь и выдерживают определенное время, и охлаждают на воздухе. При изотермическом отжиге сокращается продолжительность отжига, а пластичность получается более высокой.

При двойном отжиге детали нагревают до температуры отжига, выдерживают и охлаждают на воздухе. Затем повторно нагреваю до 500 - 650°С, выдерживают и охлаждают на воздухе. Двойной отжиг по сравнению с изотермическим повышает предел прочности при незначительном снижении пластичности и сокращает длительность обработки.

Из всех видов химико-термической обработки титановых сплавов наибольшее распространение получило азотирование, осуществляемое в среде азота или в смеси азота и аргона при температурах 850 - 950° С в течении 10 - 50 часов. Детали из титановых сплавов после азотирования обладают хорошими антифрикционными свойствами.

Термическая обработка является одной из основных, наиболее важных операций общего технологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависит качество (механические и физико-химические свойства) изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции. Разработаны и рационализированы технологические процессы термической обработки серых и белых чугунов, сплавов цветных металлов

Перспективным направлением совершенствования технологии термической обработки является установка агрегатов для термической обработки в механических цехах, создание автоматических линий с включением в них процессов термической обработки, а также и разработка методов, обеспечивающих повышение прочностных свойств деталей, их надежности и долговечности.

медь сплав чугун кристаллизация

3. Кристаллизация и аллотропия металлов

Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, поэтому кривые охлаждения строятся в координатах температура-время (рис. 1). Теоретический, т. е. идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения протекает при температуре Тs (рис. 1). При достижении идеальной температуры затвердевания Ts падение температуры прекращается. Это объясняется тем, что перегруппировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выделяется скрытая теплота кристаллизации).

Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной температуре. По окончании затвердевания металла температура его снова понижается.

Рис. 1. Кривые кристаллизации металла при охлаждении с разной скоростью

Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т. е. при переохлаждении металла до температур Тn, Tn1, Тn2, (например, кривые 1, 2). Степень переохлаждения (?T=Ts-Тn) зависит от природы и чистоты металла и скорости охлаждения. Чем чище жидкий металл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла становятся мельче, что улучшает его качество.

Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных условиях составляет от 10 до 30°С.

При больших скоростях охлаждения она может достигать сотен градусов. Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже Тn на многих участках жидкого металла (рис. 2, а, б) образуются способные к росту кристаллические зародыши. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис. 2, в, г, д). Затем при соприкосновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис. 4, е).

Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла.

Рис. 2. Последовательные этапы процесса кристаллизации металла



Величина зерен, образующихся при кристаллизации, зависит не только от количества самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле.

Такие нерастворимые примеси являются готовыми центрами кристаллизации. Ими являются окислы (например, Al2O3), нитриды, сульфиды и другие соединения.

Центрами кристаллизации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристаллическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем больше таких частичек, тем мельче будут зерна закристаллизовавшегося металла.

На образование центров кристаллизации влияет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, мельче зерно металла.

Чтобы получить мелкое зерно, создают искусственные центры кристаллизации. Для этого в расплавленный металл (расплав) вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Так, при модифицировании магниевых сплавов зерно уменьшается от 0,2-0,3 до 0,01-0,02 мм, т. е. в 15-20 раз. Модифицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, окислы). При модифицировании, например, стали применяют алюминий, титан, ванадий; алюминиевых сплавов - марганец, титан, ванадий.

Иногда в качестве модификаторов применяют поверхностно-активные вещества, Они растворяются в жидком металле. Эти модификаторы осаждаются на поверхности растущих кристаллов, образуя очень тонкий слой. Этот слой препятствует дальнейшему росту кристаллов, придавая металлу мелкозернистое строение. Строение металлического слитка.

Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их касания друг с другом, но и составом сплава, наличием примесей и режимом охлаждения.

Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный (древовидный) характер (рис. 3).

Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет в тех плоскостях и направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла - так называемые оси (1) первого порядка (рис. 3). В дальнейшем от осей первого порядка начинают расти новые оси (2) - оси второго порядка, от осей второго порядка - оси (3) - третьего порядка и т. д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка, которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.

Рис. 3. Схема дендритного роста кристалла

Рассмотрим реальный процесс получения стального слитка. Стальные слитки получают охлаждением в металлических формах (изложницах) или на установках непрерывной разливки. В изложнице сталь не может затвердеть одновременно во всем объеме из-за невозможности создания равномерной скорости отвода тепла. Поэтому процесс кристаллизации стали начинается у холодных стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь жидкого металла.

При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы 1 (рис. 4) в начальный момент образуется зона мелких равноосных кристаллов 2. Так как объем твердого металла меньше жидкого, между стенкой изложницы и застывшим металлом образуется воздушная прослойка и сама стенка нагревается от соприкосновения с металлом, поэтому скорость охлаждения металла снижается и кристаллы растут в направлении отвода теплоты. При этом образуется зона 3, состоящая из древовидных или столбчатых кристаллов. Во внутренней зоне слитка 4 образуются равноосные, неориентированные кристаллы больших размеров в результате замедленного охлаждения.

В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, образуется усадочная раковина 6 вследствие уменьшения объема металла при охлаждении. Под усадочной раковиной металл в зоне 5 получается рыхлым из-за большого количества усадочных пор. Для получения изделий используют только часть слитка, удаляя усадочную раковину и рыхлый металл слитка для последующего переплава.

Слиток имеет неоднородный химический состав, который тем больше, чем крупнее слиток. Например, в стальном слитке концентрация серы и фосфора увеличивается от поверхности к центру и снизу вверх. Химическую неоднородность по отдельным зонам слитка называют зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства металла.



Рис. 4. Схема строения стального слитка: а - расположение дендритов в наружных частях слитка, б - строение слитка; 1- стенки изложницы. 2 - мелкие равноосные кристаллы, 3 - древовидные кристаллы, 4 - равноосные неориентированные кристаллы больших размеров, 5 - усадочная рыхлость, 6 усадочная раковина

Аллотропия металлов.

Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др. Например, железо в интервале температур 911-1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) г-Fe (рис. 7). В интервалах до 911°С и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) - б-Fe.

Аллотропические формы металла обозначаются буквами б, в, г и т. д.

Существующая при самой низкой температуре аллотропическая форма металла обозначается через букву б, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.

При аллотропических превращениях происходит изменение свойств металлов - изменение объема металлов (особенно характерно для олова) и растворимости углерода (характерно для железа).

Рис. 5. Аллотропические превращения в железе



Литература

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

Ш В.М. Зуев «Термическая обработка металлов» М. Высшая школа 1986 г.

Ш Б.А. Кузьмин «Технология металлов и конструкционные материалы» М. «Машиностроение» 1981 г.

Ш В.М. Никифоров «Технология металлов и конструкционные материалы» М. «Высшая школа» 1968 г.

Ш А.И. Самохоцкий Н.Г. Парфеновская «Технология термической обработки металлов» М. Машиностроение 1976 г.

Ш Кауфман Л., Бернстейн Г., Расчет диаграмм состояния с помощью ЭВМ, пер. с англ., М., 1972;

Ш Аносов В. Я., Озерова М. И., Фиалков Ю. Я., Основы физико-химического анализа, М., 1976;

Ш 8.Захаров А. М., Диаграммы состояний двойных и тройных систем, 2 изд., М., 1978;

Ш Новосёлова А. В., Методы исследования гетерогенных равновесий, М., 1980;

Ш Глазов В. М., Лазарев В. Б., Жаров В. В., Фазовые диаграммы простых веществ, М., 1980;

Ш 11.Зломанов В. П., р-Т-х диаграммы двухкомпонентных систем, М., 1980;

Ш 12. Петров Д. А., Двойные и тройные системы, М.. 1986. В. А. Михайлов.

Размещено на Allbest.ru

...