Химико-термическая обработка деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Химико-термической обработкой (ХТО) называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали. При этом происходит поверхностное насыщение материала соответствующим элементом (не металлами-C, N, B, Si; металлами-Al, Cr, Ti, Zn) путём его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твёрдой, жидкой, газовой) при высокой температуре. Большинство деталей машин работают в условиях износа, кавитации, циклических нагрузок, коррозии, при криогенных или высоких температурах. Для защиты от этих воздействий используют ХТО. литье азотирование жаропрочный сталь

Азотирование- насыщение поверхностного слоя азотом с целью создания слоя с особо высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением к коррозии. Недостатками азотирования по сравнению с цементацией является высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, для которых требуется особое высокое качество поверхностного слоя.

Азотирование ведут в диссоциированном аммиаке NH3 (25-60%).

На обрабатываемой поверхности происходит диссоциация NH3 с образованием ионов азота, которые адсорбируются поверхностью и диффундируют в глубь металла.

Если процесс азотирования ведут при температуре ниже эвтектоидной температуры (рисунок 1), то азот первоначально диффундирует в -фазу (азотистый феррит), а после достижения предела растворимости образуются нитриды Fe4N ( -фаза) и Fe2--3N ( -фазы). При температуре насыщения азотированный слой состоит из -фазы, а после охлаждения вследствие распада и -фаз (рис.1) из -фазы (рис.2). Когда азотирование ведут при температуре выше 591оС (рис.1), образуется азотистый аустенит ( -фаза), который при охлаждении распадается на смесь азотистого феррита ( -фаза) и нитрида Fe4N ( -фаза). Поэтому в диффузионном слое под слоем нитридов ( и -фаз) образуется слой -фазы, который при охлаждении испытывает эвтектоидное превращение (рис.2.б). Переход от одной фазы к другой сопровождается резким перепадом концентрации азота. Твердость азотированного слоя на железе невелика ~300-500 HV. Поэтому азотированию подвергают среднеуглеродистые стали, легированные Cr, Mo, V, Al, которые приобретают высокую твердость и износостойкость при азотировании. В легированной стали на поверхности образуются легированные и -фазы: (Fe, M)2-3N и (Fe, M)4N. Такие элементы, как Cr, Mo, V и другие, растворенные в феррите (подслой), повышают растворимость азота в -фазе и образуют специальные нитриды MN и M2N (рис.2.в).

При низких температурах азотирования в -твердом растворе первоначально образуются сегрегации типа зон Гинье-Престона. При более высоких температурах возникают дисперсные нитриды легирующих элементов (Cr, Mo, V и др.). Зоны Гинье-Престона и обособленные выделения нитридов препятствуют движению дислокаций и тем самым повышают твердость азотированного слоя. Наиболее сильно повышают твердость Al, Cr, Mo и V. Толщину слоя легирующие элементы уменьшают.

Если главными требованиями, предъявляемыми к азотированному слою, являются высокие твердость на поверхности и износостойкость, то применяют сталь 38Х2МЮА, содержащую 0,35-0,42% С; 1,35-1,65% Cr; 0,7-1,10% Al и 0,15-0,25% Mo, остальное Fe. Одновременное присутствие алюминия, хрома и молибдена позволяет повысить твердость азотированного слоя на поверхности до 1200 HV. Молибден, кроме того, устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования.

Однако алюминий придает азотированному слою повышенную хрупкость. Поэтому все шире применяют стали, легированные Cr (1-3%), Мо (0,2-0,4%), V (до 1,0-1,2%). Эти стали имеют пониженную твердость на поверхности 700-950 HV, но при прочих равных условиях большую эффективную толщину азотированного слоя (до 400-500 HV), что позволяет сократить длительность процесса. Для повышения коррозионной стойкости можно азотировать и углеродистые стали.

Износостойкость азотированной стали выше, чем износостойкость цементованной и закаленной. В азотированном слое возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых на поверхности составляет 600-800 Мпа. Это повышает предел выносливости и переносит очаг усталостного разрушения под азотированный слой. Предел выносливости гладких образцов возрастает на 30-40% , а при наличии концентраторов напряжений (острых надрезов) - более чем на 100%.

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов.

Для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок (лопатки, крепежные детали, трубы и т.д.) применяют высокохромистые (8-13% Cr) стали, добавочно легированные W, Mo, V, Nb и B. Эти стали помимо более высокого значения длительной прочности обладают высокой жаростойкостью. В зависимости от содержания хрома они относятся или к мартенситному (до10-11% Cr) или к мартенситно-ферритному (11-13% Cr) классу. Структура этих сталей состоит из мартенсита, -феррита, карбидов типа M23C6, M6C, M2C, MC и фазы Лавеса - Fe2W (Fe2Mo). Высокая жаропрочность достигается за счет упрочнения твердого раствора, образования карбидов и интерметаллидных фаз. Наиболее сильно повышают жаропрочность вольфрам и ванадий в сочетании с молибденом. Легирование стали бором, цирконием, церием и азотом дополнительно увеличивает жаропрочность. Рабочие температуры этих сталей могут достигать 580-600оС. Однако количество ферритообразующих элементов должно быть ограничено, в противном случае сталь может стать полуферритной, что снизит жаропрочность.

Стали применяются после закалки и последующего отпуска при 650-750оС. Для изготовления рабочих лопаток паровых турбин широко используется сталь мартенситного класса 15Х11МФ, которая проходит закалку на воздухе (масле) от 1050-1100оС и отпуск при 680-750оС. Высокие температуры закалки для растворения карбидов M23C6 и M6C в аустените. Более высокие температуры закалки приводят к образованию в структуре большого количества -феррита, снижающего прочность. После отпуска структура сталей-сорбит. Предел длительной прочности стали 15Х11МФ при 550оС =150 / 170 МПа. Стали поступают в виде сортового проката-горячедеформированного толстого листа и горячедеформированных или холодно- и теплодеформированных труб.

Литье по выплавляемым моделям.

Литье по выплавляемым моделям (ЛВМ)- это процесс получения отливок в разовых неразъемных огнеупорных формах с помощью моделей изготавливаемых из легкоплавких, выжигаемых или растворяемых модельных составов. Используют как оболочковые (керамические), так и монолитные формы. Сущность процесса заключается в следующем. Изготовление моделей отливок и литниково-питающей системы осуществляется из модельных составов в пресс-формах, внутренняя полость копирует наружную поверхность отливки, путем запрессовки с помощью шприц-машины или заливки расплавленного модельного состава.

Промышленное применение этого метода обеспечивает получение из любых литейных сплавов сложных по форме отливок весом от нескольких граммов до десятков килограммов, со стенками толщиной от 0,5-1,0 мм и более, поверхностью, соответствующей 4-6-му классам чистоты (ГОСТ 2789-59), и повышенной точностью размеров.

Указанные возможности метода позволяют максимально приблизить заготовку к готовой детали, а в ряде случаев получать литую деталь, не требующую какой-либо дополнительной обработки перед сборкой. Вследствие этого резко снижается трудоемкость и стоимость изготовления изделий (в основном за счет сокращения механической обработки), уменьшается расход металла и инструмента, сокращается потребность в рабочих высокой квалификации, в оборудовании, приспособлениях, производственных площадях, создается возможность значительно усовершенствовать конструкцию изделий и повысить их эксплуатационные качества путем объединения отдельных деталей в общие узлы, уменьшения их габаритных размеров и веса.

Прообразом современного процесса изготовления отливок по выплавляемым моделям является известный со времен глубокой древности метод восковой формовки. Имеются сведения о том, что этот метод начал применятся более 4 тыс. лет назад в Эламе, Вавилонии (на территории теперешнего Ирана и Ирака), в Египте.

Скифы, населявшие около 2,5 тысячелетий назад Среднее Приднепровье, а позже (V-VI в. н. э)- антские и другие племена, жившие в Поволжье, Приднепровье, на берегах Азовского и Черного морей, отлично влдели этим методом, используя его в основном для отливки украшений и деталей оружия. Об этом свидетельствуют многочисленные находки археологов- отливки и каменные формочки для изготовления выплавляемых моделей со следами воска.

Позже, в эпоху Возрождения, метод восковой формовки получил значительное распространение в Европе, особенно в Италии, при изготовлении как мелких ювелирных изделий, так и крупных художественных отливок (всемирно известный «Персей с головой медузы» Бенвенуто Челлини и др.).

В России по восковым моделям были изготовлены многие монументальные отливки, являющиеся замечательными образцами литейного искусства- памятник Петру I («Медный всадник» Фальконэ, 1782 г.); памятник Минину и Пожарскому (В.П. Екимов, 1816 г.), скульптурные группы «Укротители коней» (П.К. Клодт, 1850 г.) и др.

При изготовлении художественных отливок, ювелирных изделий, а также зубных протезов метод литья по выплавляемым моделям применяется и в настоящее время.

Возможность успешного промышленного применения метода во многом определялась не только достижениями в развитии литейной технологии, но и химии кремнийорганических соединений, в частности- разработкой промышленного метода получения этилсиликата, являющегося высококачественным исходным материалом для приготовления связующих растворов.

Выплавляемые модельные составы используются обычно в пастообразном состоянии, путем замешивания в расплавленный состав воздуха для снижения усадки. Модельные составы, применяемые при ЛВМ, должны обладать минимальной усадкой, достаточной прочностью, иметь низкую температуру плавления, хорошо смачиваться огнеупорной суспензией, быть безвредными и недефицитными. Их подразделяют на три основные группы:

1.выплавляемые, например ПС50 (50%-стеарин, 50%-парафин), ПВ70 (70%-парафин,30%-воск);

2.растворяемые, например МПВС (95%-техническая мочевина,5%-поливиниловый спирт);

3.выжигаемые, например ПСВ-ЛД (суспензионный вспенивающийся полистирол).

Растворяемые и выжигаемые составы готовятся в специальных нагревательных установках. Пресс-формы изготавливают из легких сплавов, а для мелкосерийного производства также из неметаллических материалов- пластмасс, резины и др.

Размеры пресс-формы выбираются таким образом, чтобы с учетом усадки модельного состава и сплава получить размеры отливки, отвечающие требованиям чертежа. Пресс-формы делают разъемными, чтобы облегчить извлечение модели. В одной пресс-форме можно получить одну или сразу несколько моделей, а в условиях массового производства применяют пресс-формы для изготовления нескольких моделей, объединенных в модельные звенья, состоящие из нескольких моделей отливок, питателей и участка стояка. Сборка блока моделей (обычно вручную) заключается в объединении моделей на одном стояке литниковой системы методом припайки с помощью нагретого электроножа.

Параллельно с изготовлением модели в специальных мешалках готовится огнеупорное покрытие. Оно состоит из связующего и наполнителя в виде пылевидного кварца, шамота, корунда. В качестве связующих используют гидролизованный раствор этилсиликата (смесь эфиров (C2H5O)4Si), жидкое стекло, различные смолы. На модель или блок из нескольких моделей наносят окунанием в ванну несколько (от 5 до 12) слоев огнеупорного покрытия сметанообразной консистенции с обсыпкой каждого слоя сухим песком в кипящем слое (кварцевым на основе SiO2 , электрокорундом Al2O3) для прочности.

Нанесенное покрытие сушится при прохождении блока на подвеске движущегося конвейера через камеру воздушной (60-90 мин) или воздушно-аммиачной сушки (15-20 мин) при температуре 23-25oС. После сушки последнего слоя модель из полученной керамической формы выплавляют, растворяют или выжигают, форму прокаливают при температурах 800-950оС.

В процессе прокаливания из формы выжигаются остатки модельного состава и газотворные примеси оболочки, увеличивается газопроницаемость формы, заканчивается процесс образования керамической оболочки. Если толщина керамической формы не превышает 5-6 слоев, то её заформовывают для прочности в опоку сухим песком или молотым шамотом. Заливка форм расплавом обычно производится из ковшей.

Если сплавы склонны к плёнообразованию, то заливку ведут прямо из печи. Для получения более качественных отливок плавку и заливку расплава производят в вакууме. Для повышения заполняемости форм расплавом используют центробежные с вертикальной осью машины. Залитые формы охлаждаются на заливочных площадках либо на охладительных ветвях конвейера в течении 2-5 часов. Формы с сухим наполнителем освобождаются от наполнителя на специальных опрокидывателях. Обрезка и очистка отливок производится так же, как и при литье в песчаные формы. Для удаления мелких керамических стержней применяют ультразвуковые установки, а также растворение стержней в кислотах.

К преимуществам данного вида литья относятся:

- возможность получения сложных по форме отливок из широкой номенклатуры сплавов с высокой точностью, не требующих дополнительной механической обработки за исключением сопрягаемых поверхностей;

- возможность получения отливок со сложными внутренними полостями, отверстий диаметром до 1 мм, литых резьб и т.п.

Основными недостатками данного вида литья являются его сложность, многооперационность, а следовательно, и высокая себестоимость получаемых отливок.

К основным видам термической обработки стали относится:

Отжиг. Традиционно сложившееся понятие «отжиг» относится к нескольким режимам термообработки, объединенным целью привести сплав в стабильное состояние. Образуется феррито-перлитная структура. Сталь с такой структурой обладает низкой твердостью и высокой пластичностью.

Наиболее распространенной разновидностью отжига является обыкновенный отжиг, который производится с целью умягчить сталь перед механической обработкой или подготовить сталь к окончательной термической обработке. Сталь нагревается до температуры на 30-50оС выше линии фазовых превращений GSK, выдерживается при этой температуре до полного завершения структурно-фазовых превращений и охлаждается с очень малой скоростью в камере печи.

Диффузионный отжиг или гомогенизация применяется с целью устранения в легированной стали неоднородности химического состава (ликвации). Нагрев при диффузионном отжиге проводят до максимально высоких температур, так как при этом условии наиболее интенсивно происходят диффузионные процессы выравнивания химического состава сплава. Для легированных сталей температуру нагрева выбирают в интервале 1050-1250оС, выдержка достаточно длинная - 15-20 ч. Отжиг для снятия внутренних напряжений проводят с целью уменьшения остаточных напряжений, образовавшихся в металле при ковке, литье, сварке, и способных вызвать коробление и разрушение детали. Нагрев проводят в интервале 200-500оС с последующим медленным охлаждением. Рекристаллизационный отжиг проводят с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла. Температура нагрева в этом виде обжига выбирается на 150-250оС выше температуры начала рекристаллизации обрабатываемого сплава.

Нормализация. Особенностями этого режима являются температура нагрева стали выше температуры полиморфного превращения по линии GSE и охлаждение на спокойном воздухе. Ускоренное, по сравнению с обычным отжигом, охлаждение придает стали более дисперсную феррито-цементитную структуру (сорбит) и более высокую прочность.

Закалка на мартенсит. Закалка стали заключается в нагреве ее выше температуры фазовых превращений (GSK), выдержке для завершения всех превращений и охлаждений с высокой скоростью с целью получения при комнатной температуре неравновесной структуры- мартенсита. Минимальная скорость охлаждения, необходимая для подавления диффузионных процессов и образования мартенсита, называется критической скоростью охлаждения. Скорость охлаждения определяется видом охлаждающей среды. По мере уменьшения охлаждающей способности, среды располагаются в следующем порядке: водные растворы солей, вода, расплавы солей и металлов, минеральные масла, водные растворы полимеров. Легированные стали охлаждают с меньшей скоростью, чем углеродистые стали.

Отпуском стали называется нагрев закаленной стали для получения более устойчивого структурного состояния. Отпуск обычно является заключительной операцией термической обработки, придающей стальному изделию окончательные свойства, необходимые по условиям эксплуатации детали. Температуру отпуска назначают в зависимости от требуемых свойств. Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий. Низкий отпуск проводится при 150-180оС, для легированных сталей - до 250оС. Полученную структуру называют мартенсит отпуска. Сохраняется высокая твердость, износостойкость стали, немного повышается пластичность. Этот вид отпуска для режущего и измерительного инструмента, для штампов. Средний отпуск при температурах 350-450оС применяется при производстве, главным образом, пружин и рессор. Его цель - обеспечить высокую прочность и упругость. При таком нагреве завершается распад мартенсита, полученная структура называется троостит отпуска. Высокий отпуск конструкционных углеродистых и легированных сталей производится при 500-650оС. Его основное назначение - получить хорошую пластичность при достаточно высоком значении прочности. Более высокая температура нагрева ускоряет диффузионные процессы в закаленной стали, и при распаде мартенсита, образуются более крупные зерна феррита и цементита - сорбит отпуска. Такой комплекс свойств является идеальным для деталей машин, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам, поэтому сочетание закалки и высокого отпуска издавна называют улучшением стали.

В начальной стадии промышленного метода литья по выплавляемым моделям использовался весьма сложный и трудоемкий процесс, основанный на применении дорогих исходных материалов - натуральных восков, жидких формовочных наполнителей на гидролизных основах этилсиликата и др. Ввиду длительности процесса (продолжительность цикла производства отливок доходила до 5-6 суток) и высокой стоимости получаемых отливок метод имел ограниченное применение.

Рядом научно-исследовательских организаций, а также непосредственно на заводах были проведены работы по усовершенствованию технологического процесса и его механизации. В результате резко возросла производительность труда на всех основных операциях, процесс был значительно упрощен и удешевлен.

Широкое распространение как в нашей стране, так и за рубежом получил разработанный советскими специалистами метод изготовления форм с сухим опорным наполнителем, позволяющий полностью от использования жидких наполнительных формовочных составов с дорогим связующим - гидролизованным раствором этилсиликата. Применение сухого наполнителя, пригодного для многократного повторного использования, позволило не только удешевить изготовление литейной формы, но и сократить продолжительность этого процесса в несколько раз, в том числе в 8-10 раз длительность такой ответственной операции, как тепловая обработка форм перед заливкой.

Разработка модельных составов на основе недефицитных и дешевых материалов - парафина, синтетического церезина, буроугольного воска, канифоли и др., а также созданного в отечественной промышленности метода использования этих составов в пастообразном состоянии позволила не только резко снизить стоимость производства отливок, но и стабилизировать их качество в условиях массового производства, механизировать процесс изготовления моделей, сократить его продолжительность.

Список использованной литературы

1. Материаловедение. Ю.М. Лохтин, В.П. Леонтьева

2. Инженерная монография. Литье по выплавляемым моделям.

3. Материаловедение. М.В. Воздвиженская, А.А. Шатульский.

Размещено на Allbest.ru