Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова»

(БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова»)

Реферат

на тему

Обработка металлов с целью их упрочнения

Санкт-Петербург

2020 г.

Оглавление

• Введение
• 1. Термическая обработка металлов
• 1.1 Химико-термическая обработка
• 1.2 Объёмная термообработка металлов
• 1.3 Локальная термическая обработка металлов
• 1.4 Термомеханическая обработка металлов
• 2. Электрофизическая обработка металлов
• 2.1 Электроэрозионный метод
• 2.2 Электрохимический метод
• 3. Старение
• 4. Криогенная обработка металлов
• Заключение
• Список литературы


Введение

Металлообработка - это комплекс технологических процессов изменения размеров, формы и качественных характеристик металлов и сплавов. К металлообработке относят токарную, термическую и химико-термическую, электрофизическую и электрохимическую обработки и многие другие. До настоящего времени отсутствует единая терминология в наименовании различных методов упрочнения металлов, осуществляемых путём комбинированного термомеханического воздействия.

В последние годы развивается направление по созданию высокопрочных материалов путем управления характером, числом и распределением несовершенств в металле, которые могут быть созданы при применении пластической деформации. Однако чаще применяются другие способы упрочнения материалов.

Большинство деталей машин работают в условиях изнашивания, кавитации, циклических нагрузок, коррозии при криогенных или высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжения. 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.



1. Термическая обработка металлов

Термическая обработка металлов - это процесс температурного воздействия на сплав, с целью изменения его структуры и свойств. Термообработка применяется для изменения структуры и свойств как железоуглеродистых сплавов, так и цветных сплавов. [4]

Основные виды термической обработки металлов представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Основные виды термической обработки металлов

Для достижения требований, которые предъявляются к металлу используется множество разновидностей этих видов термообработки. Так, например, один только отжиг насчитывает более 10 разновидностей. Термическая обработка, как способ получения заданного комплекса механических свойств, подразумевает под собой не только высокотемпературное воздействие на металл. Есть определенные группы сталей, для обработки которых применяется так называемая обработка холодом. Это стали, у которых точка конца мартенситного превращения лежит ниже комнатных температур.



1.1 Химико-термическая обработка

Такая обработка металлов применяется для получения структуры или свойств в определённом объёме детали или заготовки, при этом термическому воздействию подвергается весь объём металла. Это может быть, например, цементация, нитроцементация, азотирование, борирование, высокотемпературные способы нанесения покрытий, хромирование и др. [5]

Процесс химико-термической обработки состоит из трёх элементарных стадий:

I. образование активных атомов в насыщающей среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла. Мощность диффузионного потока, т.е. количество образующихся в единицу времени активных атомов, зависит от состава и агрегатного состояния насыщающей среды, которая может быть твердой, жидкой или газообразной, взаимодействия отдельных составляющих между собой, температуры, давления и химического состава стали;

II. контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решётку железа (адсорбция);

III. диффузия - перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом материале и достаточно высокой температуре, обеспечивающей энергию необходимую для протекания процесса.

К химико-термической обработке прибегают в случаях, когда необходимо изменить состав заранее определённого слоя металла. Наличие разного количества элементов насыщения позволяет разделить все химико-термические обработки на:

· однокомпонентные, в которых насыщение проводится одним компонентом (например углеродом, азотом, хромом);

· многокомпонентные, где металл насыщают одновременно несколькими компонентами (так, при нитроцементации используют азот и углерод, а при боролитировании - бор и алюминий).

Есть несколько основных видов химико-термической обработки. В промышленности чаще используют традиционные методы насыщения, а именно: азотирование, цементацию, цианирование.

Цементация

Цементация в твердом карбюризаторе - простой технологический процесс, доступный любому термическому цеху. Она заключается в обогащении углеродом металла и позволяет получить деталь с комбинированными характеристиками - вязкой сердцевиной и твёрдой поверхностью. [5] Цементации подвергают детали из углеродистой и легированной стали с содержанием углерода от 0,08 до 0,35%. Богатые углеродом смеси, применяемые для цементации, - карбюризаторы - могут быть твердыми, жидкими и газообразными, обычно карбюризатор содержит от 10% до 40% углекислых солей. Цементация в твердом карбюризаторе производится путем нагрева деталей, упакованных в железные ящики вместе с карбюризатором, до 850 - 920°С. После этого детали в ящиках охлаждают вместе с печью или на воздухе, а затем подвергают закалке и низкому отпуску. Цементации подвергают зубчатые колеса, шейки валов, плунжеры насосов, червяки, звёздочки, ролики подшипников качения и другие детали. Этот способ применялся ещё в глубокой древности. Участок подготовки твердого карбюризатора, если он расположен вне потока, должен быть отделен от других участков термического цеха. Процессы приготовления твердого карбюризатора и очистки от пыли отработанного карбюризатора должны проводиться в отдельном изолированном несгораемом помещении, оборудованном общей приточной и местной вытяжной вентиляцией от пылящего оборудования.

Цементацию изделий твёрдым карбюризатором всё чаще заменяют газовой цементацией в окиси углерода СО. Впервые она была применена П.П. Аносовым. Сущность ее состоит в том, что цементируемые изделия нагревают и выдерживают при температуре 920° - 950°С в печи, куда в течение всего процесса непрерывно подается цементирующий газ. Для этой цели используют природный газ, состоящий в основном из метана , или искусственные газы, получаемые в результате разложения (пиролиза) нефтепродуктов - керосина, различных масел, бензола, пиробензола и др. Основной составляющей искусственных газов также является метан . Так же применяются жидкие карбюризаторы, они вводятся непосредственно в цементационную печь и там под действием высокой температуры превращаются в газ либо подвергаются предварительной обработке в специальных установках для получения газа, пригодного для цементации.

Детали загружают в муфельные печи, в которые вводят цементирующие газы. При газовой цементации продолжительность процесса сокращается в 2 - 2,5 раза. Так, для получения цементованного слоя глубиной 1,0 - 1,2 мм требуется затратить 4 - 5 часов. Процесс газовой цементации обладает рядом преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе:

· повышается производительность процесса по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, так как не нужно затрачивать время на упаковку и прогрев ящиков;

· сокращается потребная производственная площадь и количество рабочей силы, так как отпадает необходимость в упаковке и распаковке деталей, хранении и транспортировке ящиков и карбюризатора;

· сокращается потребность в жаростойком материале, так как расход его на муфели и приспособления при газовой цементации гораздо меньше, чем на ящики при цементации в твердом карбюризаторе;

· появляется возможность регулирования процесса для получения цементованного слоя заданной глубины и насыщенности;

· уменьшается деформация деталей вследствие более равномерного нагрева до рабочей температуры;

· улучшаются санитарно-гигиенические условия труда;

· появляется возможность непосредственной закалки деталей после цементации;

· применение печей непрерывного действия позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс и установить агрегат для термической обработки в поточной линии механического цеха.

Недостатки процесса газовой цементации:

· необходимость в более сложном и дорогом оборудовании;

· потребность в более квалифицированной рабочей силе;

· сложность эксплуатации оборудования вследствие необходимости обеспечения герметичности печи, равномерной циркуляции газов и др.;

· сложные требования по технике безопасности.

Газовая цементация применяется почти во всех отраслях машиностроения и непрерывно совершенствуется. Опыт подтверждает экономическую эффективность ее внедрения не только в массовом и крупносерийном, но также в мелкосерийном и даже в индивидуальном производстве.

Азотирование

Основоположником азотирования стали является русский ученый профессор Н.П. Чижевский, который впервые исследовал и применил этот процесс.

Азотирование является одним из распространенных видов химико-термической обработки сталей и сплавов, цель которой состоит в придании поверхностным слоям повышенных прочностных характеристик. Азотированный слой может обладать очень высокой твердостью, износостойкостью, в несколько раз превышающей износостойкость закаленных высокоуглеродистых и цементированных сталей. Азотирование поверхности позволяет, кроме повышения прочности увеличить жаропрочность тугоплавких металлов и сплавов, т.е., иными словами, увеличить прочность металла при более высокой температуре. Классификация процессов азотирования представлена на рисунке 2. [5]

Рисунок 2. Классификация процессов азотирования

Азотированием называют адсорбцию атомов азота поверхностью изделий и их дальнейшее диффузионное продвижение в глубину металла с целью образования нитридов с легирующими элементами.

Существует три основных типа азотирования:

· твердое, с адсорбцией из порошковых составляющих или обмазок;

· жидкостное, с адсорбцией из растворов солей;

· газовое, адсорбция происходит из газовой фазы.

В газовом азотировании в свою очередь существует несколько методов газового азотирования.

· высокотемпературное газовое азотирование: в машиностроении практически не применяется;

· ионное газовое азотирование имеет специфические особенности;

· газовое низкотемпературное азотирование является наиболее распространенным методом газового азотирования.

Для газового азотирования используют аммиак . Сущность азотирования заключается в том, что аммиак при температуре 500 - 750°С разлагается на азот и водород, и активные атомы азота (атомарный азот), диффундируя в поверхностный слой, сообщают поверхности стали большую твердость, не влияя на механические свойства сердцевины деталей. В промышленности для изготовления деталей, подлежащих азотированию, в настоящее время широко применяют сталь марки 35ХМЮА или ее заменитель 35ХВФЮА. Продолжительность азотирования от 12 до 60 и даже до 90 часов в зависимости от требуемой толщины азотированного слоя и характера процесса.

Длительность выдержки деталей в потоке аммиака в печи влияет на глубину азотированного слоя. В среднем при 500°С азот за каждые 10 часов диффундирует на глубину 0,1 мм. На практике для сокращения времени азотирования процесс ведут путем ступенчатого нагрева: вначале в течение 12 - 15 часов при температуре 500 - 520°С; затем температуру поднимают до 550 - 600°С и дают выдержку 15-20 часов. При таком режиме длительность процесса удается сократить в 2,0 - 2,5 раза. В результате азотирования твердость стали достигает НВ 1000-1100; последующей термической обработки не требуется.

Газовое низкотемпературное азотирование применяют с целью повышения поверхностной твердости, износостойкости, теплостойкости, усталостной прочности и коррозионной стойкости изделий машиностроения. Самыми распространенными деталями для упрочнения методом газового азотирования являются: коленчатые валы, шестерни, плунжера, матрицы экструзии алюминия, штампы и т.п. Общая, характерная особенность заготовок, подвергающихся азотированию, это затрудненная или невозможная их механическая обработка после упрочнения из за высокой твердости и сложной геометрической формы.

Температуру азотирования выбирают в зависимости от химического состава азотируемой стали, требуемой твердости поверхности, конструктивной жесткости и установленного допуска на величину деформации при азотировании. Линейные деформации изделий, от азотирования, в среднем составляют 20% от величины азотированного слоя. Если величина азотированного слоя около 0,5 мм, то увеличение линейного размера заготовки составит примерно 0,1 мм на сторону. Чем выше температура азотирования, при прочих равных условиях, тем больше толщина слоя, но ниже твердость на поверхности и больше деформация. Практическим путем были получены оптимальные режимы для большинства деталей из различных материалов.

Азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией: она дает незначительное изменение размеров деталей, обеспечивает более высокую твердость и износоустойчивость (при нагреве до температуры 500 - 550°С твердость азотированных деталей не снижается); сообщает деталям хорошую сопротивляемость действию переменных нагрузок, высокий предел выносливости и коррозионную стойкость. [5] Недостаток азотирования - длительность процесса.

Цианирование

Цианирование - процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом для придания ей высокой твердости, сопротивляемости истиранию и коррозионной стойкости. [5] Одновременное присутствие в среде углерода и азота ускоряет их совместную диффузию в поверхностные слои стали. Такими средами могут быть расплавленные цианистые соли (жидкостное цианирование), науглероживающие и азотирующие газы (газовое цианирование), твердые порошки и пасты (твердое цианирование). Цианированию подвергают углеродистые и легированные стали.

Существуют два вида цианирования:

I. высокотемпературное цианирование;

II. низкотемпературное цианирование.

Высокотемпературное цианирование применяют для деталей из углеродистой и легированной стали с содержанием углерода 0,3 - 0,4% с целью получения твердого, хорошо сопротивляющегося истиранию поверхностного слоя и вязкой сердцевины. Такое цианирование проводится при температурах 780 - 930°С, т.е. когда сталь находится в состоянии аустенита и преобладает процесс насыщения ее углеродом. Этот вид цианирования широко применяют на автомобильных заводах для зубчатых колес и различных мелких деталей. По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.

Низкотемпературное цианирование применяют для повышения поверхностной твердости, износостойкости и предела выносливости деталей из конструкционных сталей и для инструментов из быстрорежущей стали при температурах 500 - 600°С, т.е. когда преобладает процесс насыщения стали азотом, с последующим медленным охлаждением цианированного инструмента. Низкотемпературное цианирование является окончательной обработкой.

Цианирование проводится в жидких и газовых средах. Жидкостное цианирование заключается в нагреве деталей в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий (NaCN).

Цианированию подвергаются детали после окончательной механической обработки или небольшими припусками на шлифование. Места, не подлежащие цианированию, подвергают меднению (18-25 мкм). Среди главных достоинств цианирования - относительно небольшая длительность процесса химико-термической обработки, малые деформации и коробления детали в ходе процесса насыщения, малые потери тепла. Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей, поэтому цианистые ванны устанавливают в отдельном помещении, с вентиляцией у каждой ванны. При работе на цианистых ваннах требуется большая осторожность и тщательное соблюдение всех правил техники безопасности. Жидкостное цианирование проводится в цианистых ваннах, которые целесообразно устанавливать в поточную линию.

В последнее время на заводах вводится новый процесс цианирования - газовое цианирование, или нитроцементация. Газовое цианирование занимает промежуточное положение между газовой цементацией и азотированием и поэтому иногда называется нитроцементацией. При газовом цианировании детали нагреваются в смеси газов, содержащих углерод и азот. Для этой цели используют смесь окиси углерода СО и аммиака . При их химическом взаимодействии образуются активный углерод и азот. В последнее время газовое цианирование (нитроцементацию) производят в печах, оборудованных для газовой цементации, путем введения в рабочее пространство этих печей бензола или пиробензола.

Диффузионная металлизация стали

Насыщение поверхности стали металлами в ходе их высокотемпературной химико-термической обработки в соответствующих насыщающих средах называется диффузионной металлизацией. Целью такого вида химико-термической обработки является изменение состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали путем введения в него таких металлов, как хром, алюминий, цинк, вольфрам, ванадий, ниобий. Диффузионная металлизация, в зависимости от насыщающего элемента, может проводиться в диапазоне температур от 1400 до 700°С.

Подобная химико-термическая обработка может включать в себя как насыщение только одним элементом, например, насыщение поверхности детали хромом - хромирование, насыщение алюминием - алитирование, так и насыщение группой металлов - хромоалитирование (одновременное насыщение хромом и алюминием), одновременное насыщение поверхности детали металлами и неметаллами - карбохромирование (насыщение поверхности углеродом и хромом). Совместное насыщение поверхности детали рядом элементов может проводиться как одновременно, так и последовательно.

В результате диффузионной металлизации в поверхности стали возникают слои высоколегированных твердых растворов диффундирующих элементов в железе, создавая принципиально иные физико-химические свойства поверхностных, защитных слоев изделия.

Алитированием называется режим химико-термической обработки, состоящей в насыщении поверхности стали алюминием в соответствующих насыщающих средах. Как правило алитирование производится при температурах 700 - 1100°С. Целью алитирования является повышение окалиностойкости изделий (до 800 - 900°С), коррозионной стойкости в атмосферных условиях и морской воде. В основном, алитированию подвергаются малоуглеродистые стали, так как углерод резко снижает глубину алитированного слоя.

Хромирование - способ химико-термической обработки, состоящий в высокотемпературном (900 - 1300°С) диффузионном насыщении поверхности обрабатываемой детали хромом в насыщающих средах с целью придания ей жаростойкости (до 800°С), коррозионной стойкости в пресной и морской воде, растворах солей и кислот, эрозионной стойкости. Диффузионное насыщение поверхности стали хромом, также уменьшает скорость ползучести материала повышает его сопротивление термическим ударам. Хромирование также повышает предел выносливости стали при комнатных и повышенных температурах, что связано с возникновением в слое сжимающих напряжений. Хромированию подвергаются стали различных классов - ферритных, перлитных и аустенитных, сталей различного назначения. Структура хромированного слоя напрямую зависит от содержания в стали углерода.

Кроме однокомпонентного насыщения поверхности стали хромом достаточно широкое применение нашли процессы совместного насыщения: углеродом и хромом - карбохромирование, хромом и кремнием - хромосилицирование, хромом и алюминием - хромоалитирование.

Карбохромирование - это процесс последовательного насыщения поверхности детали углеродом, а затем хромом, способствующий повышению твердости, износо- и жаропрочности, коррозионной стойкости материала.

Хромосилицирование - это одновременное насыщение поверхности детали хромом и кремнием. Температура хромосилицирования составляет, в зависимости от состава обрабатываемого материала и способа хромосилицирования, 900 - 1200°С. Детали, подвергшиеся хромосилицированию, по сравнению с хромированными деталями, обладают повышенной окалиностойкостью и кислотостойкостью, повышенным сопротивлением эрозии в области высоких температур.

Хромоалитирование - это совместное или последовательное насыщение поверхности детали хромом и алюминием. Температура процесса находится в пределах 900 - 1200°С. Хромоалитирование проводится для создания в поверхности детали слоев с повышенной, по отношению к хромированным деталям, жаростойкостью, достигающей 900°С, и эрозионной стойкостью.

Титанирование - процесс диффузионного насыщения поверхности сталей титаном. Насыщение осуществляется при температурах порядка 1100°С, глубина насыщения обычно не превышает 0,3 мм. С помощью титанирования стальным деталям придается исключительно высокая коррозионная стойкость, характерная для титана главным образом в средах различных кислот. Титанирование может проводиться в твердых (порошкообразных), жидких и газообразных насыщающих средах.

Цинкование - процесс диффузионного насыщения поверхности детали цинком. Химико-термические методы цинкования включают в себя горячее цинкование или цинкование погружением, цинкование в порошке цинка - шерардизация, цинкование в парах цинка. Кроме этих методов используется электролитическое цинкование, металлизация напылением и нанесение цинкосодержащих красок. Цинкование - процесс, способствующий резкому повышению коррозионной стойкости. Повышение коррозионной стойкости при цинковании стальных деталей достигается за счет двух химических процессов: цинк, по отношению к железу являясь электроположительным металлом, тормозит коррозию поверхности детали. Под воздействием атмосферной влаги на цинкованной поверхности стальной детали образуется слой карбонатов и оксидов цинка, оказывающий также защитное действие. Температура цинкования зависит от способа проведения операции.

Для повышения коррозионной стойкости различных изделий (листы, трубы, проволока, посуда, аппаратура для получения спиртов, холодильников, газовых компрессоров и т.д.) чаще применяют цинкование путем погружения изделий в расплав цинка.

1.2 Объёмная термообработка металлов

Объёмная термообработка металла применяется для получения определенной структуры или свойств по всему сечению детали или заготовки.

Существует несколько основных видов объёмной термической обработки сталей и сплавов:

· отжиг и нормализация;

· закалка;

· отпуск.

При объемной термообработке диаметры отверстий увеличиваются, длинные тонкие валы изгибаются. Чтобы при последующей мехобработке детали получились точные размеры, на заготовке под термообработку необходимо оставлять припуски.

Отжиг и нормализация металлов

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, находящегося в результате каких-либо предшествующих воздействий в неравновесном состоянии, и приводящая его в более равновесное состояние, называется отжигом. [7] Нагрев при отжиге может производиться ниже и выше температур фазовых превращений в зависимости от целей отжига. В процессе такой относительно несложной операции в металле уменьшается внутреннее напряжение, повышается пластичность и снижаются прочностные характеристики.

Отжиг первого рода

Отжиг, при котором нагрев и выдержка металла производится с целью приведения его в однородное (равновесное) состояние за счет уменьшения (устранения) химической неоднородности, снятия внутренних напряжений и рекристаллизации называется отжигом первого рода. Его проведение не связано с прохождением фазовых превращений. Он возможен для любых металлов и сплавов.

Ключевыми параметрами при таком варианте отжига являются:

· время, в течение которого производится выдержка металла;

· температура нагрева.

Именно они устанавливают результативность процедуры, а вот скорость охлаждения и нагрева стали для данного отжига не столь важны.

В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются существуют следующие разновидности отжига 1-го рода:

· гомогенизационный;

· рекристаллизационный;

· уменьшающий напряжения отжиг.

Гомогенизационный или диффузионный отжиг - это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий химической неоднородности, которая создаётся в процессе рекристаллизации металлов. [4] После кристаллизации любой сплав имеет неравновесную структуру, что отличает его от чистых металлов. Под неравновесной понимают такую структуру, в которой химический состав и во всем слитке, и в одном зерне непостоянен. Подобная неоднородность вызвана тем, что исходные элементы имеют разную температуру плавления. Избавиться от нее полностью нельзя, но зато при проведении отжига есть возможность ее значительно уменьшить.

Более сложным является рекристаллизационный отжиг, который используется для устранения эффекта упрочнения металла. Под такой термической обработкой понимают нагрев материала до температурного показателя, который превышает величину начала его кристаллизации, выдержку металла и его медленное охлаждение. Необходимость в рекристаллизации вызвана тем, что пластическая холодная деформация значительно изменяет свойства металла и его структуру. [2] А деформация сдвигового типа становится причиной повышения плотности изъянов кристаллической решетки. В результате этого зерна меняют свою форму и устремляются в сторону основной деформации, а это ведет к уменьшению пластичности металла и увеличению через некоторое время его прочности. Как результат - образование нагартовки либо наклепа, а затем и разрушение материала при попытке его деформирования. Конкретная температура нагрева металла при рекристаллизационном отжиге выбирается в зависимости от того, какой сплав обрабатывается. Длительность рекристаллизационной термообработки меньше, нежели диффузионной.

В металле из-за различных видов обработки образуются внутренние напряжения, также они могут возникать из-за неравномерного нагрева слитка, разных схем охлаждения отдельных участков обрабатываемого изделия.

Такие напряжения иногда характеризуются по-настоящему высокими показателями, что может вызвать разрушение металла. Понятно, что допустить этого нельзя, а значит, требуется провести специальную термическую обработку. В данном случае речь идет об отжиге при температуре меньше той, после которой отмечается рекристаллизация материала. [4]

Отжиг второго рода

Отжиг, при котором нагрев производится выше температур фазовых превращений с последующим медленным охлаждением для получения структурно равновесного состояния, называется отжигом второго рода или перекристаллизацией. [5] Особенность данного отжига в том, что после него возможно и полное, и только частичное изменение начальной структуры материала. По этой причине его делят на:

· неполный: исходная фаза частично остается неизменной;

· полный: перекристаллизация осуществляется в полной мере.

Полный отжиг применяют для доэвтектоидной стали. Изделия нагревают, чтобы обеспечить полную перекристаллизацию - превращение исходной ферритно-перлитной структуры в аустенит. Назначение его - улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры в готовой детали.

Неполный отжиг связан с фазовой перекристаллизацией, он применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура. [2]

Также отжиг второго рода принято подразделять на:

· нормализационный: рекомендован для улучшения структуры перегретого металла и обрабатываемости конструкционных сталей (не подходит для инструментальных сталей);

· изотермический: позволяет обрабатывать на максимально быстрой скорости небольшие поковки и прокатные изделия (для уменьшения их твердости) из высокоуглеродистых и легированных сталей;

· светлый: применяется для предохранения стальных поверхностей от потери углерода и окисления;

· сфероидизирующий: дает возможность подготовить для холодного деформирования среднеуглеродистые и низколегированные составы, снять внутренние напряжения и снизить их твердость.

Температура нагрева и время выдержки должны обеспечить нужные структурные превращения, скорость охлаждения выбирают такой, чтобы успели произойти обратные диффузионные фазовые превращения. После отжига получают однородную мелкозернистую структуру, твердость понижается, пластичность повышается и отжиг второго рода применяют в качестве предварительной термической обработки и перед обработкой стальных деталей на металлорежущих станках.

После охлаждения получится грубая структура, состоящая из крупных зерен феррита и перлита. Сталь обладает пониженной пластичностью. Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, при которой цементитная сетка дробится. Сталь с зернистым цементитом лучше обрабатывается режущим инструментом и приобретает хорошую структуру после закалки.

С целью экономии времени проводят изотермический отжиг. При изотермическом отжиге в процессе выдержки происходит выравнивание температуры по сечению изделия. Это способствует получению более однородной структуры и однородных свойств. Легированные стали подвергают такому отжигу.

Диффузионный отжиг применяется в случаях, когда в стали наблюдается внутрикристаллическая ликвация. [7] Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. В результате сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называют также гомогенизацией.

Нормализация

Нормализацией называют термическую обработку стали, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния и охлаждают на спокойном воздухе. Отличие нормализации от полного отжига для доэвтектоидных сталей заключается только в скорости охлаждения. В результате нормализации получается более тонкое строение эвтектоида, уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, возникшие в процессе предшествующих обработок изделий. Твердость и прочность выше, чем после отжига. Нормализацию применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Особенностями режима этого вида термообработки являются температура нагрева и охлаждение на спокойном воздухе. [2] Эти особенности обусловлены специфическими целями нормализации. Применительно к доэвтектоидным сталям, особенно низкоуглеродистым, нормализация за более короткое время и при большей простоте режима охлаждения позволяет получить те же результаты, что и при отжиге.

В ряде случаев, когда от материала изделия не требуется повышенных прочностных свойств, нормализация заменяет закалку. Особенно это касается деталей из низкоуглеродистой стали, для которых применение закалки исключается из-за очень высокой критической скорости закалки. При нормализации заэвтектоидных сталей из-за ускоренного выделения из аустенита избыточного (вторичного) цементита нежелательная цементитная сетка вокруг перлитных зерен не образуется. Слово «нормализация» указывает на то, что сталь после этой операции получает нормальную, однородную, мелкозернистую структуру; перлит приобретает тонкое строение. Нормализации подвергают отливки и поковки. В настоящее время нормализация распространена в машиностроении больше, чем отжиг, так как она более производительна и дает лучшие результаты. Интенсивность охлаждения в существенной степени определяет количество перлита и размеры пластин.

Закалка

Закалка - самый распространенный и в то же время наиболее сложный вид термической обработки, так как она протекает при очень больших скоростях охлаждения, что приводит к образованию значительных внутренних напряжений. [3] При закалке стали нагревают до температуры получения структуры аустенита (выше 800 - 1000°С), выдерживают некоторое время при этой температуре, а затем быстро охлаждают в воде, масле, растворах солей, кислот, щелочей, на воздухе и в других средах, а также с помощью металлических плит. Процесс охлаждения чаще всего применяется с целью повышения твердости и прочности стальных изделий. Максимальная твердость при этом достигается за счет получения структуры мартенсита. Закаливанию подвергают валы, шестерни, пружины, штампы, зубила, резцы, фрезы и др. Закалка с последующим отпуском позволяет изменять свойства стали в широком диапазоне.

При выборе закаливающей среды необходимо знать, как она охлаждает изделие в различных интервалах температур. Наилучшей является такая закаливающая среда, которая в интервале температур от 550 до 650°С охлаждает изделия со скоростью выше критической скорости закалки, а при температурах 200 - 300°С обеспечивает медленное, спокойное их охлаждение. Обусловлено это тем, что при температурах 550 - 650°С устойчивость аустенита очень мала, особенно у углеродистой стали. Поэтому в этом интервале температур охлаждающая способность среды должна быть большой, иначе не получить структуру мартенсита. При температурах 200 - 300°С, наоборот, желательно медленное охлаждение, что уменьшает опасность коробления изделий и появления трещин, так как в этих условиях переход аустенита в мартенсит протекает более равномерно. Например, углеродистые стали, у которых критическая скорость закалки составляет 400 - 600°С/с, для получения мартенсита следует закаливать только в воде при комнатной температуре и в водных растворах солей. Большинство легированных сталей можно закаливать в масле.

Закаливаемость - это способность стали к повышению твердости при закалке. [1] Некоторые стали обладают плохой закаливаемостью, то есть имеют недостаточную твердость после закалки. О таких сталях говорят, что они «не принимают» закалку. Для того чтобы определить закаливаемость той или иной стали, необходимо измерить твердость поверхности стального изделия после закалки. Чем выше твердость, тем лучше закаливаемость стали. Закаливаемость стали определяется в основном содержанием в ней углерода.

Прокаливаемость - глубина проникновения закалки при закалке массивных изделий. Важно знать не только закаливаемость стали, но и ее прокаливаемость. Различные слои изделия при закалке охлаждаются неодинаково. Поверхностный слой, который непосредственно соприкасается с закалочной жидкостью, охлаждается с большей скоростью, чем внутренние слои. Наименьшая скорость охлаждения - в центре изделия. Чем выше критическая скорость закалки стали, тем ниже ее прокаливаемость. Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки, поэтому у них низкая прокаливаемость.

Закалка бывает:

· непрерывная;

· прерывистая;

· ступенчатая;

· изотермическая;

· светлая.

Непрерывная закалка - наиболее простой способ термической обработки. Ее применяют для несложных по форме изделий. Изделие, нагретое до заданной температуры, охлаждают в воде или в масле до выравнивания его температуры с температурой ванны. Недостаток данного способа состоит в том, что при закалке изделий сложной формы в воде у них могут появиться трещины и коробление.

При прерывистой закалке охлаждение производят в двух средах - в воде (до 300 - 400°С) и в масле. При этом сочетании сред уменьшаются внутренние напряжения в стали в момент перехода аустенита в мартенсит. Используя данный способ, необходимо точно выдерживать время пребывания изделия в воде, что требует большого практического опыта отработников, производящих закалку.

Ступенчатая закалка применяется для изделий диаметром не более 10-12 мм из углеродистой стали и диаметром до 2030 мм из легированных сталей. Изделия, нагретые до температуры закалки, охлаждают в расплавленных солях или щелочах, температура которых немного выше температуры начала мартенситного превращения для данной стали (150 - 350°С). В указанной среде изделия выдерживают до выравнивания температуры по всему их сечению (3 - 5 мин), а затем охлаждают на воздухе. Такой способ закалки позволяет значительно уменьшить внутренние напряжения в стали, так как превращение аустенита в мартенсит начинается одновременно по всему сечению изделия и протекает при медленном охлаждении его на воздухе. Недостаток способа - трудность использования его для изделий крупных сечений, критическая скорость закалки которых нелегко достигается в горячих средах.

Изотермическая закалка - наиболее прогрессивный метод термической обработки, обеспечивающий получение однородной структуры изделий с минимальными внутренними напряжениями. [4] Она основана на превращениях переохлажденного аустенита при постоянной температуре. Изотермическая закалка осуществляется так же, как и ступенчатая, с той лишь разницей, что изделия выдерживают в ванне более длительное время (30 - 60 мин и более), пока не закончится распад аустенита. При изотермической закалке удается устранить большое различие в скоростях охлаждения поверхности и сердцевины изделий, что является основной причиной образования напряжений, возникновения деформаций и закалочных трещин. После такой закалки изделия приобретают высокую вязкость и хорошую сопротивляемость ударным нагрузкам.

С целью получения чистой светло-серого цвета поверхности, не требующей дополнительной очистки, изделия подвергают светлой закалке. После нагрева в жидких солях (в безокислительной среде) их охлаждают в расплавах едких щелочей, которые полностью растворяют тонкую пленку окислов, образующуюся на изделиях при нагреве.

Поверхностная закалка

Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стали с последующим охлаждением для получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое детали в сочетании с вязкой сердцевиной. [2] Высокая скорость высокочастотного нагрева (сотни градусов в секунду) обусловливает смещение фазовых превращений в область более высоких температур. Следовательно, температура высокочастотной закалки должна быть выше температуры закалки при обычном печном нагреве и тем выше, чем выше скорость нагрева, грубее выделения избыточного феррита в доэвтектоидных сталях.

Нагрев под поверхностную закалку может быть произведен токами высокой частоты (ТВЧ) - наиболее распространенный метод или в расплавах металлов или солей, пламенем газовых или кислородно-ацетиленовых горелок, лазерным излучением.

При проведении поверхностной закалки, в основном, различают два способа термической обработки - общая закалка всей поверхности и линейная закалка. В первом случае вся закаливаемая поверхность нагревается одновременно и быстро охлаждается, во втором - нагрев поверхности осуществляется поэтапно с помощью мобильного нагревательного устройства и охлаждается непосредственно за ним следующим спреером - душевым устройством. Разновидности таких закалок различаются по способу относительного движения изделия и нагревающего устройства.

Закалка всей поверхности может осуществляться одним из следующих способов:

· стационарная закалка - изделие и нагревательное устройство неподвижны. Применима для плоских или криволинейных поверхностей малой протяженности, например, торцов стержней, клапанов, а также для цилиндрических поверхностей малой протяженности, например, цапф коленчатых валов;

· круговая закалка - изделие вращается, нагревательное устройство неподвижно. Применима для цилиндрических поверхностей ограниченных размеров - цапф коленчатых и кулачковых валов, крановых болтов и т.п.;

· маятниковая закалка - при неподвижном или вращающемся изделии нагревательное устройство совершает возвратно-поступательное движение. Применима для плоских и криволинейных поверхностей малой протяженности - зубчатых венцов, цилиндрических поверхностей ограниченных размеров.

Линейная закалка проводится одним из следующих способов:

· непрерывно-последовательная закалка - при этом виде закалки изделие движется в продольном направлении, а нагревательное устройство неподвижно, или наоборот. Применима для плоских или криволинейных поверхностей, а также направляющих станин. В случае индукционного нагрева этому виду обработки подвергаются также цилиндрические поверхности;

· непрерывно-последовательная круговая закалка-то же, что и предыдущий случай с дополнительным - вращательным - движением изделия. Используется при обработке длинномерных цилиндрических поверхностей, валов, осей, крановых болтов и т.п.;

· тангенциальная непрерывно-последовательная закалка (скользящая закалка) - при неподвижном нагревательном устройстве изделие совершает один оборот. Начало и конец закаленной зоны совпадают. Пригодна только для цилиндрических поверхностей ограниченных размеров, например, колец шарикоподшипников, бандажей и т.п.

Отпуск

Отпуском называют процесс термической обработки, при котором закаленная сталь нагревается ниже температуры отжига, выдерживается при этой температуре и затем охлаждается. [1] В процессе отпуска уменьшаются или устраняются внутренние напряжения, повышаются вязкость и пластичность стали, снижается ее твердость, улучшается структура. Между отпуском и отжигом 1-го рода много общего. Разница в том, что отпуск - всегда вторичная операция после закалки.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска:

· низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150 - 200°С. Этот отпуск снижает внутренние напряжения в стали при сохранении высокой твердости (58 - 63 HRC). Его применяют преимущественно для инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, а также для деталей, подвергаемых поверхностной закалке, цементации и нитроцементации, к которым предъявляются высокие требования по твердости и износостойкости;

· среднетемпературный (средний) отпуск осуществляют при температурах 350 - 500°С. Целью этого отпуска является получение структуры троостита. Твердость закаленной стали при этом снижается до 40 - 50 HRC, предел упругости достигает максимальной величины. Среднему отпуску подвергают рессоры и пружины;

· высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при температурах 550 - 680°С. Сталь при этом приобретает структуру сорбита (сорбит отпуска). Твердость закаленной стали снижается до 250 - 350 НВ, прочности уменьшается в 1,5 - 2 раза, пластичность и вязкость увеличиваются в несколько раз, внутренние напряжения полностью снимаются. Закалка с высоким отпуском называется улучшением. Улучшенная сталь по сравнению с отожженной или нормализованной имеет более высокие показатели прочности, пластичности и вязкости.

При отпуске некоторых легированных сталей в определенном интервале температур наблюдается резкое снижение ударной вязкости, возникает отпускная хрупкость. Чтобы избежать развития отпускной хрупкости, изделия, изготовленные из хромоникелевых и марганцовистых сталей, после высокого отпуска быстро охлаждают в масле или воде.

Температура отпуска и время выдержки зависят от марки стали, требований, предъявляемых к свойствам изделий из этой стали, и их массы. Отпуск закаленных изделий, особенно инструмента, рекомендуют проводить непосредственно после закалки с целью предотвращения образования трещин из-за возникших внутренних напряжений. При заниженных температурах отпуска или сокращении времени выдержки в стали сохраняется повышенная хрупкость, для устранения которой производится повторный отпуск. Повышенная температура отпуска приводит к снижению твердости и прочности. Эти недостатки устраняют отжигом изделий и повторной их закалкой с последующим отпуском.

1.3 Локальная термическая обработка металлов

Применяется для получения структуры или свойств в определённом объеме детали или заготовки, при этом термическому воздействию подвергается только определенный объем металла.

Существуют:

· закалка и отжиг с применением индукционного нагрева;

· лазерная закалка;

· частные случаи термообработки с применением электроконтактного нагрева.

В сварных соединениях из сталей и сплавов, особенно при ЭЛС, могут возникнуть значительные как растягивающие, так и сжимающие напряжения. Остаточные напряжения, если их не снять, приводят к снижению работоспособности и надежности сварных соединений, могут вызвать коробление, а иногда привести даже к образованию трещин. [4]

Остаточные сварочные напряжения в титановых сплавах снимают отжигом, преимущественно вакуумным, причем перерыв между сваркой и отжигом не должен превышать 20 - 60 суток. При изготовлении крупнофюзеляжных самолетов такой перерыв между сваркой и отжигом создавал определенные технологические трудности. В связи с этим на АНТК им. А.Н. Туполева была предложена локальная термическая обработка сварных швов, которая осуществляется непосредственно после ЭЛС расфокусированным электронным лучом с целью частичного снятия остаточных сварочных напряжений.

Локальная термическая обработка (ЛТО) осуществляется в вакууме с нагревом металла до 600 - 800°С путем сканирования расфокусированного электронного луча вдоль сварного соединения с зоной заданного сечения в пределах технологического припуска. ЛТО расфокусированным электронным лучом выполняют в той же установке, в которой осуществлялась сварка, этой обработке можно подвергать сварные панели, оребренные лонжероны, бимсы, пояса, баллоны. Локальный нагрев может осуществляться прямоугольным и круглым растром, причем подвижным может быть луч, а неподвижной - обрабатываемая деталь, или наоборот.

Локальную обработку электронным лучом можно также использовать для устранения дефектов ЭЛС, в частности трещин, а также для подготовки стыкуемых кромок под сварку (оплавление вместо шабрения).

1.4 Термомеханическая обработка металлов

Одним из способов создания высокопрочного состояния является термомеханическая обработка, при которой комбинированным воздействием на материал операций деформации, нагрева и охлаждения создается оптимальная дислокационная структура стали. [5]

Поиски путей создания оптимальных по своей структуре и распределению барьеров показали, что в стали и многих сплавах, испытывающих фазовые превращения, такие барьеры можно создать, если подвергнуть материал комбинированному воздействию в одном технологическом цикле пластической деформации и термической обработке. Этот технологический метод получил название термомеханической обработки. Ей можно дать такое определение: термомеханическая обработка - это совокупность выполненных в одном технологическом цикле в различной последовательности операций пластической деформации, нагрева и охлаждения сплавов, испытывающих фазовые превращения. Структура, фазовый состав и соответственно свойства сплава формируются при ТМО в условиях влияния структурных несовершенств, созданных деформацией на механизм фазового перехода и структуру новых фаз, и наоборот.

Термомеханическая обработка (ТМО) совмещает два способа упрочнения - пластическую деформацию аустенита и закалку - в единый технологический процесс. Такое комбинированное воздействие применительно к среднеуглеродистым легированным сталям (ЗОХГСА, 40ХН, 40ХН2МА, 38ХНЗМА и др.) обеспечивает высокую прочность (на образцах небольшого размера 2000 … 2800 МПа) при достаточном запасе пластичности и вязкости.

Различают три основных способа термомеханической обработки:

I. низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО). Основой служит ступенчатая закалка металла (пластическая деформация металла осуществляется при температурах относительной устойчивости аустенита с последующей закалкой и отпуском);

II. высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) - пластическая деформация проводится при температурах устойчивости аустенита с последующей закалкой и отпуском;

III. предварительная термомеханическая обработка (ПТМО) деформация при этом может осуществляться при температурах НТМО и ВТМО или при температуре 20°С. Далее осуществляется обычная термическая обработка: закалка и отпуск.

Возможность применения ТМО определяется тем, что на процессы структурных превращений существенное влияние оказывают присутствующие в реальных сплавах несовершенства строения (дислокации, дефекты упаковки, вакансии). С другой стороны, в результате некоторых структурных изменений образуются новые несовершенства, а также происходит перераспределение имеющихся несовершенств.

Температура проведения деформации при ВТМО лежит обычно выше верхней критической точки полиморфного превращения, поэтому неизбежны попытки проведения аналогии между ВТМО и термической обработкой с прокатного (или ковочного) нагрева. Принципиальное различие между этими видами обработки состоит в том, что при ВТМО создаются такие условия высокотемпературной пластической деформации и последующей закалки, при которых подавляется развитие рекристаллизационных процессов и создаётся особое структурное состояние, характеризующееся повышенной плотностью несовершенств и особым их распределением с образованием субструктуры полигонизации.



2. Электрофизическая обработка металлов

К этой группе относятся методы проведения работ с помощью электрического тока, электролиза в комбинации с физическим воздействием. Детали из жаропрочных материалов в основном изготовляют резанием, электрохимической и электроэрозионной обработкой, подвергают деформационному упрочнению. [6]

Главный инструмент обработки - это электрод, который изготавливается из латуни, меди, алюминия, бронзы и неких других материалов. Каждый электрод имеет определенную форму, в зависимости от способа металлообработки и соответствующую требуемой поверхности детали. Заготовка помещается в ванну с жидкостью, которая не проводит электрический ток. Заготовка, а также инструмент будучи в станке в станке подключаются к источнику электрического тока. Во время приближения заготовки (анод) и инструмента (катод), при очень малым искровом промежутке, между ними формируется электрический разряд. В итоге температура на обрабатываемой поверхности детали мгновенно достигает 9000-10000 градусов Цельсия, что в этот момент приводит к местному расплавлению, незначительному испарению и бурному выбросы мельчайших частиц с поверхности изделия. Частицы, которые подверглись выбросу в жидкой сфере, затвердевают и оседают на дне ванны. Во время подачи электрода искровые разряды повторяются, и образуют лунку в заготовке, которая отображает форму инструмента.

...