Основные виды термической обработки стали. Общая характеристика и классификация металлов и сплавов

Общая характеристика и классификация металлов и сплавов

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ, МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ИХ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ

Основу современных машиностроительных материалов составляют различные сплавы. Среди компонентов сплава выделяется основа сплава – базовый компонент, определяющий основной комплекс всех свойств сплава и дающий название группе сплавов. Наиболее распространенными в машиностроении являются сплавы на основе Fe, Al, Mg, Ti, Ni, Cu, Zn; в значительно меньшей степени распространены сплавы на основе Pb, Sn, Sb, а также Co, Cr, Mo, Nb, W, Zr. Для получения необходимого комплекса свойств в основу сплава вводят легирующие элементы в строго определенных количествах. К ним относятся все перечисленные выше элементы, а также другие металлы и неметаллы (C, Si, N и др.). Содержание легирующих элементов колеблется в широких пределах: от 0,5 % до 35 % (каждого). Элементы, вводимые в небольших количествах, менее 0,1 %, называют микродобавками (B, Ce, La, Y и др.). В современных сплавах общее число контролируемых легирующих элементов достигает 10–15. Комплекс элементов из основы сплава и одного–двух главных легирующих элементов часто также называют основой сплава: Al-Cu-Mg, Ni-Cr-Co, Ti-Al, и т. д.

Во всех сплавах всегда содержится небольшое количество примесей 0,01–0,20 %, попадающих в сплав из руды или переплавляемых отходов, а также в результате взаимодействия с материалом тиглей или атмосферой. Примеси делятся на вредные, снижающие уровень механических и технологических свойств, чаще всего это S, P, O, H, и остаточные – нейтральные. Содержание примесей строго ограничивается требованиями технических условий и стандартов.

С начала XX века и до 70-х годов происходил постоянный рост числа разрабатываемых и применяемых сплавов. В результате их количество достигло, примерно, 10 тысяч. Затем начался период унификации сплавов, что связано с исчерпанием запаса новых сочетаний элементов, и возросшими требованиями к взаимозаменяемости материалов и кооперации на производстве. В 90-х годах количество реально применяемых сплавов снизилось почти вдвое – до 5–6 тысяч.

Для описания существующих сплавов или разработки новых, созданы различные системы классификации. Наиболее удобной основой для классификации элементов является Периодическая система элементов. К легким металлам относят элементы с плотностью менее 5 г/см³, к тяжелым – более 10 г/см³, к легкоплавким – с температурой плавления до 600 °C, а к тугоплавким – выше 1700 °C.

Рассмотрим основные группы промышленно применяемых элементов:

– легкие легкоплавкие металлы Na, K, Rb, Cs, Li используются в сплавах главным образом в качестве микродобавок, улучшающих структуру и свойства;

– тяжелые легкоплавкие металлы Sn, Pb, Bi, Sb и Zn являются основой промышленных сплавов, но используются ограниченно (кроме Zn);

– тугоплавкие металлы Cr, V, Zr, Nb, Mo, Ti, Ta, W, Hf, Re играют важную роль в промышленности, являясь либо основой сплавов (Ti, Nb, Cr, Mo), либо важнейшими легирующими элементами в сплавах с Fe, Ni, Cu;

– металлы группы железа Fe, Mn, Co, Ni широко применяются в промышленности в качестве основы сплавов и легирующих элементов.

Дополнительно к этой классификации обычно выделяют черные и цветные металлы и сплавы на их основе:

– черные – это сплавы на основе железа: стали и чугуны;

– цветные легкие – на основе Al, Mg, Ti;

– цветные тяжелые – на основе Cu, Ni, Zn, Co;

– благородные металлы – Au, Ag, Pt.

Основными механическими свойствами являются прочность s_В, s_0,2 и пластичность d, y, при этом следует иметь в виду, что твердость и прочность сплавов значительно выше, чем у чистых базовых элементов. По прочности металлы и сплавы условно делят на группы:

– малопрочные, с s_В до 60 МПа – это Na, K, Sn, Pb и сплавы на их основе;

– средней прочности, с s_В в пределах от 60 до 600 МПа – это сплавы на основе Al, Mg, Fe, Ni, Ti, Cu;

– высокопрочные, с s_В в пределах от 600 до 2000 МПа – это сплавы на основе Fe, Ti и тугоплавких металлов.

По пластичности металлы и сплавы условно делят на три группы: хрупкие – с d меньше 3 %, пластичные с d от 3 до 30 % и высокопластичные с d больше 30–40 %.

Машиностроительные сплавы принято делить на две большие группы по технологическому признаку – методу получения заготовок. Это деформируемые сплавы, имеющие достаточную пластичность для различных способов обработки давлением и литейные сплавы для фасонных отливок. В пределах каждой из групп выделяют сплавы с хорошей свариваемостью, с хорошей или плохой обрабатываемостью резанием и сплавы, способные к упрочняющей термической обработке.

На объем применения сплавов в промышленности кроме комплекса свойств значительное влияние оказывает стоимость, которая складывается из стоимости базового и основных легирующих элементов сплава. Наиболее

дешевыми являются сплавы на основе Fe, Al, Mg, Zn; более высокую стоимость имеют сплавы на основе Cu, Ni, Co, Ti; наиболее дорогими из промышленных металлов являются Sn, Bi, Mo, W, Nb. При выборе легирующих добавок следует учитывать не только действующие цены, но и возможные изменения их в будущем. В отношении динамики цен элементы разделяются на три группы: стабильные, дорожающие, дешевеющие.

1) Стабильные, цены которых за последние 20 лет существенно не изменялись. Большинство таких элементов имеют большие и устойчивые запасы в земной коре, производятся в больших масштабах и являются «старыми», освоенными до начала ХХ века. Это железо, алюминий, магний.

2) Дорожающие, к ним относятся менее распространенные «старые» элементы с большим масштабом производства по отношению к имеющимся запасам. Их удорожание определяется истощением богатых руд. Типичны для этой группы медь, олово.

3) Дешевеющие, к ним относятся «молодые» элементы, производство которых освоено в ХХ веке. Их удешевление обеспечивается быстрым увеличением масштабов производства и техническим прогрессом. Типичные элементы группы – титан, ниобий, рений.

Таким образом, по соотношению «комплекс свойств–цена» первое место занимают сплавы железа – углеродистые и малолегированные стали и чугуны, а так же алюминиевые сплавы. Для авиационной и космической техники наряду с легированными сталями и высокопрочными алюминиевыми сплавами важное значение имеют титановые и жаропрочные никелевые сплавы. Медь и медные сплавы почти целиком расходуются на нужды электротехнической промышленности.

Отжиг. Традиционно сложившееся понятие «отжиг» относится к нескольким режимам термообработки, объединенным целью – привести сталь в равновесное состояние с минимальной плотностью дислокаций и крупнозернистой феррито-перлитной структурой. 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 30–50 °С 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 (рис. 3.1, а – 1). Для легированных сталей температуру нагрева выбирают в интервале 1050–1250 °C, 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 200–500 °C с последующим медленным охлаждением (рис. 3.1, а – 2). Рекристаллизационный отжиг проводят с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла. Температура нагрева в этом виде отжига выбирается на 150–250 °C выше температуры начала рекристаллизации обрабатываемого сплава (рис. 3.1, а – 3).

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 (рис. 3.1, а – 4).

Закалка на мартенсит. Закалка стали заключается в нагреве ее выше температуры фазовых превращений (GSK), выдержке для завершения всех превращений и охлаждении с высокой скоростью с целью получения при комнатной температуре неравновесной структуры – мартенсита (рис. 3.1, а – 5). 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. На рис. 3.1, б представлена схема технологического процесса.

Рис. 3.1. Температуры нагрева стали (а): при гомогенизации – 1, отжиге для снятия напряжений – 2, рекристаллизационном отжиге – 3, нормализаций – 4, закалке – 5; схема технологического процесса термообработки (б)

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, высокий. Низкий отпуск проводится при 150–180 °С, для легированных сталей – до 250 °С, полученную структуру называют мартенсит отпуска. Сохраняется высокая твердость, износостойкость стали, немного повышается пластичность. Этот вид отпуска применяется для режущего и измерительного инструмента, для штампов. Средний отпуск при температурах 350–450 °С 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 кострукционных углеродистых и легированных сталей производится при 500–650 °С. 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».

Дата добавления: 2014-01-07