Лекція 2.2 Основи теорії та технологія термічної обробки металів. Поверхневе зміцнення сталі

Мета: Ознайомити студентів з теорією та класифікацією термічної обробки, основними операціями, їх різновидами та виконанням. Дати поняття про поверхневе зміцнення металів та одержаними при цьому властивостями.

1 Значення термічної обробки в машинобудуванні.

2 Основи теорії термічної обробки матеріалів.

3 Класифікація видів термічної обробки.

4 Явища, що супроводжують процес нагрівання металу.

5 Характеристика операцій термічної обробки: відпал, нормалізація, загартування, відпуск.

6 Поняття про термомеханічну обробку металів.

7 Поняття про поверхневе зміцнення металів.

8 Поняття про хіміко-термічну обробку металів.

Рекомендована література

[1. с. 199 – 303; 3. с. 113 – 164; 4. с. 66 – 83; 5. с. 247 – 267; 6. с. 89 – 108 ]

Значення термічної обробки в машинобудуванні. Термічна обробка металів і сплавів полягає в зміні їх структури та властивостей при нагріванні, витримці і охолодженні з дотриманням встановлених режимів.

В теперішній час термообробка широко застосовується в практиці машинобудівних і металургійних заводів як проміжна і як заключна операції. Проміжна операція термообробки дозволяє покращити технологічні властивості металів і сплавів (оброблюваність різанням, тиском і ін.), а друга – призначена для формування властивостей готових виробів.

Основи теорії термічної обробки матеріалів. Теоретичними засадами термічної обробки металів є загальна теорія фазових перетворень, що відбуваються в металах і сплавах при нагріванні і охолодженні.

До вищезазначеного т ермічна обробка – це технологічний процес теплової обробки металів і сплавів, в результаті якого відбувається зміна їх будови і властивостей.

Наголосимо, що сутність термообробки полягає у нагріванні металу (виробу) до певної температури, витримці при цій температурі і наступному охолодженні з різною швидкістю. Такій обробці підлягають як чорні, так і кольорові метали і їх сплави. За допомогою термічної обробки можна отримати як підвищену твердість і міцність, так і високу пластичність та в'язкість. Термічній обробці можуть піддаватися всі без винятку метали і сплави. Особлива роль у розвитку термообробки належить Д. К. Чернову, який вперше встановив, що властивості сталей залежать від їх структури, що визначається температурою нагріву і швидкістю охолоджування.

Отже, основними чинниками, що визначають режими термічної обробки матеріалу, є температура нагрівання, час витримки і швидкість охолодження.

Класифікація видів термічної обробки. Класифікація видів термічної обробки була запропонована акад. А.А. Бочваром і складає основу сучасної наукової класифікації. Вона враховує фізичну сутність процесів термообробки.

Розрізняють наступні види: власне термічну обробку, хіміко-термічну обробку та термомеханічну обробку.

Видами термічної обробки являються відпал (відпалювання), нормалізація, гартування, відпускання.

Явища, що супроводжують процес нагрівання металу. Як приклад, далі будуть розглянуті перетворення, що відбуваються в евтектоїдній сталі при її нагріванні і охолодженні з різною швидкістю. Нагрівання сталі до температури, вище за точку G, приведе до утворення з перліту структури аустеніту. Як відомо, при повільному охолодженні сталі, після її нагріву вище критичної точки А₁ (723 ºС) відбувається розпад аустеніту на ферито-цементитну суміш, що зветься перлітом. Це перетворення складається з двох процесів, що відбуваються одночасно: 1) переходу Feв Fe_α і 2) утворення карбіду заліза Fe₃C (цементиту).

Перший процес – алотропічне перетворення заліза – бездифузійний і тому протікає миттєво.

Другий процес – утворення цементиту – дифузійний, пов'язаний з виходом атомів вуглецю з твердого розчину. Отже, для його завершення потрібний певний час. Тому при швидкому охолодженні в точці перлітних перетворень частинки цементиту не встигають сформуватися, і ця точка зміщується в бік більш низьких температур. При цьому, чим більше швидкість охолодження сталі, тим при нижчій температурі закінчується процес розпаду аустеніту на ферито-цементитну суміш.

Ферито-цементитні суміші, утворені при різних швидкостях охолодження, відрізнятимуться величиною зерен, тобто ступенем дисперсності і, отже, своїми механічними властивостями. Зазначені перетворення в сталях використовують на практиці, отримуючи шляхом нагріву і охолодження з різною швидкістю потрібні структуру і властивості. Так, нагріваючи евтектоїдну сталь до стану аустеніту і поволі охолоджуючи, отримують найм’якішу структуру (перліт). Це можуть бути такі операції термообробки, як відпал і нормалізація.

Охолоджуючи нагріту до стану аустеніту евтектоїдну сталь із швидкістю більше 150 °С/с, отримують структуру мартенситу. Ця операція термообробки називається загартуванням. Проте після загартування сталь використовувати не можна. Вона дуже крихка і має низьку міцність, Її необхідно шляхом нагрівання до певних температур (не вище критичною) привести у стійкіший стан. Ця операція термообробки називається відпусканням. Таким чином, метою відпускання є отримання бажаної структури (трооститу, сорбіту, перліту) і, відповідно, необхідних властивостей сталі. При цьому знижуються її внутрішні напруження.

Перетворення в сталі, нагрітій до стану аустеніту, можна вивчити, переохолоджуючи її до різних температур і витримуючи при цих температурах. Для цього використовують так звані діаграми ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту, які встановлюють стійкість, тобто тривалість існування переохолодженого аустеніту залежно від температури. По цій діаграмі можна точно визначити, скільки часу переохолоджений до даної температури аустеніт залишається таким, що не розпадається, через який час розпадається і яка структура є продуктом розпаду. І, якщо діаграма залізо – цементит одна для всіх сплавів, то діаграма ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту будується для кожної марки сталі. Для теорії і практики термічної обробки необхідні обидві діаграми. І, якщо за допомогою діаграми стану Fе-Fе₃С, встановлюють температуру нагріву сталі при відпалі, нормалізації, загартуванні, то діаграма ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту дозволяє вибрати швидкість охолодження для одержання необхідної структури і властивостей сталі. Це легко визначити, якщо накласти на діаграму стану криві охолодження сталі.

Характеристика операцій термічної обробки: відпал, нормалізація, загартування, відпуск. Отже, основними операціями термообробки сталі є: відпал, нормалізація, загартування і відпускання.

Відпалом називається операція термообробки, що полягає у нагріванні сталі до певної температури, витримці при цій температурі і повільному охолодженні разом з піччю. Відпал проводять для зниження твердості, збільшення пластичності і в'язкості та поліпшення оброблюваності сталі. На практиці, як правило, застосовують наступні види відпалів.

Відпал 1-го роду (без фазових перетворень). Цей відпал застосовують як для моно-, так і для поліморфних металів і сплавів. Розрізняють наступні різновидності відпалу 1-го роду: гомогенізуючий відпал, рекристалізаційний та для зняття напружень.

Гомогенізуючий (дифузійний) відпал дозволяє усувати дендритну ліквацію у відливках і злитках сплавів кольорових металів і високолегованих сталей. Із зростанням температури збільшується і швидкість дифузії. Тому цей відпал сталі проводять при високих температурах, при цьому її нагрівають до 1000 – 1200 °С, витримують 8-15 годин при цій температурі, а потім повільно охолоджують до температури 500-600 °С, після цього охолодження відбувається з довільною швидкістю.

Рекристалізаційнийвідпал частіше застосовується для холодно-деформованих металів і сплавів з метою зняття наклепання. Ця обробка може бути проміжною і остаточною. В результаті рекристалізації утворюються нові зерна з меншою концентрацією дефектів будови, знижуються внутрішні напруження, знижуються міцністні і підвищуються пластичні властивості металів і сплавів. Температура відпалу 680-700 °С – для вуглецевих сталей, для легованих – 700-730 °С. Час витримки залежить від площі перерізу оброблюваного виробу.

Відпал для зняття напружень дозволяє усунути внутрішні (залишкові) напруження, внесені до металу попередньою обробкою. Цей відпал найчастіше ведеться при температурі 400 - 680 °С, час витримки – з розрахунку 2,5 хв. на 1 мм товщини перерізу деталі.

Відпал 2-го роду (з фазовою перекристалізацією). Цей відпал проводиться з метою одержання зрівноваженої структури металів і сплавів, що зазнають при тепловому впливу фазових перетворень. Відпал 2-го роду зменшує концентрацію дефектів кристалічної ґратки, знижує внутрішні напруження, подрібнює зерно, виправляє структуру, створену попередньою обробкою. В результаті підвищується пластичність і знижується міцність і твердість металу. Застосовують повний, неповний та ізотермічний види відпалу 2-го роду.

Повний і неповний відпал розрізняють ступенем (повнотою) фазових перетворень. Температура нагріву при повному відпалі на 30-50 °С вище за лінію GSE, при неповному – на 10 – 30 °С вище за лінію Рsк.

Ізотермічний відпал здійснюється за наступною схемою: нагрівання сталі (доевтектоїдної – вище за лінію GS, заевтектоїдної, – вище за лінію SK), витримка до повного прогрівання та фазового перетворення, швидке охолодження до температури 600-700 °С, ізотермічна витримка до повного розпаду аустеніту та швидке охолодження на повітрі.

Нормалізація – різновид повного відпалу – отримує все більше розповсюдження завдяки значному скороченню часу на термообробку, оскільки охолодження проводиться на повітрі. Вона застосовується як завершальна операція для низько-вуглецевих і легованих сталей. Для заевтектоїдних сталей нормалізація – допоміжна операція перед загартуванням.

Загартування проводиться для підвищення твердості, зносостійкості та межі пружності. При загартуванні сталь нагрівають вище за критичні точки, витримують, а потім швидко охолоджують. Залежно від швидкості охолодження розрізняють різке або сильне загартування на мартенсит і помірне – на троостит. Для загартування вуглецевих сталей на мартенсит застосовують охолодження у воді, на троостит – в маслі. Температура під загартування повинна бути такою, щоб сталь перейшла повністю в аустенітний стан. Для доевтектоїдної сталі температура нагріву повинна бути на 30-50 °С вище за лінію GS, для заевтектоїдної – на 30-50 °С вище за лінію SK, оскільки вторинний цементит, що залишається при такому нагріванні, підвищує твердість і зносостійкість загартованої сталі.

Пересичені тверді розчини, що утворюється в результаті загартування, метастабільні і при нагріванні починають розпадатися.

Процеси їх розпаду в сплавах, загартованих з поліморфним перетворенням, називаються відпусканням, а в сплавах, загартованих без поліморфного перетворення, – старінням. Відпускання призначене для часткового або повного зменшення метастабільності загартованого на мартенсит матеріалу. Температура нагріву при відпусканні не повинна перевищувати температури фазового переходу. Відпускання залежно від температури нагріву буває низьким (150-300 °С), середнім (300-500 °С) і високим (500-650 °С); і в тому або іншому ступені зменшує внутрішню напругу і крихкість, знижує твердість і міцність, підвищує пластичність і в'язкість.

Поняття про термомеханічну обробку металів. Термомеханічна обробка - це процес, що представляє собою нагрівання сталі до температури вище точки А_С3(лінії GS – межа між феритом і аустенітом), витримку, пластичну деформацію аустеніту при високій температурі і наступним охолодженням з одержання особливої мартенситної структури. Пластичне деформування при термомеханічній обробці здійснюють прокаткою, ковкою, штамповкою і іншими способами обробки тиском.

Існують два способи термомеханічної обробки: високотемпературна (ВТМО) і низькотемпературна (НТМО). При ВТМО сталь нагрівають вище точки А_С3, пластично деформують при цій температурі і загартовують. При НТМО сталь нагрівають вище точки А_С3, охолоджують до температури відносної стійкості аустеніту, але нижче температури кристалізації, пластично деформують при цій температурі і загартовують. В обох випадках після загартування застосовують низьке відпускання.

Поняття про поверхневе зміцнення металів. Для одержання в’язкої серцевини та високої твердості виробу застосовують поверхневе загартування. Воно дозволяє поєднувати хорошу зносостійкість і високу динамічну міцність.

Швидке нагрівання поверхневого шару здійснюють струмами високої частоти, лазером і ін. Найбільше розповсюдження в машинобудуванні знайшло індукційне нагрівання струмами високої частоти (СВЧ) – продуктивний метод, що забезпечує хорошу якість обробки. Поверхневе загартування пллягає в нагріванні поверхневого шару деталі з наступним швидким охолодженням. Після швидкого охолодження поверхневий шар одержує повне загартування, а серцевина або неповну, або зовсім не загартовується (в залежності від її температури і товщини деталі).

Найчастіше поверхневому загартуванню піддаються вуглецеві сталі, що містять 0,4...0,5 % С, рідше леговані (хромисті, хромонікелеві і ін.).

Поняття про хіміко-термічну обробку металів. Одним з ефективних способів поверхневого зміцнення металів є хіміко-термічна обробка. Вона представляє собою технологічний процес насичення поверхневого шару виробу яким-небудь елементом шляхом дифузії його із зовнішнього середовища.При хіміко-термічній обробці змінюється хімічний склад поверхневого шару деталей.

Механізм насичення металу полягає в адсорбції атомів, що підводяться до виробу; розчиненні адсорбованих атомів в металі; дифузії розчиненої речовини в глибину оброблюваного виробу.

Хіміко-термічна обробка (ХТО) здійснюється при високих температурах, коли швидкість дифузії велика.

До найбільш розповсюджених методів ХТО відносяться цементація, азотування, ціанування, дифузійна металізація.

Цементація – процес насичення поверхневого шару сталі вуглецем. Цементації піддаються низьковуглецеві сталі (0,1...0,3 % С). В тому числі і леговані. Цементацію здійснюють твердим карбюризатором (деревним вугіллям з додаванням ВаСО₃, NaCO₃, К₂СО₃) при температурі 900...950 ^оС в металевих ящиках протягом 8...14 год. Газова цементація здійснюється в закритих камерних печах, заповнених газом (природним, окислом вуглецю, метаном пропаном та ін.), при температурі 930...950 ^оС протягом 8...12 год.

Азотування – процес дифузійного насичення поверхні виробу азотом. Азотують леговані сталі (35ХМЮА, 35ХЮА і ін.). Перед азотуванням заготовку піддають загартуванню та високому відпусканню. Азотування проводять в печах при температурі 500...600 ^оС. Активний азот, що виділяється при дисоціації аміаку, шляхом дифузії проникає з іншими елементами в поверхневий шар і утворює дуже тверді хімічні сполуки – нітриди (AlN, MoN, Fe₃N та ін.).

Азотування на глибину 0,2...0,5 мм продовжується 25...60 год. і в цьому його основний недолік.

Ціанування – насичення поверхневого шару одночасно вуглецем і азотом; воно буває рідинним і газовим.

Дифузійна металізація – це поверхневе насичення заготовок шляхом дифузії алюмінієм (алітування), хромом (хромування) та кремнієм (силіціювання).

Метал покриття наносять розпиленням, порошковими сумішами і витримують деякий час при певних температурах.

Дифузійна металізація підвищує корозійну стійкість, жаростійкість.

Дата добавления: 2014-01-07