Термическая обработка металлов и сплавов

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Цианирование – .насыщение поверхностного слоя изделий одновременно углеродом и азотом.

 

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

 

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

 

Цианирование в жидких средах производят в ваннах с расплавленными солями.

 

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

 

Диффузионное насыщение металлами  и металлоидами

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Термическая обработка чугуна

 

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

 

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

 

Смягчающий отжиг (отжиг графитизирующий низкотемпературный). Проводят для улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности. Его осуществляют продолжительной выдержкой при 680 – 700ºС или медленным охлаждением отливок при 760 – 700ºС. Для деталей сложной конфигурации охлаждение медленное, а для деталей простой формы – ускоренное.

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Химико-термическая обработка чугуна

 

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

 

 

Термическая обработка сплавов  цветных металлов

 

 

 

Алюминиевые сплавы

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Деформируемые алюминиевые сплавы

 

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

 

Литейные алюминиевые сплавы

 

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

 

Магниевые сплавы

 

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

 

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

 

Медь и медные сплавы

 

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

 

Термическая обработка латуней. Они  подвергаются только рекристаллизационному отжигу при 600 – 700ºС (для снятия наклепа). Охлаждают латуни при отжиге на воздухе или для ускорения охлаждения и лучшего отделения окалины в воде. Для латунных деталей, имеющих после деформации остаточные напряжения, в условиях влажной атмосферы характерно явление самопроизвольного растрескивания. Чтобы этого избежать латунные детали подвергают низкотемпературному отжигу при 200 – 300 С, в результате чего остаточные напряжения снимаются, а наклеп остается. Низкотемпературному отжигу особенно необходимо подвергать алюминиевые латуни, которые склонны к самопроизвольному растрескиванию.

 

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

 

Алюминиевые бронзы с содержанием  алюминия от 8 до 11%, испытывающие при  нагреве и охлаждении фазовую  перекристаллизацию, могут подвергаться закалке. В результате закалки повышается прочность и твердость, но снижается  пластичность. После закалки следует  отпуск при 400 – 650º С в зависимости о требуемых свойств. Также подвергают гомогенизации, а деформируемые полуфабрикаты – рекристаллизационному отжигу при 650 – 800ºС.

 

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

 

Титановые сплавы

 

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

 

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