Термическая обработка металлов и сплавов

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 – 570єС; высокопрочный чугун с шаровидным графитом 550 – 650єС; низколегированный чугун 570 – 600єС; высоколегированный чугун 620 – 650єС. 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 – 700єС или медленным охлаждением отливок при 760 – 700єС. 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 – 950єС 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 – 950єС. Затем выдерживают для  прогрева и полного растворения  углерода. Охлаждение осуществляют в  воде или масле. После закалки  проводят отпуск при температуре 200 – 600єС. 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 – 400єС, и после выдержки охлаждают на воздухе.

Поверхностная закалка с  нагревом поверхностного слоя кислородно – ацетиленовым пламенем, токами высокой частоты или в электролите. Температура нагрева 900 – 1000єС. 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 – 200є С, нагревают до температуры 550 – 570єС со скоростью 30 – 60єС в час, выдерживаю 3 – 5 часов и охлаждают вместе с печью со скоростью 20 – 40єС в час до температуры 150 – 200єС, 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 – 580єС, время выдержки 30 – 70 часов. Кроме азотирования, повышения поверхностной твердости и износостойкости легированного серого перлитного чугуна можно достигнуть газовым и жидкостным цианированием при температуре 570єС. 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 – 520єС 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 – 500єС выдержка 0,5 – 2 часа.

Отжиг термически упрочненных  сплавов применяют для полного  снятия упрочнения, он проводится при  температурах 350 – 450єС 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 – 400єС с выдержкой 18 – 24 часа. Полуфабрикаты деформируемых магниевых сплавов подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре ≈ 350єС, а также при боле низких температурах 150 – 250єС 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 – 600єС, в результате которого пластичность резко повышается, а прочность снижается.

Термическая обработка латуней. Они подвергаются только рекристаллизационному отжигу при 600 – 700єС (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 – 750єС с последующим быстрым охлаждением. Для снятия внутренних напряжений отливки отжигают при 550єС. Для восстановления пластичности между операциями холодной обработки давлением подвергают рекристаллизационному отжигу при 600 – 700єС.

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 – 650є С в зависимости о требуемых свойств. Также подвергают гомогенизации, а деформируемые полуфабрикаты – рекристаллизационному отжигу при 650 – 800єС.

Бериллиевую бронзу закаливают в воде от температуры 760 – 780єС; 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 – 350єС 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 – 850єС в зависимости от химического состава сплава и вида полуфабриката.

Отжиг с фазовой перекристаллизацией  применяют с целью снижения твердости, повышения пластичности, измельчения  зерна, устранения структурной неоднородности. Применяют простой, изотермический и двойной отжиг; температура  нагрева при отжиге 750 – 950єС в зависимости от сплава.

При изотермическом отжиге после  выдержки при температуре отжига детали охлаждают до 500 – 650єС (в зависимости от сплава) в той же печи иди переносят в другую печь и выдерживают определенное время, и охлаждают на воздухе. При изотермическом отжиге сокращается продолжительность отжига, а пластичность получается более высокой.

При двойном отжиге детали нагревают до температуры отжига, выдерживают и охлаждают на воздухе. Затем повторно нагреваю до 500 – 650єС, выдерживают и охлаждают на воздухе. Двойной отжиг по сравнению с изотермическим повышает предел прочности при незначительном снижении пластичности и сокращает длительность обработки.