Термическая обработка металлов и сплавов

Назначение и виды химико-термической  обработки 

 Химико-термической обработкой  называют процесс, представляющий  собой сочетание термического  и химического воздействия с  целью изменения состава, структуры  и свойств поверхностного слоя  стали. 

 Цель химико-термической  обработки: повышение поверхностной  твердости, износостойкости, предела  выносливости, коррозионной стойкости,  жаростойкости (окалиностойкости), кислотоустойчивости. 

 Наибольшее применение  в промышленности получили следующие  виды химико-термической обработки:  цементация; нитроцементация; азотирование; цианирование; диффузионная металлизация.

Цементация – это процесс  поверхностного насыщения углеродом, произведенный с целью поверхностного упрочнения деталей.

 В зависимости от  применяемого карбюризатора цементация  подразделяется на три вида: цементация  твердым карбюризатором; газовая  цементация (метан, пропан, природный  газ).

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.