Технология и оборудования термической обработки в машиностроение

Обработку холодом проводят непосредственно  после закалки путем погружения изделий в смесь авиационного бензина с жидким азотом на 1-1,5 часа.

Обработка холодом обычно применяется:

1. Для  инструмента из быстрорежущих  сталей и деталей 

шарикоподшипников с целью повышения твердости;

2. Для  улучшения свойств постоянных  магнитов;

3. Для  стабилизации размеров точного  измерительного инструмента (например, калибров) [1].

1.5. Отпуск закаленной стали

Отпуск - вид термической обработки состоящий  в нагреве закаленной стали до температур ниже А1, выдержке и охлаждении в воде или на воздухе.

Отпуску подвергают все закаленные стали  с целью уменьшения внутренних напряжений, повышения ударной вязкости при  некотором снижении твердости и  прочности.

В зависимости  от требований предъявляемых к изделиям их подвергают отпуску при различных температурах.

Низкий  отпуск (150°-220°С) проводится с целью чуть-чуть снизить остаточные напряжения без существенного снижения твердости. Применяется для металлорежущего инструмента из высокоуглеродистых сталей и деталей работающих на истирание (например, шестерни). Получаемая структура - отпущенный мартенсит.

Средний отпуск (300°-500°С) проводят с целью более полно снять напряжения и повысить ударную вязкость за счет более значительного снижения твердости. Применяется для деревообрабатывающего инструмента, рессор, пружин, штампов. Получаемая структура - тростит отпуска.

Высокий отпуск (500°-680°С) проводят обычно для деталей из легированных сталей с целью получить хорошее сочетание прочности и ударной вязкости [1].

2.Термическая  обработка  чугунов.

Термическую  обработку  чугунов  проводят  с  целью  снятия  внутренних  напряжений,  которые  возникают  при  литье  и  вызывают  изменения  размеров  и  формы  отливки  с  течением  времени, снижение  твёрдости  и  улучшение  обрабатываемости  резанием, повышение  механических  свойств.

Чугун  подвергают  отжигу, нормализации, закалке  и  отпуску, а  также  некоторым  видам  химико-термической  обработки (азотированию, алитированию, хромированию) [1].

2.1 Отжиг

Отжигу  для  снятия  внутренних  напряжений  подвергают  чугуны  при  следующих  температурах:

     - серый чугун с пластинчатым  графитом 500° –570°С;

     - высокопрочный с шаровидным  графитом  550° – 650°С;

     - низколигированный 570° – 600°С;

     - высоколигированный  чугун (типа  нирезист)  620° – 650°С.  

Нагрев  медленный  со  скоростью  70° – 100°С/ час, выдержка  при  температуре  нагрева  зависит  от  массы  и  конструкции  отливки  и  составляет  от  1-го  до  8-ми  часов. Охлаждение  до  250°С (для  предупреждения  возникновения  термических  напряжений) медленное, со  скоростью  20° – 50°С /ч, что  достигается  охлаждением  отливки  вместе  с  печью. Далее отливки  охлаждают  на  воздухе.

При  этом  отжиге  фазовых  превращений  не  происходит, а  снимаются  внутренние  превращения, повышается  вязкость, исключается  коробление  и  образование  трещин  в  процессе  эксплуатации.

Графитизирующий  отжиг  применяют  для  получения  ковкого  чугуна  из  белого  чугуна  и  для  устранения  отбела  отливок  из  серого  чугуна.

Графитизацию  при  температурах  выше  критической  можно  представить  следующим  образом:

Цементит  →  аустенит  и графит [1].

Процесс  графитиззации начинается  с  возникновения  графитных  центров, которые наиболее легко зарождаются в местах  нарушения сплошности – в закалочных  и  деформационных  микротрещинах,  усадочных  микропорах. В  исходном  состоянии  белый  доэвтектический  чугун  имеет  структуру,  которая  состоит  из  перлита,  вторичного  и  эвтектического  цементита. При  переходе  через  эвтектоидный   интервал  температур  перлит  превращается  в  аустенит,  а  при  повышении  температуры  до  950°-1000°С  происходит  распад  цементита  (эвтектического  и  вторичного)  и  образуется  структура  аустенит  и  графит.  Этот  процесс  называют  первой  стадией  графитизации.

Полной  графитизации, то есть  получения  структуры,  которая  состоит  из  перлита  и  графита,  можно  достигнуть  охлаждением  чугуна;

1. в   эвтектоидном  интервале  температур  с  такой  скоростью,  чтобы  происходил  прямой  эвтектоидный  распад  аустенита  на  феррит  и  графит 

(А  → Ф + Г);

2.  немного   ниже  эвтектоидного  интервала   температур  с  образованием  из  аустенита   перлита  [A  →   П ( Ф + Ц )]  с выдержкой при этой  температуре для графитизации  эвтектоидного цементита (Ц   →    Ф + Г).

И  в  том  и  в  другом  случае  будет  получаться  структура  феррит  и  графит; этот  процесс  называют   второй  стадией  графитизации.

Отжиг  с  предварительной закалкой  заключается в том,  что белый чугун  подвергают  закалке  с  900°-950°С  в  воде  или  масле. При  закалке,  во  время  мартенситного  превращения,  образуются  многочисленные  микротрещины,  в  которых  наиболее  легко  зарождаются   центры  графитизации.

Отжиг  с  предварительной  низкотемпературной  выдержкой   заключается  в  том,  что  белый  чугун  выдерживают в течении 6-ти -  8-ми  часов при температуре  350°-400°С. Число  центров  графитизации  увеличивается,  и  сокращается  время  отжига. Механизм  влияния  низкотемпературной   выдержки  ещё  не  установлен.

Низкотемпературный  отжиг  применяют  для  снятия   внутренних  остаточных  напряжений  отливок  серого  чугуна.  Данный  отжиг  проводят  по  следующему режиму:  медленный нагрев  отливок (30°-180°С/ч)  до  530°-620°С,  выдержка  при  этой  температуре  1-4  часа  (с  момента  нагрева  до  заданной  температуры  наиболее  толстого  сечения  отливки)  и  медленное  охлаждение  вместе  с  печью  со  скоростью  10°-30°С/ч  до  250°-400°С.  В результате  такого  отжига  внутренние  остаточные  напряжения  уменьшаются  на  80-85%  и  увеличивается  количество  феррита [1]. 

2.2 Нормализация

Нормализацию   применяют  для  увеличения  связанного  углерода,  повышения  твердости,  прочности  и  износостойкости  серого,  ковкого  и  высокопрочного  чугунов.  При  нормализации  чугун  нагревают  выше  температур  интервала  превращения  (850°-950°С)  и  после  выдержки  в  течение  0.5-3.0 часа,  при  которой  должно  произойти  насыщение  аустенита  углеродом,  охлаждают  на  воздухе.

Растворение    графита  в  Y-фазе  является  важным  процессом  при  нормализации чугуна  с  ферритной  или  феррито-перлитной  структурой.  Этот  процесс  подобен  цементации  стали;  разница  в  том,  что  при  цементации  происходит  насыщение  поверхностного  слоя  стальной  детали  углеродом  из  внешней  среды,  а  при  нагреве  чугунной  отливки  «карбюризатором»  являются  многочисленные  включения  графита,  расположенные  в  металлической  основе,  и  насыщение  углеродом  происходит  во  всём  объёме  отливки [3]. 

2.3 Закалка

При  закалке  чугуна  превращения  аналогичны  превращениям, происходящим  при  закалке  стали. Но  в  связи  с  наличием  в  чугуне  включений  графита  закалка  чугунов  имеет  следующие  особенности.

Закалка  проводится  из  двухфазного  аустенито-графитного  состояния.

При  нагреве  происходит  растворение  графита  в  аустените, в  связи  с  чем, несмотря  на  различную  исходную  структуру  чугуна, превращению  при  охлаждении  подвергается  аустенит  с  эвтектоидной  или  заэвтектоидной  концентрацией  углерода. Закалке  подвергают  серый, ковкий  и  высокопрочный  чугун  для  повышения  твёрдости, прочности  и  износостойкости. По  способу  выполнения  закалка  чугуна  может  быть  объёмной  непрерывной, изотермической  и  поверхностной.

При  объёмной  непрерывной  закалке  чугун  нагревают  под  закалку (медленно  для  отливок  сложной  конфигурации) до  температуры  на  40° – 60°С  выше  интервала  превращения (обычно  до  850° – 930°С) с  получением  структуры  аустенит  и  графит. Затем  дают  выдержку  для  прогрева  и  насыщения  аустенита  углеродом; выдержка  тем  длиннее, чем  больше  феррита  и  меньше  перлита, например, 10 – 15 мин для  перлитных  чугунов  и  до  1,5 – 2 часа  для  ферритных  чугунов. Отливки  охлаждают  в  воде (простой  конфигурации) или  в  масле  (сложной  конфигурации).

При  изотермической  закалке  чугун  нагревают  до  830° – 900°С  выдерживают  0,2 – 1,5 часа  и  охлаждают  в  расплавленных  солях, имеющих  температуру  250° – 400°С, и  после  выдержки  охлаждают  на  воздухе. Структура  чугуна  после  изотермической  закалки  состоит  из  бейнита, остаточного  аустенита  и графита. Преимущество  изотермической  закалки – резкое  уменьшение  закалочных  напряжений  и  коробления.

Поверхностную  закалку  с  нагревом  с  помощью  токов  высокой  частоты  применяют  для  повышения  поверхностной  твёрдости  и  износостойкости чугунных  отливок. Поверхностной закалке рекомендуется подвергать  перлитные  чугуны. Это  объясняется  тем, что  при  нагреве  перлитных  чугунов  нет  необходимости  в  насыщении аустенита  углеродом  за  счёт  растворения  графита. Превращения, происходящие  при  поверхностной  закалке  таких  чугунов, аналогичны  превращениям  при  поверхностной  закалке  перлитных  чугунов  840° – 950°С, время  нагрева – несколько  секунд, скорость  нагрева около 400°С/с, охлаждение  в  воде  или  эмульсии. Микроструктура  поверхностного  слоя – мелкоигольчатый  мартенсит  и  включения  графита. После  поверхностной  закалки  проводится  низкий  отпуск. Поверхностной  высокочастотной  закалке  подвергают  детали  из  перлитного  чугуна, работающие  на  износ – направляющие  станин  станков (изготовляемые  из  модифицированного  серого  чугуна), коленчатые  и  кулачковые  валы  (из  высокопрочного  чугуна), гильзы  цилиндров (из  легированного  чугуна)  и  другие  детали [1].

2.4 Отпуск

Отпуск   проводится    с  целью  снятия  термических  напряжений,  повышения  твёрдости,  прочности  и  износостойкости.  Нагрев  проводят  медленный  для 

сложных  изделий  до  температуры  150° – 300°С  для  деталей  работающих  на  износ  или  400° – 600°С, затем  дают  выдержку  1 – 3 часа. Охлаждение  проводят  на  воздухе [3]. 

3. Технология  термической обработки цветных  металлов.

3.1Алюминий  и его сплавы

подвергают различным  видам термической обработки  в зависимости от состава сплавов, вида полуфабрикатов, деталей и заготовок, а также их назначения. В алюминии нет полиморфного и мартенситного превращений. Поэтому для алюминиевых сплавов виды термической обработки, связанные с этими превращениями, исключены.

Отличительная особенность алюминия заключается  в его высокой теплопроводности, поэтому проблема прокаливаемости имеет важного значения. Склонность алюминия и его сплавов к взаимодействию с газами, составляющими атмосферу печи, невелика. Поэтому не возникало особой необходимости.

Наибольшее распространение  для алюминиевых сплавов получили три вида термической обработки: отжиг, закалка и старение.

Отжиг. Отжиг  алюминиевых сплавов применяют  в том случае, когда необходимо ликвидировать нежелательные последствия, связанные с неравновесностью структуры. Наиболее часто при неравновесной структуре наблюдается пониженная пластичность, низкая коррозионная стойкость и недостаточная деформационная способность. Применительно к алюминиевым сплавам наиболее распространены следующие ее разновидности:

1.    Неравновесное  состояние, свойственное литым сплавам. При получении слитков и отливок скорости охлаждения достаточно высоки, и поэтому кристаллизация протекает в неравновесных условиях, что приводит к явлениям дендритной ликвации компонентов сплава. При этом легирующие компоненты в примеси распределяются неравномерно по объему литых зерен, а на границах появляются неравновесные интерметаллические фазы. Такой характер структуры обусловливает низкую технологическую пластичность сплавов и малую коррозионную стойкость.

2.    Неравновесное  состояние, вызванное пластической деформацией, при которой происходят существенные структурные изменения, часть энергии деформации поглощается, и свободна" энергия системы повышается.