Термическая и термо-химическая обработка сплавов

Содержание 

1.   Вступление  1

2.Термическая обработка сплавов        4

2.1 Основные виды термической  обработки……………...………    4

2.2 .Отжиг I рода………………………… ……………… ……………………..……...6

2.3 Отжиг II рода…………………… ………………… ………..……………………. 9

2.4 Закалка………………………… …………… ……………………….…………...12

2.5 Отпуск…………………………… …………………… ……………….…………15

2.6 Превращения, протекающие в структуре стали при

нагреве и охлаждени                                                                            .17

3. Основы химико-термической обработки .

3.1 Цементация 10

3.2. Азотирование 12

3.3. Нитроцементация и цианирование стали 15

3.4. Борирование и силицирование стали 20

3.5. Диффузионная металлизация стали 24

3.5.а Алитирование 25

3.5.б Хромирование 27

3.5.в. Титанирование 30

3.5.г Цинкование 31

4.Выводы 32

5.Заключение

Список используемой литературы 34 
 

   1 Вступление

   Человек использует термическую обработку металлов с древнейших времён. Ещё в эпоху энеолита, применяя холодную ковку самородных золота и меди, первобытный человек столкнулся с явлением наклёпа, которое затрудняло изготовление изделий с тонкими лезвиями и острыми наконечниками, и для восстановления пластичности кузнец должен был нагревать холоднокованую медь в очаге. Наиболее ранние свидетельства о применении смягчающего отжига наклёпанного металла относятся к концу 5-го тысячелетия до н. э. Такой отжиг по времени появления был первой операцией термической обработки металлов. При изготовлении оружия и орудий труда из железа, полученного с использованием сыродутного процесса, кузнец нагревал железную заготовку для горячей ковки в древесноугольном горне. При этом железо науглероживалось, то есть происходила цементация — одна из разновидностей химико-термической обработки. Охлаждая кованое изделие из науглероженного железа в воде, кузнец обнаружил резкое повышение его твёрдости и улучшение других свойств. Закалка в воде науглероженного железа применялась с конца 2 — начала 1-го тысячелетия до н. э. В «Одиссее» Гомера (8—7 вв. до н. э.) есть такие строки: «Как погружает кузнец раскалённый топор иль секиру в воду холодную, и зашипит с клокотаньем железо — крепче железо бывает, в огне и воде закаляясь». В 5 в. до н. э. этруски закаливали в воде зеркала из высокооловянной бронзы (скорее всего для улучшения блеска при полировке). Цементацию железа в древесном угле или органическом веществе, закалку и отпуск стали широко применяли в средние века в производстве ножей, мечей, напильников и др. инструментов. Не зная сущности внутренних превращений в металле, средневековые мастера часто приписывали получение высоких свойств при термической обработке металлов проявлению сверхъестественных сил. До середины 19 в. знания человека о термической обработке металлов представляли собой совокупность рецептов, выработанных на основе многовекового опыта. Потребности развития техники, и в первую очередь развития сталепушечного производства обусловили превращение термической обработки металлов из искусства в науку. В середине 19 в., когда армия стремилась заменить бронзовые и чугунные пушки более мощными стальными, чрезвычайно острой была проблема изготовления орудийных стволов высокой и гарантированной прочности. Несмотря на то что металлурги знали рецепты выплавки и литья стали, орудийные стволы очень часто разрывались без видимых причин. Д. К. Чернов на Обуховском сталелитейном заводе в Петербурге, изучая под микроскопом протравленные шлифы, приготовленные из дул орудий, и наблюдая под лупой строение изломов в месте разрыва, сделал вывод, что сталь тем прочнее, чем мельче её структура. В 1868 Чернов открыл внутренние структурные превращения в охлаждающейся стали, происходящие при определённых температурах. которые он назвал критическими точками а и b. Если сталь нагревать до температур ниже точки а, то её невозможно закалить, а для получения мелкозернистой структуры сталь следует нагревать до температур выше точки b. Открытие Черновым критических точек структурных превращений в стали позволило научно обоснованно выбирать режим термической обработки для получения необходимых свойств стальных изделий.

   В 1906 А. Вильм (Германия) на изобретённом им дуралюмине открыл старение после закалки — важнейший способ упрочения сплавов на разной основе (алюминиевых, медных, никелевых, железных и др.). В 30-е гг. 20 в. появилась термомеханическая обработка стареющих медных сплавов, а в 50- — термомеханическая обработка сталей, позволившая значительно повысить прочность изделий. К комбинированным видам термической обработки относится термомагнитная обработка, позволяющая в результате охлаждения изделий в магнитном поле улучшать их некоторые магнитные свойства.  
 
 

   2.ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ

     Итогом многочисленных исследований  изменений структуры и свойств  металлов и сплавов при тепловом  воздействии явилась стройная  теория термической обработки металлов.

 Под термической  обработкой понимают изменение структуры, а следовательно, и свойств стали при нагреве до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с заданной скоростью.

   Классификация видов термической обработки основывается на том, какого типа структурные изменения в металле происходят при тепловом воздействии.

   Термическая обработка металлов подразделяется на:

   -собственно термическую, заключающуюся только в тепловом воздействии на металл,

   -химико-термическую, сочетающую тепловое и химическое воздействия,

    -термомеханическую, сочетающую тепловое воздействие и пластическую     деформацию.  
 
 
 
 
 
 
 
 

   2.1. ОСНОВНЫЕ  ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

   Собственно  термическая обработка включает следующие виды:

   -отжиг 1-го рода,

   -отжиг 2-го рода,

   -закалку без полиморфного превращения и с полиморфным превращением

   - старение

   - отпуск.

   Термической обработкой называют процессы теплового  воздействия на сплавы (нагрев и охлаждение) с целью изменения их структуры и свойств. Это один из самых распространённых в технике и самых эффективных способов изменения структуры и свойств сталей и сплавов, обусловленных протеканием различных фазовых превращений.

   Термическая обработка может быть как промежуточной  операцией, предназначенной для  улучшения технологических свойств (облегчения ковки,  штамповки, прокатки), так и окончательной – для  обеспечения в материале или  изделиях требуемого комплекса свойств

     Так как основными факторами любого вида термической обработки являются температура и время, то любой  процесс термической обработки  можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени.

     При рассмотрении разных видов термообработки железо-углеродистых сплавов (стали, чугуны) используются следующие условные обозначения критических точек этих сплавов (рис. 1.1).   

     

 

     Рис. 1.1. Обозначение критических точек стали   

     Критические точки А₁ лежат на линии PSK (727 °C). Критические точки А₂ находятся на линии МО (768 °C). Критические точки А₃ лежат на линии GS, а критические точки А_cm — на линии SE.

     Вследствие  теплового гистерезиса превращения  при нагреве и охлаждении проходят при разных температурах. Поэтому  для обозначения критических  точек при нагреве и охлаждении используют дополнительные индексы: буквы  «с» в случае нагрева и «r» в случае охлаждения. Например, А_С1, А_С3, А_r1, А_r3.

   Свойства  сплава зависят от его структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру, а, следовательно, и свойства является термическая обработка.

   Основы  термической обработки разработал Чернов Д.К.. В дальнейшем они развивались  в работах Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляева А.П.

    Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых  в определенной последовательности при определенных режимах, с целью  изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств (представляется в виде графика в  осях температура – время, см. рис. 12.1 ). 

   Рис.2.1. Графики различных видов термообработки: отжига (1, 1а), закалки (2, 2а), отпуска (3), нормализации (4)  

   Рассмотрим  следующие виды термической обработки: 

   2.2 Отжиг 1 рода

   – возможен для любых металлов и сплавов.

   Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии.

   Нагрев, при отжиге первого рода, повышая  подвижность атомов, частично или  полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутреннее напряжения.

   Основное  значение имеет температура нагрева  и время выдержки. Характерным  является медленное охлаждение

   Разновидностями отжига первого рода являются:

• диффузионный;
• рекристаллизационный;
• отжиг для снятия напряжения после ковки, сварки, литья.

   2.3 Отжиг II рода

     – отжиг металлов и сплавов,  испытывающих фазовые превращения  в твердом состоянии при нагреве  и охлаждении.

   Проводится  для сплавов, в которых имеются  полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии.

   Проводят  отжиг второго рода с целью  получения более равновесной структуры и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.

   Характеризуется нагревом до температур выше критических  и очень медленным охлаждением, как правило, вместе с печью (рис. 12.1 (1, 1а)).

   2.4 Закалка

   – проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом  состоянии при нагреве и охлаждении, с целью повышение твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).

   Характеризуется нагревом до температур выше критических  и высокими скоростями охлаждения (рис. 12.1 (2, 2а)).

   2.5 Отпуск

     – проводится с целью снятия  внутренних напряжений, снижения  твердости и увеличения пластичности  и вязкости закаленных сталей.

   Характеризуется нагревом до температуры ниже критической А (рис. 2.1 (3)). Скорость охлаждения роли не играет. Происходят превращения, уменьшающие степень неравновесности структуры закаленной стали.

   Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную.