Строение и свойства сплавов

Основные способы обработки металлов. Термическая обработка. Отжиг. Закалка. Отпуск. Химическая обработка. Азотирование, борирование, цианирование, аллитирование. Термомеханическая обработка. Обработка давлением. Ковка, штамповка, волочение. Сварка, резка, пайка.

Дефекты обработок металлов и сплавов. Мягкие пятна, обезуглероживание, деформация, коробление, перегрев, пережег, низкая твердость.

Литейное производство – процесс получения фасонных заготовок в процессе заливки расплавленного металла в литейную форму, внутренняя полость которой с определенным допуском имеет конфигурацию будущей детали. После заливки жидкий металл охлаждается в форме и затвердевает. Полученная деталь называется отливкой. Достоинства литейной технологии - универсальность, экономичность.

Технология получения отливок складывается из следующих основных операций:

· Изготовление литейной формы;

· расплавление металла и заливка его в рабочую полость литейной формы;

· кристаллизация металла в литейной форме и охлаждение отливки4

· выбивка отливки из формы; если форма разовая, то ее разрушают, если металлическая, ее раскрывают;

· обработка прибылей и литниковой системы и при необходимости очистка поверхностей отливки;

· термическая обработка и, как правило, направление на механическую обработок для снятия припуска и получения точных размеров и необходимой шероховатости поверхности.

Все виды литья, применяемые в промышленности, можно разделить по материалу, литейной форме, способу заливки металла в форму, требуемых точности размеров и шероховатости поверхности отливок и по другим признакам.

Литье в песчанно-глинистые формы – наиболее простой и распространенный способ получения литых заготовок. Недостатки такого литья – большие припуски на механическую обработку, низкая производительность и плохие санитарно-гигиенические условия труда.

К специальным видам литья относятся:

Литье в оболочковые формы имеет повышенную точность литейной формы и позволяет снизить припуска механическую обработку. После кристаллизации металла и охлаждения отливки оболочковые формы разрушают.

Литье по выплавляемым моделям позволяет получить отливки сложные по форме, с массой от нескольких грамм до нескольких десятков килограммов. Оливки имеют высокую точность геометрических размеров, малую шероховатость поверхности и небольшую толщину стенок. Полученные отливки не требуют механической обработки. Технология данного литья имеет высокую производительность.

При литье в металлические формы (кокили ) литейные формы изготавливают из чугуна или стали и используют их многократно. После кристаллизации металла и охлаждения отливки кокиль раскрывают и из него выталкивается отливка. Основные достоинства – высокая точность размеров и малая шероховатость поверхности отливок; образование мелкозернистой структуры, высокая производительность.

Литье под давлением получают отливки в кокилях, когда при литье и кристаллизации металла применяют значительные давления, что исключают образование пустот и снижает концентрацию поверхностных дефектов. Эти методом можно получить сложные по конфигурации и очень тонкие отливки без последующей механической обработки.

Центробежное литье – это литье в быстровращающиеся литейные формы: металлические, песчаные, оболочковые, по выплавляемым моделям. Под действиям центробежных сил расплавленный металл оттесняется к наружной поверхности формы, глее затвердевает ровным слоем, в результате чего металл в отливке уплотняется и улучшаются его механические свойства.

Обработка металлов резанием - технологические процессы обработки металлов путём снятия стружки, осуществляемые режущими инструментами на металлорежущих станках с целью придания деталям заданных форм, размеров и качества поверхностных слоев. Основные виды: точение, строгание, сверление, развёртывание, протягивание, фрезерование и зубофрезерование, шлифование, хонингование и др. Закономерности обработки металлов резанием рассматриваются как результат взаимодействия системы станок — приспособление — инструмент — деталь.

Термомеханическая обработка металла - пластическая деформация и термическая обработка выполняется главным образом по трем схемам: высокотемпературная (ВТМО), низкотемпературная (НТМО) и предварительная термомеханическая обработка (ПТМО).
ВТМО - термообработка с деформационного нагрева с последующим низким отпуском.

НТМО заключается в нагреве стали до 1000...1100°С, быстром охлаждении до температуры метастабильного состояния аустенита (400...600°С) и высокой степени (до 90% и выше) деформации при этой температуре.

ПТМО характерна простотой выполнения технологического процесса: холодная пластическая деформация (повышает плотность дислокаций), дорекристаллизационный нагрев (обеспечивает полигонизацию структуры феррита), закалка со скоростного нагрева, отпуск.

Химико-термическая обработка — это процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхности стальных деталей за счет насыщения ее различными химическими элементами. При этом достигается значительное повышение твердости и износостойкости поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины.В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

К видам химико-термической обработки относятся цементация, азотирование, цианирование и некоторые другие.

Цементация — это процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементация производится путем нагрева стальных деталей при 880-950°С в углеродосодержащей среде, называемой карбюризатором. Различают два основных вида цементации — газовую и твердую.

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. При этом повышаются не только твердость и износостойкость, но и коррозионная стойкость. Проводится азотирование при температуре 500-600°С в среде аммиака NН₃ в течение длительного времени (до 60ч.) Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.

Цианирование — это процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом. Проводится цианирование в расплавах цианистых солей NаСN или КСN или в газовой среде, содержащей смесь метана СН₄ и аммиака NН₃. Различают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование. Низкотемпературное цианирование – проводится при температуре 540…600^oС, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом.

Нитроцементация – газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементующего газа и диссоциированного аммиака.

Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре 830…950^oС, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском.

Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.

Диффузионная металлизвция – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.

Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

При твердой диффузионной метализации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH₄Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или CL₂ образуется соединение хлора с металлом (AlCl₃, CrCl₂, SiCl₄), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная метализация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Газовая диффузионная метализация проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Сварку применяют для получения неразъемного соединения деталей при изготовлений изделий, машин и сооружений из металла.

Газовая сварка относится к сварке плавлением. Процесс газовой сварки состоит в нагревании кромок деталей в месте их соединения до расплавленного состояния пламенем сварочной горелки.

Аргонно-дуговая сварка – выполняется горелками, позволяющими окружать электрическую дугу завесой из инертного газа аргона, подводимого к горелке из баллона.

Электродуговая сварка – сварка электрической дугой производиться вручную или автоматически под флюсом.

Контактная электросварка – осуществляется путем электрического нагрева мест соединения металлов при одновременном действии сжимающей силы, направленной перпендикулярно к плоскости соединения. Контактная электросварка делится на:
- стыковую (сопротивлением - без расплавления металла в зоне стыка; оплавлением – концы деталей в месте возникновения электрического контакта нагреваются до оплавления, затем сжимаются);
- точечную (двухсторонняя – две и более детали сжимаются между электродами точечной машины; односторонняя – ток, протекающий во вторичной цепи трансформатора, распределяется между верхним и нижним листами, сварка осуществляется током, протекающим через нижний лист, усиленным медной прокладкой).

Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры. Различают следующие виды термической обработки: отжиг, закалка и отпуск.

Отжиг - вид термической обработки, заключающийся в её нагреве до определённой температуры, выдержки при этой температуре и медленном охлаждении. Цели отжига - снижение твёрдости и улучшение обрабатываемости стали; изменение формы и величины зерна, выравнивание химического состава, снятие внутренних напряжений. Существуют различные виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, отжиг на зернистый перлит, нормализация.

Полный отжиг. Полный отжиг применяется для доэвтектоидных сталей. При этом происходит полная перекристаллизация стали и уменьшение величины зерна. Исходная структура из крупных зерен феррита и перлита при нагреве превращается в аустенитную, а затем, при медленном охлаждении, в структуру из мелких зерен феррита и перлита. Повышение температуры нагрева привело бы к росту зерна. При полном отжиге снижается твердость и прочность стали, а пластичность повышается.

Неполный отжиг производится, если исходная структура не очень крупнозерниста или не надо изменить расположение ферритной (в доэвтектоидных сталях) или цементитной (в заэвтектоидных сталях) составляющей. При этом происходит лишь частичная перекристаллизация — только перлитной составляющей стали.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) заключается в нагреве стали до 1000-1100°С, длительной выдержке (10-15 часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате диффузионного отжига происходит выравнивание неоднородности стали по химическому составу.

Рекристаллизационный отжиг предназначен для снятия наклепа и внутренних напряжений после холодной деформации и подготовки структуры к дальнейшему деформированию. Нагрев необходимо осуществлять выше температуры рекристаллизации.

Низкий отжиг применяется в тех случаях, когда структура стали удовлетворительна и необходимо только снять внутренние напряжения, возникающие при кристаллизации или после механической обработки.

Отжиг на зернистый перлит (сфероидизацию) применяют для сталей близких к эвтектоидному составу или для заэвтектоидных.

Нормализация состоит из нагрева стали, выдержки при этой темпе ратуре и последующего охлаждения на воздухе. Более быстрое охлаждение

по сравнению с обычным отжигом приводит к более мелкозернистой структуре.

Закалка — это вид термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем быстром охлаждении. В результате закалки повышается твердость и прочность, но снижается вязкость и пластичность.

Для достижения высокой скорости охлаждения закаливаемые детали погружают в воду (для углеродистых сталей) или минеральные масла (для легированных сталей).

Способность стали закаливаться называется закаливаемостью. Она характеризуется значением твердости, приобре­таемой сталью после закалки и зависит от содержания углерода. Стали с низким содержанием углерода (до 0,3%) практически не закаливаются и закалка для них не применяется.

Отпуск стали — это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и охлаждении. Цель отпуска — получение равновесной структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности. Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск проводится при температуре 150-200°С. В результате снимаются внутренние напряжения, происходит некоторое увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твердости.

При среднем отпуске производится нагрев до 350-450°С. При этом происходит некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости и улучшении сопротивляемости действию ударных нагрузок.

Высокий отпуск проводится при 550-650°С. В результате твердость и прочность снижаются значительно, но сильно возрастают вязкость и пластичность и получается оптимальное для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Применяется для деталей, подвергающихся действию высоких нагрузок.

Улучшение. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкционных сталей.

Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стальных деталей и быстрого охлаждения с целью получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое в сочетании с вязкой сердцевиной. Существуют различные способы нагрева поверхности под закалку — в расплавленных металлах или солях, пламенем газовой горелки, лазерным излучением, током высокой частоты.

Индукционная закалка. При нагреве токами высокой частоты закаливаемую деталь помещают внутри индуктора, представляющего собой медные трубки с циркулирующей внутри для охлаждения водой.