Презентация по дисциплине материаловедение для студентов СПО и НПО "Виды термической обработки"

стали. Это обусловлено, с одной стороны, необыкновенно широким распространением стали

как конструкционного (и инструментального) материала, а с другой стороны, ни для одного сплава термическая обработка не дает такого эффекта по изменению свойств, как для стали.

В соответствии со сказанным выше и основываясь на приведенном на рис. 11 стальном участке диаграммы Fe - С видами термической обработки стали будут отжиг I и II рода; закалка, отпуск.

Стальной>> участок диаграммы Fe - Fe3C.

собственно термической обработки приведены ниже.

в результате предшествовавшей обработки (кроме закалки), приводящий металл в более

устойчивое состояние. Основные подвиды: гомогенизационный отжиг, рекристаллизационный отжиг, отжиг для снятия внутренних напряжений. Отжиг II рода - нагрев выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения стабильного структурного состояния сплава.
Отжиг II рода (или фазовая перекристаллизация) - нагрев выше Ас3 (или /Ас1) с последующим медленным непрерывным или ступенчатым ( (изотермическим) охлаждением. Частный случай отжига II рода - нормализация (охлаждение на спокойном воздухе).
Закалка с полиморфным превращением - нагрев выше температуры полиморфного превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно-неустойчивого состояния (в пределе - фиксирования устойчивого состояния при высокой температуре). Отпуск - нагрев закаленного (с полиморфным превращением) сплава для получения более стабильного состояния. . Отпуск - нагрев закаленной стали до температуры не выше Ас,. Закалка без полиморфного превращения - нагрев до температур, вызывающих структурные изменения (чаще всего для растворения избыточной фазы) с последующим быстрым охлаждением для получения структурно-неустойчивого состояния - пересыщенного твердого раствора).
Старение - нагрев (или длительная выдержка при комнатной температуре), вызывающий превращения в закаленном (без полиморфного превращения) сплаве и приближающий его состояние к более устойчивому. Химико-термическая обработка классифицируется по насыщающему элементу - углероду (цементация), азоту (азотирование) и т. д. Разные виды деформационно-термической обработки разделяются в зависимости от характера фазовых превращений и способа деформации, причем существенное значение имеет, до или после деформации происходит превращение (ТЛЮ и МТО соответственно), а также выше или ниже температуры рекристаллизации производилась деформация (ВТМО и НТМО соответственно).

металлов и сплавов. На металлургических и машиностроительных═ заводах термическая обработка

является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства полуфабрикатов и деталей машин. Термообработку п 212i81bc 088;именяют как промежуточную операцию для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственней конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обработанных деталей.
Любой процесс термической обработки деталей можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени. По такому графику можно определить температуру нагревания, время нагревания и охлаждения, средние и истинные═ скорости нагревания и охлаждения, время выдержки при температуре нагревания и═ общую продолжительность производственного цикла. Но по форме этого графика ничего нельзя сказать о том, с каким видом термообработки мы имеем дело. Вид термообработки определяется не характером изменения температуры во времени,═ а типом фазовых и структурных изменений в металле.
Термическая обработка подразделяется на собственно термическую, термомеханическую и химико-термическую. Собственно термическая обработка═ заключается только в термическом воздействии на металл или сплав, термомеханическая - в сочетании термического воздействия═ и пластической деформации, химико-термическая - в сочетании термического и химического воздействия.

Отжиг заключается в нагревании стальных деталей до определенной температуры (обычно 750 - 900╟С в зависимости от содержания в стали углерода) и выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением вместе с печью. Отжиг производится для повышения ударной вязкости стали, получения однородности структуры, улучшения обрабатываемости, а также для снятия внутренних напряжений в изделиях после различных видов обработки.

Отжиг.

зависимости от содержания углерода в стали) с выдержкой при этой

температуре и последующим охлаждением на воздухе называется нормализацией. Нормализации подвергаются отливки и поковки для устранения в них внутренних напряжений, наклепа и повышения механических свойств стали.
Закалка. Операция термической обработки, состоящая из нагрева до определенной температуры (обычно 750 - 900╟С в зависимости от содержания углерода в стали), выдержки при этой температуре и последующего быстрого охлаждения в воде, масле, водных растворах солей и т. д., называется закалкой. При закалке повышаются прочность, твердость, износостойкость конструкционных сталей и придается режущая способность инструментальной стали. Закалка применяется для сталей с содержанием углерода не менее 0,3%.

Существуют следующие способы закалки сталей:
1. Закалка в одной среде. Эта закалка, простая по исполнению, не пригодна для любой стали или изделия, так как быстрое охлаждение изделий переменного сечения при большой разности температур способствует образованию значительных внутренних термических и структурных напряжений. Эти напряжения могут привести к короблению изделия и трещинам. В одной среде закаливаются только детали простой формы (ролики, пальцы и др.).

2. Закалка в двух средах. Применяется для инструментов из высокоуглеродистых сталей и состоит в том, что изделие сначала охлаждают в воде (до 550 - 500╟С), а затем в масле для полного охлаждения.

3. Ступенчатая закалка. Производится путем быстрого охлаждения изделия в соляной ванне с температурой 240 - 250╟С с последующим охлаждением до обычной температуры в масле или на воздухе. При такой закалке уменьшаются внутренние напряжения, а также возможность коробления и образования трещин.

с более длительной выдержкой при температуре ванны. В═ этом случае

исключается возможность образования трещин и в значительной степени уменьшается коробление.
5. Светлая закалка. Осуществляется в специальных печах с защитной средой методом ступенчатой закалки с охлаждением в расплавленной едкой щелочи. После такой закалки изделия имеют светлую поверхность и не требуется пескоструйная очистка.
6. Закалка с самоотпуском. Эта закалка состоит в том, что изделие выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения, чтобы сохранить в нем достаточное количество тепла для отпуска. Применяется для зубил, кернеров и другого инструмента, которые должны иметь высокую твердость поверхности и вязкую сердцевину.

Поверхностная закалка. Для многих деталей машин требуется, чтобы они имели высокую твердость, хорошо сопротивлялись истиранию и одновременно не были хрупкими, т. е. имели бы твердый поверхностный слой и вязкую сердцевину. Для таких деталей применяется поверхностная закалка, которая производится при нагреве т. в. ч. (токами высокой частоты), в электролите или электроконтактным методом.
Отпуск. Нагрев закаленной стали до определенной температуры, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение называются отпуском. Целью отпуска является устранение или уменьшение напряжений в стали, понижение ее твердости и повышение вязкости.

Различают следующие виды отпуска изделий:
низкий отпуск - нагрев до температуры 150 - 300╟С, выдержка и охлаждение на воздухе;
средний отпуск - производимый при температурах 300 - 500╟С и применяемый для пружин, рессор, и инструментов, которые должны иметь значительную прочность и упругость при средней твердости;
высокий отпуск - осуществляемый при температурах 500 - 600╟С, для получения наибольшей вязкости при достаточной прочности и упругости стали. Высокий отпуск применяют для изделий из конструкционных сталей, подвергающихся высоким напряжениям в случае ударных нагрузок (шатуны, шатунные болты и т. п.).

подвергают старению или отпуску.
Сравнительно недавно было предложено термин отпуск применять

только к тем сплавам, которые были подвергнуты закалке с полиморфным превращением, а термин старение - в случае закалки без полиморфного превращения.
Главным процессом при старении и отпуске большинства закаленных промышленных сплавов является распад метастабильного твердого раствора. При этом сплав переходит в более стабильное состояние, хотя обычно и далекое от истинного равновесия, для которого характерен абсолютный минимум свободной энергии.
Основные параметры старения и отпуска - температура и время выдержки. Скорости нагрева и охлаждения обычно играют подчиненную роль. Исключение составляет специфическое явление отпускной хрупкости легированных сталей при замедленном охлаждении с температуры отпуска.
Старение - это термическая обработка, при которой в сплаве, подвергнутом закалке без полиморфного превращения, главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора.
Старение закаленных деталей проводится с целью повышения их прочности.
Старение подразделяют на естественное, происходящее при комнатной температуре, и искусственное, требующее нагрева до определенной температуры.
В зависимости от режима, структурных изменений и получаемого комплекса свойств искусственное старение можно подразделить на полное, неполное, перестаривание и стабилизирующее старение.

Полное искусственное старение проводят при такой температуре и продолжительности, которые обеспечивают достижение максимальной прочности.
Неполное искусственное старение - это старение с более короткой выдержкой или при более низкой температуре, чем полное, с целью повысить прочность при сохранении достаточной пластичности.
Перестаривание - это старение при более высокой температуре или большей выдержке, чем полное, с целью получить сочетание повышенных прочности, пластичности, коррозионной стойкости, электропроводности и других свойств.
Стабилизирующее старение - это разновидность перестаривания, целью которого является стабилизация свойств и размеров изделия.

которая благодаря повышенной плотности дефектов влияет на формирование структуры при

фазовых превращениях, происходящих во время термического воздействия. В настоящее время в промышленности используют разнообразные схемы ТМО, включающие горячую и (или) холодную пластическую деформацию, которая оказывает определяющее влияние на формирование структуры сплава при старении, при перлитных, бейнитных и мартенситных превращениях.
Химико-термическая обработка (ХТО) - это термическая обработка, сочетающая тепловое воздействие с химическим, в результате чего изменяются состав и структура в поверхностных слоях, а иногда и по всему объему изделия. Этой обработке подвергаются изделия, которые должны иметь твердую и износостойкую поверхность при сохранении вязкой сердцевины и высокого сопротивления усталости.

Для изменения химического состава изделие нагревают в активной среде. Во время выдержки изделие диффузионное обогащается элементами из внешней среды. Кроме того, химико - термическую обработку можно использовать для диффузионного удаления из изделия примесей, а в отдельных случаях и основных компонентов.
В промышленности применяют множество способов ХТО, различающихся диффундирующими элементами, типом и составом внешней среды, химизмом процессов в ней, техникой исполнения и другими признаками.

В зависимости от агрегатного состояния внешней среды, в которую помещают обрабатываемое изделие, различают ХТО в твердой, жидкой и газовой средах. Ниже, в качестве примеров, рассмотрены некоторые типовые разновидности ХТО. Эти примеры относятся, главным образом, к сталям, так как ХТО чугунов и цветных металлов и сплавов в промышленности применяют гораздо реже.
Цементация - процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Цементация осуществляется с целью получения высокой твердости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины; она способствует повышению износостойкости и предела выносливости.
Цементации подвергаются детали из низкоуглеродистых сталей (с содержанием углерода до 0,25%), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагрузках (шестерни, втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т.д.)

шлифование 0,05-0,10 мм. Участки не подлежащие цементации защищают тонким слоем

меди (0,02-0,04 мм), наносимым электролитическим методом, или специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др. Цементация осуществляется при температурах 850-950╟С. Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для цементации. Глубина цементации в зависимости от назначения изделия и состава обычно находится в пределах 0,5-2,0 мм. При этом изделия, уложенные в железные ящики с карбюризатором (древесный уголь и различные добавки - соли углекислого бария, кокс и др.), нагревают до 850 - 950╟С (в течение 5 - 15 ч). Для мелких изделий применяется жидкостная цементация в расплавленных соляных ваннах. В случае газовой цементации в среде окиси углерода СО процесс сокращается в 2 - 2,5 раза. После цементации изделия закаливают обычным способом. При твердой цементации поверхностный слой содержит 0,9 - 1,2% углерода и имеет глубину 0,5 - 2 мм, в зависимости от времени выдержки в печи. При жидкостной цементации для получения науглероженного слоя глубиной 0,20 - 0,25 мм требуется выдержка 50 - 60 мин. При газовой цементации для получения цементованного слоя глубиной 1,0≈1,2 мм необходима выдержка в течение 4 -5 ч

Газовая цементация - основной процесс при массовом производстве, а цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве. Среду, в которой проводят цементацию, называют карбюризатором.
Цементации подвергают качественные стали 08, 10, 15 и 20 и легированные стали 12ХН3А, 18ХГТ и др. Основное назначение легирования здесь - повышение прокаливаемости и, соответственно, механических свойств сердцевины изделий из цементуемой стали.
Азотированием (цетрированием) называется процесс насыщения поверхности стали азотом. Процесс осуществляется в среде аммиака при температуре 480-650╟С. При этих температурах по реакции 2NН3 ╝ 2N ╝ 3Н2
выделяется атомарный азот, который диффундирует в поверхностные слои детали.

Для азотирования изделия закаливают, отпускают и шлифуют, после чего при температуре 480-650╟С нагревают в течение 20 - 50 ч в закрытой печи, через которую проходит струя аммиака, насыщающая поверхность деталей азотом. После азотирования изделия медленно охлаждаются, а затем их полируют. При азотировании поверхности детали не коробятся и она сохраняет точные размеры. Азотированные детали сохраняют поверхностную твердость при нагреве до 500╟С.

V, Аl. При азотировании легированных сталей азот образует с легирующими

элементами устойчивые нитриды, которые придают азотированному слою высокую твердость. Твердость поверхностного слоя деталей после азотирования достигает 1100-1200НV. Типичная марка стали для азотирования 38ХМЮА.
Участки, не подлежащие азотированию, защищают тонким слоем (0,01-0,015 мм) олова, нанесенным электролитическим методом, или жидким стеклом.
Азотированием повышают твердость. Износостойкость. Предел выносливости, а также коррозионную стойкость сталей.
Некоторое применение нашло азотирование деталей из высокопрочных чугунов и титановых сплавов.
Цианированием называется процесс одновременного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом. На состав и свойства цианированного слоя особое влияние оказывает температура процесса. Поэтому, Цианирование может быть высоко- и низкотемпературным. Высокотемпературное цианирование, применяемое для изделий из углеродистой и легированной сталей с содержанием углерода 0,3-0,4% (шестерни и различные мелкие детали), производится при температуре 780-930╟С. Низкотемпературному цианированию подвергается инструмент из быстрорежущей стали. Оно производится при температуре 500-600╟С. Различают жидкое и газовое цианирование. Газовое цианирование называется также нитроцементацией.

Жидкое цианирование производится путем нагрева изделий в течение 10 - 60 мин в цианистой ванне, представляющей собой смесь расплавленных солей. Содержание углерода в планированной поверхности колеблется от 0,5 до 0,7%, а содержание азота достигает 0,6 - 0,8%.
Повышение температуры цианирования ведет к повышению содержания углерода в слое, снижение температуры - к увеличению содержания азота.

Преимущества цианирования по сравнению с цементацией - значительно меньшая продолжительность процесса и более высокая износостойкость и коррозионная стойкость (благодаря азоту в поверхностном слое). Недостаток процесса - использование ядовитых цианистых солей. По сравнению с газовой цементацией нитроцементация имеет следующие преимущества: ниже температура процесса и, следовательно, меньше рост зерна, выше износостойкость, меньше коробление деталей.

различными металлами. Она может осуществляться в твердых, жидких и газообразных

средах. Поверхностное насыщение стали металлами проводится при температурах 900-1200╟С.
Алитированием называется процесс насыщения поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 850-900╟С) и коррозионную стойкость в атмосфере и в ряде сред. Глубина алитирования в зависимости от метода и режима составляет 0,02-0,8 мм. Алитированию подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, детали газогенераторов и т.д.
Хромирование (поверхностное насыщение хромом) проводят для повышения коррозионной стойкости, кислотостойкости, окалиностойкости (до 850╟С) и т.д. Хромирование средне- и высокоуглеродистых сталей повышает твердость и износостойкость. Толщина хромированного слоя обычно не превышает 0,2 мм. Хромирование применяют для пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, а также деталей, работающих в агрессивных средах.
Борированием называется процесс насыщения стали бором. Борирование проводят с целью повышения стойкости против абразивного износа. Толщина борированных слоев не превышает 0,3 мм, а твердость равна 1800-2000НV. Борированию подвергают втулки грязевых нефтяных насосов, штамповый инструмент и т.д.

В технических условиях по термообработке назначается интервал твердости. Этот интервал может обозначаться следующим образом: 35,5┘40,5 HRC (ИУС № 4 2000 г. [54]; sВ = 1080┘1270 МПа (110-130 кг/см2).
Назначается вид контроля после проведенной термообработки.

стали