Способы обработки материалов. Учебное пособие

При термической обработке серого чугуна изменяется главным образом металлическая основа чугуна (матрица), графитная структура остается практически без изменения.

Низкотемпературный отжиг (искусственное старение)

применяют для снижения в отливках внутренних остаточных напряжений, возникающих вследствие неодновременного перехода различных частей отливки из области пластических в область упругих деформаций.

Однако для снижения величины внутренних напряжений более эффективным является применение искусственного старения – медленный нагрев отливок и медленное охлаждение.

Для ковкого чугуна применяют нормализацию, закалку и отпуск. Нормализация (табл. 60) повышает прочность, твердость и износостойкость ковкого чугуна при некотором понижении его пластичности. Нормализация приводит к увеличению содержания в структуре перлита.

Таблица 60

Режим термической обработки ковкого чугуна

Закалка с последующим высоким отпуском является оправдавшим себя методом получения ковкого чугуна со структурой зернистого перлита. Максимальная твердость закаленного ферритного и ферритоперлитного ковкого чугуна достигается при нагреве под закалку до 850…900°С, выдержке в течение 60…120 мин и охлаждении в масле. Регулирование и получение требуемых механических и эксплуатационных свойств осуществляются за счет подбора температуры отпуска закаленного ковкого чугуна.

Алюминий и его сплавы для придания им определенных свойств также подвергаются закалке и старению (табл. 61, 62).

Таблица 61

Температура нагрева деформируемых алюминиевых сплавов перед закалкой

314

Режимы искусственного старения деформируемых алюминиевых сплавов

315

*ЕС – естественное старение; ИС – искусственное старение.

**Числитель – 1-я ступень (режим) старения; знаменатель – 2-я ступень (режим) старения.

В зависимости от содержания компонентов, входящих в состав алюминиевого сплава (Mg, Cu, Ni, Zn и др.),применяют тот или иной режим термообработки.

316

Для термической обработки рекомендуют применять следующие режимы:

Т4 – нагрев под закалку при 535 ± 5°С в течение 2...6 ч, охлаждение в воде с температурой 20...100°С. Применяется для деталей, от которых требуется повышенная пластичность;

Т5 – режим закалки тот же + искусственное старение при 150 ± 5°С в течение 1…3 ч. Применяется для деталей, от которых требуются повышенные значение предела текучести и твердости;

Т6 – режим закалки тот же + искусственное старение при 200 ± 5°С в течение 2…5 ч. Применяется для деталей, от которых требуется повышенная прочность;

Т7 – режим закалки тот же + искусственное старение при 225 ± 10°С в течение 3…5 ч. Применяется для деталей, от которых требуется достаточная прочность и сравнительно высокая стабильность геометрических размеров;

Т8 – режим закалки тот же + отжиг при 250 ± 10°С в течение 3…5 ч.

Процессы химико-термической обработки осуществляются посредством нагрева, выдержки и охлаждения деталей из стали или сплавов в активных насыщающих средах (твердых, жидких, газообразных) при определенных температурных и временных условиях с последующей термической обработкой или без нее.

Результаты всякого процесса химико-термической обработки определяются составом активной насыщающей среды, температурой и временем выдержки, а также условиями последующей термической обработки.

Химико-термическая обработка деталей применяется в промышленности в большинстве случаев с целью повышения свойств: поверхностной твердости, износостойкости, эрозиостойкости, задиростойкости, контактной выносливости и изгибной усталостной прочности (процессы – цементация, азотирование, нитроцементация и др.). Для резкого повышения со-

317

противления абразивному изнашиванию перспективны процессы: борирование, диффузионное хромирование и другие, позволяющие получить в поверхностном слое бориды железа, карбиды хрома или другие химические соединения металлов, отличающиеся высокой твердостью. В других случаях целью химико-термической обработки является защита поверхности деталей от коррозии при комнатной и повышенной температурах в различных агрессивных средах или окалинообразования (процессы – алитирование, силицирование, хромирование и др.).

Цементация. Процесс осуществляется обычно в интервале температур 860…960°С. Длительность выдержки в зависимости от состава цементуемой стали, способа цементации и требуемой глубины слоя, которая колеблется в пределах от 0,15 до 2,5 мм, составляет от 1 до 30 ч. В редких случаях, например газовой цементации крупных подшипниковых колец, глубина слоя может достигать 8 мм, длительность выдержки 7-9 суток.

Особым случаем применения цементации является сквозная цементация тонких штампованных деталей из низкоуглеродистой стали (например, деталей пишущих машин, роликовых цепей и т.п.).

Для цементации применяют низкоуглеродистую нелегированную и легированную сталь с содержанием углерода 0,08…0,30% (табл. 63). К цементуемой качественной стали предъявляются требования по чистоте металла, структуре, механическим свойствам, закаливаемости цементованного слоя, обрабатываемости резанием и др.

При выборе кремнийсодержащих сталей, обладающих повышенной износостойкостью, теплостойкостью и ударной усталостной прочностью, необходимо учитывать некоторые их недостатки в отношении склонности к обезуглероживанию при последующей термической обработке и в ряде случаев – неудовлетворительную закаливаемость цементованного слоя, а также предрасположение к образованию шлифовочных трещин.

318

Таблица 63

Свойства и область применения цементируемой стали различных марок

* Твердость сердцевины для шестерен из легированной стали обычно составляет HRC 35…45.

Концентрация углерода в цементованном слое для получения оптимальных свойств прочности должна находиться в определенных пределах в зависимости от марки легированной стали (обычно 0,8..1,0%).

Азотирование осуществляется обычно в атмосфере продуктов частичной диссоциации аммиака в интервале температур 500…580°С. Длительность выдержки в зависимости от типа стали и требуемой глубины слоя обычно составляет 20…100 ч.

Азотирование применяют как с целью поверхностного упрочнения (повышение твердости, износостойкости, сопротивления задиранию, усталостной прочности и эрозиостойкости),

320

так и с целью антикоррозионной защиты. Большая эффективность применения азотирования по сравнению с цементацией обусловлена более высокой износостойкостью, теплостойкостью и коррозионной стойкостью азотированных сталей и чугунов. В то же время азотированный слой характеризуется относительно большой хрупкостью. Технологические преимущества азотирования, связанные с низкой температурой процесса, заключаются в незначительном короблении деталей или практически полном его отсутствии.

Нитроцементация и цианирование предусматривают одно-

временное насыщение стали углеродом и азотом (нитроцементация – из газовой среды, цианирование – из расплавов цианистых солей). Основные преимущества нитроцементации и цианирования (кроме большей скорости насыщения) состоят в возможности получения более износостойкого и теплостойкого слоя благодаря наличию в нем азота, меньшему росту зерна и меньшей деформации деталей. Нитроцементация и цианирование осуществляются при температурах 540…600°С (низкотемпературная) и 840…950°С (высокотемпературная), время выдержки 0,5…3 ч.

Алитирование применяют для повышения стойкости деталей против газовой коррозии в водяном паре, на воздухе, в сероводороде и в топочных газах при повышенных и высоких температурах. Алитированию подвергают малоуглеродистую нелегированную сталь и сплавы, включая жаропрочные сплавы на никелевой основе, а также серый, кремнистый и магниевый чугуны. Применяют три способа алитирования: в твердой среде (порошковых смесях), в расплаве, напылением расплавленного алюминия.

Порошковые смеси для насыщения сталей и чугунов алюминием содержат от 30 до 90% порошка железоалюминиевого сплава, нелегированного или легированного небольшим количеством других элементов (окиси алюминия, 1-2% хлористого аммония). Процесс насыщения алюминием проводят при температуре 750…1050°С в течение 1…20 ч. Глубина алитирован-

321

ного слоя составляет 0,02…0,7 мм с содержанием алюминия на поверхности слоя 15…65%.

Алитирование в расплаве алюминия (с небольшими добавками кремния) осуществляется погружением деталей в ванну при температурах 720…850°С с выдержкой времени 25…45 мин. Затем детали подвергают диффузионному отжигу при 950°С в течение 1…2 ч. Глубина диффузионного слоя составляет 0,3…0,5 мм.

Алитирование методом напыления расплавленного алюминия (металлизации) также предполагает применение диффузионного отжига после металлизации. Глубина алитированного слоя составляет 0,5…0,8 мм.

Следует отметить, что наличие легирующих элементов в сталях и чугунах уменьшает глубину алитированного слоя.

Диффузионное хромирование направлено на повышение твердости, коррозионной стойкости при температуре 800…1300°С порошками, в состав смеси которых входят: Cr

или FeCr, 1…3% NH4Cl или NH4I, остальное – Al2O3. Перед хромированием детали подвергаются шлифовке, кроме того, возможна предварительная цементация. При изготовлении штампового инструмента после хромирования производится притирка деталей (реже шлифовка). Увеличение размеров при хромировании составляет 0,01…0,03 мм на сторону.

Борирование осуществляется при температуре 920…950°С в жидких средах (электролизное и в расплаве буры с карбидом бора), а также в газообразных средах и твердых смесях с целью повышения твердости и износостойкости. Борированные детали (втулки буровых грязевых насосов, струйных сопел, звеньев цепей пил и др.) подвергаются объемной и поверхностной закалке токами высокой частоты. Время борирования составляет: в жидких средах и газах – 2…20 ч, в порошках – 6 ч. Глубина борируемого слоя составляет 0,2 мм.

Сульфоцианирование направлено на улучшение антифрикционных свойств и повышение усталостной прочности стали (обработка поршневых колец, гильз цилиндров, чугунных втулок, зубчатых и червячных колес и др.). Сульфоцианирование

322