Обработка металлов

1. Термическая обработка металлов

2. Химико-термическая обработка

3. Технологические способы обработки металлов

Термическая обработка металлов

Термическая обработка металлов – искусственное изменение структуры и свойств сталей путем термического воздействия на нее, заключающееся в нагреве до определенной температуры, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения с различной скоростью.

При медленном охлаждении получается равновесное состояние и, соответственно, структура.

Для равновесного состояния стали характерно наличие в ней перлита, указывающего на полный распад аустенита.

При быстром охлаждении наблюдается неполный распад и получаются неравновесные структуры.

Неравновесными (переходными) структурами являются:

1. мартенсит

2. тростит

3. сорбит

При резком охлаждении происходит в сталях частичный распад аустенита. При этом в кристаллической решетке железа происходит перестройка от гранецентрированной в объемоцентрированную, но атомы С не успевают выделиться из решетки α Fe.

Структура, соответствующая этой стадии распада у аустенита, называется мартенситной, т.е. мартенсит – это пересыщенный твердый раствор углерода в α Fe.

При снижении (или при средней скорости охлаждения) происходит более полный распад аустенита, и углерод успевает выделиться из решетки α Fe, образуя Fe₃C – карбид железа – цементит.

мельчайшие кристаллики.

Такие структуры называются тростит. Т.е. тростит – это высокодисперсная смесь цементита с ферритом с величиной кристаллов < 10^-6 см (<10 мкм).

Структуру, образовавшуюся при еще более медленном охлаждении, когда происходит более глубокий распад аустенита, называют сорбитной. Т.е. сорбит – это грубодисперсная смесь цементита с ферритом, размер зерен цементита около 10^-4 см (1000 мкм).

Перлит образуется при очень медленном охлаждении и является конечным продуктом распада аустенита.

Перлит – это грубодисперсная смесь цементита с ферритом при размере зерне цементита до 10^-2 см.

Т.е. изменяя режим охлаждения стали можно получать заданные структуры с определенными свойствами.

Сталь в состоянии мартенсита имеет высокую твердость НВ 600-700 единиц и большую хрупкость, ударная вязкость снижается почти до нуля.

Для этой структуры характерно сильное искажение кристаллической решетки при наличии в ней углерода С, в десятки раз превышающем количество нормальной растворимости в твердом состоянии.

При изменении структуры от мартенситной к троститной и далее к сорбитной свойства стали изменяются

Твердость у сорбита 250-800 единиц и значительно повышается ударная вязкость

≈12 кг·м/см²

Т.е. с увеличением размеров кристаллов будет изменяться твердость, прочность, ударная вязкость и др. свойства.

Виды термической обработки

1. Отжиг – это операция, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше некоторой критической точки, выдержка при этой температуре до полного прогрева с последующим медленным охлаждением обычно вместе с печью под слоем шлака.

При отжиге сталь нагревается в зависимости от концентрации углерода на 20-30ºС выше линии GSF, а потом медленно охлаждается.

При этом снимается внутреннее напряжение, несколько снижается твердость. Получается сталь с более равномерным мелким зерном.

2. Нормализация. При этой операции сталь нагревают до температуры выше критической на 30-50ºС выше GSF. Выдерживают при ней, а затем медленно охлаждают на воздухе. При такой обработке сталь получается однородной, мелкозернистой со структурой мелкопластинчатого перлита.

Для такой структуры характерны высокие пределы текучести и прочности. Сталь получается более пластичной, чем при отжиге. Это используют, когда сталь обрабатывают резанием.

3. Закалка – эта операция заключается в нагреве стали выше линии GSF на 50-70ºС, длительной выдержке с последующим быстрым охлаждением в различных средах: воде, растворах солей, масле.

Чем быстрее будет охлаждаться сталь, тем сильнее будет проявляться закалка. При закалке увеличивается твердость, упругость, хрупкость, недолговечность. Для смягчения эффекта закалки часто используют отпуск.

4) Отпуск – это операция, заключающаяся в нагреве сплава до температуры не выше самой нижней критической точки (723ºС) с последующим медленным охлаждением.

Нагрев можно осуществлять до 200, 400, 600ºС, тогда отпуск будет соответственно называться низким, средним или высоким. Самый сильный эффект будет при высоком отпуске. Например, твердость при переходе от низкого к высокому отпуску будет изменяться примерно в 1,5-2 раза.

Отпуск используют при чрезмерных внутренних напряжениях в стали, повышенной хрупкости, чрезмерной твердости.

5) Наклеп – сущность этого способа изменения свойств стали заключается в упрочении металла под влиянием температур и пластической деформации.

Стали обычно нагревают до температур ниже критических, подвергают их деформации и охлаждают.

В сталях отмечается явление, называемое рекристаллизацией. При рекристаллизации происходящей при температурах ниже линии GS, наряду с крупным зерном при наклепе могут образовываться мелкие зерна.

Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка стали – это процесс, заключающийся в изменении ее химического состава по поверхности изделия с последующей термической обработкой.

Это делается для повышения прочности, твердости, выносливости, коррозионной стойкости изделий.

1. Цементация – это процесс поверхностного насыщения углеродом малоуглеродистых сталей с концентрацией С = 0,1-0,3% с последующей закалкой и отпуском. Это позволяет получить сталь с твердой упругой поверхностью и вязкой пластичной сердцевиной. Для цементации изделие помещают в специальные огнеупорные ящики, куда засыпается цементирующая смесь (активированный уголь и углекислые соли K₂CO₃, Na₂CO₃, BaCO₃). Ящики прогревают до t = 880-950ºС. Выдерживают при этой температуре в течение 5-6 часов. Карбонатная соль разлагается до выделения углекислого газа СО₂ + С. На поверхности угля взаимодействует с образованием СО – окись углерода. 2СО = С + СО₂, который проникает между атомами железа, диффундируя в кристаллическую решетку γ Fe. При термообработке происходит образование закалочных структур, а при отпуске, обычно низком, снимается внутренней напряжение. При цементации упрочняется только наружный слой и твердость повышается до 500-600 НВ. Поверхностный слой становится износостойким.

2. Азотирование – это процесс поверхностного насыщения азотом. При этом на поверхности образуются нитриды с высокой твердостью. Особенно хорошие результаты получаются при азотировании легированных сталей, содержащих в качестве легирующих элементов алюминий, титан, вольфрам, молибден, хром. При азотировании изделие сначала закаливают и отпускают, помещают в печь в закрытой герметичной реторте, в которую подается аммиак NH₃. При температуре 500-600ºС он разлагается на азот и водород: NH₃ → N + 3H. Атомарный азот проникает в сталь, образуя с железом и другими элементами нитриды. Твердость у поверхности повышается до 1200 по НВ. Существенно повышается предел усталости и коррозионная стойкость.

3. Цианирование – это одновременное насыщение сталей углеродом и азотом. Это дает повышение твердости и износостойкости.

4. Алитирование – это насыщение поверхности атомарным алюминием при высокой температуре (850°-900°С) для повышения жаростойкости стали.

5. Хромирование – поверхностное насыщение стали хромом для повышения ее коррозионной стойкости.

6. Силицирование и борирование – поверхностное насыщение стали кремнием и бором соответственно при температуре от 950 до 1150°С для повышения износостойкости.

Технологические способы обработки.

Литье, обработка давлением в горячем и холодном состоянии, обработка резанием и др.

Литье – это процесс изготовления изделий из расплава.

Для литья приготавливают из формовочных смесей (формовочные земля, песок, гипс, металл, огнеупорные массы) и вяжущего (растворимое или жидкое стекло, карбамидные и др. смолы).

Сначала изготавливают модель, на основе которой готовят форму для литья, обычно она составная. Таким образом, из чугуна отливают колонны, трубы и многие архитектурно-художественные детали.

Обработка давлением в холодном состоянии

Прокатка – получение изделий путем пропускания их между вращающимися валами прокатного стана.

Обычно верхний вал предпочтительнее для деформирования, а нижний – для подачи заготовки. При этом металл при небольшом прогреве деформируется, изменяя форму и структуру металла. Наибольшая деформация должна быть при первом пропуске изделия на стане.

Так изготавливают широкий ассортимент прокатных профильных изделий.

Стандартными являются:

1. Профиль квадратного сечения и с закруглёнными краями.

2. Полосовой.

3. Круглая сталь.

4. Треугольного.

5. Овального сечения.

6. Угловая сталь.

7. Швеллер.

8. Двутавр.

9. Тавр.

10. Рельс.

11. Зетовая сталь.

12. Колонная.

Прокатом изготавливается листовая сталь, которая подразделяется на толстую (4-60мм) и тонкую (0,2-4мм) листовую сталь. Изготавливают трубы стальные бесшовные, диаметр – 50-250мм. Трубы сварные – диаметр до 720мм.

Волочение – этим способом получают проволоку и трубы. При такой обработке металл протягивается через специальное отверстие, меньшего диаметра чем заготовка. Деформируется и вытягивается, т.е. одновременно идёт и обкатка и вытяжка. Этот способ основан на остаточных деформациях металла. При такой деформации изменяется форма и структура металла. Он упрочняется за счёт процесса наклёпа.

Прессование – процесс, осуществляемый продавливанием металла через отверстие меньшей площади чем площадь исходного материала.

Ковка и штамповка – обработка давлением, обычно используется в кузнечном деле для обработки различных по форме и весу изделий (200-1000 мм и более). При этом изменяется структура и форма металла. Ковка ведётся без ограничения изменения объёма. При штамповке поверхность ограничивается формой и объёмом штампа. Штамповка может быть холодной и горячей.

Самостоятельно изучить – чеканка, гибка, вытяжка и др.

Обработка резанием

Металлы обрабатывают резанием на металлорежущих станках при помощи различных режущих инструментов. К основным элементам режима резания относят:

а) скорость резания – перемещения в единицу времени обрабатываемой поверхности заготовки относительно режущей кромки инструмента;

б) подача – поступательное перемещение режущей кромки резца за один оборот обрабатываемой заготовки;

в) глубина резания – расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, полученное за один проход резца;

Металлорежущие станки классифицируют по следующим признакам:

а) по назначению (токарные, фрезерные, шлифовальные и т.д.);

б) по степени автоматизации (автоматы, полуавтоматы, с ПУ и т.д.)

в) по степени точности (нормальной точности и высокоточные или прицизионные)

г) по степени чистоты обрабатываемой поверхности

в) по конструктивным признакам

Сверление – процесс получения в обрабатываемой заготовке сквозных или глухих отверстий, а также рассверливания уже имеющихся отверстий.

Фрезерование – процесс обработки плоскостей, фасонных и винтовых поверхностей, нарезания шлицев, резьбы и зубчатых колес, получения винтовых канавок при помощи вращающегося режущего инструмента, называемого фрезой.

Строгание – процесс обработки горизонтальных, вертикальных и наклонных плоских и фасонных поверхностей, пазов канавок и других выемок специальными резцами.

Шлифование – главным образом отделочная операция, обеспечивающая высокую точность размеров и чистоту поверхности изделия, осуществляемая с помощью шлифовальных кругов.

Сварка

1. Классификация и особенности сварки

2. Электродуговая сварка

3. Электро-контактная сварка

4. Газовая сварка

Классификация и особенности сварки

В настоящее время используются следующие неразъёмные соединения: сварка и клёпка. Ввиду преимуществ сварки она используется в современных условиях больше.

Сварка это процесс получения неразъемных соединений металлических деталей в узлах и цельных конструкциях, осуществляемый за счет межатомных сил сцепления. Образование сварных соединений происходит в большинстве случаев при нагреве свариваемых деталей до жидкого или пластического состояния в узкой зоне с последующей кристаллизацией с образованием сварного шва за счет свариваемого металла или при помощи промежуточного, называемого присадочным. Сварки различают в зависимости от используемой энергии:

1. химическая

2. электрическая

В зависимости от принципа и механизма сваривания сварки делят на следующие типы:

1) сварка давлением – когда кромки прогревают до пластического состояния и обжимают.

2) сварка плавлением – основанная на расплавлении кромок металла с последующим затвердеванием в зоне шва.

Электрическая сварка может быть: электродуговой – когда через свариваемое изделие пропускают электрический ток; электрической – когда через электрод пропускают электрический ток.

К пластической сварке относят: электро-контактную, к сварке плавлением относят электродуговую и газовую

Свариваемость стали тем выше, чем меньше в ней углерода и легирующих элементов. Влияние углерода является определяющим. Углерод расширяет интервал кристаллизации и увеличивает склонность к образованию горячих и холодных трещин.

Чугуны сваривают прогревая предварительно до 700 ⁰C, со специальным присадочным материалом. Охлаждение должно быть постепенное, под слоем асбеста.

Для соединения стальных конструкций чаще используют электродуговую сварку, реже газовую. Для сварки арматуры применяют электроконтактную.