Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Особенности технологической подготовки производства при обработке цветных металлов. Учебное пособие.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
08.09.2026
Размер:
2 Мб
Скачать
31
многолетний опыт их использования. Но в отличие от физико-химических методов анализа эти методы требуют значительно более высоких затрат на механизацию, вспомогательное оборудование и обслуживание. Это можно показать на примере объемного и кулонометрического определения кислоты с потенциометрической индикацией точки эквивалентности.
Контроль производства служит для проверки качества продукции и хода технологического процесса, для предотвращения брака и обеспечения установ­ленного нормами и техническими условиями качества выпускаемых изделий. В Советском Союзе нормы на различную продукцию устанавливали государ­ственными стандартами. Стандарты подразделяются на следующие категории государственные общесоюзные стандарты (ГОСТ), отраслевые стандарты (ОСТ), республиканские (РСТ), стандарты предприятий (СТП). Каждый стан­дарт имеет свой номер и год утверждения и содержит следующие основные разделы: определение и назначение продукта (изделия), технические требования (классификация, свойства и т.д.), правила приемки (отбор пробы для анализа) методы испытаний, упаковка и маркировка. В случае отсутствия стандартов качество определяется временными техническими условиями (ТУ), которые утверждаются министерствами и ведомствами.
Портативные анализаторы металлов.
Рентгено-флуоресцентный анализ – это один из лучших аналитических методов для элементного анализа самых различных проб – твердых веществ, жидкостей и порошков. Рентгено-флуоресцентный анализ сочетает высокую точность и воспроизводимость с простой и быстрой пробоподготовкой.
Стационарные оптико-эмиссионные приборы фирмы «Bruker Quantron» (Германия) являются на данный момент лидерами в области химического ана­лиза металлов и сплавов.
Оптико-эмиссионный спектрометр для лаборатории и цеха. Анализатор предоставляет широкие возможности для различного круга задач и является идеальной системой для сертифицированного анализа продукции в машино­строении, контроля выплавки металлов на металлургическом производстве.
32
Сочетает в себе простоту, надежность и точность. Удовлетворяет всем требова­ниям, которые могут быть частью современной системы для обеспечения кон­троля качества.
Спектральный анализ – совокупность методов качественного и количе­ственного определения состава объекта, основанная на изучении спектров вза­имодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излу­чения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др.
В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральные ана­лизы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения.
Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс ато­марных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.
Среди различных аналитических (химических, физико-химических и др.) методов изучения химического состава вещества оптический спектральный анализ является одним из самых быстроразвивающихся и применяющихся на практике методов анализа.
Круг вопросов, которые решаются методами спектрального анализа, весьма обширен: анализ особо чистых веществ, бездефектный контроль гото­вых изделий, экспресс-анализ металлургического литья, разведка рудных месторождений, анализ лунного грунта и состава звездного вещества, контроль промышленных и бытовых сточных вод, загрязнения воздушного бассейна и воздушной среды производственных помещений и т.д. В соответствии с этим методы спектрального анализа берут себе на вооружение специалисты самых различных областей знаний: металлурги, химики, биологи, астрономы, работ­ники сельского хозяйства и медицины, физики и др.
33
Одним из главных достоинств спектрального анализа является его непре­взойденно высокая экспрессность. В считанные секунды с помощью простей­шего переносного стилометра проводится маркировочный анализ для контроля химического состава поступающего сырья и материалов. Применение кванто­метра для экспресс-анализа плавки металла, например, в крупных конвертерах, где весь процесс заканчивается за 30 мин, позволяет в течение одной минуты произвести определение 10 – 12 элементов, что дает возможность своевременно ввести необходимую корректировку в процесс плавки. Подобные примеры под­тверждают необходимость знаний основ и методов спектрального анализа современному инженеру [1].

2.4. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Термическая обработка – процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью. Термическая обработка (термообработка) приводит к существен­ным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.
Термическая обработка (термообработка) стали, сплавов бывает следую­щих видов: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.
Отжиг – термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термо­бработка (т.е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).
Отжиг – процесс термообработки металла, при котором производится нагревание, затем медленное охлаждение металла. Переход структуры из неравновесного состояния до более равновесного.
Отжиг первого рода, его виды: возврат (он же отдых металла), рекристал­лизационный отжиг (рекристаллизация), отжиг для снятия внутренних напря­жений, диффузионный отжиг (гомогенизация).
34
Отжиг второго рода – изменение структуры сплава посредством пере­кристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур.
Отжиг второго рода, его виды:
полный;
неполный;
изотермический.
Ниже рассмотрен отжиг, его виды, применительно к стали.
Возврат (отдых) стали – нагрев до 200…400 °C, отжиг для уменьшения или снятия наклепа. По результатам отжига наблюдается уменьшение искаже­ний кристаллических решеток у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств стали. [6]
Рекристаллизационный отжиг стали (рекристаллизация) – нагрев до тем­ператур 500…550 °C; отжиг для снятия внутренних напряжений – нагрев до температур 600…700 °C. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения металла отливок от неравномерного охлаждения их частей, также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) с использова­нием температур ниже критических. Вследствие рекристаллизационного отжи­га из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновес­ным, поэтому твердость стали снижается, а пластичность, ударная вязкость увеличиваются. Чтобы полностью снять внутренние напряжения стали нужна температура не менее 600 °C. Охлаждение после выдержки при заданной тем­пературе должно быть достаточно медленным: вследствие ускоренного охла­ждения металла вновь возникают внутренние напряжения.
Диффузионный отжиг стали (гомогенизация) применяется тогда, когда сталь имеет внутрикристаллическую ликвацию. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состо­янии, наряду с самодиффузией железа. По результатам отжига сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией. Температура гомогенизации должна быть достаточно
35
высокой, однако нельзя допускать пережога, оплавления зерен. Если допустить пережог, то кислород воздуха окисляет железо, проникая в толщу его, образу­ются кристаллиты, разобщенные окисными оболочками. Пережог устранить нельзя, поэтому пережженные заготовки являются окончательным браком. Диффузионный отжиг стали обычно приводит к слишком сильному укрупне­нию зерна, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).
Полный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией, измельчени­ем зерна при температурах точек АС1 и АС2. Назначение его – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штампов­кой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30…50 °C выше температуры линии GSK и медленно охлаждают. После отжига избыточ­ный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоидный цементит имеют фор­му пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатым.
При отжиге стали пластинчатый перлит заготовки оставляют в печи до охлаждения, чаще всего при частичном подогреве печи топливом, чтобы скорость охлаждения была не больше 10…20 °C в час. Отжигом также достига­ется измельчение зерна. Крупнозернистая структура, например, доэвтектоидной стали, получается при затвердевании вследствие свободного роста зерен (если охлаждение отливок медленное), а также в результате перегрева стали. Эта структура называется видманштетовой (по имени австрийского астронома А. Видманштеттена, открывшего в 1808 г. такую структуру на метеорном железе). Такая структура придает низкую прочность заготовке. Структура характерна тем, что включения феррита (светлые участки) и перлита (темные участки) располагаются в виде вытянутых пластин под различными углами друг к другу. В заэвтектоидных сталях видманштетова структура характеризу­ется штрихообразным расположением избыточного цементита. Размельчение зерна связано с перекристаллизацией альфа-железа в гамма-железо; вследствие охлаждения и обратного переходе гамма-железа в aльфа-железо мелкозерни-
36
стая структура сохраняется. Таким образом, одним из результатов отжига на пластинчатый перлит является мелкозернистая структура.
Неполный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки АС1; неполный отжиг применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура.
Отжиг стали на зернистый перлит применяют обычно для эвтектоидных, заэвтектоидных сталей, для повышения пластичности, вязкости стали и умень­шения ее твердости. Для получения зернистого перлита сталь нагревают выше точки АС1, затем выдерживают недолго, чтобы цементит растворился в аусте­ните не полностью. Затем сталь охлаждают до температуры несколько ниже Ar1, выдерживают при такой температуре несколько часов. При этом частицы оставшегося цементита служат зародышами кристаллизации для всего выделя­ющегося цементита, который нарастает округлыми (глобулярными) кристалли­тами, рассеянными в феррите. Свойства зернистого перлита существенно отли­чаются от свойств пластинчатого в сторону меньшей твердости, но большей пластинчатости и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоидной стали, где весь цементит (как эвтектоидный, так избыточный) получается в виде глобулей.
Изотермический отжиг – после нагрева и выдержки сталь быстро охла­ждают до температуры несколько ниже точки А1, затем выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время, а также повышает производительность. Например, обыкновенный отжиг леги­рованной стали длится 13…15 ч, а изотермический – всего 4…7 ч.
Закалка – термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, осно­ванная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закален­ная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки – отпуск [6].
37
Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов. Матери­ал, подвергшийся закалке, приобретает большую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и вязким, если сделать большее количество повто­ров нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластично­сти и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют от­пуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала.
В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают на 30…50 °С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK, в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цемен­тит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей. Закалка сни­мается отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется ча­стично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.
При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситно­го превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всем интервале темпе­ратур, а только в пределах 650…400 °C, т.е. в том интервале температур, в ко­тором аустенит менее всего устойчив, быстрее всего превращается в феритно­цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.
Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная зака­лочная среда (Термат), а также охлаждение деталей в растворах солей) следу­ющий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образу-
38
ется пленка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, т.е. относительно медленно. Когда температура поверхности достига­ет некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.
Первый этап относительно медленного кипения называется стадией пле­ночного кипения, второй этап быстрого охлаждения – стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.
Способы закалки.
Закалка в одном охладителе – нагретую до определенных температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остается до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из угле­родистых и легированных сталей.
Прерывистая закалка в двух средах – этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охла­ждающей среде (например, воде), а затем – в медленно охлаждающей (масло).
Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струей воды и обычно ее применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глу­бокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.
Ступенчатая закалка – закалка, при которой деталь охлаждается в зака­лочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем сле­дует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и про­исходит закалка, т.е. превращение аустенита в мартенсит.
39
Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.
Отпуск – термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, про­водимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.
Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает оста­точные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость ста­ли. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорби­те) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите.
Преимуществом точечной структуры является более благоприятное соче­тание прочности и пластичности. При одинаковом химическом составе и оди­наковой твердости сталь с точечной структурой имеет значительно более высо­кое относительное сужение y и ударную вязкость ан, повышенное удлинение d и предел текучести по сравнению со сталью с пластинчатой структурой.
Мартенсит закалки имеет неустойчивую тетрагональную решетку, а мартенсит отпуска – устойчивую центрированную кубическую решетку альфа-железа.
Отпуск разделяют на низкий, средний и высокий в зависимости от темпе­ратуры нагрева.
Для определения температуры при отпуске изделия пользуются таблицей цветов побежалости. Тонкая пленка оксидов железа, придающая металлу раз­личные быстроменяющиеся цвета – от светло-желтого до серого. Такая пленка
40
появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220 °C; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.
При низком отпуске (нагрев до температуры 200…300 °C) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется в решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора угле­рода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это вле­чет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях. Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали. Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330 °C в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серо­го. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.
При среднем (нагрев в пределах 300…500 °C) и высоком (500…700 °C) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние троостита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость. При высоком отпуске сталь по­лучает наилучшее сочетание механических свойств, повышение таких показате­лей как прочность, пластичность и вязкость, поэтому высокий отпуск стали по­сле закалки ее на мартенсит применяют для термической обработки кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий – для многих деталей, подверженных дей­ствию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).
Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]