Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория и методы технологического воздействия на среду и объекты с помощью термической обработки материалов в сельскохозяйственном производстве. Учебно.pdf
Алитирование в расплавленном алюминии широко используются вместо горячего цинкования (листы, проволока, трубы, строит,
детали).
3.6.2 Хромирование
Хромирование – процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом с целью получения высоких значений поверхностной
твердости и сопротивления износу, а также повышения коррозионной стойкости и жаростойкости.
Хромированию подвергают различные детали и инструмент,
от которых требуются высокая износоустойчивость, коррозионная
стойкость и жаростойкость, такие, как сверла, калибры, клапаны
компрессоров и т.д. Жаростойкость хромированных сталей ограничивается температурой 800 °С.
В зависимости от характера взаимодействия поверхности изделия с хромом процесс хромирования осуществляется различными
способами, среди которых наиболее распространены электролитический и диффузионный.
Электролитическое хромирование – наиболее распространенный гальванический процесс, вошедший в промышленную практику
в 20-х гг. XX в.
Хромирование подвергают преимущественно изделия из
– стали и чугуна,
– сплавов на основе меди, цинка, никеля и алюминия.
Хромовое покрытие характеризуется высокой химической
стойкостью, обусловленной способностью хрома пассивироваться.
Из-за трудностей получения тонкого беспористого покрытия надежная защита от коррозии может быть достигнута при нанесении более
экономичного трехслойного защитно-декоративного покрытия медьникель-хром (толщина слоя хрома 1 мкм). Осажденный на предварительно отполированную поверхность хром имеет зеркальный блеск
и серебристый с синеватым отливом цвет. Для предотвращения коррозии и придания декоративного вида хромируют многие детали автомобилей, велосипедов, трамвайных и ж.-д. вагонов, измерительных приборов, счетных и пишущих машин, часов, паро- и водопроводной арматуры, медицинские инструменты и т. д.
Другое ценное свойство хромового покрытия – высокое сопротивление механическому износу – достигается при осаждении хрома
61
по специальному режиму так называемых «молочных» осадков. Для
повышения поверхностной твердости и износостойкости хромируют трущиеся детали, например, цилиндры двигателей внутреннего
сгорания, поршневые кольца, калибры. В этих случаях наносят покрытия толщиной более 1 мм. Разработан способ так называемого
пористого хромирования, заключающийся в анодной обработке хромированных деталей, при котором в покрытии формируются поры,
удерживающие смазку. Иногда стальные изделия подвергают комбинированному хромированию, обеспечивающему как защиту металла
от коррозии, так и высокое сопротивление износу.
Главный компонент электролита при электролитическом хромировании – хромовая кислота. Электролиты для хромирования
можно условно разделить на 3 группы: кислые (хромовая и серная
кислоты), нейтральные (хромовая кислота и сульфат хрома) и основные (хромовая кислота, сульфат хрома и хромат хрома).
Диффузионное хромирование осуществляется 4 методами: из
твердой, паровой, газовой и жидкой фаз. Диффузионным хромированиям подвергают различные детали машин и полуфабрикаты из стали, сплавов на основе никеля, молибдена, ниобия, меди и др. элементов. Диффузионное хромирование придает изделиям жаростойкость
в воздушной среде или в среде газов, содержащих серу и ванадий (до
1000 °С), износостойкость, жаропрочность, сопротивление эрозии,
усталости, коррозии в агрессивных средах (H2O2, HNO3, NaCl), высокие электромагнитные свойства. Применение диффузионного хромирования (вместо гальванического) не только повышает качество
изделий, но и удешевляет их производство, а также способствует охране окружающей среды (отсутствие сливов вредных электролитов).
В зависимости от требуемых свойств диффузионное хромирование
проводят при 900…1250 °С. Толщина диффузионного слоя от 40 мкм
до 3 мм.
3.6.3 Борирование
Борирование – насыщение поверхности изделий из стали и не-
которых других металлов бором для
– повышения твердости (до HV = 1400 и до Нм = 2000);
– теплостойкости;
– износостойкости (особенно абразивной).
62
Применяется главным образом электролизное борирование
в расплавленной буре (деталь – катод, графит – анод). При температуре 930 °С, выдержке 6…8 часов получают борированный слой
0,15–0,25 мм (внешняя зона слоя состоит из борида FeB, а внутренняя из борида Fe2B).
Реже пользуются для борирования расплавленной бурой с добавкой порошкообразного карбида бора (30…40 %) или карбида
кремния (30 %).
Иногда борирование проводят в вакуумной печи или в газовой
среде (H2B6+H2), после борирования производят поверхностную или
изотермическую закалку.
Борирование применяют при изготовлении втулок буровых насосов, небольших гибочных формовочных и вытяжных штампов,
матриц, пресс-форм, осей, пальцев, роликов и т.д.
3.6.4 Силицирование
Силицирование – процесс насыщения поверхностного слоя
кремнием с целью повышения коррозионной стойкости, сопротивления износу и жаростойкости.
Характерной особенностью силицированного слоя является его
пористость.
С целью улучшения стойкости против износа силицированные
детали проваривают в масле. Поры впитывают масло, что создает
условия для самосмазки при трении.
Силицирование повышает коррозионную стойкость во многих
кислотах при комнатной и повышенной температурах, в морской
воде и т.д.
Жаростойкость силицированных деталей не превышает
800…850 °С.
Силицирование производится обработкой материала в парах
кремния, образующихся при высокой температуре над кремниевой
засыпкой, или в газовой среде, содержащей хлорсиланы, восстанавливающиеся водородом (например, по реакции SiCl4+2H2 = Si+4HCl).
Применяется преимущественно как средство защиты тугоплавких
металлов (W, Mo, Ta, Ti и др.) от окисления. Стойкость к окислению
обусловливается образованием при силицировании плотных диффузионных «самозалечивающихся» силицидных покрытий (WSi2, MoSi2
и др.). Широкое применение находит силицированный графит.
63
3.6.5 Технический контроль химико-термической обработки
Технический контроль – проверка соответствия процессов, от
которых зависит качество продукции, и их результатов установленным техническим требованиям. Технический контроль включает
в себя работы на всех стадиях производства: контроль качества исходных материалов, контроль технологических процессов термической обработки, контроль продукции термического цеха. С целью
повышения надежности и долговечности машин на передовых предприятиях применяют операционный контроль всех деталей в процессе термической обработки по двум показателям: твердости и толщине слоя химико-термической обработки. Исходные материалы
подвергают контролю на химический состав, макро- и микроструктуры. Химический состав проверяют химическим и спектральным
анализам, т.е. методами, дающими количественную и качественную
оценку химического состава.
Контроль результатов химико-термической обработки производят измерением твердости, что косвенно может свидетельствовать
о степени насыщения. Глубину слоя можно определять по виду излома специальных образцов, проходящих обработку совместно с деталями. В отдельных случаях в выборочном порядке проводят анализ
микроструктуры, вида излома или проверку на отсутствие трещин.
Измерение твердости можно производить: на 100 % изделий
(сплошной контроль) и на части изделий, обычно 5…10 % от партии
(выборочный контроль).
Контроль по микроструктуре производят в выборочном порядке: после цементации – для проверки толщины цементованного слоя
на «свидетелях»; после цианирования – для проверки правильности
ведения процесса.
Контроль по излому производят: при цементации – на «свидетелях», для чего их после цементации закаливают, а затем ломают.
Контроль обезуглероживания. Основной задачей контроля является предупреждение обезуглероживания инструмента из быстрорежущей стали при нагреве в хлорбариевой ванне. Контроль производят раз в сутки или в смену после раскисления ванны измерением
твердости по Виккерсу или микроанализом. Контроль обезуглероживания легированной или углеродистой стали производят способом микроанализа в случае нагрева инструмента в соляной ванне,
64
содержащей соду, или в случае длительного нагрева в печи для закалки или нормализации. Такой контроль выполняют три-четыре
раза в месяц.
Контрольные вопросы
1. В чем заключаются физические основы химико-термиче-
ской обработки (ХТО)?
2. Цель ХТО и область ее применения.
3. Перечислите и раскройте основные процессы, протекающие
при любом виде ХТО.
4. В чем отличие ХТО от термической обработки?
5. Приведите классификацию ХТО.
6. Что такое цементация, в чем ее суть и назначение?
7. Каковы технологические параметры цементации?
8. Какие стали подвергаются цементации и почему?
9. Какова структура стали после цементации?
10. Какая термообработка проводится после цементации?
11. Что такое азотирование, в чем его суть и назначение?
12. Какие стали подвергаются азотированию?
13. Рассмотрите этапы процесса азотирования.
14. В чем заключается преимущество цементации перед азоти-
рованием?
15. Нужна ли термообработка после азотирования?
16. Объясните, для каких целей и как производится нитроце-
ментация.
17. Опишите технологию процесса нитроцементации.
65
4 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
4.1 Общие положения
К электротехническим металлическим материалам, подвергаемым термической обработке, относятся следующие.
l. Проводниковые материалы высокой проводимости: медь,
алюминий, ряд их сплавов с низким удельным электрическим сопротивлением, электротехническая сталь.
2. Магнитные материалы: магнитомягкие – для магнитопроводов трансформаторов и электрических машин и магнитотвердые –
для постоянных магнитов.
Термическая обработка указанных материалов проводится
с целью:
– придать электротехническому материалу необходимые фи-
зические, электрические или магнитные свойства;
– придать электротехническому материалу необходимые ме-
ханические, технологические или эксплуатационные свойства.
4.2 Виды термической обработки электротехнических материалов
В зависимости от вида электротехнического материала и необходимости получения требуемых физических или механических
свойств на практике применяют следующие операции термической
обработки:
– рекристаллизационный отжиг – для устранения наклепа, возникшего при холодной обработке давлением (волочение, холодная листовая прокатка и т.п.), и повышения технологической пластичности;
– закалка (дисперсионно-твердеющих сплавов), старение или
отпуск для повышения прочности, твердости, упругости и износостойкости;
– закалка (сплавов с полиморфным превращением), отпуск –
для получения мартенситной структуры с требуемыми магнитными
свойствами.
66
Все указанные виды термической обработки отличаются друг
( )
0,1 0,2 ;ТТ
( )
ТТ
( )
0,6 0,8 ,ТТ
С 273 ;
= °+ °
С 273 .
= °+ °
от друга как технологией проведения, так и механизмом превращений, происходящих в структуре материалов.
4.3 Назначение и режим различных операций термической обработки
4.3.1 Рекристаллизационный отжиг
Рекристаллизационному отжигу подвергаются следующие
электротехнические материалы:
– проволока из меди, алюминия и других проводниковых материалов и сплавов (сплавы для резисторов; термоэлектродов термопар; нагревательных элементов и др.), требующая по условиям
монтажа электрических изделий и оборудования высокой технологической пластичности (обмоточные провода, проволочные электронагревательные элементы и др.);
– листы и лента из магнитомягкой электротехнической стали, структура которой после этого становится крупнозернистой,
что обуславливает для магнитопроводов трансформаторов и сердечников статоров и роторов электромашин высокую магнитную
проницаемость и низкую коэрцитивную силу. Температура рекристаллизационного отжига зависит от температуры плавления металла или сплава:
для металлов высокой чистоты
для металлов технической чистоты
для сплавов
абс
где
Тt
рекр плав
абс
Тt
рекр рекр
абс абс
=…⋅
рекр плав
абс абс
0,3 0, 4 ;
=…⋅
рекр плав
абс абс
= …⋅
рекр плав
67
Некоторые температурные характеристики проводниковых металлов технической чистоты, подвергаемые рекристаллизационному
отжигу, приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1 – Температурные характеристики проводниковых
металлов
Металл
Железо 1539 460 600–700
Медь 1083 270 460–600
Алюминий 667 60 260–460
Температура
плавления, °С
Температура
рекристаллизации, °С
Температура
рекристаллизацион-
ного отжига, °С
В некоторых случаях проводится двукратный рекристаллизационный отжиг. Так, полный цикл получения и термической обработки магнитомягкой электротехнической стали заключается в следующем:
1. – выплавка стали в электропечах;
– горячая прокатка сляба до толщины листа 2,5 мм;
– рекристаллизационный отжиг при 800 °С.
2. Холодная прокатка до толщины листа 0,35…0,50 мм.
3. Отжиг при 1100…1200 °С в атмосфере водорода для устранения наклепа и укрупнения зерна с охлаждением после отжига со
скоростью менее 50 °С/ч.
Технология получении высших сортов элетротехнической
стали производится в следующем порядке. Выплавка в электриче-
ских печах с заданным содержанием кремния и минимальным содержанием углерода (С < 0,05 %). Горячая прокатка до толщины
2,5 мм. Рекристаллизационный отжиг при температуре 720…800 °С
(выдержка 25 ч). Холодная прокатка на толщину 0,5…0,35 мм. Окончательный отжиг в вакууме или в среде водорода при температуре
1100…1200 °С (выдержка 25…30 часов). Если предшествовавшая
холодная деформация была значительной (45…60 %), то получается
текстурованная структура (степень текстурованности 90 %).
68
4.3.2 Закалка медных и алюминиевых сплавов
Закалке и старению или закалке и отпуску подвергаются медные и алюминиевые сплавы высокой проводимости для повышения
прочности и твердости, что обеспечивает такие эксплуатационные
свойства, как:
– надежность токонесущих проводов воздушных линий электропередач от обрывов;
– прочность на смятие электродов машин контактной сварки;
– упругость и износостойкость разрывных и скользящих контактов.
К ним относятся такие сплавы, как АД31 (Al-Mg-Si), БрБ2
(Cu-Ве) и др. Структура данных сплавов представляет собой ограниченный твердый раствор второго компонента и легирующих добавок
в основном компоненте с уменьшающейся при снижении температуры растворимостью и образованием избыточных фаз (см. схему
диаграммы состояния сплавов Cu-Ве). Эти сплавы характеризуются
способностью к дисперсионному твердению, т.к. выделяющаяся избыточная фаза отличается большой твердостью.
Термическая обработка изделий (электроды контактных машин
и др.) из бериллиевой бронзы БрБ2 (2 % Be, ост. Си) заключается
в следующем:
1) Закалка при 800 °С в воде (смягчение).
2) Искусственное старение при 300…350 °С (твердение).
После закалки сплав приобретает следующие механические
свойства:
НВ 1000; σв = 500 МПа, δ = 30 %, а после старения: НВ 3700,
σв = 1200 МПа, δ = 4 %. Электропроводность бериллиевой бронзы
составляет около 30 % от электропроводности химической чистой
меди.
Рассмотрим бериллиевую бронзу БрБ2. При нагреве до
Т = 760…780 °С образуется однородный α-твердый раствор Cu(Br).
После охлаждения с большой скоростью до комнатных температур
α-твердый раствор сохраняется.
После закалки БрБ2 имеет σв = 450…600 МПа, δ = 30 %. В таком
состоянии бериллиевая бронза хорошо сваривается, режется и, имея
высокую пластичность, обрабатывается холодной пластической деформацией (холодная прокатка ленты, проволоки и ее волочение).
69
Рис. 4.1. Схема диаграммы состояния сплавов Cu-Ве
После холодной обработки давлением бронзы БрБ2 ее
упрочняют искусственным старением. Старение производят при
Т = 300…350 °С. При старении из α-твердого раствора Cu(Br) выпадают дисперсные частицы γ-фазы (CuBr), что сильно упрочняет
бронзу до σв = 1400 МПа, но относительное удлинение уменьшается
до δ = 7…2 %.
Бериллиевая бронза после закалки и старения хорошо обрабатывается резанием, сваривается и не поддается коррозии. При ударе
инструментом, изготовленным из бериллиевой бронзы, о черные металлы или камень нет искр, поэтому из бериллиевой бронзы изготовляют инструмент, работающий при взрывоопасных горных работах.
Кроме этого бериллиевая бронза применяется для ответственных
пружин, мембран, пружинящих контактов, ножевых рубильников.
Термическая обработка изделий (провода воздушных линий
электропередач) из сплава АД31 (0,3…0,5 % Mg, 0,4…0,7 % Si,
0,2…0,3 % Fe, остальное Аl), называемого «АЛЬДРЕЙ», заключается в следующем:
1) Закалка катанки в воде при температуре 510…550 °С.
2. Волочение до требуемого диаметра проволоки.
3. Искусственное старение при 150 °С.
70