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
Вследствие выделения дисперсных твердых частиц Mg2Si повышается прочность сплава: σв = 350 МПа, δ = 6 %. Физические
свойства сплава после термической обработки: удельное электрическое сопротивление ρ = 0,0317 мкОм×м, температурный коэффициент электрического сопротивления αρ(ТКρ) = 0,0036 °С–1 плотность
γ = 2,7 т/м3.
Такие сплавы, как АД31 и АД33 наилучшую пластичность имеют в свежезакаленном состоянии, так как после закалки структура
сплава представляет собой однофазный пересыщенный твердый
раствор магния и кремния в алюминии – Al(Mg,Si). В таком состоянии эти сплавы подвергаются волочению. После волочения в готовой проволоке происходят процессы естественного старения, при
этом выделяется твердая фаза Mg2Si.
4.3.3 Закалка и отпуск постоянных магнитов
Закалке и отпуску подвергаются постоянные магниты из легированной стали с целью создания мартенситной структуры и получения высокой коэрцитивной силы и высокой остаточной индукции.
Термическая обработка стали для постоянных магнитов, на
примере стали ЕХЗ (0,9…1,10 % С; 2,8…3,6 % Сr, остальное Fe), заключается в следующем:
1. Нормализация (1-я воздушная закалка) при 1050 °С.
2. Нагрев до температуры 840…860 °С с закалкой (2-й) в воде
или масле.
3. Обработка холодом при температуре 70 °С.
4. Отпуск при 100 °С.
Магнитные свойства стали ЕХЗ после термической обработки: остаточная магнитная индукция Вr = 0,95 Тл, коэрцитивная сила
Нс = 4800 А/м, максимальная удельная магнитная мощность
W
= 1,2 кДж/м3.
max
Для постоянных магнитов из сплавов типа «АЛЬНИКО»
ЮНДК15 (20 % Ni, 9 % Al, 15 % Со, 4 % Си, ост. Fe) применяется
закалка в магнитном поле. Полный цикл такой термомагнитной обработки заключается в следующем:
1. Нагрев до 1300 °С.
2. Помещение изделия между полюсами электромагнита при
напряженности поля Н ≥ 120 000 А/м.
3. Быстрое охлаждение (закалка) до 500 °С.
71
4. Дальнейшее охлаждение на воздухе.
5. Отпуск при 625 °С.
После такой обработки магнитные свойства сплава становятся анизотропными, его магнитные характеристики (Вr, Нс, Вr×Нс)
сильно возрастают в направлении приложенного магнитного поля
(магнитная текстура) и составляют: Вr = 0,75 Тл, Нс = 50 000 А/м,
W
= 6,0 кДж/м3.
max
4.3.4 Термическая и термомагнитная обработка магнитотвердых материалов
Для получения требуемых магнитных свойств магниты из легированных сталей подвергаются термической обработке: нормализации,
закалке, обработке холодом и отпуску. После термической обработки
сталь приобретает структуру мартенсита с мелкими частицами цементита или карбидов легирующих элементов и твердость HRC60…65. Режимы термической обработки приведены в таблице 4.2.
Магниты из литых сплавов типа АЛЬНИКО при отливке подвергают направленной кристаллизации для получения определенно
ориентируемых столбчатых кристаллов. После отливки магниты подвергают термомагнитной обработке – нагреву до 1300 °С и закалке
в магнитном поле, в результате чего образуется магнитная текстура.
Таблица 4.2 – Термическая обработка магнитов из легированной стали
Марка стали
ЕХ 1000 830–850 –70 100
ЕХЗ 1050 840–860 –70 100
ЕХ5К5 1150 930–950 –70 100
Нормализация Закалка Обработка холодом Отпуск
Вид и режим термической обработки, °С
Таблица 4.3 – Магнитотвердые сплавы типа АЛЬНИКО
Марки (старое
обозначение)
ЮНДК15 (АНКо2) 18 9 15 4 6 0,75 48
ЮН14ДК25А
(АНКо4)
Химический состав, % Магнитные свойства
Ni Al Со Си
14 8 25 3 28 1,4 52
72
W
, кДж/м3Вг, Тл Нс, кА/м
max
Контрольные вопросы
1. Какие электротехнические материалы подвергаются рекри-
сталлизаци-онному отжигу?
2. Назовите полный цикл получения и термической обработки
магнито-мягкой электротехнической стали.
3. Какие свойства приобретает бериллиевая бронза после за-
калки и старения?
4. Технология получении высших сортов элетротехнической
стали.
5. Назовите полный цикл термомагнитной обработки постоян-
ных магнитов из сплавов типа «АЛЬНИКО» ЮНДК15.
6. Какими эксплуатационными свойствами должны обладать
медные и алюминиевые сплавы высокой проводимости?
73
5 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЧУГУНА
5.1 Основные положения
В машиностроении применяют отливки из серого, ковкого
и высокопрочного чугунов. Эти чугуны отличаются от белого чугуна тем, что у них весь углерод или большая часть его находится
в свободном состоянии в виде графита (у белого чугуна весь углерод
находится в виде цементита).
Структура указанных чугунов состоит из металлической основы аналогично стали (перлит и феррит) и неметаллических включений – графита.
Серый, ковкий и высокопрочный чугуны отличаются друг от
друга в основном формой графитовых включений. Это и определяет
различие механических свойств указанных чугунов.
У серого чугуна при рассмотрении под микроскопом графит
имеет форму пластинок.
Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нарушает сплошность металлической основы и действует как надрез
или мелкая трещина. Чем крупнее и прямолинейнее формы графитовых включений, тем хуже механические свойства серого чугуна.
Основное отличие высокопрочного чугуна заключается в том,
что графит в нем имеет шаровидную (округленную) форму. Такая
форма графита лучше пластинчатой, так как при этом значительно
меньше нарушается сплошность металлической основы.
Ковкий чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной
формы – углерод отжига.
Механические свойства рассматриваемых чугунов можно улучшить термической обработкой, при этом необходимо помнить, что
в чугунах создаются значительные внутренние напряжения, поэтому нагревать чугунные отливки при термической обработке следует
медленно, чтобы избежать образования трещин.
Чугун подвергают отжигу, нормализации, закалке и отпуску,
а также некоторым видам химико-термической обработки (азотированию, алитированию, хромированию).
74
Температуру отжига назначают в зависимости от химического
состава чугуна. Чтобы снять внутренние напряжения и стабилизировать размеры чугунных отливок из серого чугуна, применяют естественное старение или низкотемпературный отжиг.
Низкотемпературный отжиг применяют для снятия внутренних напряжений. Для этого отливки после полного затвердевания
укладывают в холодную печь (или печь с температурой 100–200 °С)
и медленно (со скоростью 75–100 °С в час) нагревают до 500–550 °С.
При этой температуре их выдерживают 2–5 часов и охлаждают до
200 °С со скоростью 30–50 °С в час, а затем – на воздухе.
Отливки из серого чугуна обычно отжигают при 500–700 °С;
из высокопрочного чугуна при 550–650 °С; из низколегированного
чугуна при 570–600 °С, а из высоколегированного при 600–650 °С.
Графитизирующий отжиг. При отливке изделий возможен частичный отбел серого чугуна с поверхности или даже по всему сечению. Чтобы устранить отбел и улучшить обрабатываемость чугуна,
производится высокотемпературный графитизирующий отжиг с выдержкой при температуре 900–950 °С в течение 1–4 час. и охлаждением изделий до 250–300 °С вместе с печью, а затем – на воздухе.
При таком отжиге в отбеленных участках цементит Fe3С распадается
на феррит и графит, вследствие чего белый или половинчатый чугун
переходит в серый.
Нормализация. Нормализации подвергают отливки простой
формы и небольших сечений. Нормализация проводится при температуре 850–900 °С с выдержкой 1–3 часа и последующим охлаждением отливок на воздухе. При таком нагреве часть углерода (графита) растворяется в аустените. После охлаждения на воздухе металлическая основа получает структуру трооститовидного перлита
с более высокой твердостью и лучшей сопротивляемостью износу.
Для серого чугуна нормализацию применяют сравнительно редко,
более широко применяют закалку с отпуском.
5.2 Термическая обработка серого чугуна
Серые чугуны, содержащие от 0,5 до 0,8 % связанного углерода,
при общем содержании углерода от 2 до 3 % можно подвергать термообработке так же, как и стали.
75
Термическая обработка серого чугуна применяется для: а) снятия остаточных внутренних (литейных) напряжений; б) уменьшения
твердости и улучшения обрабатываемости; в) увеличения твердости
и улучшения механических свойств; г) повышения износоустойчивости и коррозионной стойкости.
Главной причиной наличия остаточных внутренних напряжений в литой детали является различие в температурах ее толстых
и тонких частей при охлаждении в момент перехода из области пластических в область упругих деформаций. Для чугуна область перехода от пластических к упругим деформациям лежит в интервале
620–400 °С. Чем медленнее охлаждение в этом интервале температур и чем меньше различие в толщинах стенок детали, тем меньше
внутренние остаточные напряжения. Внутренние остаточные напряжения (часто называемые литейными напряжениями) могут превышать предел текучести или предел прочности чугуна и приводить
к короблению, трещинам и разрушению детали. Для снятия или
уменьшения внутренних напряжений в чугунных деталях применяют два способа: естественное старение и термическую обработку
(искусственное старение). Естественное старение заключается в выдержке деталей на открытом воздухе в течение длительного периода
времени – от 6 до 18 месяцев. Недостатками этого способа являются
неполнота снятия напряжений, удлинение производственного цикла изготовления детали, большая задержка в выявлении внутренних
дефектов отливки и удорожание производства. Термическая обработка (искусственное старение) является наиболее рациональным
методом снятия внутренних напряжений и заключается в низкотемпературном отжиге. Этот отжиг состоит из трех стадий: нагрева до
температуры перехода чугуна в область пластических деформаций,
выдержки для выравнивания температуры во всех частях деталей
и охлаждения (медленного) до области упругих деформаций.
Уменьшение твердости серого чугуна с целью улучшения обрабатываемости и изменения антифрикционных и магнитных свойств
достигается в большинстве случаев за счет разложения цементита
эвтектического, вторичного или эвтектоидного. Основной метод
уменьшения твердости чугуна заключается в его частичной или
даже полной графитизации, при которой цементит (НВ 800) в конечном итоге распадается на феррит (НВ 80…100) и графит.
76
Превращения при закалке и отпуске чугуна в основном аналогичны со сталью. Закалка преследует цель повышения твердости,
сопротивления истиранию и улучшения механических свойств.
В отличие от стали нагрев и выдержка чугуна до температур, лежащих ниже критической, может приводить к уменьшению твердости вследствие распада цементита. При нагреве выше критической
температуры в серых чугунах протекает процесс растворения свободного графита в аустените, приводящий к повышению концентрации С
связ
.
Закалка деталей из серого чугуна производится с нагревом до
850–900 °С и охлаждением в воде. Закалке можно подвергать как
перлитные, так и ферритные чугуны. Твердость чугуна после закалки достигает НВ 450…500. В структуре закаленного чугуна имеются мартенсит со значительным количеством остаточного аустенита
и выделения графита.
Эффективным методом повышения прочности и износоустойчивости серого чугуна является изотермическая закалка, которая
производится аналогично закалке стали.
5.3 Термическая обработка высокопрочного чугуна
Высокопрочный чугун содержит 3,4–3,7 % углерода и 1,6–3,2 %
кремния, т.е. значительно больше, чем углеродистая сталь. Высокое
содержание кремния в чугуне повышает положение критических
точек и снижает устойчивость цементита. Например, для нелегированного чугуна, содержащего 3,0 % Si и 0,7 % Mn, точка Аc1 равна
865 °С. Углерод как один из основных компонентов чугуна, в пределах 2,5–6,7 % мало влияет на положение критических точек.
Эту особенность необходимо учитывать при выборе режима
термической обработки чугуна.
В зависимости от требуемых структуры и свойств чугуна применяют отжиг, нормализацию, объемную, поверхностную и изотермическую закалку.
Отжиг. Отжиг применяют для разложения цементита при наличии отбела в отливках (графитизирующий отжиг) или для получения ферритной металлической матрицы (ферритизирующий отжиг).
77
Отбел может образоваться в тонкостенных отливках, как правило, при литье в кокиль. Для устранения отбела отливки нагревaют до
900–950 °С и выдерживают 2–4 часа.
Отливки, от которых требуются высокие пластические свойства, подвергают ферритизирующему отжигу. Ферритизирующий
отжиг перлитных и перлитно-ферритных чугунок проводят при
700–750 °С с выдержкой 6–8 часов и охлаждением на воздухе. При
длительной выдержке при температуре ниже критической (точка Ас1)
перлит разлагается на феррит и графит.
Нормализация. Нормализации подвергают чугуны ферритной
и ферритно-перлитной структуры с целью ее перлитизации, повышения твердости, прочности и износостойкости. Для превращения исходной структуры в аустенит необходимо нагреть выше Ас1.
С уменьшением размера глобулей графита в чугуне скорость аустенизации возрастает. Практически режим аустенизации: нагрев
800–950 °С, выдержка 1–2 часа, охлаждение на воздухе. Указанный
режим нормализации позволяет получить более 80 % перлита в металлический матрице чугуна.
Объемная закалка и отпуск. При закалке нагрев чугуна, как
и при нормализации, должен составлять 900–950 °С. Для получения
мартенситной структуры охлаждение от температуры аустенизации
нелегированного чугуна должно происходить за очень короткое время (менее 20 секунд). Вследствие высокой хрупкости закаленного
чугуна на твердость НРС 50…60 отливки после закалки подвергают отпуску при 400–550 °С. Однако даже при температуре отпуска
550 °С относительное удлинение чугуна составляет всего 1,5 %
(твердость 350 НВ) и только при 600 °С достигает 4 %, но твердость
при этом снижается до 295 НВ. Следовательно, закалка и отпуск не
позволяют получить необходимые свойствa отливок из высокопрочного чугуна для рабочих органов почвообрабатывающих машин: высокую твердость (НРС 40…45) поверхностного слоя и достаточную
пластичность сердцевины (δ ≥ 5 %). Необходимый комплекс свойств
чугуна может обеспечить завалка с самоотпуском или изотермическая закалка.
Закалка с самоотпуском. Нагрев чугуна для аустенизации
структуры, как и при закалке, составляет 900–950 °С. Для получения мартенситной структуры только в поверхностном слое образцы
78
охлаждают в воде непродолжительное время (2–6 секунд), затем
охлаждают на воздухе. В этом случае сердцевина остается незакаленной и под влиянием аккумулированного в ней тепла происходит
отпуск закаленного поверхностного слоя. Чем меньше продолжительность «замачивания» образца в воде, тем при прочих равных условиях выше температура самоотпуска.
Изотермическая закалка. Сущность изотермической закалки заключается в том, что после аустенизации (нагрев 900–950 °С)
детали быстро переносят в солевые ванны (расплавы NaOH, KOH,
NaCl, KCl и др.) с температурой 300–500 °С. Время выдержки детали в ванне 2–15 минут, после чего ее охлаждают на воздухе.
При изотермической закалке получается промежуточная между
мартенситом и трооститим структура – бейнит. Эта структура характеризуется наилучшим комплексом свойств: высокой прочностью,
вязкостью и износостойкостью. Например, в сравнении с нормализацией изотермическая закалка повышает ударную вязкость высокопрочного чугуна в 2,0–2,5 раза.
При температуре менее 340 °C образуется нижний бейнит с высокой твердостью и прочностью, выше 340 °C – верхний бейнит, которые при несколько меньшей прочности имеет высокую пластичность (δ = 6–10 %).
Время выдержки детали в ванны (расплавы NaOH, KOH, в ванне 2–15 минут, после чего ее охлаждают на воздухе).
Особенностью изотермической закалки высокопрочного чугуна является высокая стабильность аустенита, что приводит к его сохранению (до 10 %). Этому способствует наличие в чугуне кремния.
В процессе эксплуатации детали под действием высоких локальных
напряжений остаточный аустенит превращается в мартенсит, твердость и износостойкость чугуна повышаются.
Несмотря на преимущества изотермическая закалка применяется ограниченно. Это связано с малой охлаждающей способностью
солей. Тепло, вносимое закаливаемыми изделиями, приводит к недопустимому повышению температуры ванны. Кроме того, из солевых ванн выделяются вредные вещества, которые ухудшают условия
труда рабочих.
В связи с этим изотермическую закалку образцов чугуна проводят без солевых ванн усовершенствованным методом А.А. Жукова.
79
После аустенизации образцы «замачивают» для понижения
усредненной температуры образца до 300–500 °С, затем быстро
переносят во вторую термическую печь с такой же температурой,
т. е. 300–500 °С. В этой печи образцы выдерживают, как и в солевой
ванне, 2–15 минут.
Время «замачивания» образцов в воде массой 100–300 г составляет 2–6 секунды.
5.4 Термическая обработка ковкого чугуна
Для отжига на ковкий чугун применяют белый чугун примерно следующего химического состава: 2,5–3,2 % С, 0,6–0,9 % Si,
0,3–0,4 % Мn, 0,1–0,2 % Р и 0,06–0,1 % S.
Существует два способа отжига на ковкий чугун:
– графитизирующий отжиг в нейтральной среде, основанный
на разложении цементита на феррит и углерод отжига;
– обезуглероживающий отжиг в окислительной среде, основанный на выжигании углерода.
Отжиг на ковкий чугун по второму способу занимает 5–6 суток, поэтому в настоящее время ковкий чугун получают главным
образом графитизацией. Отливки, очищенные от песка и литников,
упаковывают в металлические ящики либо укладывают на поддоне,
а затем подвергают отжигу в методических камерных и других отжигательных печах.
Процесс отжига состоит из двух стадий графитизации. Первая
стадия заключается в равномерном нагреве отливок до температуры
950–1000 °С с выдержкой 10–25 часов; затем температуру понижают
до 750–720 °С при скорости охлаждения 70–100 °С в час. На второй
стадии при температуре 750–720 °С дается выдержка 15–30 часов,
затем отливки охлаждаются вместе с печью до 500–400 °С и при этой
температуре извлекаются на воздух, где охлаждаются с произвольной скоростью.
При таком ступенчатом отжиге в области температур 950–1000 °С
идет распад (графитизация) первичного, т. е. эвтектического (ледебуритного) цементита, а при температуре 750–720 °С распадаются
вторичный и эвтектоидный (перлитный) цементиты. В результате
80