Комплексная термическая обработка металлов. Виды термообработки

на тему: «Термическая обработка металлов и сплавов»

Введение

Термическую обработку применяют на различных стадиях производства деталей машин и металлоизделий. В одних случаях она может быть промежуточной операцией, служащей для улучшения обрабатываемости сплавов давлением, резанием, в других – является окончательной операцией, обеспечивающей необходимый комплекс показателей механических, физических и эксплуатационных свойств изделий или полуфабрикатов. Полуфабрикаты подвергают термической обработке для улучшения структуры, снижения твердости (улучшения обрабатываемости), а детали – для придания им определенных, требуемых свойств (твердости, износостойкости, прочности и других).

В результате термической обработки свойства сплавов могут быть изменены в широких пределах. Возможность значительного повышения механических свойств после термической обработки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и массу машин и механизмов, повысить надежность и срок службы изделий. Улучшение свойств в результате термической обработки позволяет применять сплавы более простых составов, а поэтому более дешевые. Сплавы приобретают также некоторые новые свойства, в связи с чем расширяется область их применения.

Назначение и виды термической обработки

Термической (тепловой) обработкой называются процессы, сущность которых заключается в нагреве и охлаждении изделий по определенным режимам, в результате чего происходят изменения структуры, фазового состава, механических и физических свойств материала, без изменения химического состава.

Назначение термической обработки металлов – получение требуемой твердости, улучшение прочностных характеристик металлов и сплавов. Термическая обработка подразделяется на термическую, термомеханическую и химико-термическую. Термическая обработка – только термическое воздействие, термомеханическая – сочетание термического воздействия и пластической деформации, химико-термическая – сочетание термического и химического воздействия. Термическая обработка, в зависимости от структурного состояния, получаемого в результате ее применения, подразделяется на отжиг (первого и второго рода), закалку и отпуск.

Отжиг

Отжиг – термическая обработка заключающаяся в нагреве металла до определенных температур, выдержка и последующего очень медленного охлаждения вместе с печью. Применяют для улучшения обработки металлов резанием, снижения твердости, получения зернистой структуры, а также для снятия напряжений, устраняет частично (или полностью) всякого рода неоднородности, которые были внесены в металл при предшествующих операциях (механическая обработка, обработка давлением, литье, сварка), улучшает структуру стали.

Отжиг первого рода . Это отжиг при котором не происходит фазовых превращений, а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты, предусмотренные его целевым назначением. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекристаллизационный.

Гомогенизационный – это отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950ºС (обычно 1100–1200ºС) с целью выравнивания химического состава.

Рекристаллизационный – это отжиг наклепанной стали при температуре, превышающей температуру начала рекристаллизации, с целью устранения наклепаи получение определенной величины зерна.

Отжиг второго рода . Это отжиг, при котором фазовые превращения определяют его целевое назначение. Различают следующие виды: полный, неполный, диффузионный, изотермический, светлый, нормализованный (нормализация), сфероидизирующий (на зернистый перлит).

Полный отжиг производят путем нагрева стали на 30–50 °С выше критической точки, выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением до 400–500 °С со скоростью 200 °С в час углеродистых сталей, 100 °С в час для низколегированных сталей и 50 °С в час для высоколегированных сталей. Структура стали после отжига равновесная, устойчивая.

Неполный отжиг производится путем нагрева стали до одной из температур, находящейся в интервале превращений, выдержкой и медленным охлаждением. Неполный отжиг применяют для снижения внутренних напряжений, понижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием

Диффузионный отжиг . Металл нагревают до температур 1100–1200ºС, так как при этом более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания химического состава.

Изотермический отжиг заключается в следующем: сталь нагревают, а затем быстро охлаждают (чаще переносом в другую печь) до температуры, находящейся ниже критической на 50–100ºС. В основном применяется для легированных сталей. Экономически выгоден, так как длительность обычного отжига (13 – 15) ч, а изотермического отжига (4 – 6) ч

Сфероидизирующий отжиг (на зернистый перлит ) заключается в нагреве стали выше критической температуры на 20 – 30 °С, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении.

Светлый отжиг осуществляется по режимам полного или неполного отжига с применением защитных атмосфер ил в печах с частичным вакуумом. Применяется с целью защиты поверхности металла от окисления и обезуглероживания.

Нормализация – заключается в нагреве металла до температуры на (30–50) ºС выше критической точки и последующего охлаждения на воздухе. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Вместо отжига низкоуглеродистые стали подвергают нормализации. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска. Высокоуглеродистые стали подвергают нормализации с целью устранения цементитной сетки. Нормализацию с последующим высоким отпуском применяют вместо отжига для исправления структуры легированных сталей. Нормализация по сравнению с отжигом – более экономичная операция, так как не требует охлаждения вместе с печью.

Закалка

Закалка – это нагрев до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры.

В результате закалки повышается прочность и твердость и понжается пластичность стали. Основные параметры при закалке – температура нагрева и скорость охлаждения. Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры – мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.

В зависимости от формы детали, марки стали и требуемого комплекса свойств применяют различные способы закалки.

Закалка в одном охладителе . Деталь нагревают до температуры закалки и охлаждают в одном охладителе (вода, масло).

Закалка в двух средах (прерывистая закалка) – это закалка при которой деталь охлаждают последовательно в двух средах: первая среда – охлаждающая жидкость (вода), вторая – воздух или масло.

Ступенчатая закалка . Нагретую до температуры закалки деталь охлаждают в расплавленных солях, после выдержки в течении времени необходимого для выравнивания температуры по всему сечению, деталь охлаждают на воздухе, что способствует снижению закалочных напряжений.

Изотермическая закалка так же, как и ступенчатая, производится в двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые или щелочные ванны) различна: она зависит от химического состава стали, но всегда на 20–100 °С выше точки мартенситного превращения для данной стали. Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе. Изотермическая закалка широко применяется для деталей из высоколегированных сталей. После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностные свойства, то есть сочетание высокой вязкости с прочностью.

Закалка с самоотпуском имеет широкое применение в инструментальном производстве. Процесс состоит в том, что детали выдерживаются в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а в определенный момент извлекаются из нее с целью сохранения в сердцевине детали некоторого количества тепла, за счет которого производится последующий отпуск.

Отпуск

Отпуск стали является завершающей операцией термической обработки, формирующей структуру, а следовательно, и свойства стали. Отпуск заключается в нагреве стали до различных температур (в зависимости от вида отпуска, но всегда ниже критической точки), выдержке при этой температуре и охлаждении с разными скоростями. Назначение отпуска – снять внутренние напряжения, возникающие в процессе закалки, и получить необходимую структуру.

В зависимости от температуры нагрева закаленной детали различают три вида отпуска: высокий, средний и низкий.

Высокий отпуск производится при температурах нагрева выше 350–600 °С, но ниже критической точки; такой отпуск применяется для конструкционных сталей.

Средний отпуск производится при температурах нагрева 350 – 500 °С; такой отпуск широко применяется для пружинной и рессорной сталей.

Низкий отпуск производится при температурах 150–250 °С. Твердость детали после закалки почти не изменяется; низкий отпуск применяется для углеродистых и легированных инструментальных сталей, для которых необходимы высокая твердость и износостойкость.

Контроль отпуска осуществляется по цветам побежалости, появляющимся на поверхности детали.

Старение

Старение –это процесс изменения свойств сплавов без заметного изменения микроструктуры. Известны два вида старения: термическое и деформационное.

Термическое старение протекает в результате изменения растворимости углерода в железе в зависимости от температуры.

Если изменение твердости, пластичности и прочности протекает при комнатной температуре, то такое старение называется естественным.

Если же процесс протекает при повышенной температуре, то старение называется искусственным.

Деформационное (механическое) старение протекает после холодной пластической деформации.

Обработка холодом

Новый вид термической обработки, для повышения твердости стали путем перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Это выполняется при охлаждении стали до температуры нижней мартенситной точки.

Методы поверхностного упрочнения

Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры выше критической и последующее охлаждение с целью получения в поверхностном слое структуры мартенсита.

Различают следующие виды: индукционная закалка; закалка в электролите, закалка при нагреве токами высокой частоты(ТВЧ), закалка с газопламенным нагревом.

Индукционная закалка основана на физическом явлении, сущность которого заключается в том, что электрический ток высокой частоты, проходя по проводнику, создает вокруг него электромагнитное поле. На поверхности детали, помещенной в этом поле, индуцируются вихревые токи, вызывая нагрев металла до высоких температур. Это обеспечивает возможность протекания фазовых превращений.

В зависимости от способа нагрева индукционная закалка подразделяется на три вида:

одновременный нагрев и закалка всей поверхности (используется для мелких деталей);

последовательный нагрев и закалка отдельных участков (используется для коленчатых валов и подобных им деталей);

непрерывно-последовательный нагрев и закалка перемещением (используется для длинных деталей).

Газопламенная закалка. Процесс газопламенной закалки заключается в быстром нагреве поверхности детали ацетилено-кислородным, газокислородным или кислородно-керосиновым пламенем до температуры закалки с последующим охлаждением водой или эмульсией.

Закалка в электролите. Процесс закалки в электролите заключается в следующем: в ванну с электролитом (5–10% раствор кальцинированной соли) опускают закаливаемую деталь и пропускают ток напряжением 220–250 В. В результате чего происходит нагрев детали до высоких температур. Охлаждение детали производят или в том же электролите (после выключения тока) или в специальном закалочном баке.

Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка (Т.М.О.) – новый метод упрочнения металлов и сплавов при сохранении достаточной пластичности, совмещающий пластическую деформацию и упрочняющую термическую обработку (закалку и отпуск). Различают три основных способа термомеханической обработки.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (Н.Т.М.О) основана на ступенчатой закалке, то есть пластическая деформация стали осуществляется при температурах относительной устойчивости аустенита с последующей закалкой и отпуском.

Высокотемпературная термомеханическая обработка (В.Т.М.О) при этом пластическую деформацию проводят при температурах устойчивости аустенита с последующей закалкой и отпуском.

Предварительная термомеханическая обработка (П.Т.М.О) деформация при этом может осуществляться при температурах Н.Т.М.О и В.Т.М.О или при температуре 20ºС. Далее осуществляется обычная термическая обработка: закалка и отпуск.

Назначение и виды химико-термической обработки

Химико-термической обработкой называют процесс, представляющий собой сочетание термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

Цель химико-термической обработки: повышение поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости, коррозионной стойкости, жаростойкости (окалиностойкости), кислотоустойчивости.

Наибольшее применение в промышленности получили следующие виды химико-термической обработки: цементация; нитроцементация; азотирование; цианирование; диффузионная металлизация.

Цементация – это процесс поверхностного насыщения углеродом, произведенный с целью поверхностного упрочнения деталей.

В зависимости от применяемого карбюризатора цементация подразделяется на три вида: цементация твердым карбюризатором; газовая цементация (метан, пропан, природный газ).

Газовая цементация . Детали нагревают до 900–950ºС в специальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подают цементующий углеродосодержащий газ [естественный (природный) или искусственный].

Процесс цементации в твердом карбюризаторе заключается в следующем. Детали, упакованные в ящик вместе с карбюризатором (смесь древесного угля с активизатором), нагревают до определенной температуры и в течении длительного времени выдерживают при этой температуре, затем охлаждают и подвергают термической обработке.

Цементации любым из рассмотренных выше способов подвергаются детали из углеродистой и легированной стали с содержанием углерода не более 0,2%. Цементация легированных сталей, содержащих карбидообразующие элементы Cr, W, V, дает особо хорошие результаты: у них, кроме повышения поверхностной твердости и износостойкости, увеличивается также предел усталости.

Азотирование – это процесс насыщения поверхностного слоя различных металлов и сплавов, стальных изделий или деталей азотом при нагреве в соответствующей среде. Повышается твердость поверхности изделия, выносливости, износостойкости, повышение коррозионной стойкости.

Цианирование – .насыщение поверхностного слоя изделий одновременно углеродом и азотом.

В зависимости от используемой среды различают цианирование: в твердых средах; в жидких средах; в газовых средах.

В зависимости от температуры нагрева цианирование подразделяется на низкотемпературное и высокотемпературное.

Цианирование в жидких средах производят в ваннах с расплавленными солями.

Цианирование в газовых средах (нитроцементация ). Процесс одновременного насыщения поверхности детали углеродом и азотом. Для этого детали нагревают в среде, состоящей из цементующего газа и аммиака, то есть нитроцементация совмещает в себе процессы газовой цементации и азотирования.

Диффузионное насыщение металлами и металлоидами

Существуют и применяются в промышленности способы насыщения поверхности деталей различными металлами (алюминием, хромом и др.) и металлоидами (кремнием, бором и др.) Назначение такого насыщения – повышение окалиностойкости, коррозионностойкости, кислотостойкости, твердости и износостойкости деталей. В результате поверхностный слой приобретает особые свойства, что позволяет экономить легирующие элементы.

Алитирование – процесс насыщения поверхностного слоя стали алюминием для повышения жаростойкости (окалиностойкости) и сопротивления атмосферной коррозии.

Алитирование проводят в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, в газовой среде и распыливанием жидкого алюминия.

Хромирование – процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом для повышении коррозионной стойкости и жаростойкости, а при хромировании высокоуглеродистых сталей – для повышения твердости и износостойкости.

Силицирование – процесс насыщения поверхностного слоя детали кремнием для повышения коррозионной стойкости и кислотостойкости. Силицированию подвергают детали из низко- и среднеуглеродистых сталей, а также из ковкого и высокопрочного чугунов.

Борирование – процесс насыщения поверхностного слоя детали бором. Назначение борирования – повысить твердость, сопротивление абразивному износу и коррозии в агрессивных средах, теплостойкость и жаростойкость стальных деталей. Существует два метода борирования: жидкостное электролизное и газовое борирование.

Сульфидирование – процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей серой для улучшения противозадирных свойств и повышения износостойкости деталей.

Сульфоцианирование – процесс поверхностного насыщения стальных деталей серой, углеродом и азотом. Совместное влияние серы и азота в поверхностном слое металла обеспечивает более высокие противозадирные свойства и износостойкость по сравнению насыщение только серой.

Термическая обработка чугуна

Термическую обработку чугунов проводят с целью снятия внутренних напряжений, возникающих при литье и вызывающих с течением времени изменения размеров и формы отливки, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием, повышения механических свойств. Чугун подвергают отжигу, нормализации, закалке и отпуску, а также некоторым видам химико-термической обработки (азотированию, алитированию, хромированию).

Отжиг для снятия внутренних напряжений . Этому отжигу подвергают чугуны при следующих температурах: серый чугун с пластинчатым графитом 500 – 570ºС; высокопрочный чугун с шаровидным графитом 550 – 650ºС; низколегированный чугун 570 – 600ºС; высоколегированный чугун 620 – 650ºС. При этом отжиге фазовых превращении не происходит, а снимаются внутренне напряжения, повышается вязкость, исключается коробление и образование трещин в процессе эксплуатации.

Смягчающий отжиг (отжиг графитизирующий низкотемпературный ). Проводят для улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности. Его осуществляют продолжительной выдержкой при 680 – 700ºС или медленным охлаждением отливок при 760 – 700ºС. Для деталей сложной конфигурации охлаждение медленное, а для деталей простой формы – ускоренное.

Отжиг графитизирующий , в результате которого из белого чугуна получают ковкий чугун.

Нормализацию применяют для увеличения связанного углерода, повышения твердости, прочности и износостойкости серого, ковкого и высокопрочного чугунов. При нормализации чугун (отливки) нагревают выше температур интервала превращения 850 – 950ºС и после выдержки, охлаждают на воздухе.

Закалке подвергают серый, ковкий и высокопрочный чугун для повышения твердости, прочности и износостойкости. По способу выполнения закалка чугуна может быть объемной непрерывной, изотермической и поверхностной.

При объемной непрерывной закалке чугун нагревают до температуры 850 – 950ºС. Затем выдерживают для прогрева и полного растворения углерода. Охлаждение осуществляют в воде или масле. После закалки проводят отпуск при температуре 200 – 600ºС. В результате повышается твердость, прочность и износостойкость чугуна.

При изотермической закалке чугуны нагревают так же, как и при объемнойнепрерывной закалке, выдерживают от 10 до 90 минут и охлаждают в расплавленной соли при 200 – 400ºС, и после выдержки охлаждают на воздухе.

Поверхностная закалка с нагревом поверхностного слоя кислородно – ацетиленовым пламенем, токами высокой частоты или в электролите. Температура нагрева 900 – 1000ºС. Охлаждение в воде, масле или масляной эмульсии.

Старение применяют для стабилизации размеров литых чугунных деталей, предотвращения коробления и снятия внутренних напряжений. Обычно старении проводят после грубой механической обработки. Различают два вида старения: естественное и искусственное.

Естественное старении осуществляется на открытом воздухе или в помещении. Изделия после литья выдерживаются в течении 6 – 15 месяцев.

Искусственное старение осуществляется при повышенных температурах; длительность – несколько часов. При искусственном старении отливки чугуна загружают в печь, нагретую до 100 – 200º С, нагревают до температуры 550 – 570ºС со скоростью 30 – 60ºС в час, выдерживаю 3 – 5 часов и охлаждают вместе с печью со скоростью 20 – 40ºС в час до температуры 150 – 200ºС, а затем охлаждают на воздухе.

Химико-термическая обработка чугуна

Для повышения поверхностной твердости и износостойкости серые чугуны подвергают азотированию. Чаще азотируют серые перлитные чугуны, легированные хромом, молибденом, алюминием. Температура азотирования 550 – 580ºС, время выдержки 30 – 70 часов. Кроме азотирования, повышения поверхностной твердости и износостойкости легированного серого перлитного чугуна можно достигнуть газовым и жидкостным цианированием при температуре 570ºС. Для повышения жаростойкости чугунные отливки можно подвергать алитированию, а для получения высокой коррозионной стойкости в кислотах – силицированию.

Термическая обработка сплавов цветных металлов

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы подвергаются трем видам термической обработки: отжигу, закалке и старению. Основными видами отжига являются: диффузионный, рекристаллизационный и термически упрочненных сплавов.

Гомогенизацию применяют для выравнивания химической микронеоднородности зерен твердого раствора. Для выполнения гомогенизации алюминиевые сплавы нагревают до 450 – 520ºС и выдерживают при этих температурах от 4 до 40 часов; после выдержки – охлаждение вместе с печью или на воздух. В результате этого структура становится более однородной и повышается пластичность.

Рекристаллизационный отжиг для алюминия и сплавов на ег основе применяют гораздо шире, чем для стали. Это объясняется тем, что такие металлы, как алюминий и медь, а так же многие сплавы на их основе, не упрочняются закалкой и повышение механических свойств может быть достигнуто только холодной обработкой давлением, а промежуточной операцией при такой обработке является рекристаллизационный отжиг. Температура рекристаллизационного отжига алюминиевых сплавов 300 – 500ºС выдержка 0,5 – 2 часа.

Отжиг термически упрочненных сплавов применяют для полного снятия упрочнения, он проводится при температурах 350 – 450ºС с выдержкой 1 – 2 часа и последующим достаточно медленным охлаждением.

После закалки прочность сплава несколько повышается, а пластичность не изменяется. После закалки алюминиевые сплавы подвергают старению , при котором происходит распад пересыщенного твердого раствора.

Деформируемые алюминиевые сплавы

В закаленном состоянии дуралюмины пластичны и легко деформируются. После закалки и естественного или искусственного старения прочность дуралюмина резко повышается.

Литейные алюминиевые сплавы

Для литейных алюминиевых сплавов используют различные виды термической обработки в зависимости от химического состава. Для упрочнения литейные алюминиевые сплавы подвергают закалке с получением пересыщенного твердого раствора и искусственному старению, а также только закалке без старения с получением в закаленном состоянии устойчивого твердого раствора.

Магниевые сплавы

Магниевые сплавы, так же как и алюминиевые, подвергают отжигу, закалке и старению. Для выравнивания химической микронеоднородности зерен твердого раствора путем диффузии слитки магниевых сплавов подвергают гомогенизации при температурах 350 – 400ºС с выдержкой 18 – 24 часа. Полуфабрикаты деформируемых магниевых сплавов подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре ≈ 350ºС, а также при боле низких температурах 150 – 250ºС отжигу для снятия остаточных напряжений.

Магниевые сплавы подвергают закалке , или закалке и искусственному старению . При температуре 20С в закаленных магниевых сплавах никаких изменений не происходит, то есть они не подвержены естественному старению.

Медь и медные сплавы

Термическая обработка меди . Деформирование меди сопровождается повышением ее прочности и понижением пластичности. Для повышения пластичности медь подвергают рекристаллизационному отжигу при 500 – 600ºС, в результате которого пластичность резко повышается, а прочность снижается.

Термическая обработка латуней . Они подвергаются только рекристаллизационному отжигу при 600 – 700ºС (для снятия наклепа). Охлаждают латуни при отжиге на воздухе или для ускорения охлаждения и лучшего отделения окалины в воде. Для латунных деталей, имеющих после деформации остаточные напряжения, в условиях влажной атмосферы характерно явление самопроизвольного растрескивания. Чтобы этого избежать латунные детали подвергают низкотемпературному отжигу при 200 – 300 С, в результате чего остаточные напряжения снимаются, а наклеп остается. Низкотемпературному отжигу особенно необходимо подвергать алюминиевые латуни, которые склонны к самопроизвольному растрескиванию.

Термическая обработка бронз . Для выравнивания химического состава бронзы подвергают гомогенизации при 700 – 750ºС с последующим быстрым охлаждением. Для снятия внутренних напряжений отливки отжигают при 550ºС. Для восстановления пластичности между операциями холодной обработки давлением подвергают рекристаллизационному отжигу при 600 – 700ºС.

Алюминиевые бронзы с содержанием алюминия от 8 до 11%, испытывающие при нагреве и охлаждении фазовую перекристаллизацию, могут подвергаться закалке. В результате закалки повышается прочность и твердость, но снижается пластичность. После закалки следует отпуск при 400 – 650º С в зависимости о требуемых свойств. Также подвергают гомогенизации, а деформируемые полуфабрикаты – рекристаллизационному отжигу при 650 – 800ºС.

Бериллиевую бронзу закаливают в воде от температуры 760 – 780ºС; при это избыточная фаза выделиться не успевает, и после закалки сплав состоит из пересыщенного твердого раствора и обладает небольшой твердостью и прочностью и большой пластичностью. После закалки проводится отпуск (старение) при 300 – 350ºС выдержкой 2 часа. Для повышения устойчивости пересыщенного твердого раствора и облегчения закалки бериллиевые бронзы дополнительно легируют никелем .

Титановые сплавы

Титановые сплавы подвергают рекристаллизационному отжигу и отжигу с фазовой перекристаллизацией, атак же упрочнению термической обработкой – закалкой и старением. Для повышения износостойкости и задиростойкости титановые сплавы подвергают азотированию, цементации или окислению.

Рекристаллизационный отжиг применяют для титана и сплавов для снятия наклепа после холодной обработки давлением. Температура рекристаллизационного отжига 520 – 850ºС в зависимости от химического состава сплава и вида полуфабриката.

Отжиг с фазовой перекристаллизацией применяют с целью снижения твердости, повышения пластичности, измельчения зерна, устранения структурной неоднородности. Применяют простой, изотермический и двойной отжиг; температура нагрева при отжиге 750 – 950ºС в зависимости от сплава.

При изотермическом отжиге после выдержки при температуре отжига детали охлаждают до 500 – 650ºС (в зависимости от сплава) в той же печи иди переносят в другую печь и выдерживают определенное время, и охлаждают на воздухе. При изотермическом отжиге сокращается продолжительность отжига, а пластичность получается более высокой.

При двойном отжиге детали нагревают до температуры отжига, выдерживают и охлаждают на воздухе. Затем повторно нагреваю до 500 – 650ºС, выдерживают и охлаждают на воздухе. Двойной отжиг по сравнению с изотермическим повышает предел прочности при незначительном снижении пластичности и сокращает длительность обработки.

Из всех видов химико-термической обработки титановых сплавов наибольшее распространение получило азотирование, осуществляемое в среде азота или в смеси азота и аргона при температурах 850 – 950 С в течении 10 – 50 часов. Детали из титановых сплавов после азотирования обладают хорошими антифрикционными свойствами.

Заключение

Термическая обработка является одной из основных, наиболее важных операций общего технологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависит качество (механические и физико-химические свойства) изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции. Разработаны и рационализированы технологические процессы термической обработки серых и белых чугунов, сплавов цветных металлов

Перспективным направлением совершенствования технологии термической обработки является установка агрегатов для термической обработки в механических цехах, создание автоматических линий с включением в них процессов термической обработки, а также и разработка методов, обеспечивающих повышение прочностных свойств деталей, их надежности и долговечности.

Литература

1. Б.В. Захаров. В.Н. Берсенева «Прогрессивные технологические процессы и оборудование при термической обработке металлов» М. «Высшая школа» 1988 г.

2. В.М. Зуев «Термическая обработка металлов» М. Высшая школа 1986 г.

3. Б.А. Кузьмин «Технология металлов и конструкционные материалы» М. «Машиностроение» 1981 г.

4. В.М. Никифоров «Технология металлов и конструкционные материалы» М. «Высшая школа» 1968 г.

5. А.И. Самохоцкий Н.Г. Парфеновская «Технология термической обработки металлов» М. Машиностроение 1976 г.

Термическая обработка (термообработка) стали – 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.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг – термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

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.

Отпуск

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.

Нормализация

Нормализация – термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге – в печи).

Среди основных видов термической обработки следует отметить:

Отжиг (гомогенизация и нормализация ). Целью является получение однородной зёренной микроструктуры и растворение включений. Последующее охлаждение является медленным, препятствующим образованию неравновесных структур типа мартенсита .

Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур типа мартенсита. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки зависит от материала.

Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, внесённых при закалке. Материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности .

Дисперсионное твердение (старение ). После проведения отжига проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.

Термическая обработка металлов разделяется на обработку черных металлов и цветных. Ниже пойдет речь конкретно об видах термической обработке стали . Также можете ознакомится с термической обработкой цветных металлов .

Обжигание – нагревание стального изделия до температуры 840-900 °С, выдержка при этой температуре не меньше 2 ч и охлаждение вместе с печью. Этот метод применяют при изготовлении из закаленного изделия другого или же когда предыдущий закал был неудачный и инструмент нужно снова закалить. Если закаливать необожженные детали, то в них могут возникнуть трещины, структура металла станет неоднородной, что резко ухудшает качество изделия. Мелкие детали отжигают, нагревая на массивных накаленных стальных штабах, с которыми их охлаждают. Иногда изделие нагревают ацетиленовой горелкой, которую постепенно отдаляют от изделия, чтобы изделие постепенно остыло.

Нормализация – это нагревание стальных изделий к соответствующей температуре и охлаждению на воздухе.

Закаливание – нагревание углеродных или некоторых легированных сталей к определенной температуре и быстрое ее охлаждение. В результате этого изменяется кристаллическая структура металла – он становится твердее и более антикоррозийным. Мало-углеродные стали с содержимым углерода до 0,3 % не закаливаются. В зависимости от марки сталь нагревают до определенной температуре. Так, стали У7, У7А нагревают до 770-790 °С; У8-У13А – до 760-780; Р9-Р18 К5-Ф2 – до 1235-1280 °С. При нагревании выше этой температуры сталь теряет свои свойства «Пережиг» – непоправимый брак. Это также касается отжига и отпускания. В небольших мастерских или в домашних условиях температуру определяют за цветом разжаривания (в затененном месте), которое приобретает изделие во время нагревания:

Цвет. Температура, °С Темно-коричневый………. 530-580 Коричнево-красный ……..580-650 Темно-красный ……………650-730 Темно-вишневый …………730-770 Вишнево-красный ………..770-800 Светло-вишневый………. 800-830 Светло-красный …………830-900 Оранжевый ………………..900-1050 Темно-желтый …………..1050-1150 Светло-желтый ………….1150-1250 Светло-белый …………….1250-1350

Мелкие изделия, для того чтоб не пережечь, лучше нагревать на предварительно нагретой металлической подставке (например, штабе). Температура нагревания равно температуре нагревания изделия. Быстрое охлаждение приводит к твердому закалу, вследствие чего могут возникнуть большие внутренние напряжения и даже трещины. Медленное охлаждение может не дать нужного по твердости закала Охлаждающими средами могут быть вода (обычной температуры или нагретая до температуре 50-50 °С), водные растворы, масло и воздух. Кухонная соль, едкий натр или селитра, которые добавляют к охладителям, ускоряют охлаждение. Для уменьшения скорости охлаждения к воде добавляют раствор мыла, масляную эмульсию, жидкое стекло, известковое молоко и т.п.. Чрезмерно быстрое охлаждение водой часто приводит к дефектам изделия (внутренние напряжения, трещины, деформация), а повышение температуры воды уменьшает ее закальные свойства. Поэтому при последовательном закале нескольких деталей, чтобы они имели одинаковую закалку, воду часто заменяют или используют большой сосуд. Равномерно и довольно быстро сталь охлаждается в 8-12 %-ном водном растворе кухонной соли или едкого натра при температуре 20 °С. Некоторые стали для лучшего закала охлаждают в 30 %-ном растворе едкого натра. Как охлаждающую среду можно применять расплавленные соли калиевой или натриевой селитры. Нагревание масла к 60-90 °С не уменьшает скорости охлаждения, т.е. не влияет на его закаливальные свойства. Охлаждающей средой для сталей может быть воздух (для тонких деталей) или воздух под давлением (от вентилятора, компрессора). Некоторые плоские детали (ножи) из нержавеющий стали охлаждают между двумя металлическими штабами.

Отпускание – нагревание деталей к определенной температуре, выдерживанию при этой температуре и быстрое охлаждение. Его применяют после охлаждения детали в процессе закаливания, чтобы уменьшить хрупкость и частично твердость. Есть три вида отпускания: низкое, среднее и высокое соответственно в интервале температур до 350 °С, 350-500 и 500-680 °С. Наиболее распространенное низкое отпускание. Нагревание до 170 °С только снимает внутренние напряжения, но не изменяет твердости стали. Температуру нагревания при отпускании определяют специальным термометром, а если его нет, то за цветами побежалости, т.е. цветами окислительной пленки, которая возникает на зачищенной поверхности изделия во время нагревания:

Цвет. Температура, °С Светло-соломенный ……..200 Светло-желтый ……………225 Соломенно-желтый ……..240 Коричнево-желтый ………255 Красно-коричневый ……..265 Пурпурно-красный ………275 Фиолетовый ………………..285 Синий …………………………295 Светло-синий ……………..315 Серый (морская вода) ….330

После появления желательного цвета в процессе нагревания, деталь охлаждают. У легированных сталей цвета побежалости появляются при температурах на 12-17 °С ниже от приведенных. Не имея достаточного опыта, нагревать закаленные изделия для отпускания лучше всего на расплавленном свинце , олове , цинка (для пружин) или в расплавленной смеси (поровну) калиевой и натриевой селитры. Это гарантирует быстрое и равномерное нагревания и его постоянную температуру. Можно отпускание соединить с охлаждением. Для этого нагретый рабочий конец инструмента погружают во время закаливания на 20-25 мм в воду и держат, пока металл не потемнеет. Потом инструмент вынимают из воды, быстро очищают от охлажденной части окалину напильником или куском шлифовального круга. Как только появится, нужен цвет побежалости, инструмент погружают в воду сначала наполовину, а потом полностью и держат до охлаждения.

Термообработка стали (ТО) является очень важной заключительной операцией при изготовлении деталей и инструментов. Она наделяет их нужными механическими свойствами и обеспечивает нормальную работу.

История

Мастера еще задолго до нашего времени применяли самые разнообразные методы закаливания: погружали нагретую металлическую полоску в вино, масло, в простую или подсоленную воду. Упоминается и такой способ: кузнец нагревал булатный кинжал, а потом садился на коня и быстро мчался, охлаждая изделие в воздухе.

В первой половине XIX в. виды термической обработки были несовершенными: твердый и хрупкий чугун клали в сосуд со льдом, пересыпали его слоями сахара. После этого нагревали емкость в течение 20 часов, и чугун превращался в мягкое и ковкое железо.

Старые методы дополняются новыми, усовершенствованными на основе научных исследований термической обработки. Например, бельгийские специалисты разработали технологию закалки заготовок инструментов в вакууме.

Определение

Термическая обработка металлов – совокупность строго последовательных операций нагрева, выдержки и последующего охлаждения заготовок или готовых изделий по определенным режимам для изменения их структуры и предоставления им необходимых механических, физических, химических и прочих свойств. Основой термообработки являются превращения во внутренней структуре материалов при нагреве и последующем охлаждении.

Виды термической обработки

Определяющими факторами, которые влияют на результаты ТО, являются скорость и температура нагрева, равно как время выдержки в нагретом состоянии и скорость охлаждения. В зависимости от температурных показателей и скорости охлаждения изделий различают следующие этапы термообработки:

• отжиг;
• дальнейшая нормализация;

Отжиг

Для снижения жесткости и повышения вязкости стали, достижения химической и структурной однородности, снятия внутренних напряжений собственно и проводят отжиг. Процесс состоит из нагрева стальных изделий выше критических точек (за исключением рекристализационного отжига) и соответственно выдержки при температуре нагрева с последующим медленным (преимущественно вместе с печью) охлаждением. В зависимости от назначения, различают следующие режимы термообработки стали:

• диффузный отжиг;
• полный и неполный;
• изотермический;
• на зернистый перлит;
• рекристализационный.

Диффузный отжиг

Также его называют гомогенизацией. Применяют для больших стальных отливок с целью уменьшения химической неоднородности (ликвации). На первом этапе нагревают обрабатываемый материал до температур 1050-1150°С. После нагрева выдерживают около 10-15 ч и в последующем медленно охлаждают. Характеристики сталей при этом улучшаются.

Полный отжиг

Технологию применяют для образования мелкозернистой структуры стальных изделий, изготовленных горячей штамповкой, ковкой, литьем. Стали после процедуры полного отжига становятся пластичными, мягкими, без внутренних напряжений. Внутренняя (кристаллическая) структура становится однородной, мелкозернистой, состоит из феррита и перлита. Полным отжигом сталь подготавливают к обработке резанием и к последующему закаливанию. Так обрабатывают преимущественно доэвтектоидные стали.

Термообработка стали проводится по следующему техпроцессу: изделия (заготовки) нагревают до температур, превышающих на 30-50°С так называемую критическую верхнюю точку (в материаловедении обозначаемую как Ac3), затем медленно охлаждают. Охлаждение до температуры 500-550°С происходит со следующей скоростью:

• для углеродистых сталей – 150-200°С в час;
• для легированных – 50-75°С в час.

Неполный отжиг

Эта технология термообработки стали применяется для доэвтектоидных и заэвтектоидных металлов с целью снижения жесткости, снятия внутренних напряжений и получения однородной структуры. Процедуре подвергают поковки и штамповки, обработанные при температурах, не вызывающих значительного роста зерен.

Техпроцесс: сталь нагревают при температуре выше нижней критической точки (на графиках обозначается как Ac1) в температурном интервале 740-750°С, выдерживают определенное время при этой температуре, в дальнейшем медленно ее охлаждают.

Изотермический отжиг

Применяют для изделий из легированных сталей при нагреве их на 20-30°С выше Ac3, выдержки и быстрого охлаждения до температуры 630-700°С. Заготовки (изделия) выдерживаются до распада аустенита, затем охлаждаются при плюсовой температуре. После изотермического отжига стали имеют схожие свойства с металлами, подвергнутыми полному отжигу. Термическая обработка металлов по данному техпроцессу имеет важное преимущество – сокращение времени обработки.

Отжиг на зернистый перлит

Широко применяется перед механической обработкой инструментальных эвтектоидных и заэвтектоидных легированных и углеродистых сталей. Материал нагревают на 25-30°С выше КТ и выдерживают заданное время. До температуры 600°С заготовки охлаждают очень медленно (30°С в час) вместе с печью, а после охлаждают естественным образом. В результате карбиды приобретают зернистую (закругленную) форму, а твердость снижается, что благоприятствует процессу резания металла.

Рекристализационный отжиг

Второе название – низкий отжиг. Процесс способствует снятию внутренних напряжений и наклепов в изделиях, изготовленных методом холодной прокатки, холодной штамповки, волочения и калибровки (листов, прутков, трубок, проволоки). При этом материал нагревают до температур рекристаллизации на 50-100°С ниже точки Ac1 (630-680°С), выдерживают, затем охлаждают естественным путем (на воздухе). После рекристализационного отжига формируется однородная структура с небольшой твердостью.

Нормализация

Техпроцесс подразумевает нагрев металлов выше значений Ac3 на 30-50°С, выдерживание в температурном коридоре и последующее охлаждение на воздухе. Термообработка стали методом нормализации идеальна для формирования мелкозернистой структуры, повышения прочности и вязкости, а также для уменьшения жесткости перед резанием и выравнивания структуры перед последующей термообработкой.

Структура нормализованной стали становится ферритно-перлитной (низкоуглеродистые стали) и сорбитоподобной при наличии структурно-свободного феррита (среднеуглеродистые и низколегированные стали). Твердость перлита зависит от того, имеет ли он тонкое или грубое строение. При нормализации, когда охлаждение происходит быстрее, перлит имеет более тонкое строение, чем при отжиге, и высшую твердость. Поэтому нормализованная сталь тверже, чем отожженная (150-300 НВ). Нормализация горячекатаных сталей в противовес отжигу повышает сопротивление изделий хрупкому разрушению и обеспечивает высокую производительность при обработке резанием.

Отпуск стали

Применяют, чтобы сгладить внутренние напряжения кристаллической решетки и уменьшить жесткость металлов, а также для повышения ударной вязкости закаленных изделий. Выделяют:

• высокий;
• средний;
• низкий отпуск.

Высокий отпуск осуществляют при температуре 500-650°С с плавным охлаждением. При этом сталь приобретает структуру сорбита, что обеспечивает устранение внутренних напряжений. Этому типу отпуска подвергаются конструкционные, углеродистые и легированные стали, из которых изготавливают валы, шестерни и другие. Характеристики сталей имеют большую прочность, пластичность и вязкость при их достаточной твердости.

Средний отпуск проводят при температуре 350-450°С, определенное время выдерживают и охлаждают. При таком отпуске мартенсит превращается в троостит, твердость стали уменьшается примерно до 400 НВ, а вязкость значительно повышается. Применяют (после закалки) отпуск для обработки пружин, рессор, штампов и других изделий, работающих при умеренных ударных нагрузках.

Низкий отпуск осуществляют в интервале температур 150-250°С, выдерживают и охлаждают. При этом образуется структура отпущенного мартенсита. Поэтому внутренние напряжения в изделии уменьшаются, несколько повышается вязкость, и исчезает калильная хрупкость, а твердость практически не меняется. Применяют для режущих, а также измерительных инструментов, которые должны быть твердыми и не хрупкими, иметь высокую износостойкость, в том числе для цементируемых изделий.

Вывод

Термообработка стали – неотъемлемый этап производства большинства металлических изделий. Благодаря широкому спектру техпроцессов, можно получать материалы с требуемыми характеристиками.

Огромную роль в получении тех или иных свойств в металлах и сплавах играет термическая обработка. Но это довольно сложный вопрос для понимания, и сходу его не возьмешь! Мы постараемся к этому вопросу подойти постепенно, шаг за шагом!

Прежде всего, нужно вспомнить, что когда мы говорили об ограниченных твердых растворах , то отмечали, что для ряда компонентов растворимость в основном металле может быть ограниченной, т. е. он может растворяться до определенного предела. Это объясняется тем, что в большинстве случаев эти атомы располагаются в дефектах кристаллической структуры, в «порах» (между сферами атомов), а число этих мест в металле-растворителе ограничено.

Но мы также с Вами говорили, что с повышением температуры растворимость повышается, это объясняется тем, что при повышении температуры колебательное движение атомов возрастает и число дефектов решетки увеличивается, поэтому растворимость компонентов повышается! Для примера вспомним холодный и горячий чай. В каком чае больше и лучше раствориться сахар?! Конечно, в горячем! Подобными свойствами обладают и металлы.

Ранее мы также отмечали, что многие металлы при нагревании в твердом состоянии могут изменять тип своей решетки. В нормальных условиях нагрева решетка перестраивается диффузионным путем, т. е. происходит образование зародыша новой решетки (энергетически более выгодно), и далее атом за атомом (как кирпичи на строительстве!) перемещаются , от старой решетки к новой! Процесс происходит при постоянной температуре. Мы приводили в качестве примера железо, оно при нагревании ниже температуры плавления, перестраивает свою решетку в твердом состоянии трижды, а марганец – даже четыре раза!

Мы неоднократно обращали внимание на то, что каждому типу решетки соответствуют и определенные свойства: если в процессе нагрева изменилась решетка, то изменяются и свойства, в том числе растворимость компонентов!

При охлаждении эти процессы пойдут в обратном порядке, но только, как говорят, при равновесных условиях , при условии медленного охлаждения! Если скорость охлаждения увеличивать, то температуры обратных превращений будут снижаться, и чем выше скорость охлаждения, тем при более низких температурах они произойдут! При очень больших скоростях охлаждения выделение растворенного при нагреве элемента в кристаллической решетке, может и не произойти , а решетка обязательно перестроится, но уже бездиффузионным путем ; не путем переноса «кирпичиков» туда – сюда, а путем сдвига и поворота в кристалле по определенным плоскостям, с обязательным строением для этой температуры.

Кажется, что мы все предусмотрели, и теперь можно переходить к изучению процессов, происходящих при различных видах термической обработки. Что касается предварительных видов обработки, таких, как отжиг, нормализация, то они изучаются в курсах материаловедения достаточно подробно, и больших сложностей при их изучении нет. Более сложны при изучении, как говорят, окончательные виды термической обработки – закалка и отпуск!

Закалка. Это название обработки часто употребляется в обыденной жизни, много выражений по поводу закалки в отношении здоровья, но смысл понятен – укреплять! Действительно, при закалке сплавы упрочняются, делаются твердыми! Интересный ответ получаешь у деловых людей на вопрос, что такое закалка (имеется в виду упрочнение), ответ всегда однозначный: «Нагреть докрасна и в воду!» Такое упрощенное представление стоит опровергнуть, так как это не всегда правильно!

Несколько примеров для опровержения или подтверждения. В моей молодости автомобилей было мало, еще меньше, а то и совсем не было их у молодежи! Но двухколесная техника, у уважающего себя парня всегда была, правда, не всегда новая! Приходилось разбирать и двигатели, особенно вскрывать головку цилиндра, под ней медная прокладка и если при сборке ничего не сделать с этой прокладкой, то мощность терялась из-за неплотного прилегания головки цилиндра. Тогда мы нагревали ее «докрасна и в воду», после этого прокладка становилась пластичной, выбирались все зазоры, и все было хорошо! Но в этом примере нет и следа упрочнения! В чем дело?

А вот другой пример: рыбаки, охотники, да и прочие стремятся сделать нож из «самокала», так называют сталь, которая как бы сама, охлаждаясь после нагрева до высоких температур на воздухе, приобретает высокую твердость. Оказывается, вода не нужна! Это не что иное, как инструментальная быстрорежущая сталь! Потом о ней несколько слов скажем.

Но прежде всего нужно помнить наш давний вывод: без изменения структуры, т. е. внутреннего строения, не бывает изменения свойств!

Следовательно, исходя из этого вывода, в меди и в «самокале» происходят какие-то изменения в структуре и нам надо понять, что происходит?

Начнем изучение этого вопроса с термической обработки дуралюмина. Эти сплавы и им подобные широко применяются в различных отраслях промышленности. Основными компонентами этих сплавов является алюминий с добавкой меди 3,8-4,8 % и небольшим количеством магния, марганца и др. Медь с алюминием образует химическое соединение CuAl 2 . Это соединение, в свою очередь, с алюминием образует ограниченный твердый раствор α. Растворимость меди в α-твердом растворе при 20 °С составляет 0,05 %, а при 548 °С – 5,7 % меди.

Термическая обработка таких сплавов заключается в нагреве примерно до 500°С, длительной выдержке и последующем охлаждении в воде при 40 °С. После этого проводитсяестественное старение при 20 °С в течение около 100 часов, или искусственное старение при 200 °С в течении 10-15 часов.

Что же происходит в сплаве при таком технологическом процессе? Обратимся к диаграмме состояния на рис. 11. Прежде чем обратиться к диаграмме, вспомним о том, что мы установили раньше.

Первое, что с помощью «правила отрезков» можно для сплава при любой температуре определить, какие фазы или структурные составляющие присутствуют в данной области ; во-вторых, мы с Вами установили, что при повышении температуры сплава растворимость компонентов в ограниченных твердых растворах повышается.

А теперь еще одно положение «правила отрезков»: если точки пересечения горизонтали, для данного сплава и при заданной температуре, с линиями, ограничивающими данную область и указывающими на наличие фаз, спроектировать на ось концентраций, то проекции этих точек на ось концентраций, укажут состав этих фаз!

Это положение мы с Вами рассмотрим на примере рис. 12.

На данном рисунке представлена правая часть диаграммы «Al – Cu», у которой масштаб по оси концентраций значительно увеличен, что позволяет нагляднее представить второе положение «правила отрезков».

Мы отмечали, что α-твердый раствор при 20° содержит не более 0,05 % меди. Проследим, что будет происходить с составом твердого раствора при повышении его температуры. Выберем сплав с 4,3 % меди (точка «А», что соответствует составам сплавов Д1 и Д16) и проследим, как будет изменяться состав α-раствора при повышении температуры. При 200° проекция точкиF на ось концентрации F´ укажет, что α-раствор содержит уже ~ 0,7 % меди, а при температуре нагрева до 500° – около 3,4 %. Температура 500° – это температура термической обработки дуралюминов типа Д1 и Д16. Следовательно, при таком нагреве растворяется большая часть меди в решетке алюминия! Однако при термической обработке таких сплавов требуется длительная выдержка при температуре нагрева. Это вызвано тем, что диффузионные процессы при этих температурах протекают медленно.

Следующий этап термической обработки заключается в охлаждении нагретых изделий в воде, тем самым фиксируем состояние сплава, соответствующее температуре 500°. Если при 20° твердый раствор содержал 0,05 % меди, и он был насыщенным, то после охлаждения в воде в нем меди будет во много раз больше и он является пересыщенным. Такой раствор неустойчив, и должны протекать процессы выделения меди из раствора. Подобные эксперименты проводились в школе: растворив в горячей воде поваренную соль в больших количествах без остатка, видели, что к концу урока на дне сосуда выделились кристаллы соли. Подобные процессы должны происходить и в сплаве, но в металле эти процессы протекают во много раз медленнее. Действительно, чтобы атом меди перемещался, он должен «протискиваться» между атомами алюминия, разрывая межатомные связи между этими атомами, на что требуются большие усилия. Но если повысить температуру, то эти процессы облегчаются!

Мы получили пересыщенный твердый раствор, как это повлияло на свойства? Ведь мы всегда говорили, что изменение строения сплава ведет к изменению свойств! Сплавы типа дуралюмин в отожженном состоянии имеет предел прочности порядка 20 кгс/мм 2 , а после нагрева до 500° и охлаждения в воде – около 25 кгс/мм 2 ; как видим, повышение прочности небольшое, однако оно есть.

Поэтому процессы распада пересыщенного раствора должны обязательно происходить, и чем выше температура, тем интенсивнее они протекают!

На рис. 13 представлены схемы процесса выделения меди из пересыщенного твердого раствора и образования фаз в зависимости от температуры нагрева. При невысоких температурах нагрева (естественное старение), зарождаются выделения с более простой кристаллической структурой. Так, при естественном старении, т. е. при комнатной температуре, образуются так называемые зоны Гинье-Престона или предвыделения! Они представляют собой очень малые объемы твердого раствора с высокой концентрацией меди, но с сохраненной решеткой (рис 13, а ); такие зоны наиболее трудно преодолеваются дислокациями. При повышении температуры искусственное старение происходит выделение с образованием кристаллов CuAl 2 , но еще не отделившихся от исходной решетки (рис. 13, б ), вызывая большие напряжения на границе раздела, тем самым затрудняя движение дислокаций. Дальнейшее повышение температуры вызывает отделение фазы, что приводит к снижению прочности. На начальном этапе распада раствора выделяющиеся частицы – мелкие. Эти выделения блокируют плоскости скольжения дислокаций, и создают препятствия дислокациям. Поэтому прочность выше, чем в отожженном и закаленном состояниях. При увеличении выдержки или увеличении температуры выделившиеся частицы растут, блокируя меньшее количество плоскостей, облегчая движение дислокаций, тем самым снижая прочность.

Рис. 13. Типы выделений из пересыщенного твердого раствора:

а – зона ГП; 1 – атомы растворителя; 2 – растворенные атомы;

б – кристаллы метастабильной фазы (когерентное выделение);

в – кристаллы стабильной фазы (некогерентное выделение)

Максимальное упрочнение наблюдается при естественном старении , прочность этих сплавов достигает порядка 40 кгс/мм 2 , с увеличением температуры старения эффективность упрочнения снижается!

В молодые годы мы увлекались лыжным спортом. Промышленность выпускала лыжные крепления, состоящие из двух половинок, они быстро расшатывались, и лыжи, при резких поворотах, слетали! Тогда мы стали делать кустарным путем цельные крепления из листового дуралюмина. Весь дуралюмин поставляется в упрочненном состоянии, т. е. в закаленном и состаренном. Если попробовать такой лист гнуть на 90° и больше, то будут образовываться трещины и изготовить изделие невозможно! Если дуралюмин был подвергнут искусственному старению при 200 °С, то при последующем нагревании до этой температуры выделения растворяются, и металл приобретает свойства свежезакаленного состояния. Два – три дня эти свойства сохраняются и можно делать с этой заготовкой что угодно! А через несколько дней сплав опять состарится и приобретет былую прочность, это явление носит название возврата . Так и мы решали эту проблему!

Мы с Вами рассмотрели закалку сплава, при которой не происходит превращения в кристаллической решетке, а связанную лишь с изменением растворимости компонента с повышением или понижением температуры! Тут, кстати, можно вспомнить поведение меди при нагреве. Когда мы говорим «медь», то подразумеваем, что это чистый химический элемент, но на самом деле «медь» содержит ряд сопутствующих элементов. Повышение чистоты металла многократно увеличивает его стоимость, следовательно, металлы получают относительно чистыми, исходя из предъявляемых требований. Техническая медь содержит в небольших количествах сопутствующие элементы, которые могут быть растворены в решетке. При работе двигателя прокладка нагревается и происходит процесс, напоминающий старение дуралюмина, и прокладка твердеет. Нагревание ведет к процессу растворения этих элементов, упрочнение уменьшается, и медь становится пластичной!

В большинстве случаев, понятие « закалка» связывают с процессом перестройки решетки при нагреве. При этом происходит изменение растворимости, т. е. способности насыщаться элементами, которые при комнатной температуре растворялись незначительно. Последующее охлаждение должно зафиксировать пересыщенный твердый раствор. Типичным примером такой закалки является закалка сталей !

Рис. 14. Диаграмма состояния «железо – углерод» (без обозначений)

Но прежде чем говорить о закалке этих сплавов, познакомимся с тем, что такое сталь и чем сталь отличается от других сплавов.

Прежде всего, надо дать понятие, что такое сталь? Простейшее определение: «сталь – это сплав железа с углеродом»! Но это далеко не полное определение, так как в состав современных сталей, помимо постоянных технологических спутников, могут входить самые разнообразные элементы. Введение в сталь тех или иных элементов, называемых легирующими, зависит от требуемых свойств, которые стремятся при этом получить! Не вдаваясь в подробности, нужно отметить, что современная промышленность использует огромное количество специальных сталей. Однако, чтобы уяснить каким образом протекают процессы при термической обработке в сталях, необходимо рассмотреть простейший вариант. Мы познакомимся с процессами протекающими в стали, где основными элементами являются углерод и железо!

На рис. 14 представлена диаграмма «железо – углерод» (так мы будем ее называть в дальнейших рассуждениях), однако, на ней не указаны фазовые или структурные составляющие, а лишь нанесены важнейшие элементы. Это сделано с той целью, чтобы Вы попробовали заполнить диаграмму, зная «правило отрезков» и подробные объяснения, которые приводятся ниже!

Одно важное напоминание, так как иногда студенты, пользуясь «правилом отрезков» , проводят горизонталь не до линии, ограничивающей данную область, а останавливаются около характерных концентрационных точек. Разберем пример, как надо делать! Положим, что Вам надо определить структуру сплавов составов от 0,8 % С до 2,14 % С и при температуре выше 727°, но ниже 1147°. Выбрав температуру, проводим горизонталь через эту точку, от линии SE до линии FK. Отсюда видим, что структуры этих сплавов состоят из аустенита и цементита вторичного (А+Ц II), так как цементит выделяется из пересыщенного раствора в твердом состоянии. Если же нужно определить структуру сплавов составов от 2,14 % С и до 4,3 % С и при той же температуре, то кажется, что структура будет подобна сплавам предыдущего примера? Нет! Здесь надо смотреть, а что происходило с данными сплавами ранее? Оказывается, на линии ECF образовывалась эвтектика , следовательно, он должен состоять из ледебурита, аустенита и цементита вторичного. Однако, ледебурит при данной температуре состоит из аустенита и цементита, и при этом из аустенита, при данных условиях, выделяется цементит вторичный. Но для образования новых кристаллов Ц II требуются затраты энергии для его зарождения и роста, а рядом уже имеется кристалл цементита, входящий в ледебурит. Надо полагать, что Ц II без всяких усилий будет выделяться на имеющихся кристаллах. Помните, как в школе выращивали кристаллы соли из насыщенного раствора. Где шел процесс быстрее, на дне сосуда или на подвешенном кристалле?

Итак, для этих сплавов структура будет состоять из: ледебурит + аустенит!

Основные положения сплавов железа с углеродом . Железо с углеродом образует химическое соединение Fe 3 C, получившее название – цементит. Это очень твердое и хрупкое вещество. Химическое соединение Fe 3 C образуется при содержании 6,67 % углерода. Структурно различают три типа цементита: Ц I – цементит первичный, который образуется непосредственно из расплава, для сплавов содержащих углерода больше 4,3 % и имеет кристаллы в виде крупных игл; Ц II – цементит вторичный, образующийся в твердом состоянии при охлаждении, он выделяется из аустенита при температурах выше 727 °С и содержании углерода больше 0,8 %, по границам аустенитного зерна; Ц III – цементит третичный, образуется за счет уменьшения растворимости из α-твердого раствора при температуре ниже 727 °С и при содержании углерода меньше 0,02 %. Все это будет более понятно при рассмотрении диаграммы « железо – цементит». Хотя часто говорят «железо – углерод», но большой ошибки в этом нет!

Мы уже говорили, что железо в процессе нагрева изменяет своё строение, т. е. решетку, трижды, но нас будут интересовать, в основном, две – это α-решетка , объемно-центрированный куб, существующая до 911 °С, и γ-решетка , куб гранецентрированный, при температурах выше 911 °С. Железо с цементитом образует ряд соединений.

Цементит с Fe α (так можно обозначать железо с решеткой объемно-центрированного куба) образует ограниченный твердый раствор с очень малой растворимостью – до 0,02 % углерода, который получил название феррит, это практически чистое железо. Применить упрочнение, как это осуществляется с дуралюмином, невозможно, так как цементита третичного (Ц III), образующегося при распаде феррита с понижением температуры, бесконечно мало. Следовательно, нужен иной способ упрочнения!

Цементит с Fe γ также образует ограниченный твердый раствор, но со значительной растворимостью углерода – до 2,14 %. Такой твердый раствор получил название аустенит. Область его существования: для железа – при температуре выше 911 °С, для сплавов – область, ограниченная линиями GS-SE-EA (см. диаграмму Fe – Fe 3 C).

Кроме твердых растворов, железо с цементитом образует и механические смеси. Сплав с 4,3 % углерода при температуре 1147 °С образует эвтектическую смесь аустенита с цементитом (А+Ц), которая носит название ледебурит. Во всех сплавах, содержащих углерода более 2,14 %, по мере кристаллизации, на линии ECF, т. е. при температуре 1147 °С образуется ледебурит (правило отрезков, смотри на концы горизонтали ECF). Его строение подобно кружеву: округлые зерна аустенита, отороченные светлым цементитом.

Когда между компонентами образуется «механическая смесь» при кристаллизации из расплава или в твердом состоянии, нужно помнить, что в сплавах, отличных по составу от эвтектических или эвтектоидных , происходит выделение фаз, избыточных по отношению к эвтектическому или эвтектоидному составу! Попробуем объяснить это положение.

Если в сплаве (железо – углерод) 3,0 % углерода, то кристаллизация начинается с образования фазы с меньшим содержанием углерода, тем самым повышая содержание углерода в расплаве. В данном случае образуется аустенит с 2,14 % углерода, а расплав приближается к 4,3 %С. Это дает нам второе положение правила отрезков.

Рис. 15. Диаграмма состояния «железо – углерод»

В процессе охлаждения все сплавы на линии ECF будут иметь состав оставшейся жидкости ,равный эвтектическому, и образуется ледебурит .

Если же в сплаве углерода больше, чем требуется для образования эвтектики, то процесс кристаллизации начнется с образования кристаллов первичного цементита, богатого углеродом, а состав расплава будет обедняется углеродом и приближаться к эвтектическому! И в конечном счете структура будет состоять из первичного цементита и ледебурита.

Вот теперь есть возможность сопоставить диаграммы на рис. 14 и 15 и определить, где Вы сделали ошибки (если, конечно, Вы их делали, а надо бы!). Если Вы последовали советам, то всегда разберетесь в диаграммах!

Все сплавы, в зависимости от содержания углерода, делятся на стали , с содержанием углерода до 2,14 %, и чугуны с содержанием углерода свыше 2,14 %С.

В зависимости от содержания углерода и структурных составляющих стали подразделяются: на доэвтектоидные (до 0,8 % С), эвтектоидные (0,8 % С) и заэвтектоидные (>0,8 % С); чугуны: на доэвтектические (до 4,3 % С), эвтектические (4,3 % С) и заэвтектические (свыше 4,3 % С). Эти чугуны, имеющие структуру в соответствии с данной диаграммой, носят название белых чугунов . Данное название они получили по виду излома чугуна. При разрушении чугуна, излом будет светлый (фарфоровидный), и его вид зависит от наличия в структуре большого количества очень твердого и хрупкого цементита. Есть и другие чугуны. Но эти сплавы подробно разбираются в курсах лекций и на лабораторных занятиях. Нас же, в первую очередь, будут интересовать стали и их термическая обработка, применяемая с целью придания свойств, в соответствии с требованиями при эксплуатации.

Стали могут классифицироваться различным образом: по структуре, по назначению, по составу и т. д. Мы же остановимся на классификации, предложенной выше. Нас интересуют углеродистые стали.

Доэвтектоидные стали – это, в основном, по назначению конструкционные или машиноподелочные стали, они идут на изготовление деталей машин и механизмов. Структура этих сталей в состоянии поставки состоит из зерен феррита (твердого раствора с очень малой растворимостью углерода в Fe α ) и зерен перлита.

Эвтектоидные углеродистые стали – инструментальные, идущие на изготовление, в основном, слесарного инструмента (молотки, зубила и т. п.). Структура этих сталей – перлит.

Заэвтектоидные углеродистые стали – инструментальные, идущие на изготовление инструмента, работающего с малым разогревом (метчики, плашки, некоторые типы штампов и т. д.). Структура этих сталей – зерна перлита, окруженные тонкой «сеткой» цементита вторичного.

Естественно предположить, что изделия различного назначения должны обладать и различными свойствами. У всех на слуху понятие закалка , даже совсем не посвященные связывают ее с упрочнением. Мы уже разбирали такой метод изменения свойств на примере закалки дуралюмина, но в данном случае тот метод не применим. Получить большое пересыщение твердого α-раствора возможно, так как максимальная растворимость углерода в железе всего 0,02 % С. Но известно, что γ-раствор способен растворить углерода до 2,14 % С и, следовательно, надо нагревать до температуры Fe γ / . Суть любой закалки сводится к получению пересыщенного твердого раствора и его фиксации. Но способ получения пересыщенного твердого раствора и механизм упрочнения при закалке сталей, принципиально отличен от закалки дуралюмина!

Получение пересыщенного твердого раствора в сталях основано на фазовом превращении Fe α в Fe γ . В этом случае имеющийся в стали углерод при нагреве растворится в γ-решетке, т. е. в аустените. Теперь будем охлаждать сталь с такой скоростью, когда невозможна диффузия атомов углерода из решетки (т. е. перестройка, как перекладка кирпичей!). Такая скорость носит название критической скорости закалки , и для углеродистых сталей такая скорость достигается охлаждением в воде! Так мы получаем пересыщенный раствор. Однако γ-Fe (можно так обозначать) при комнатных температурах, в данном случае, существовать не может так как энергетически это невозможно. Следовательно γ-решетка перестроится в α-решетку, но бездиффузионным путем . Процесс перестройки решетки осуществляется путем сдвига и поворота плоскостей атомов. Это трудно объяснить на словах, еще труднее понять! Но надо понять одно, что решетка все равно перестроится и будет α- решетка, но углерод застрянет в ней, между атомами на гранях элементарных ячеек. Решетка из кубической станет вытянутой в одном направлении, тетрагональной; эта фаза носит название мартенсита . Кристаллы мартенсита имеют игольчатое строение. Такое строение кристаллов вызывает огромные напряжения, и дислокации практически не могут перемещаться, отсюда очень высокая прочность и отсутствие пластичности! Однако, не при всех содержаниях углерода мартенсит имеет высокую твердость. Считается, что при содержании углерода до 0,2 % практически нецелесообразно подвергать сталь закалке, так как упрочнение крайне мало, низка твердость стали. С ростом содержания углерода в мартенсите твердость возрастает и при 0,7 % С она достигает максимума, при дальнейшем увеличении содержании углерода мало увеличивается, но накладываются другие нежелательные явления. Наша следующая задача: постараться разобраться с выбором температуры закалки сталей с различным содержанием углерода. На рис. 16 представлена «стальная» часть диаграммы «железо – углерод»; с ее помощью попробуем установить оптимальные режимы нагрева при закалке. При этом нужно помнить, что температура должна быть достаточной для насыщения аустенита углеродом, но не выше оптимальной, Это связано с тем, что чем выше температура нагрева, тем сильнее растет зерно. Рост зерна приводит к ухудшению таких свойств, как прочность и пластичность! Для сталей те температуры, при которых при нагреве происходят фазовые или структурные превращения, называются«критическими».

Так, температуру превращения перлита в аустенит (727 °С) обозначают Ас 1 ; температура превращения феррита в аустенит (линия GS) обозначается Ас 3 ; температура полного растворения цементита вторичного в аустените (линия SE) обозначается А cm .Теперь приступаем к самому главному – выбору температуры закалки, исходя из назначения сталей. Промышленность уже давно не пользуется универсальными сталями.

Конструкционные углеродистые стали (до 0,6 – 0,7 % С). Детали машин и механизмов работают в условиях больших знакопеременных нагрузок, и поэтому стали после термической обработки должны обладать высокими прочностью, циклической прочностью и достаточной пластичностью. При нагреве изделий до температуры Ас 1 + (30-50) °С (такой интервал принимается с целью успешного протекания процесса превращения и предотвращения значительного роста зерна!), произойдет превращение перлита в аустенит, феррит же останется неизменным . После непродолжительной выдержки при данной температуре сталь охлаждают в воде или в водном растворе соли. Это обеспечит такую скорость охлаждения, при которой аустенит превратится в мартенсит, а феррит – останется неизменным. Если представить работу такого изделия, то в процессе знакопеременных нагрузок мартенсит, твердый и хрупкий, будет противостоять им, а вот феррит, мягкий и пластичный, будет деформироваться и наклепываться (мы не забыли, что пластическая деформация вызывает наклеп!). В наклепанном феррите образуются трещины (феррит имеет малую прочность), а далее эта трещина в хрупком мартенсите легко развивается! Далее мы покажем, что с мартенситной структурой детали машин не используются. Но, так или иначе, наличие феррита крайне нежелательно. Отсюда следует, что надо избавляться при закалке от феррита в доэвтектоидных сталях.

Если мы нагреем конструкционную (доэвтектоидную) сталь до температуры Ас 3 + (30 – 50) °С, получим структуру аустенит. При охлаждении в воде получим структуру мартенсита , что и требовалось. Таким образом, мы избавились от нежелательного феррита! Такая закалка носит название полной. Но надо помнить, термическая обработка не заканчивается закалкой!

Инструментальные углеродистые стали (0,8-1,2 % С) . Изделия, изготовленные из этих сталей, должны обладать высокой твердостью, высокой износостойкостью и высокой прочностью. Эти стали, как правило, подвергаются закалке неполной , т. е. с температуры Ас 1 + (30 – 50) °С, и вот по какой причине! Структура заэвтектоидных сталей, после нагрева до этих температур, будет представлена аустенитом и цементитом вторичным. Ранее было указано, что мартенсит приобретает максимальную твердость при содержании в нем углерода около 0,7 % и, следовательно, данный нагрев обеспечит максимальную твердость изделию при последующим охлаждении в водной среде. Наличие в структуре цементита наиболее желательно, так как цементит имеет большую твердость и износостойкость, чем мартенсит. После неполной закалки данные стали будут иметь структуру мартенсит и цементит вторичный, что обеспечивает высокие режущие и прочностные свойства!

Изучая закалку углеродистых сталей различного назначения, мы установили, что при закалке получаем структуру мартенсита, имеющего высокие твердость, прочность и хрупкость. Однако, если для режущего инструмента эти свойства нужны, то, положим для вала, работающего с большими изгибающими нагрузками, или для шестерни, работающей с ударами, пружины, такие свойства явно нежелательны! Следовательно, нужно применить способ, который обеспечивал бы получение требуемых свойств для различных изделий! Запомните, что какой-то половинчатой закалки сталей не существует и существовать не может!!! Всегда производится нормальная закалка с последующим отпуском, при необходимых температурах.

Тема 1.2 Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов

Термической обработкой называются процессы, сущность которых заключается в нагреве и охлаждении изделий по определенным режимам, в результате которых происходит изменение структуры, фазового состава, механических и физических свойств. Применяют также различные виды химико-термической обработки, сущность которой заключается в легировании поверхностного слоя изделий азотом, углеродом, или некоторыми металлами (алюминием, хромом. Бериллием) с последующей термической обработкой.

В зависимости от целей термической обработки существуют различные ее виды, отличающиеся температурой нагревания, продолжительностью выдержки и скоростью охлаждения.

Основными видами термической обработки стали являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Отжиг применяетсядля снижения твердости, измельчения зерна, улучшения обрабатываемости, снятия напряжений. Для отжига сталь нагревают до определенной температуры, выдерживают и охлаждают с малой скоростью в печи с отключением источника тепла.

Нормализация – представляет нагрев стали до температуры выше критической точки, выдержке при этой температуре, охлаждении на спокойном воздухе со скоростью, большей, чем при отжиге. Назначение – придание стали мелкозернистой структуры. Нормализация дает более заметное повышение прочности, но меньшую пластичность. Преимущество перед отжигом – более низкая стоимость.

Закалка – заключается в нагреве стали, выдержке при данной температуре в течение определенного времени и последующем резком охлаждении. Цель – повышение твердости и прочности. При закалке возникают внутренние напряжения в материале, резко снижается пластичность и ударная вязкость. Это может привести к хрупкому разрушению детали при эксплуатации.

Для уменьшения внутренних напряжений и повышения пластичности и ударной вязкости после закалки применяют отпуск , который заключается в нагревании закаленной стали до температуры, не превышающей нижнюю критическую точку, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении.

В зависимости от температуры различают три вида отпуска: низкий, средний, высокий.

Низкий отпуск производится при температуре 150…250°С. Твердость стали снижается незначительно. Струк-туру, образующуюся в результате низкого отпуска, называют мар- тенситом отпуска или отпущенным мартенситом. Низкому отпус-ку подвергается режущий и измерительный инструмент, штампы для холодной штамповки, а также детали, которые должны обла-дать высокой износостойкостью.

Средний отпуск производится при температуре 350…450°С. При среднем отпуске цементит образуется не в виде пластинок, а в виде мельчайших зерен, что способствует повыше-нию вязкости стали. Среднему отпуску подвергаются изделия, ко-торые должны обладать высокой упругостью и достаточным запа-сом вязкости (рессоры, пружины и др.).

Высокий отпуск производится при температуре 500…650°С. В результате проис-ходит полное устранение остаточных напряжений, сталь приоб-ретает хорошие пластичность и вязкость при достаточно высокой прочности. Такой отпуск предназначен для деталей ответственно-го назначения, которые испытывают в процессе эксплуатации удар-ные и знакопеременные нагрузки.

Двойную термическую обработку, включающую в себя закалку и последующий высокий отпуск называют термическим улучшением, поскольку улучшается весь комплекс механических свойств стали.

Химико-термическая обработка. Химико-термическая обработ-ка заключается в химическом и термическом воздействии с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхност-ного слоя металла. В процессе химико-термической обработки про-исходит поверхностное насыщение металла соответствующим элементом в процессе его диффузии в атомарном виде из жидкой, твер-дой или газовой среды при высокой температуре. Основные виды химико-термической обработки классифицируют по названиям элементов, которыми насыщается поверхностный слой. Например, насыщение углеродом называется цементацией, азотом – азотиро-ванием, хромом – хромированием.

Широкое применение химико-термической обработки в различ-ных областях техники объясняется тем, что она, повышая твердость, износостойкость, коррозионную стойкость поверхности, увеличи-вает надежность и долговечность работы деталей машин и меха-низмов.

Химико-термическая обработка складывается из:

диссоциации, которая происходит на контактной поверхности «металл – газовая среда» и приводит к выделению диффундирую-щего элемента в атомарном состоянии;

абсорбции – поглощения поверхностью свободных атомов;

диффузии – проникновения насыщающего элемента вглубь по-верхностного слоя.

Основным физическим процессом является диффузия, скорость которой увеличивается при повышении температуры, диффунди-рующий элемент проникает на большую глубину.

Цементация заключается в диффузионном насыщении по-верхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответству-ющей среде – карбюризаторе. Процесс цементации проходит при температурах (900…950°С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах. Цементацию проводят в твердых, жидких и газовых карбюризаторах. Газовая цементация является наиболее производительным процессом. Ос-новной реакцией, обеспечивающей науглероживание, является дис-социация метана:

СН→ 2Н 2 +С ат.

Цементации подвергают низкоуглеродистые и легированные стали, содержащие от 0,1 до 0,35% углерода. Поверхностный слой стали после цементации имеет переменную концентрацию углеро-да по толщине, убывающую от поверхности к сердцевине детали. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементо-ванного слоя можно различить (начиная от поверхности) три зоны: заэвтектоидную, эвтектоидную, доэвтектоидную. Общая толщина цементованного слоя составляет 0,8…3,0 мм.

После цементации для получения необходимых свойств прово-дят термическую обработку – закалку с низким отпуском. В резуль-тате термической обработки поверхностный слой приобретает из-носостойкую структуру, а низ-коуглеродистая сердцевина детали оказывается достаточно вязкой. Чаще всего цементации подвергают шестерни различных механизмов с целью повышения их долговечности.

Азотирование заключается в диффузионном насыщении по-верхностного слоя азотом в соответствующей среде. Перед азоти-рованием стали подвергают термической обработке – закалке и вы-сокому отпуску.

Азотированию подвергаются легированные стали, содержащие хром, молибден, ванадий и другие элементы, способные образо-вывать с азотом очень твердые и термостойкие нитриды. Азотиро-вание проводят при температуре 500…600°С. Основная реакция, происходящая на поверхности детали – реакция диссоциации ам-миака.

После азотирования сталь приобретает высокую твердость, из-носостойкость и коррозионную стойкость. По этим свойствам азо-тированные стали превосходят цементованные. Однако азотиро-ванный слой хуже противостоит ударным нагрузкам и имеет более низкую контактную выносливость. Из-за большой длительности процесса (до 70 ч) применение азотирования экономически целе-сообразно для обработки ответственных изделий, например колен-чатых валов автомобилей, гильз цилиндров двигателей внутрен-него сгорания, различных деталей арматуры и др.

Хромирование заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали хромом при температуре 900…1300°С в соответствующей среде. Хромирование обеспечивает повышен-ную жаростойкость стали до температуры 800 °С, высокие корро-зионную и эрозионную стойкость. Хромированию подвергаются детали паросиловых установок, паропроводной арматуры, венти-ли, клапаны, патрубки. Для увеличения сопротивляемости корро-зии хромированию подвергают трансформаторную сталь. При этом сталь дополнительно приобретает высокую жаропрочность.

Контрольные вопросы

Чем характеризуется кристаллическое строение металлов?

Какие типы кристаллических решеток Вам известны?

Каковы основные дефекты кристаллического строения?

Что такое аллотропия металлов?

Какие механические свойства характеризуют прочность и пластичность материалов при растяжении?

Что такое диаграмма состояния сплавов и что позволяет она установить?

Каковы основные виды термической обработки?

В чем заключается цементация стали?

Раздел 2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Тема 2.1 Классификация полупроводниковых материалов

Вещества различают по их способности проводить электрический ток. Эта способность характеризуется величиной удельного электрического сопротивления – ρ или удельной электрической проводимостью – γ. Значение γ при нормальной температуре составляет для диэлектриков менее 10 -10 См/м, а для проводников – более 10 4 См/м.

Рассмотрим характер изменения удельной проводимости твердых тел при температуре, стремящейся к абсолютному нулю.

Удельная проводимость проводников при этом увеличивается, а многие металлы переходят в сверхпроводящее состояние, характеризующееся бесконечно большим значением γ.

Совершенно иначе ведут себя полупроводники. При уменьшении температуры их удельная проводимость уменьшается, а при Т → 0 К полупроводники вообще не проводят электрический ток, т.е. становятся диэлектриками. Зато при возрастании температуры γ полупроводников резко увеличивается.

Для появления у полупроводников свободных носителей заряда не обязательно подводить к ним тепловую энергию. Это можно достигать в них освещением, механическими нагрузками, электрическим полем и т.д. Сильное влияние на электропроводность оказывает внутренняя структура полупроводников. Кроме того, введение в полупроводник даже незначительного количества атомов постороннего элемента обычно резко изменяет его электропроводность. Все это открывает широкие возможности для управления электрофизическими свойствами полупроводниковых материалов.

Итак, полупроводник – это вещество, основным свойством которого является сильная зависимость его электропроводности от воздействия внешних факторов.

Все полупроводники можно разделить на простые и сложные.

Простым называют такой полупроводник, основной состав которого образован атомами одного химического элемента (кремний, германий, селен, теллур, бор, углерод, фосфор, серу, мышьяк, сурьму, йод, серое олово).

Структура сложных полупроводников образована атомами различных химических элементов. К этой группе относятся твердые растворы (кремния и германия) и химические соединения, обозначаемые АB. В этой формуле верхние индексы (m и n) означают номер группы периодической системы, в которую входит соответствующий элемент, а нижние (x и y) – число атомов этого элемента в соединении. Например, полупроводник арсенид галлия GaAr относят к соединениям типа А III В V , а оксид меди Cu 2 O – к соединения типа A 2 I B VI .

Полупроводниковыми свойствами обладают многие тройные и боле сложные химические соединения, например ZnSiAs 2 . Полупроводниковыми является целый ряд органических соединений: антрацен, нафталин, фталоцианин и др.

Замечательным свойством полупроводников является также то, что они допускают обратное преобразование электрической энергии в световую, тепловую или механическую.

Полупроводники используют для усиления и генерации электрических сигналов (транзисторы, диоды, интегральные схемы), в качестве первичных преобразователей температуры и источников тепловой энергии (терморезисторы и нагревательные элементы), в качестве первичных преобразователей и источников оптических сигналов (фоторезисторы, светодиоды, лазеры), для преобразования механических колебаний (тензорезисторы и пьезодатчики) и т.д.

Энергетические уровни и зоны

Атом состоит из ядра и движущихся по определенным орбитам электронов.

Полная энергия электронов, равная сумме его кинетической (движения по орбите) и потенциальной (притяжения к ядру) энергий, называется энергетическим состоянием атома. Каждой разрешенной орбите соответствует свое энергетическое состояние, которое на диаграмме представляют в виде энергетического уровня. Так как орбиты и их энергии делятся на разрешенные и запрещенные, то и энер гетические уровни могут быть также разрешенными и запрещенными.

Энергия электрона Е выражена в электрон-вольтах. Электрон-вольт – это энергия, которую приобретает электрон, разгоняясь в электрическом поле с разно стью потенциалов в 1 В.

Взаимодействие атомов в решетке приводит к тому, что их энергетические уровни расщепляются на большое количество почти сливающихся подуровней, образующих энер гетические зоны .

Энергетическая зона, заполненная подуровнями, тем шире, чем ближе расположены атомы и чем выше энергетический уровень. Вероятность «пребывания» электрона в запрещенной зоне равна нулю.

Классификация материалов по электрическим свойствам (зонная теория)

Классификация электроматериалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел, сущность которой состоит в следующем.

В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра на определенных орбитах. Согласно принципу Паули на каждой ор- бите может находиться не более двух электронов. Каждой орбите соответствует строго определенное значение энергии, которой может обладать электрон, т.е. каждая орбита представляет собой определенный энергетический уровень. Под воздействием притя-жения положительно заряженного атомного ядра электроны стре-мятся занять ближайшие к ядру уровни с минимальным значени-ем энергии. Поэтому нижние энергетические уровни оказываются заполненными электронами, а верхние уровни – свободными. Электрон может скачкообразно перейти с нижнего энергетиче-ского уровня W x на другой свободный уровень W 2 (рис. 1). Для этого электрону необходимо сообщить дополнительную энергию ∆ W = W 2 – W 1 . Если свободных уровней в атоме нет, то электрон не может изменить свою энергию, поэтому не участвует в созда-нии электропроводности.

W – энергия электрона; W 1 – нижний энергетический уровень; W 2 – свобод-ный энергетический уровень; ∆ W C – зона проводимости (свободная зона); ∆ W – запрещенная зона; ∆ W в , – валентная зона

Рисунок 2.1 – Диаграмма энергетических уровней изолированного атома (1) и твердого тела (2).

В кристаллической решетке, состоящей из нескольких атомов, отдельные энергетические уровни расщепляются на подуровни, которые образуют энергетические зоны (см. рис. 2.1). При этом расщепляются свободные и заполненные энергетические уровни. Зона, заполненная электронами, называется валентной. Верхний уровень валентной зоны обозначается W в . Свободная зона называ-ется зоной проводимости. Нижний уровень зоны проводимости (свободной зоны) обозначается W a . Промежуток между валентной зоной и зоной проводимости называется запрещенной зоной ∆ W . Значение запрещенной зоны существенно влияет на свойства ма-териалов.

Если ∆ W равна или близка к нулю, то электроны могут перей-ти на свободные уровни благодаря собственной тепловой энергии и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относятся к проводникам. Проводнико-вые материалы служат для проведения электрического тока. Обычно к проводникам относятся вещества с удельным электрическим сопротивлением р < 10 Ом*м. Типичными проводниками явля-ются металлы.

Если значение запрещенной зоны превышает несколько элект-ронвольт, то для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия. Такие ве-щества относятся к диэлектрикам. Диэлектрики имеют высо-кое удельное электрическое сопротивление и обладают способно-стью препятствовать прохождению тока. К диэлектрическим мате-риалам относятся вещества с удельным электрическим сопротив-лением р > 10 7 Ом* м. Благодаря высокому удельному электриче-скому сопротивлению их используют в качестве электроизоляци-онных материалов.

Если значение запрещенной зоны составляет 0,1…0,3 эВ, то электроны легко переходят из валентной зоны в зону проводимо-сти благодаря внешней энергии. Вещества с управляемой прово-димостью относятся к полупроводникам. Удельное электри-ческое сопротивление полупроводников составляет р 10 9 Ом * м.

Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, с помощью которой можно управлять напряжением, температурой, освещенностью и т.д.

В зависимости от структуры и внешних условий материалы мо-гут переходить из одного класса в другой. Например, твердые и жидкие металлы – проводники, а пары металлов – диэлектрики; типичные при нормальных условиях полупроводники германий и кремний при воздействии высоких гидростатических давлений становятся проводниками; углерод в модификации алмаза – диэ-лектрик, а в модификации графита – проводник.

Основным свойством вещества по отношению к электрическо-му полю является электропроводность, характеризующая способ-ность материала проводить электрический ток под воздействием постоянного электрического поля, т.е. поля, напряжение которо-го не меняется во времени.

Электропроводность характеризуется удельной электрической проводимостью и удельным электрическим сопротивлением:

Значения удельной электрической проводимости и удельного электрического сопротивления у разных материалов существенно различаются. В сверхпроводящем состоянии удельное электричес-кое сопротивление материалов равно нулю, а у разреженных га-зов стремится к бесконечности.

Легко понять, что проводящие свойства кристалла зависят от ширины запрещенной зоны, разделяю-щей валентную зону и зону проводимости. Чем шире запрещенная зона, тем меньше (при заданной темпе-ратуре) количество электронов, которые проникнут в зону проводимости, тем меньше проводимость кри-сталла.

Кристаллы могут быть хорошими проводниками даже в том случае, когда валентная зона заполнена целиком, если она непосредственно примыкает к зоне проводимости или пересекается с ней (в результате размытия зон при образовании решетки). С увели- чением ширины запрещенной зоны кристаллы приоб- ретают свойства изоляторов. Средним значениям ширины запрещенной зоны соответствуют полупро- водниковые кристаллы.

Так как валентная зона и зона проводимости у кристаллических проводни-ков не разделены, электроны свободно переходят с одного разрешенного подуровня на другой, приобретая упорядо-ченную скорость под дейст-вием приложенного напря-жения. При этом с увеличением темпера-туры сопротивление провод-ника увеличивается вследст-вие уменьшения длины сво-бодного пробега электронов в кристалле.

У полупроводниковых кристаллов проводимость определяется прежде всего количеством электронов, преодолевших запрещенную зону и проникших в зону проводимости.

Полупроводниковые материалы

Химическая связь между атомами полупроводника осуществляется за счет взаимодействия валентных электронов, при этом каждый атом получает от соседа в совместное владение и отдает ему свои валентные электроны, недостающие до образования устойчивой восьмиэлектроннои зоны. Таким образом, в идеальном полупроводнике все валентные элект- роны участвуют в образовании химической связи и свободных электронов нет. Такой тип химической связи называется кова лентной.

На рис. 2.2 показана схема образования химической связи в кристаллической решетке кремния, у атома которого в свободном изолированном состоянии имеется четыре валентных электрона, а в кристаллической решетке внешний электронный уровень каж-дого атома заполняется до восьми электронов, за счет совместно-го владения электронами четырех ближайших атомов-соседей.

Рисунок 2.2 – Схема образования химической связи в кристаллической решетке кремния. Вследствие малой ширины (1 эВ) запрещенной зоны полупроводника тепловые колебания атомов способны сообщить валентным электронам энергию, достаточную для перехода из заполненной валентной зоны в свободную зону проводимости. Каждый такой переход приводит к возникновению пары носителей заряда: свободного электрона в зоне проводимости и свободного энергетического состояния – дырки – в валентной зоне. Под действием приложенного к кристаллу напряжения электрон проводимости дви-жется «навстречу» электрическому полю, а электрон в валентной зоне занимает свободный уровень, осво-бождая свой уровень для другого электрона. Это мож-но рассматривать как движение положительного за-ряда (дырки) в направлении электрического поля.

Генерация пар свободных, т. е. способных пере- мещаться под действием приложенного напряжения, зарядов делает кристалл способным проводить элект- рический ток, а электропроводность такого кристалла называется собственной.

Полупроводник, в котором электропроводность осуществляется за счет возбуждения электронов химической связи, называется собственным полупроводником.

Носителями тока в таких полу-проводниках являются собственные электроны и дырки.

На рис. 2.3 приведена схема кристаллической решетки собст-венного полупроводника. При возбуждении собственного валентного электрона образуется n -тип носитель тока – свободный электрон и р- типноситель тока – дырка – незанятая химическая связь.

Одновременно с образованием пар носителей часть электронов из зоны проводимости спонтанно перехо-дит обратно в валентную зону, излучая кванты энергии. Этот процесс называется рекомбинацией пар. При постоянной температуре устанавливается динамическое равновесие, определяющее концентра-цию свободных электронов и дырок (при данной температуре).

Чем выше температура, тем выше концентрация свободных носителей заряда, тем больше собственная электропроводность кристалла.

При температуре 0К пары носителей не образуются, и кристалл полностью теряет собственную элект-ропроводность. При этом электроны внутри кристалла хаотически движутся с большими скоростями (поряд-ка 10 6 м/с), но на приложенное внешнее напряже-ние не реагируют.

Рисунок 2.3 – Схема кристаллической решетки собст-венного полупроводника.

Реальные кристаллы содержат многочис-ленные дефекты кристаллической решетки: точечные, линейные, объемные и поверхностные. В местах нару-шения периодической структуры кристалла (внедре-ния атомов в междоузлия) энергия связи электронов с ядрами изменяется, в результате чего возникают новые энергетические уровни, которые могут выхо-дить за пределы валентной зоны и размещаться в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости. Это облегчает переход электронов в зону проводимости.

Учебно-методический комплекс

… – дать основы материаловедения , принципы выбора необходимых материалов, привить навыки практического определения физико -механических… группу химических соединений. 6.3.1. Классификация полимеров и свойства полимеров По происхождению полимеры разделяют …

Евгений петрович прокопьев (rus)(eng) общий список публикаций антиматерия и позитроника позитроника и нанотехнологии позитроника позитронная аннигиляция физика сложных систем синергетика материаловедение нанотехнологии другие смежные проблемы

Документ

Прокопьев Е.П. О поверхностных состояниях на границе раздела полупроводник-металл. М., 1985. 5 с. – Деп. в… процессах. Третья Российская конференция по материаловедению и физико –химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния…