Конспект лекций и ответы на экзаменационные вопросы по предмету Термическая Обработка - Металлургия - Скачать бесплатно
В
процессе нагрева делают одну или две температурных остановки для
выравнивания температуры по сечению детали. Температура закалки лежит
вплотную к точке А4, это необходимо для растворения высокотемпературных
карбидов. Однако выдержка под закалку должна быть короткой, чтобы не
произошло укрупнения зерна. Закалка проводится с охлаждением в горячей
среде, либо ступенчатая, либо изотермическая (чтобы выровнять температуру
по сечению и не допустить растрескивания). Окончательное охлаждение
производится на воздухе. Закаленная по такому режиму сталь имеет структуру
мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. После изотермической закалки
фазовый состав быстрорежущей стали состоит из 15-25% карбидной фазы МеС,
50% мартенситной фазы и 20-25% остаточного аустенита. В сплавах с большим
содержанием Со количество остаточного аустенита может достигать 40%.
Остаточный аустенит является нежелательной фазой, т.к. понижает твердость
стали, поэтому сразу после закалки быстрорежущую сталь подвергают
многократному отпуску. Отпуск проводится при температуре 500-560є С в
течение 1 часа. Во время первого отпуска происходит снятие закалочных
напряжений за счет перехода мартенсита закалки в мартенсит отпуска, а так
же за счет выделения из остаточного аустенита избытка легирующих элементов
в виде карбидов. При охлаждения стали после отпуска аустенит превращается в
мартенсит, однако это превращение происходит не полностью. После первого
отпуска количество остаточного аустенита составляет 12-15%. Для дальнейшего
уменьшения остаточного аустенита проводят вторую ступень отпуска. В это
время происходит отпуск вновь образовавшегося аустенита и дальнейшее
выделение карбидов из оставшегося остаточного аустенита. После охлаждения 2
ступени оставшийся остаточный аустенит переходит в мартенсит, количество
его 5-6%, поэтому проводят 3 ступень отпуска. Проходят те же процессы.
После 3 стадии содержание остаточного аустенита не должно превышать 1-2%.
Если количество остаточного аустенита больше 2%, то проводят еще один
отпуск.
Основные марки: Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р9М5Ф2, Р6М5К5. Самая теплостойкая –
В11М7К23.
Твердые сплавы.
Твердые сплавы относят к режущим материалам, но они не являются сплавами на
железной основе. Они представляют собой карбиды различных металлов,
скрепленные между собой металлической связкой. В качестве карбидов
используют: WC, TiC, TaC. В качестве связки используют Co, Ni.
Изготавливают твердые сплавы методом порошковой металлургии. Первоначально
карбиды смешивают с порошком Co и добавляют пластификатор (грубый парафин).
Смесь подвергают холодному прессованию, получают заготовку. Заготовку
отправляют в вакуумную печь, где при температуре 1500-1800є С происходит
выгорание пластификатора. Одновременно происходит расплавление
металлической связки. В результате частицы карбидов оказываются плотно
связаны между собой. Далее идет заточка. После может проводится напыление
нитрида титана TiN.
Штамповые стали.
Используются для изготовления инструмента, работающего без снятия стружки.
Стали для штампов для холодной деформации.
Стали с повышенной износостойкости применяются для разделительных штампов,
а так же для штампов, работающих с малой относительной скоростью
перемещения заготовки относительно штампа. Так как разделительные операции
связаны с резанием металла, для штампов такого назначения применяют режущие
стали У7-У13, легированные 7ХФ, 9ХФ, 11ХФ (с невысокой прокаливаемостью) и
9Х, Х, 9ХС, ХГС (с высокой прокаливаемостью). Выбор стали определяется
размерами, т.е. прокаливаемостью, стоимостью.
Такой вид штамповки предполагает скольжение металла в заготовке по
поверхности штампа. Такое скольжение быстро изнашивает штамп, что требует
его ремонта или замены. Поэтому для сталей, используемых для изготовления
штампов требуется высокая износостойкость. Износостойкость зависит от
твердости. В результате количество карбидов примерно 18-22%. Большой
недостаток хрома – его склонность к ликвации. В результате возникает
карбидная неоднородность. После горячей ковки такой заготовки карбидную
неоднородность удается уменьшить, но полностью устранить не получается.
Возникает полосчатость. Такой дефект может вызвать преждевременный износ в
виде изнашивания или расслоения. Чтобы уменьшить карбидную неоднородность
Cr частично заменяют Mo, V, W. Такая замена позволяет повысить твердость
штампа.
Основные стали: Х6ВФ, Х6Ф4, Х12М, Х12М, Х12Ф, Х12.
Термообработка такой стали включает в себя высокотемпературную закалку при
температуре 950-1050є С и низкий отпуск 170-190є С. Твердость после
термообработки HRC 62-64. нагрев под закалку ведут очень медленно, чтобы
нагрев был равномерный. Охлаждение проводится в масле, либо проводят
изотермическую закалку. Особенность стали заключается в высокой стойкости
против отпуска. Структура стали: мартенсит + карбиды + остаточный аустенит.
Остаточный аустенит добавляет вязкость стали, но тем не менее ее не
достаточно, поэтому штампы не могут работать с резкими ударными нагрузками.
Стали с повышенной теплостойкостью. Из этих сталей изготавливают инструмент
для холодной объемной штамповки. Работа инструмента холодной объемной
штамповки сопровождается его разогревом в поверхностном слое до температуры
500-550є С. поэтому на первое место в списке свойств выходит высокая
теплостойкость. Для обеспечения высокой теплостойкости применяют
специальные стали, которые выдерживают длительную работу при такой
температуре. Содержание С снижают до 0,8-1%, т.к. ударные нагрузки. Cr до
4%, Mo, V, W – 1-2%. Количество карбидной фазы 10-15%.
Основные стали: 8Х4В2М2Ф2, 8Х4В3М3С.
Термообработка: высокотемпературная закалка 1050-1100є С + трехкратный
отпуск 550-560є С (чтобы убрать остаточный аустенит).
Стали с высокой ударной вязкостью.
Стали для инструмента горячей штамповки. При горячей обработке давлением
заготовка предварительно нагревается в печи до рабочей температуры, затем
перемещается в штамп, где происходит ее деформирование.
Условия работы инструмента горячего деформирования очень тяжелые.
Переменные ударные нагрузки сочетаются с изменением температуры
поверхности. Во время деформирования горячей заготовки поверхность
инструмента разогревается , затем после удаления штамповки поверхность
охлаждается. Изменение температуры поверхности ведет то к расширению, то к
сжатию. В результате на поверхности появляются микротрещины. С течением
времени они увеличиваются и могут привести к выкрашиванию поверхности. Это
явление называется термической усталостью или разгаром. Скольжение горячего
металла по поверхности штампа происходит с большой скоростью. В результате
поверхность штампа сильно разогревается. Это ведет к отпуску металла,
снижению твердости и быстрому износу. Резкие ударные нагрузки вызывают
повышение давления внутри штампа. Это может вызвать появление усталостных
трещин. Особенно часто они появляются в местах с малым радиусом
закругления. Такие условия работы штампов требуют от сталей, из которых они
изготовляются, своего комплекса свойств:
1. Теплостойкость.
2. Необходимая ударная вязкость.
3. Высокая разгаростойкость.
4. Прокаливаемость.
5. Окалиностойкость.
6. Твердость и износостойкость.
7. Стойкость против налипания.
Стали горячей штамповки делят на 3 группы:
1. Стали с повышенной вязкостью.
2. Стали с повышенной теплостойкостью и средней вязкостью.
3. Стали с высокой теплостойкостью.
.
1. Стали с повышенной вязкостью.
Эти стали предназначены для изготовления молотовых штампов.
Основные стали: 5ХНМ; 5ХГМ; 5ХВН.
Чтобы обеспечить высокую вязкость содержание углерода должно быть меньше
0,5%, должны быть легирующие элементы: Mn, Ni, Mo.
Термообработка должна обеспечивать максимальную вязкость: закалка 920-950є
С + отпуск 500-550є С. прокаливаемость 300-500 мм (более 500 мм
обеспечивает сталь 5Х2МН7 после закалки 980-1020є С).
2. Стали с повышенной теплостойкостью и средней вязкостью.
Данные стали предназначены для изготовления штампов, работающих на
гидравлических прессах. Давление в штампе 2000-2500 мПа.
Требуются следующие свойства:
1. Высокая теплостойкость.
2. Высокая вязкость.
3.
Основные стали: 4Х5МФС, 4Х4ВМФС, 4Х5В2ФС.
Термообработка: закалка 880-1050є С + высокий отпуск 550-650є С.
3. Стали с высокой теплостойкостью.
Данные стали предназначены для штамповки жаропрочных, коррозионностойких
титановых сплавов.
Основная сталь: 3Х2В8Ф.
Повышения стойкости поверхности после горячей штамповки можно достичь
методом ХТО (азотирование, хромирование, насыщение поверхности бором).
Стали для волков прокатных станов делятся на две группы:
1. Стали для волков холодной прокатки.
2. Стали для волков горячей прокатки.
1. Стали для волков холодной прокатки.
Данные стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, хорошей
прокаливаемостью, необходимым запасом вязкости, хорошей полируемостью.
ш 200 мм – стали 9Х, 9ХФ, 9ХВФС.
ш 200-400 мм – сталь 9Х2Ф.
ш 400-600 мм – сталь 60ХВС.
2. Стали для волков горячей прокатки.
Данные стали должны обладать высокой теплостойкостью, вязкостью.
Термообработка: закалка + высокий отпуск.
Стали для измерительного инструмента.
Требования предъявляемые к сталям:
1. Размерная стабильность
2. Высокая износостойкость.
3. Высокая твердость.
4. Высокая шлифуемость, полируемость.
Коррозионностойкие стали
Коррозией называют разрушение металла под действием химического или
электрохимического воздействия под действием окружаемой среды. Основные
факторы воздействия коррозии и ее влияние на экономику:
1. Экономический фактор – экономические потери промышленности в результате
коррозии.
2. Надежность эксплуатации объектов или машин.
3. Экологический фактор.
Виды коррозии:
1. Равномерная (поверхностная).
2. Местная (точечная).
3. Межкристаллитная (по границам зерен).
4. Коррозия под напряжением (ножевая).
5. Электрохимическая коррозия.
Межкристаллитная коррозия (МКК).
Железо не является коррозионностойким металлом. Чистое железо активно
взаимодействует со всеми элементами. Повысить коррозионностойкость можно
введением легирующих элементов, которые вызывают его пассивацию. Пассивация
– эффект создания на поверхности стальной детали тонкой защитной пленки,
подслоем которой является кислород. Результат – электронный потенциал
становится положительным и поверхность становится менее склонной к
коррозии. Усиливают пассивацию Cr, Ni, Cu, Mo, Pt, Pd. Особенно сильно
влияет Cr.
Химический состав: Cr 13-30%, Ni 4-25%, Mo до 5%, Cu до 1%. В зависимости
от содержания легирующих элементов структура и свойства сталей могут быть
различными. Если сталь содержит в основном Cr, который стабилизирует
феррит, то сталь будет ферритной (низкая твердость, низкая прочность,
высокая пластичность). Если сталь содержит в себе кроме Cr C, то ее
структура будет мартенситной. Зная структуру стали, можно прогнозировать ее
свойства и назначать режимы термообработки. Для определения, к какому
структурному классу относится сталь, разработана диаграмма Шеффлера.
Экв. Ni = %Ni + 30(%C) + 0,5(%Mn).
Экв. Cr = %Cr + %Mo + 1,5(%Si) + 0,5(%Nb).
Cr повышает коррозионную стойкость только в том случае, когда его
количество в растворе превышает 13%. Если количество Cr не слишком высоко и
при этом сталь содержит много углерода, то происходит взаимодействие Cr и С
с образованием карбидов. Особенно энергично образование карбидов
наблюдается на границах зерен. При этом количество Cr в твердом растворе
снижается. И если Cr менее 13%, то границы зерен становятся незащищенными.
В результате коррозия легко может пересылаться по границам, не затрагивая
центров зерен. Если скорость охлаждения велика, то карбиды по границам
зерен образовываться не успевают. Количество Cr не снижается меньше 13%.
Если скорость охлаждения очень мала, то при этом сначала образуются карбиды
по границам зерен. При этом количество Cr снижается, но за счет диффузии из
центра зерна происходит увеличение содержания Cr и стойкость
восстанавливается. Если охлаждение идет таким образом, что содержание Cr на
границах не успевает увеличиться и остается меньше 13%, то такая сталь
склонна к межкристаллитной коррозии. Чтобы сделать сталь нечувствительной к
межкристаллитной коррозии, нужно:
1. Понизить содержание углерода и азота.
2. Вводить в сталь другие карбидообразующие элементы более сильные, чем Cr
(Ti, Nb).
3. Увеличить скорость охлаждения при термообработке.
4. Делать отжиг.
Хромистые нержавеющие стали.
Хромистые нержавеющие стали являются самыми дешевыми и поэтому самыми
распространенными. Минимальное содержание Cr 13%. При содержании Cr больше
13% стабилизируется ? – фаза (феррит) и никаких полиморфных превращений в
таких сталях не происходит. Нагрев вызывает только увеличение зерна.
Длительная выдержка при температуре около 600-650є С вызывает появление в
сталях интерметаллидной фазы. Образование такой фазы сильно охрупчивает
сталь, поэтому является нежелательной. Медленное охлаждение или длительная
выдержка при 500є С вызывает образование упорядоченного твердого раствора,
что также вызывает хрупкость стали. Такую хрупкость называют 475єной
хрупкостью. Увеличение температуры выше 1000є С вызывает бурный рост зерна
и как следствие снижение вязкости, т.е. сталь тоже становится хрупкой.
Поэтому при всех вариантах изготовления деталей из этих сталей и их
термообработки необходимо избегать температурных интервалов, при которых
возможно охрупчивание и потеря вязкости.
Термообработка хромистых сталей.
Термообработка сталей в зависимости от необходимости может быть смягчающей,
т.е. отжиг или упрочняющей, т.е. закалка + отпуск. Отжиг проводится либо
для устранения хрупкости, либо для снятия наклепа, либо для стабилизации
химического состава и устранения склонности стали к межкристаллитной
коррозии. Для устранения хрупкости, вызванной появлением упорядоченного
твердого раствора, применяют отжиг с нагревом 500-550є С. Время выдержки
должно быть меньше, чем ?min при появлении хрупкости 475є. Скорость
охлаждения 10є С в минуту. Для устранения наклепа, а так же ?-фазы
применяют второй вариант отжига с температурой 850-900є С. Скорость
охлаждения 10є С в минуту. Третий вариант отжига применяется для массивных
деталей, когда требуется стабилизировать содержание Cr по сечению детали,
чтобы избежать склонности стали к межкристаллитной коррозии. Выдержка от 2
до 4 часов. Для хромистых сталей мартенситного класса применяют упрочняющую
термообработку: закалка + отпуск. Возможно применение одной закалки без
отпуска, если деталь небольших размеров или охлаждение идет на воздухе. Для
хромистых сталей мартенситного класса охлаждение в любом случае дает
мартенситную структуру. Поэтому применение охлаждающих сред (вода, масло)
не требуется. Лишь охлаждение печью вызывает ферритно-карбидную структуру.
Такой же структуры можно добиться после закалки и отпуска при температуре
650є С.
Наибольшая твердость достигается после закалки. В этом состоянии сталь
обладает наивысшей коррозионной стойкостью, т.к. Cr находится в твердом
растворе. Если требуется сохранить твердость и коррозионную стойкость, то
отпуск стали проводят при температуре 250-350є С. А если требуется
повышенная вязкость, то проводят высокий отпуск (650є С).
Состав, структура и свойства хромистых сталей.
Основные легирующие элементы:
1. Cr – 13-28%.
2. С – 0,05-1%.
3. Ti, Nb < 1% - вводятся для стабилизации стали.
4. Ni, Cu, Mo – вводятся для повышения коррозионной стойкости и вязкости.
Хромистые стали делят на:
1. Cr 13%.
2. Cr 17%.
3. Cr 25-27%.
Увеличение содержания углерода вызывает в хромистых сталях мартенситное
превращение, так же появление карбидов. Чем больше карбидов и С, тем
По содержанию углерода стали делят на:
1. Стали ферритного класса (08Х13, 08Х17, 05Х27).
2. Стали ферритно-мартенситного класса (12Х13).
3. Стали мартенситного класса (20Х13, 30Х13, 40Х13).
4. Стали с мартенситом + карбиды (65Х16, 95Х18Ш).
В зависимости от структуры стали изменяются ее свойства и назначение. Стали
ферритного класса из всех хромистых отличаются наилучшей пластичностью. Из
них изготавливают листы и другие полуфабрикаты для изготовления деталей с
применением сварки. Из всех хромистых стали ферритного класса хорошо
поддаются сварке. При использовании стали следует помнить, что она может
охрупчиваться при медленном охлаждении, а так же при увеличении зерна.
Поэтому в эти стали добавляют Ti и Nb, которые образуют карбиды. Такие
стали называют стабилизированными. Для сталей ферритного класса применяют
отжиг в разных вариантах – 1, 2, иногда 3.
Стали мартенситного класса отличаются высокой твердостью и прочностью,
поэтому их используют для изготовления деталей, которые должны сохранять
высокую прочность и твердость при работе в агрессивных средах. Для таких
сталей проводят закалку + низкий отпуск.
Стали со структурой мартенсит + карбиды имеют большое количество карбидов
хрома. Они используются для изготовления деталей, которые работают в
агрессивных средах при температуре от –150 до +250є С. Твердость 57 HRC.
Термообработка: закалка (1000-1150є С – воздух) + отжиг (250-350є С).
Хромоникелевые стали.
Если сталь кроме Cr содержит еще Ni, Mn, Mo, то ее структура из ферритной
может измениться на ферритно-аустенитную или даже на чистую аустенитную.
Т.е. после охлаждения на воздухе сталь сохраняет аустенитную структуру,
которая не меняется ни при каких вариантах термообработки. При содержании
Ni>10% сталь становится аустенитной. Аустенит позволяет получить не только
коррозионную стойкость, но так же и высокие технические свойства. Сталь
хорошо поддается обработке давлением, сварке, сохраняет свойства до 600-
700є С, не охрупчивается, не чувствительна к хладноломкости, но сталь
склонна к межкристаллитной коррозии и ее невозможно упрочнять закалкой.
Термообработка: закалка + отжиг.
И после закалки и после отжига структура одинаковая, одинаковые и свойства.
Закалке подвергают тонкостенные изделия простой формы и небольшого размера.
Температура и закалки, и отжига одинакова и зависит от состава стали. Если
сталь содержит только Cr, Ni, то температура не должна превышать 950-1000є
С. Увеличение температуры вызывает резкий рост зерна и снижение
характеристик. Охлаждение при закалке должно быть таким, чтобы не попасть в
область выделения карбидов Cr. Уменьшения стоимости хромоникелевых сталей
можно добиться, если вместо Ni вводить Mn.
Для того, чтобы стабилизировать структуру, необходимо, чтобы Cr<15%,
Mn>15%. Если условие не выполняется, то мы получаем сталь с неустойчивым
структурным состоянием. Для получения стабильной аустенитной структуры Ni
заменяют частично (10Х14Г14Н4Т, 20Х13Н4Г9). Термообработка принципиально не
отличается от термообработки хромоникелевых сталей. Такой недостаток
хромоникелевых сталей, как склонность к росту зерна, можно устранить,
используя для сварных деталей стали ферритно-аустенитного класса
(15Х22Н5М5Т) или аустенитно-мартенситного класса (08Х15Н5Д2Т). Стали
аустенитно-мартенситного класса обладают повышенной твердостью. Чисто
аустенитные стали склонны к коррозии под напряжением. Даже самые лучшие
аустенитные стали оказываются недостаточно стойкими при контакте с
кислотами. Поэтому разработаны коррозионно-стойкие сплавы:
Fe – Ni – Cr (04ХН40МДТЮ).
Ni – Cr (ХН45В).
Ni – Mo (Н70МФ).
Cr – Ni – Mo (ХН65МВ).
Жаростойкие стали и сплавы (ЖСС).
Под жаростойкостью понимают способность стали сопротивляться окислению при
высоких температурах. [pic].
При нагревании железа выше 700є С основным окислом на его поверхности
является FeO. Кристаллическая решетка этого окисла неплотная и содержит
большое количество вакансий. По вакансиям происходит диффузия
Для повышения жаростойкости в сталь добавляют легирующие элементы, которые
входят в состав окислов FeO, располагаются в вакансиях и делают окисел
более плотным. Если количество легирующих элементов велико, то они образуют
двойные окислы (FeCr2O4, FeAlO4). Если легирующих элементов много, то они
могут образовывать свои собственные окислы. Жаростойкие стали и сплавы
делятся на ферритные, мартенситные и аустенитные.
Жаростойкие стали ферритного класса (сильхромы).
Данные стали обладают высокой твердостью, прочностью, сопротивлением
ударным нагрузкам, износостойкостью. Они предназначены для длительной
работы с постоянным воздействием ударных нагрузок. Основные стали: 40Х6С
(800є С), 40Х7С6М (850є С), 40Х9С2 (900є С), 40Х10С2М (950є С), 30Х13Н7СМ
(1100є С).
Термообработка: закалка + высокий отпуск.
Жаростойкие стали аустенитного класса.
Основные стали: 08Х18Н10Т (700є С), 08Х22Н20С2 (1100є С), 08Х28Н20 (1100-
1150є С). Если требуется достичь температур 1100-1200є С, то используют
нихромы (Ni-Cr): ХН80, ХН78Т.
Жаропрочность сталей и сплавов.
Под жаропрочностью понимают способность металла сопротивляться нагрузкам
при повышенных температурах. Жаропрочность оценивается двумя показателями:
1. Предел длительной прочности, т.е. способность металла без разрушения
выдерживать нагрузки при заданной температуре.
[pic]
такая запись показывает, что данный сплав гарантированно без разрушения в
течение 100 часов при температуре 700є С выдерживает нагрузку 50 мПа.
2. Предел ползучести.
[pic]
Предел ползучести показывает, что данный металл или сплав при температуре
750є С под нагрузкой 100 мПа в течение 1000 часов изменит свои размеры не
более, чем 0,1%. Основной механизм пластической деформации при высоких
температурах – это диффузионная пластичность, т.е. последовательное
перемещение атомов кристаллической решетки в направлении прикладываемой
нагрузки. Наиболее энергично диффузия развивается при наличии дефектов
кристаллической решетки (точечных, линейных и поверхностных). Наибольший
вклад в этот процесс вносят поверхностные дефекты, особенно границы зерен.
При повышении температуры силы связи между атомами ослабевают, поэтому
наблюдается проскальзывание отдельных зерен друг относительно друга, т.к.
именно на границах зерен наблюдается большое количество разорванных связей.
То есть прочность границ при высоких температурах меньше, чем самих зерен.
Поэтому в жаропрочных материалах всегда добиваются разнозернистой структуры
или даже монокристаллической. Затруднить процесс ползучести можно так же
блокируя перемещения дислокаций. Для этого необходимо вводить в сплав
специальные легирующие элементы, которые образуют на плоскостях скольжения
карбидные и интерметаллидные фазы. Дислокации, натыкаясь на эти фазы,
тормозятся. Чем мельче эти фазы и чем их больше, тем интенсивнее процесс
торможения и тем выше сопротивление ползучести. Наиболее сильно проявляется
ползучесть при увеличении температуры выше температуры рекристаллизации
металла – основы сплава. Для повышения температуры начала рекристаллизации
вводят легирующие элементы, которые повышают порог рекристаллизации.
1. Для получения жаропрочного металла необходимо выбирать в качестве
металла – основы сплава такие, у которых силы связи между атомами
максимальны, т.е. металлы, обладающие наиболее высокой температурой
плавления (Mg-651є С, Al-660є С, Ni-1442є С, Fe-1533є С, Ti-1668є С, Co-
1830є С, Mo-2100є С, W-3430є С). При выборе металла – основы для
жаропрочных сплавов необходимо учитывать наличие в данном металле
полиморфных превращений. Т.к. смена кристаллической решетки при полиморфном
превращении приводит к разупрочнению металла и к потере всех механических
свойств. Полиморфное превращение затрудняет создание высокожаропрочных
сплавов на базе Fe или Ti.
2. Легирующие элементы. Для создания жаропрочных сплавов необходимо
вводить легирующие элементы, которые увеличивают силы связи в
кристаллической решетке. А во-вторых, образуют в сплаве интерметаллиды и
карбиды, препятствующие перемещению дислокаций. Одновременно с введением
легирующих элементов необходимо обеспечивать чистоту сплава от вредных
примесей. Вредными считаются легкоплавкие примеси, а так же любые другие
элементы, вызывающие хрупкость.
3. Структура. Чтобы получить необходимую рабочую структуру для жаропрочных
материалов, разработаны соответствующие режимы термообработки. Для
получения крупнозернистой структуры, применяют высокотемпературный нагрев и
длительную выдержку. При этом в раствор переходит большая часть легирующих
элементов. Охлаждение проводится очень быстро (на воздухе или в воде) для
фиксации пересыщенного твердого раствора. После закалки делается
высокотемпературное старение.
Классификация жаропрочных сплавов.
Основные требования:
1. Максимально высокий предел длительной прочности.
2. Минимальная ползучесть в рабочем интервале температур.
3. Высокое сопротивление усталости, нечувствительность к концентраторам
напряжений.
4. Максимально возможное сопротивление газовой коррозии.
5. Удовлетворительные технологические свойства (обрабатываемость
давлением, литейные свойства, свариваемость).
1). 150-250є С – сплавы на основе Mg.
2). 250-350є С – сплавы на основе Al.
3). 350-450є С – сплавы на основе Ti.
4). 450-600є С – теплоустойчивые стали.
а) до 500є С – котельные стали (15К, 18К, 20К).
б) до 550є С – 12ХМ, 12Х1МФ, 25Х1МФ.
в) до 600є С – 15Х5, 15Х5ВФ, 14Х12В2Ф.
Основное требование для теплоустойчивых сталей – длительная безаварийная
работа (100000 – 300000 часов).
Термообработка: закалка + высокий отпуск (tотп > tраб).
5). 600-700є С – аустенитные стали на основе ?-Fe.
а) 10Х18Н14Т – гомогенные стали (не упрочняемые термообработкой).
Применяется закалка (для получения однородной аустенитной структуры). Иначе
такая термообработка называется аустенизацией.
б) 40ХН14В2М – тяжело нагруженные детали. Применяется закалка + отпуск. В
процессе отпуска выделяются карбиды по границам зерен, что позволяет
упрочнять сплавы.
в) 10Х11Н20Т3Р – карбидно – интерметаллидное упрочнение. Применяется
закалка + старение. Закалка позволяет получить насыщенный твердый раствор.
Старение позволяет получить выделение карбидов и интерметаллидов.
6). 700-800є С – сплавы на обнове Fe-Ni. ХН32Т, ХН35ВТЮ.
7). 800-900є С – сплавы на основе Ni. ХН77ТЮР, ХН72МБТЮ.
Термообработка: высокотемпературная закалка 1130-1170є С + старение 700-
750є С. После выделения карбидной фазы проводят несколько
низкотемпературных старений 500-550є С.
8). до 1000є С – литейные сплавы. ЖС3, ЖС6, ВЖЛ14, ВЖЛ32.
Цветные сплавы.
Al и его сплавы.
Сплавы делят на две группы. Алюминиевые сплавы принято классифицировать по
технологическому признаку, базируясь на диаграмме состояния. Алюминий со
всеми легирующими элементами образует диаграммы состояния с эвтектикой.
Если в сплаве образуется эвтектика, то она располагается по границам зерен,
препятствуя пластической деформации. Чем больше эвтектики, тем выше
литейные свойства. Все сплавы, содержащие в составе эвтектику, называют
литейными сплавами. Сплавы, в которых эвтектика не образуется, хорошо
поддаются пластической деформации, поэтому называются деформируемыми
сплавами. По отношению к термообработке все алюминиевые сплавы принято
разделять на упрочняемые и не упрочняемые. Упрочнять алюминиевые сплавы
можно только за счет закалки без полиморфного превращения, т.е. за счет
ограниченной растворимости легирующих элементов в твердом растворе. Поэтому
все сплавы, лежащие левее линии сольвус, считаются не упрочняемыми
термообработкой, т.к. при нагреве и охлаждении никаких фазовых превращений
не происходит. Сплавы, лежащие правее линии сольвус, имеют ограниченную
растворимость легирующих элементов. В процессе нагрева вторичные фазы
растворяются, а при охлаждении снова выделяются. Используя это фазовое
превращение, можно упрочнять такие сплавы за счет закалки и старения,
поэтому такие сплавы называют упрочняемыми. Упрочнять термообработкой можно
как деформируемые, так и литейные стали. В некоторых сплавах количество
легирующих элементов невелико, поэтому эффект упрочнения от выделения
вторичных фаз так же невелик. Такие сплавы так же считаются не упрочняемыми
термообработкой (АМц, АМг).
Термообработка алюминиевых сплавов.
Алюминиевые сплавы подвергаются отжигу для получения равновесной структуры,
а так же закалке и старению с целью упрочнения.
Отжиг алюминиевых сплавов. Для алюминиевых сплавов проводят отжиг на
рекристаллизацию, гомогенизацию и для снятия внутренних напряжений.
Гомогенизация алюминиевых сплавов.
Алюминиевые сплавы отливают в виде слитков с применением специальных
кристаллизаторов, охлаждаемых водой. Ускоренное охлаждение слитка ведет к
появлению неравновесной структуры, т.е. по сечению слитка наблюдается
дендритная ликвация, обратная зональная ликвация, наличие неравновесной
эвтектики по границам зерен, выделение крупных интерметаллидов, микропоры.
Такая неравновесная структура не обеспечивает высокой пластичности, и
поэтому все слитки после кристаллизации подвергают высокотемпературному
отжигу – гомогенизации. Температура отжига может быть либо выше, либо ниже
температуры неравновесного солидуса. При таком отжиге высокая температура
нагрева активизирует процессы диффузии, что позволяет выровнять химический
состав по сечению слитка, т.е. устранить дендритную ликвацию. Одновременно
с этим происходит растворение крупных частиц интерметаллидных фаз. Исчезают
также выделения неравновесной эвтектики по границам зерен. Если
гомогенизацию проводится по режиму, когда температура нагрева выше
неравновесного солидуса, то нагрев сопровождается местным расплавлением,
т.е. образуется жидкость между зернами в местах появления неравновесной
эвтектики. Диффузия в присутствии жидкой фазы идет очень быстро, поэтому
гомогенизация при такой температуре проходит быстрее. После выравнивания
химического состава неравновесные фазы исчезают, устраняется и жидкая фаза.
Слиток охлаждается.
Отжиг на рекристаллизацию.
Применяется для алюминиевых полуфабрикатов после холодной деформации для
снятия наклепа. Алюминиевые сплавы легко поддаются всем видам ОМД. Как
правило, слиток первоначально подвергают горячей деформации (происходит
уплотнение металла: заварка всех пор, разбиваются и измельчаются
интерметаллидные фазы). Горячая деформация, как правило, не позволяет
получить точных размеров, не обеспечивается высокое качество поверхности.
Поэтому после горячей деформации проводится холодная деформация, которая
обеспечивает высокую точность и качество поверхности. Однако возникающий
наклеп увеличивает прочность и жесткость металла. Для устранения наклепа
применяют рекристаллизационный отжиг. В процессе рекристаллизационного
отжига за счет процессов первичной и собирательной рекристаллизации
происходит замена старых деформированных зерен на новые. Наклеп исчезает и
металл снова можно подвергать пластической деформации. Разновидностью
отжига на рекристаллизацию является отжиг на полигонизацию. Он проходит при
температуре, которая ниже температуры отжига на рекристаллизацию. Во время
этого отжига не происходит замены структуры, и снятие наклепа
осуществляется частично за счет перераспределения дислокаций. После такого
отжига металл сохраняет часть наклепа и имеет полутвердое состояние. Такой
вид отжига применяют для сплавов, которые не упрочняются закалкой, т.е.
увеличить прочность можно за счет частичного или полного сохранения
наклепа.
Отжиг для снятия внутренних напряжений.
Применяется для готовых изделий, полученных с применением сварки или
неоднородной пластической деформации. Внутренние напряжения в деталях, как
правило, нежелательны, т.к. могут привести к короблению или
преждевременному разрушению. Поэтому такие детали отжигают. Снятие
внутренних напряжений происходит за счет процессов возврата, т.е.
перераспределения точечных и линейных дефектов. Отжиг для снятия внутренних
напряжений не следует путать с отжигом на возврат. Этот термин применяется
на заводах для отжига, который используется для устранения в деталях
закаленного состояния.
Упрочняющая термообработка алюминиевых сплавов.
Упрочнение алюминиевых сплавов возможно за счет закалки без полиморфного
превращения при наличии в сплаве ограниченной растворимости легирующих
элементов. Для получения эффекта закалки алюминиевые сплавы нагревают до
температуры выше линии солидус. Выдержка должна быть такой, чтобы
обеспечить полное растворение всех вторичных фаз. После закалки получается
пересыщенный твердый раствор. Охлаждение должно вестись интенсивно.
Пересыщенный твердый раствор является нестойким и в течение времени
начинает распадаться. Процесс распада называется старением. Процесс распада
твердого раствора можно разбить на 4 стадии:
1. В кристаллической решетке твердого раствора появляются зоны,
обогащенные легирующими элементами. Они представляют области дискообразной
формы.
2. Зоны увеличиваются в 10 раз, а концентрация легирующих элементов
становится такой же, как и в интерметаллидах. Эти зоны называются зонами
Гинье-Престона (ГП).
3. На месте этих зон образуются ?’ – фазы. В зонах, обогащенных медью,
образуется кристаллическая решетка промежуточная между твердым раствором и
упрочняющей фазой.
4. Образуется ? – фаза.
Механические свойства в процессе старения на разных стадиях меняются по-
разному. 1, 2 и 3 стадия сопровождается увеличением прочности, твердости и
одновременным снижением пластичности. Это объясняется тем, что в процессе
распада твердого раствора происходит искажение кристаллической решетки,
т.е. сопротивление перемещению дислокаций увеличивается. На 4 стадии
происходит отделение вторичной фазы от твердого раствора, появляется
граница раздела. Искажение кристаллической решетки становится меньше,
прочность и твердость падает. Поэтому 4 фазу называют перестариванием. Если
требуются высокие прочность и твердость, то старение оканчивают на 3
стадии. Увеличение температуры старения не вызывает повышения твердости, а
лишь ускоряет процесс распада твердого раствора.
Следует учитывать, что некоторые сплавы, особенно сложнолегированные, не
достигают максимального упрочнения при естественном старении. Поэтому для
получения оптимальных свойств требуется подбор оптимальных температур.
Чрезмерное увеличение температуры старения вызывает коагуляцию вторичной
фазы, т.е. увеличение ее размеров и одновременно уменьшение количества ее
выделений. Чем выше температура, тем меньше твердость и прочность, тем
ближе свойства к исходному отожженному состоянию. Чтобы снять эффект
упрочнения от закалки необходимо применить отжиг с нагревом до температур,
близких к температуре закалки, но с последующим медленным охлаждением.
Такой отжиг называют отжигом на возврат.
Термомеханическая обработка алюминиевых сплавов.
Для алюминиевых сплавов можно применять практически все виды т.м.о. Однако
чаще всего применяют высокотемпературную т.м.о. и низкотемпературную т.м.о.
ВТМО.
Представляет собой сочетание упрочняющей термообработки и горячей
пластической деформации. Горячая деформация проводится после нагрева под
закалку, а резкое охлаждение проводится сразу после деформации. Деформация
позволяет повысить прочность за счет увеличения плотности дефектов
кристаллической решетки, т.е. за счет создания наклепа. Степень деформации
должна быть такой, чтобы не вызвать начало рекристаллизации, т.е. при
температуре деформации проходит только динамическая рекристаллизация. В
результате в металле образуется сетка дислокаций, создающая ячеистую
субзеренную структуру. Это позволяет не только повысить прочность, но и
сохранить высокую пластичность и вязкость. Резкое охлаждение фиксирует эту
структуру. Последующее старение ведет к распаду пересыщенного твердого
раствора, а выделяющиеся частицы вторичных фаз располагаются вдоль сетки
дислокаций, препятствуя их перемещению и способствуя увеличению прочности.
Условием для успешного проведения нтмо является условие: Трек > Тзак. Если
это условие не выполняется, то наклеп, образующийся при деформации, будет
снят за счет рекристаллизации. В этом случае необходимо изменить схему
процесса. Деформация проводится не сразу после нагрева, а после выдержки и
небольшого подстуживания до температуры ниже температуры рекристаллизации.
Технологически втмо проводят при горячей прокатке или горячем прессовании.
В этом случае оборудование позволяет за небольшой промежуток времени
продеформировать металл с достаточно большой величиной деформации. И сразу
после этого есть возможность быстрого охлаждения. Впервые втмо была
обнаружена случайно при горячем прессовании сплавов системы Al – Mg – Si. В
настоящее время применяют структурное упрочнение. Способствует появлению
пресс – эффекта гомогенизация сплавов, а так же введение труднорастворимых
легирующих элементов (Ti, Zr, Sc).
НТМО.
При нтмо холодная деформация проводится сразу после закалки до начала
старения. Закаленный сплав имеет структуру пересыщенного твердого раствора.
И несмотря на увеличение прочности сохраняет высокую пластичность, поэтому
после закалки его можно подвергать холодному деформированию со степенью 15-
20%. Возникающий наклеп позволяет увеличить прочность за счет увеличения
дефектов кристаллического строения. При последующем старении выделение
вторичных фаз блокирует дефекты , увеличивая сопротивление деформации,
повышая тем самым прочность. Холодная деформация проводится как на
прокатном стане, так и растяжением. Растяжение позволяет одновременно
выправить искажение формы полуфабрикатов, полученную при закалке.
Сплавы алюминия.
Алюминий производится как химически чистый, так и технически чистый.
Химически чистый обозначается А. Далее идут цифры, показывающие его чистоту
Технически чистый алюминий маркируется А. Далее идет цифра, показывающая
содержание алюминия.
Деформируемый алюминий.
АД
Основными легирующими элементами, которые вводят в состав сплава, являются
Si, Cu, Mg, Mn, Zn, Li. Их количество может изменяться от 0,5 до 12%. Кроме
этих элементов в качестве микродобавок могут вводить Ti, Cr, Fe, Zr, Sc. В
качестве маркировки используют 3 схемы:
1. Деформируемый алюминий.
АМц (N) – Al – Mn.
АМg (N) – Al – Mg.
АВ, АД – Al – Mg – Si.
Д1, Д16 – Al – Cu – Mg.
Литейный алюминий.
АЛ (N).
2. Цифровая схема для деформируемых сплавов.
Всего 4 цифры:
1 цифра – основа (Al – 1)
2 цифра – система легирования (0 – чистый алюминий, 1 – Al – Cu – Mg, 2 –
Al – Cu – Mn, 3 – Al – Mg – Si, 4 – Al – Mg, 5 – Al – Mg, 9 – Al – Zn –
Mg).
3 и 4 цифра – номер сплава.
3. Литейные сплавы.
Аналогична маркировке стали.
А – Al (основа).
2 место – легирующие элементы:
К – Si, М – Cu, Мг – Mg, Мц – Mn, Н – Ni, Ц – Zn.
После каждой буквы, соответствующей легирующему элементу, стоит цифра,
показывающая его содержание в целых процентах. Если цифры нет, то
количество легирующего элемента равно 1%.
В зависимости от технологии производства выпускаются полуфабрикаты из
алюминиевых сплавов после различных вариантов термообработки. В этом случае
к основной маркировке в конце добавляются буквы и цифры, показывающие
состояние поставки:
А – плакировка.
Б – технологическая плакировка.
М – отожженный.
П – полунагартованный.
Н – нагартованный.
Т – твердый (закалка + естественное старение).
Т1 – закалка + искусственное старение.
ТН – закаленный, нагартованный и естественно состаренный.
Т1Н – закаленный, нагартованный и искусственно состаренный.
Т1Н1 – закаленный, усиленно нагартован и искусственно состаренный.
Сплавы, не упрочняемые термообработкой.
К этой группе относятся технический алюминий, деформируемый алюминий,
сплавы Al с Mn (АМц), Al с Mg (АМг).
Сплавы Al c Mn (АМц).
Mn образует с Al интерметаллидную фазу AlMn6, которая дает эвтектику при
температуре 658є С при содержании Mn 1,95%. Количество Mn, которое
|
