Види та способи гартування.

Існує декілька видів та способів гартування. Вони різняться технологією та температурним режимом нагрівання і охолодження, фазовими та структурними змінами, характером дії та інше. Розрізняють об'ємне та поверхневе гартування.

Найбільш широке застосування отримало гартування в одному охолоджувачі – безперервне або повне гартування. Для невеликих деталей складної форми і при необхідності зменшення деформації використовують ступінчате та ізотермічне гартування (рис. 12. а, б,).

а б

Рисунок 12. – Схеми гартування: а – ступінчате, б – ізотермічне.

При ступінчастому гартуванні вироби після нагрівання спочатку коротко охолоджують з критичною швидкістю, а надалі на повітрі, при цьому вирівнюється температура по перерізу виробу, зменшуються об'ємні напруження, уникає можливість утворення гартувальних тріщин, викривлення форми. Ізотермічне гартування аналогічне і відрізняється не принципово.

Поверхневе гартування виробів, на відміну від об'ємного, дозволяє зміцнювати тільки поверхневий шар на певну глибину. Його можна проводити двома способами. В одному випадку нагрівають тільки поверхневий шар, який потім гартують при охолоджуванні. В іншому - нагрівають весь виріб, але при гартуванні охолоджують тільки поверхневий шар із швидкістю більше критичної. Поверхневе гартування здійснюють індукційним способом, струмом високої частоти, плазмовим чи лазерним променем.

9. 4. Відпущення.

Термін "відпущення" звичайно використовують стосовно сталей і іншим сплавам, що зазнають при гартуванні поліморфне перетворення (двофазна алюмінієва бронза, деякі сплави на основі титана та ін.).

Термін "старіння", частіше всього, використовують стосовно сплавів, що не зазнають при гартуванні поліморфного перетворення (сплави на основі алюмінію, аустенітні сталі, нікелеві сплави і ін.).

Відпущення і штучне старіння- термічна обробка загартованих сплавів (головним чином стали), що включає нагрівання нижче 0,4 Т_пл, витримку і охолоджування. Швидкість охолоджування не впливає на структуру і властивості сплавів. Мета - досягнення оптимального поєднання міцності, пластичності і ударної в'язкості.

При відпущенні і штучному старінні в заздалегідь загартованих сплавах нагрів викликає процеси розпаду пересиченого твердого розчину (метастабільної фази), в результаті яких відбуваються фазові перетворення.

Відпущення і штучне старіння в 2...3 рази підвищують такі властивості сплаву як твердість, міцність, коерцитивну силу, питомий електричний опір і ін.

9.5. Термомеханічна обробка.

Термомеханічна обробка – це сукупність операцій деформації, нагріву і охолодження, в результаті яких формування остаточної структури і властивостей матеріалу відбувається в умовах збільшеної щільності і оптимального розподілу дефектів будови, створених пластичною деформацією.

В залежності від температури, при яких здійснюють деформацію і температури рекристалізації металу розрізняють високотемпературну (ВТМО) і низькотемпературну (НТМО) термомеханічну обробку.

При ВТМО сплав нагрівають до температур фазових перетворень у твердий розчин і деформують зі ступенем пластичної деформації 30 – 50%. Після деформації одразу проводять гартування, щоб уникнути розвитку рекристалізації.

По другому способу НТМО, сплав деформують в температурній зоні нижчій за температуру рекристалізації і фазових перетворень, ступінь пластичної деформації складає 75 – 95%. Гартування проводять одразу після деформації і виконують обов’язкове низькотемпературне відпущення.

ТМО дозволяє одночасно отримати дуже високу міцність з забезпеченням гарної пластичності. Також при цьому підвищується ударна в’язкість, тріщиностійкість, знижується поріг холодноламкості і крихкість.

9.6. Хіміко-термічна обробка.

Хіміко-термічна обробка (ХТО) – термічна обробка металів та сплавів в хімічно активних середовищах для зміни хімічного складу, структури і властивостей в поверхневих шарах.

Механізм ХТО включає:

- утворення в оточуючому середовищі (чи в окремому об’ємі) високої концентрації дифундуючого елемента в атомарному (іонізованому) стані;

- адсорбцію атомів (іонів) на поверхні матеріалу з утворенням хімічних зв’язків між іонами дифундуючого елемента і основного сплаву;

- дифузію адсорбованих атомів від поверхні в глибину оброблюваного матеріалу.

Концентрація активного елементу зменшується від поверхні в глибину металу. При цьому утворюється міцний легований поверхневий шар з поступовим переходом до основного металу.

Технологія ХТО найбільш результативна у випадку, коли дифундуючий елемент і основний метал взаємодіють з утворенням хімічних з'єднань чи твердих розчинів.

ХТО обробку металів класифікують: по виду дифундую чого елемента і по способу дифузійного насичення.

В залежності від насичуючого елементу виділяють такі види ХТО:

- цементація – насичення вуглецем – дозволяє збільшити працездатність виробів, що в процесі експлуатації витримують значні статичні, динамічні і перемінні навантаження а також абразивне зношення;

- азотування – азотом – підвищує твердість поверхневого шару (більш ніж цементація), його зносостійкість, границю витривалості і опір корозії в таких середовищах як пар, повітря, вода;

- нітроцементація – вуглецем і азотом одночасно;

- борірування – бором в певних середовищах – підвищує жаростійкість, корозійну стійкість, зносостійкість і твердість;

- силіціювання – кремнієм – збільшення корозійної стійкості в морській воді, азотній, сірчаній та соляній кислотах;

- алітірування – алюмінієм – для збільшення корозійної стійкості, та окалиностійкості;

- цинкування – цинком – для збільшення стійкості в атмосфері, воді, бензині та інших середовищах;

- нікелювання – нікелем – забезпечує підвищену стійкість проти газової корозії, окалиностійкість, високу корозійну стійкість та зносостійкість;

- хромування – хромом (аналогічно нікелюванню).

По способу дифузійного насичення застосовують:

- занурення в розплав;

- насиченням з розплавлених солей з електролізом чи без нього;

- насичення з сублімованої фази шляхом випаровування;

- насиченням з газової фази.

Хіміко-термічна обробка заклечається в нагріванні виробів до заданої температури і твердому, газовому чи рідкому середовищі, що легко виділяє дифундуючий елемент в атомарному стані, витримці при цій температурі та охолодженні з визначеною швидкістю.

На відзнаку від термічної обробки ХТО змінює не тільки структуру, але й хімічний склад поверхневих шарів сплаву, що дозволяє в більш широких межах змінювати властивості сплавів.

Хіміко-термічна обробка дозволяє збільшити поверхневу міцніть, твердість, опір поверхні ударнім навантаженням, зносостійкість, корозійну стійкість, окалиностійкість, жаростійкість.

Розділ ІІ. Конструкційні матеріали

Лекція 9

10. Загальна характеристика та класифікація металевих матеріалів.

Метали – прості речовини, які мають в звичайних умовах характерні властивості: високу електро- і теплопровідність, здатність відбивати електромагнітні хвилі, блиск, непрозорість, висока міцність та пластичність. Всім металам притаманний металевий тип хімічного зв’язку, який обумовлює кристалічну будову металів і наявність в кристалічних ґратках, не зв’язаних з атомними ядрами рухливих електронів, що забезпечує перелічені властивості. Слабкий зв'язок валентних електронів з атомами обумовлює хімічні властивості металів: вони легко утворюють основні окисли, солі, заміщують водень в кислотах та інше.

Металеві сплави в основі мають один чи більше металів, тому для них характерні ті ж властивості, що й для металів.

Метали і сплави в промисловості поділяють на дві основні групи: чорні та кольорові.

До чорних металів відносять сплави на основі заліза з різними хімічними елементами, а також кобальт, нікель і близький до них по властивостям марганець. Використання чорних металів широко розповсюджене, що зумовлено їх високим вмістом в земній корі, його невисокою вартістю, гарним поєднанням механічних і технологічних властивостей.

Кольорові метали більш різні за властивостями тому їх поділяють на:

- легкі метали, які мають невисоку щільність (γ ≤5000кг/м³): Ве, Mg, Al, Ti;

- тугоплавкі метали, з температурою плавлення більше ніж у заліза (1539°C): Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, W, V;

- благородні метали – мають хімічну інертність: Ph, Pd, Pt, Ag, Au, Os;

- уранові метали – актіноіди, використовують в атомній техніці: U, Th, Pa;

- рідкоземельні метали – лантаноїди, використовують як присадку до сплавів: Ce, Pr, Nd, Sm;

- лужні метали, використовують як теплоносії чи каталізатори хімічних процесів: Li, K, Ca, Na.

11. Залізовуглецеві сплави.

11.1. Компоненти системи сплавів Fе – Fе₃С та їх характеристика.

Основні компоненти залізовуглецевих сплавів це залізо (Fe) і вуглець (С).

Залізо (Fe) – метал білого кольору з сильно виявленими феромагнітними властивостями. Щільність заліза – 7800 кг/м³. Міцність невисока σ_т.о. = 200...250МПа, твердість НВ = 60..80МПа, пластичність гарна δ = 40..50%. При нормальній температурі залізо має ОЦК решітку, але при збільшенні температури до 768ºС (точка Кюрі) втрачає магнітні властивості. Втрата ця не пов'язана з перебудовою атомів у кристалічній решітці, однак ОЦК решітка при цьому зберігається. Щоб відрізнити магнітне Fe_α від немагнітного, немагнітне іноді називають Fe_β. Залізо при зміні температури набуває поліморфних перетворень При температурі 911 °С Fe_β перетворюється в Fe_γ з ГЦК решіткою. При температурі 1392 °С ГЦК решітка знову перетворюється в ОЦК. Цю модифікацію на відміну від низькотемпературної ОЦК решітки називають Fe_δ. При температурі 1539 °С залізо плавиться.

Критичні точки (температури), які відповідають фазовим перетворенням у залізі, мають спеціальні позначення. Так, температуру магнітного перетворення Fe_α → Fe_β позначають через А₂, температуру перетворення Fe_β → Fe_δ - через А₃ а температуру перетворення Fe_γ → Fe_δ - через А₄. Крім того, коли йдеться про перетворення при нагріванні, то до позначення критичної точки додають індекс с (А_С2,, А_С3)а при перетвореннях, що відбуваються при охолодженні, - індекс r (А_r2, А_r3).Додавання до заліза інших компонентів зміщує положення критичних точок.

Вуглець (С) – це неметал з температурою плавлення 3500°С. Із залізом він утворює тверді розчини або хімічні сполуки, а в певних умовах може виділятись у вигляді графіту.

11.2. Діаграма стану залізовуглецевих сплавів. Характеристика фазового складу.

Гранична розчинність вуглецю в Fe_α при нормальній температурі (20°С) не перевищує 0,006 %, а при t = 723°C граничний вміст вуглецю становить 0,02%. Такий розчин є практично чистим залізом. Називають його ферит (Ф). Міцність фериту σ_т.о. = 250..300 МПа, твердість 80...90 НВ, відносне видовження δ =30..40 %, відносне звуження ψ = 80%.

Твердий розчин вуглецю в Fe_γ називається аустеніт (А). Розчинність вуглецю в аустеніті з підвищенням температури збільшується від 0,8% (727°С) до 2,14 % (1147°С). Аустеніт немагнітний і має підвищену порівняно з феритом пластичність. Твердість аустеніту НВ = 160..200 МПа

Залізо з вуглецем утворює ряд хімічних сполук. З них практичне значення має карбід Fе₃С, який містить 6,67 % С. Цей карбід називають цементит (Ц). Цементит досить твердий (~ 800 НВ), але крихкий, міцність на розтяг σ_т.о. ~ 40 МПа. Температура плавлення близько 1250 °С, при нормальній температурі цементит існує довго, а при t ≥ 950°С розпадається на залізо і графіт. Цементит є метастабільною фазою і на діаграмі стану зображується вертикальною лінією.

Отже, фазами в залізовуглецевих сплавах можуть бути ферит, аустеніт, цементит і графіт.

Діаграма стану системи сплавів Fе – Fе₃С побудована в межах концентрації вуглецю від 0 до 6,67 %, тобто до утворення першої хімічної сполуки - карбіду заліза Fе₃С. Обмеження діаграми стану залізовуглецевих сплавів таким складом зумовлюється тим, що практично сплави цієї системи містять вуглецю менш як 5 %. Отже, компонентами залізовуглецевих сплавів можна вважати залізо (ферит) і цементит. Тому цю частину діаграми стану таких сплавів називають ще діаграмою залізо - цементит (Fе - Fе₃С) (рис.13).

Сплави заліза з масовою часткою вуглецю до 4,3 % починають тверднути на відрізку АС лінії ліквідус, виділяючи кристали твердого розчину аустеніту, а з масовою часткою вуглецю понад 4,3 % - на відрізку СD лінії ліквідус, виділяючи кристали цементиту. Остаточно сплави тверднуть на лінії солідус АЕСF.

Рисунок 13. – Діаграма стану сплавів залізо – цементит (Fe – F₃C)

Одразу після твердіння сплави, що лежать ліворуч від точки Е (2,14% С), є однорідними і складаються з зерен аустеніту, а ті, що містяться праворуч від точки Е, становлять механічну суміш із зерен аустеніту і цементиту. При цьому в сплаві з концентрацією 4,3 % вуглецю (точка С) утворюється однорідна евтектична суміш, яку називають ледебурит (Л).

Отже, точка Е поділяє діаграму стану залізовуглецевих сплавів на дві частини. Сплави ліворуч від цієї точки тверднуть відповідно до лінії AЕ і після затвердіння мають однорідну структуру, що складається з зерен аустеніту. Ці сплави називають сталями. Внаслідок однорідності структури сталі мають високу пластичність, яка дає змогу обробляти їх тиском (куванням, прокатуванням).

У сплавах, що містяться праворуч від точки Е, кристалізація закінчується при сталій температурі 1147 °С (лінія ЕСF) з утворенням евтектики - ледебуриту. Ці сплави називають чавунами. Наявність крихкої та більш легкоплавкої евтектики не дає змоги обробляти чавуни тиском, проте поліпшує їхні ливарні властивості.

Остаточна структура сталей і чавунів, що її спостерігають при нормальній температурі, зумовлюється рядом перетворень у твердому стані, які відбуваються при температурах, що відповідають лініям СS, SЕ і РSК діаграми стану залізовуглецевих сплавів.