<< Пред.           стр. 3 (из 7)           След. >>

Список литературы по разделу

  => =>
 
 
  Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяются соотношением скоростей роста кристаллов и образования центров кристаллизации. Скорость образования зародышей измеряется числом зародышей, образующихся в единицу времени в единице объема; скорость роста - увеличением линейного размера растущего кристалла в единицу времени. Оба процесса связаны с перемещениями атомов и зависят от температуры. Графическая зависимость скорости образования зародышей и скорости их роста от степени переохлаждения представлена на рисунке.
 
 
 Изменение скорости образования зародышей (с. з.) и скорости роста кристаллов (с. р.) в зависимости от степени переохлаждения
 
  Для металлов, которые в обычных условиях кристаллизации не склонны к большим переохлаждениям, как правило, характерны восходящие ветви кривых. Это значит, что при равновесной температуре, когда степень переохлаждения равна нулю, скорость образования зародышей и скорость роста также равны нулю, т. е. кристаллизации не происходит. При небольших степенях переохлаждения, когда велик зародыш критического размера, а скорость образования зародышей мала, при затвердевании формируется крупнокристаллическая структура. Небольшие степени переохлаждения достигаются при заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью (земляная, шамотовая) или в подогретую металлическую форму. Увеличение переохлаждения происходит при заливке жидкого металла в холодные металлические формы, а также при уменьшении толщины стенок отливки. Поскольку при этом скорость образования зародышей увеличивается более интенсивно, чем скорость их роста, получаются более мелкие кристаллы.
 
  Несамопроизвольная кристаллизация
  В реальных условиях процессы кристаллизации и характер образующейся структуры в значительной мере зависят от имеющихся готовых центров кристаллизации. Такими центрами, как правило, являются тугоплавкие частицы неметаллических включений, оксидов, интерметаллических соединений, образуемых примесями. К началу кристаллизации центры находятся в жидком металле в виде твердых включений. При кристаллизации атомы металла откладываются на активированной поверхности примеси, как на готовом зародыше. Такая кристаллизация называется несамопроизвольной или гетерогенной. При несамопроизвольной кристаллизации роль зародышей могут играть и стенки формы.
  Наличие готовых центров кристаллизации приводит к уменьшению размера кристаллов при затвердевании. Эффект измельчения структуры значительно увеличивается при соблюдении структурного и размерного соответствия примесной фазы с основным металлом, которое способствует сопряжению их кристаллических решеток.
  В жидком металле могут присутствовать и растворенные примеси, которые также вызывают измельчение структуры. Адсорбируясь на поверхности зарождающихся кристаллов, они уменьшают поверхностное натяжение на границе раздела жидкость - твердая фаза и линейную скорость роста кристаллов. Это способствует уменьшению Акр и появлению новых зародышей, способных к росту. Примеси, понижающие поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными.
 
 
 
  Получение монокристаллов
  Большое научное и практическое значение имеют монокристаллы. Монокристаллы отличаются минимальными структурными несовершенствами. Получение монокристаллов позволяет изучать свойства металлов, исключив влияние границ зерен. Применение в монокристаллическом состоянии германия и кремния высокой чистоты дает возможность использовать их полупроводниковые свойства и свести к минимуму неконтролируемые изменения электрических свойств.
  Монокристаллы можно получить, если создать условия для роста кристалла только из одного центра кристаллизации. Существует несколько методов, в которых использован этот принцип. Важнейшими из них являются методы Бриджмена и Чохральского.
  Метод Бриджмена (рис. а) состоит в следующем: металл, помещенный в тигель с коническим дном 3, нагревается в вертикальной трубчатой печи 1 до температуры на 50-100 °С выше температуры его плавления. Затем тигель с расплавленным металлом 2 медленно удаляется из печи. Охлаждение наступает в первую очередь в вершине конуса, где и появляются первые центры кристаллизации. Монокристалл 4 вырастает из того зародыша, у которого направление преимущественного роста совпадает с направлением перемещения тигля. При этом рост других зародышей подавляется. Для непрерывного роста монокристалла необходимо выдвигать тигель из печи со скоростью, не превышающей скорость кристаллизации данного металла.
 
 
 Схемы установок для выращивания монокристаллов
 
  Метод Чохральского (рис. б) состоит в вытягивании монокристалла из расплава. Для этого используется готовая затравка 2 - небольшой образец, вырезанный из монокристалла по возможности без структурных дефектов. Затравка вводится в поверхностный слой жидкого металла 4, имеющего температуру чуть выше температуры плавления. Плоскость затравки, соприкасающаяся с поверхностью расплава, должна иметь кристаллографическую ориентацию, которую желательно получить в растущем монокристалле 3 для обеспечения наибольших значений тех или иных свойств. Затравку выдерживают в жидком металле для оплавления и установления равновесия в системе жидкость-кристалл. Затем затравку медленно, со скоростью, не превышающей скорости кристаллизации, удаляют из расплава. Тянущийся за затравкой жидкий металл в области более низких температур над поверхностью ванны кристаллизуется, наследуя структуру затравки. Для получения симметричной формы растущего монокристалла и равномерного распределения примесей в нем ванна 5 с расплавом вращается со скоростью до 100 об/мин, а навстречу ей с меньшей скоростью вращается монокристалл.
  Диаметр растущего монокристалла зависит от скорости выращивания и температуры расплава. Увеличение скорости выращивания ведет к выделению большей теплоты кристаллизации, перегреву расплава и уменьшению диаметра монокристалла, и, наоборот, уменьшение скорости выращивания приводит к уменьшению количества теплоты кристаллизации, понижению температуры расплава и увеличению диаметра монокристалла.
 
  Аморфное состояние металлов
  При сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния диффузионные процессы настолько замедляются, что подавляется образование зародышей и рост кристаллов. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой структурой получили название аморфные сплавы или металлические стекла.
  Аморфное состояние обеспечивает металлическим материалам свойства, значительно отличающиеся от свойств соответствующих материалов с кристаллической структурой. Так, аморфные магнитомягкие материалы характеризуются прямоугольной петлей гистерезиса, высокой магнитной проницаемостью и очень малой коэрцитивной силой. При этом магнитные свойства материала малочувствительны к механическим воздействиям на него.
  Получены аморфные материалы и с высокой магнитной энергией. Удельное электрическое сопротивление аморфных металлических материалов в 2 - 3 раза выше, чем у аналогичных сплавов с кристаллической структурой. Аморфные металлические материалы удачно сочетают высокие прочность, твердость и износостойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью. Большое практическое значение имеет также и возможность получения аморфных металлов в виде ленты, проволоки диаметром несколько микрометров непосредственно при литье, минуя такие дорогостоящие операции, как ковка, прокатка, волочение, промежуточные отжиги, зачистки, травление.
  На рисунке показана связь характерных графиков изменения свободной энергии возможных фаз при трех определенных температурах t1, t2, t3 с диаграммой состояния. При температуре t2 между точками а и b в термодинамическом равновесии сосуществуют две фазы: жидкий раствор состава ха и твердый раствор состава xb. Значения свободных энергий этих растворов соответствуют точкам a' и b'. Для более точного построения линий ликвидус и солидус необходимо иметь несколько графиков для интервала температур между t1и t3.
 Термодинамическое обоснование диаграммы состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях
 
 
 
 
 
 
  Полиморфизм
  Ряду веществ свойственны не одна, а две и более структур, устойчивых при различных температурах и давлениях. Такие структуры называются полиморфными модификациями, или полиморфными формами. Полиморфные модификации принято обозначать греческими буквами. Модификацию, устойчивую при низких температурах, обозначают буквой ?, а при более высоких - ?. Полиморфизм весьма распространенное явление.
  Железо, титан, кобальт, олово, углерод, сегнетоэлектрики, кварц и многие другие материалы могут существовать в различных полиморфных модификациях.
  Естественно, полиморфные, модификации отличаются между собой не только структурой, но и свойствами. Например, ?-олово, устойчивое ниже 13° С, является хрупким полупроводником, а ?-олово- весьма вязкий металл.
  При полиморфизме особо резкие изменения свойств наблюдаются при изменении не только структуры, но и типа химической.
  Полиморфизм играет в материаловедении и технологии важную практическую роль. Переводя материал из одной полиморфной модификации в другую, можно управлять его свойствами. Например, практически освоено получение алмазов из графита нагревом его под давлением 100000 атм. до температур примерно 2000° С.
 
 
  ?
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Лекция 5
 Влияние нагрева на структуру и свойства металлов
 
  Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах (ниже 0,3 Тпл.), рекристаллизация - при более высоких.
  Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и форма зерен при возврате не изменяются.
  Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы.
  Возврат, в свою очередь, подразделяют на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.
  Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; в ряде металлов, таких, как алюминий и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений. Отдых уменьшает удельное электрическое сопротивление и повышает плотность металла.
  Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций.
 
 
 
 Схема полигонизации: а, б - наклепанный металл до и после полигонизации соответственно
 
  Полигонизация в металлах технической чистоты и в сплавах твердых растворах -наблюдается только после небольших степеней деформаций и не у всех металлов. Так, этот процесс редко развивается в меди и ее сплавах и хорошо выражен в алюминии, железе, молибдене и их сплавах. Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твердости и характеристик прочности. Блочная структура, возникшая благодаря полигонизации, весьма устойчива и сохраняется почти до температуры плавления. После формирования блочной структуры рекристаллизация не наступает, полигонизация и рекристаллизация оказываются конкурентами.
 
  Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение, которое называется критической степенью деформации. Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит.
  Существует также температура рекристаллизации; это наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен. Температура рекристаллизации составляет некоторую долю от температуры плавления металла: Tрекр. =0,4Tпл. Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен соответственно 100. 270 и 450 °С.
 
  Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве: а - наклепанный металл; б - начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г, д - стадии собирательной рекристаллизации
 
  Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. Чем выше степень пластической деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации. Они представляют собой субмикроскопические области с минимальным количеством точечных и линейных дефектов строения. Эти области возникают путем перераспределения и частичного уничтожения дислокаций; при этом между центром рекристаллизации и деформированной основой появляется высокоугловая граница.
  С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке; при этом большеугловые границы новых зерен перемещаются в глубь наклепанного металла.
 
  Схемы изменения твердости (а) и пластичности (6) наклепанного металла при нагреве: I - возврат; II - первичная рекристаллизация; III - рост зерна
 
 
  Рассмотренная стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки. Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла.
  По завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен при увеличении выдержки или температуры; эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией. Этот процесс самопроизвольно развивается при достаточно высоких температурах в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии.
  Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела; одни зерна при этом постепенно уменьшаются в размерах и затем исчезают, а другие становятся более крупными, поглощая соседние зерна. С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна. Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла.
 
  Холодная и горячая деформации
  Деформирование металлов подразделяют на холодное и горячее в зависимости от температуры. Холодное деформирование проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклепывается и сохраняет наклеп. Горячее деформирование приводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией. Если рекристаллизация не устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью. Это достигается при особых условиях обработки и охлаждения металла. Например, горячее деформирование с высокими скоростями и большими деформациями с дальнейшим быстрым охлаждением металла ниже температуры рекристаллизации сохраняет наклеп.
 
 Термическая обработка металлов и сплавов
  Определения и классификация
  Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты. Основные виды термической обработки - отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей.
  Отжиг - термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений. Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охлаждения с температуры отжига обычно невелика, она лежит в пределах 30-200°С/ч.
  Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Для охлаждения используют различные жидкости, отраженные в таблице:
 Охлаждающая среда Температура
 охлаждающей среды, оС Вода 20 - 80 10%-ный раствор в воде: NaCl, NaOH 20 Масло минеральное
  20-200
 
  Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения. Сильно упрочняются при закалке сплавы, претерпевающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо вследствие понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящих к измельчению зерен, образующих эвтектоидную смесь. Если в результате закалки при температуре 20-25°С фиксируется состояние высокотемпературного твердого раствора, значительного упрочнения сплава непосредственно после закалки не происходит; основное упрочнение создается при повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при температуре 20-25°С.
  Отпуск и старение - термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.
  Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием.
  В большинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый раствор. В этом случае основной процесс, происходящий при отпуске или старении,- распад пересыщенного твердого раствора. Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения за редким исключением не влияет на структуру и свойства сплавов.
  Термин "отпуск" используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение. Термин "старение"-применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения.
  Любой технологический процесс термической обработки состоит из трех основных этапов: нагрев, изотермическая выдержка и охлаждение. Нагрев, а иногда и весь процесс термической обработки (отжиг) проводят в термических печах.
  Термическую обработку применяют, например, для уменьшения остаточных напряжений в изделиях, рекристаллизации пластически деформированных полуфабрикатов, уменьшения внутрикристаллической ликвации в слитках или отливках. Соответствующие операции термической обработки являются разновидностями отжига: отжиг (нагрев) для уменьшения напряжений, рекристаллизационный отжиг, диффузионный отжиг (гомогенизация). Состояние сплавов после теплового воздействия становится более равновесным.
 
 
  Нагрев для снятия остаточных напряжений
  Многие технологические воздействия на обрабатываемые детали сопровождаются возникновением в них остаточных напряжений, которые уравновешиваются в объеме детали. Значительные остаточные напряжения возникают в отливках и полуфабрикатах, неравномерно охлаждающихся после проката или ковки, в холоднодеформированных полуфабрикатах или заготовках, в прутках в процессе правки, в сварных соединениях, при закалке и т. п.
  Остаточные напряжения, возникшие в указанных случаях, чаще всего нежелательны. Они могут вызвать деформацию деталей при обработке резанием или в процессе эксплуатации, а, суммируясь с напряжениями от внешних нагрузок, привести к преждевременному разрушению или короблению конструкции; увеличивая запас упругой энергии, остаточные напряжения повышают вероятность хрупкого разрушения. Во многих сплавах они вызывают склонность к растрескиванию в присутствии коррозионно-активной среды. По величине остаточные напряжения могут достигать предела текучести.
  Для уменьшения остаточных напряжений изделия нагревают. С повышением температуры предел текучести понижается, поэтому остаточные напряжения вызывают пластическую деформацию и снижаются до уровня предела текучести металла при температуре нагрева.
  В стальных и чугунных деталях значительное снижение остаточных напряжений происходит в процессе выдержки при температуре 450 °С; после выдержки при температуре 600 °С напряжения понижаются до очень низких значений. Время выдержки устанавливается от нескольких до десятков часов и зависит от массы изделия.
  В сплавах на основе меди и алюминия существенное уменьшение остаточных напряжений происходит при меньших температурах нагрева. Например, в холоднодеформированных латунных полуфабрикатах остаточные напряжения практически полностью снимаются в процессе отжига при 250-300°С
  По окончании выдержки при заданной температуре изделия медленно охлаждают, чтобы предотвратить возникновение новых напряжений. Допустимая скорость охлаждения зависит от массы изделия, его формы и теплопроводности материала; она обычно лежит в пределах 20-200 °С/ч.
  Рекристаллизационный отжиг
  Нагрев деформированных полуфабрикатов или деталей выше температуры рекристаллизации называют рекристаллизационным отжигом; в процессе выдержки происходит главным образом рекристаллизация. Скорость охлаждения при этой разновидности отжига не имеет решающего значения; обычно охлаждение по окончании выдержки проводят на спокойном воздухе. Цель отжига - понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение определенной кристаллографической текстуры, создающей анизотропию свойств, и получение заданного размера зерна.
  Рекристаллизационный отжиг часто используют в качестве межоперационной смягчающей обработки при холодной прокатке, волочении и других операциях холодного деформирования. Температуру отжига обычно выбирают на 100-200 °С выше температуры рекристаллизации. В некоторых металлах и твердых растворах рекристаллизация сопровождается образованием текстуры (преимущественной ориентации кристаллов в объеме детали), которая создает анизотропию свойств. Это позволяет улучшить те или иные свойства вдоль определенных направлений в деталях. В машиностроении и приборостроении широкое применение находят металлы и сплавы - твердые растворы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии. В таких материалах единственной возможностью регулирования размера зерен является сочетание холодной пластической деформации с последующим рекристаллизационным отжигом.
  Диффузионный отжиг (гомогенизация)
  В реальных условиях охлаждения расплава кристаллизация твердых растворов чаще всего протекает неравновесно: диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации растущих кристаллов по объему, отстают от процесса кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объему кристалла - внутрикристаллическая ликвация: сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким компонентом сплава, а наружные части кристаллов обогащены компонентом, понижающим температуру плавления.
  Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при высоких температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твердого раствора. При высокой температуре протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Лекция 6
 Термохимическая обработка
  Назначение и виды химико-термической обработки
  Химико-термической обработкой называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Цель химико-термической обработки - поверхностное упрочнение металлов и сплавов и повышение их стойкости против воздействия внешних агрессивных сред при нормальной и повышенных температурах.
  Процессы химико-термической обработки состоят из трех стадий:
  - диссоциации, которая заключается в распаде молекул и образовании активных атомов диффундирующего элемента;
  - адсорбции, т. е. контактирования атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и образования химических связей с атомами металла;
  - диффузии, т. е. проникновения насыщающего элемента в глубь металла.
  Скорость диффузии (коэффициент диффузии) при проникновении диффундирующих атомов в решетку растворителя будет выше, если при взаимодействии образуются твердые растворы внедрения, и значительно ниже, если образуются твердые растворы замещения.
  Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от притока атомов этого элемента к поверхности и от скорости диффузионных процессов, т. е. отвода этих атомов в глубь металла. Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности детали, тем больше толщина слоя. Чем выше температура процесса, тем больше скорость диффузии атомов, а, следовательно, возрастает толщина диффузионного слоя.
  Границы зерен являются участками, где диффузионные процессы облегчаются из-за наличия большого числа дефектов кристаллического строения. Если растворимость диффундирующего элемента в металле мала, то часто наблюдается преимущественная диффузия по границам зерен. При значительной растворимости диффундирующего элемента в металле роль пограничных слоев уменьшается. В момент фазовых превращений диффузия протекает быстрее.
 
  - толщина диффузионного слоя
 
 
  - время ТХО
 
 
  - энергия активации диффузии
 
 
 
  Различают следующие виды химико-термической обработки: цементацию, азотирование, цианирование (нитроцементацию) и т. д.
 
  Цементация
  Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Цементация осуществляется с целью получения высокой твердости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению износостойкости и предела выносливости.
  Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (содержание углерода до 0,25%), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагрузок (втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т. д.).
  Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05- 0,10 мм. Участки, не подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди (0,02-0,04 мм), наносимым электролитическим способом, или специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др.
  Цементация осуществляется при температурах 900-950°С. Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для цементация. При этих температурах атомарный углерод адсорбируется на поверхности стали и диффундирует в глубь металла. В результате цементации содержание углерода в поверхностном слое составляет 0,8-1,0%. Более высокая концентрация углерода способствует охрупчиванию цементованного слоя.
  Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, которая уменьшается от поверхности к сердцевине. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить три зоны: заэвтектоидную, состоящую из перлита и цементита вторичного; эвтектоидную, состоящую из перлита; доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита.
  За толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зон. Обычно толщина слоя для большинства стаей составляет 0,8-1,4 мм.
  Различают два вида цементации: твердую и газовую. Среда, в которой проводят цементацию, называется карбюризатором.
 
  Цементация в твердой среде
  Карбюризатором является активированный древесный уголь (дубовый или березовый), а также каменноугольный полукокс и торфяной кокс. Для ускорения процесса к древесному углю добавляют активизаторы - углекислый барий, кальцинированную соду, поташ.
  Подготовленные для цементации изделия укладывают в металлический ящик. Предварительно в ящик насыпают слой карбюризатора 20-30 см. Детали укладывают слоями на расстоянии 10-15 мм друг от друга. Каждый слой деталей засыпают карбюризатором и на него укладывают следующий слой деталей и т. д. Последний слой засыпают карбюризатором и ящик накрывают крышкой, края которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины с песком. Иногда вместо крышки кладут лист асбеста и сверху обмазывают глиной. После этого ящик помещают в печь с температурой 900-950°С.
  В ящике между кусочками угля имеется воздух, кислород которого взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя окись углерода СО. Соприкасаясь с поверхностью деталей, окись углерода диссоциирует.
 
 
 
 
  Выделившийся атомарный углерод диффундирует в глубь металла. Добавление углекислых солей активизирует процесс цементации.
  Продолжительность выдержки в печи при температуре цементации зависит от требуемой толщины цементованного слоя. На практике выдержка принимается из расчета роста слоя со скоростью 0,1 мм в час. Например, слой толщиной 1 мм получают за 9,5-10,4 ч.
  Для контроля над протеканием процесса и толщины цементованного слоя в ящик вместе с деталями закладывают "свидетели" - образцы диаметром 10-15 мм, изготовленные из той же марки стали, что и деталь. Во время цементации "свидетели" периодически вынимают, ломают и по излому определяют толщину цементованного слоя.
  Повышение температуры цементации до 950-1000° С позволяет значительно ускорить процесс, но такой режим применим для наследственно мелкозернистых сталей.
  Ящики после цементации охлаждают на воздухе и потом разбирают. Участки изделия, не подлежащие цементации, защищают, нанося гальваническое покрытие медью. После цементации детали подвергают нормализации для измельчения зерна, повторной закалке и низкотемпературному отпуску.
  Структура сердцевины зависит от состава стали и режима закалки. У углеродистых сталей она состоит из феррита и сорбита или троостита, а у легированных - из малоуглеродистого мартенсита.
 
  Газовая цементация
  В настоящее время газовая цементация является основным процессом цементации на заводах массового производства. При газовой цементации сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, можно обеспечить более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обработка и, самое главное, можно получить заданную концентрацию углерода в слое.
  Цементацию выполняют в шахтных, муфельных или безмуфельных печах непрерывного действия. При цементации в шахтных печах для получения науглероживающей атмосферы применяют метан, керосин, синтин, бензол и т. д. В печах непрерывного действия чаще используют метан. Для получения заданной концентрации углерода (обычно 0,8%) применяют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода.
  Под углеродным потенциалом атмосферы понимают определенную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя. Для ускорения процесса углеродный потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3- 1,4%, а затем его снижают для получения в этом слое оптимального содержания углерода (0,8%).
  С этой целью в первую зону, занимающую примерно 2/3 длины печи, подают газ, состоящий из смеси природного (10-15%) и эндотермического (90-85%) газов. Во вторую зону подают только эндотермический газ, находящийся в равновесии с заданной концентрацией углерода (0,8%) на поверхности. При этом за счет диффузии углерода в глубь металла и взаимодействия поверхности детали с эндотермической атмосферой концентрация углерода на поверхности уменьшается и происходит более равномерное его распределение по толщине цементованного слоя.
  После газовой цементации применяют закалку (для наследственно мелкозернистых сталей) непосредственно из цементационной печи, предварительно сделав подстуживание до температуры 850-830°С. Заключительной операцией является низкотемпературный отпуск при температуре 160-180° С.
  Цианирование и нитроцементация
  Цианированием называется процесс одновременного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом.
  На состав и свойства цианированного слоя особое влияние оказывает температура процесса. Повышение температуры цианирования ведет к увеличению содержания углерода в слое, снижение температуры - к увеличению содержания азота. Толщина цианированного слоя также зависит от температуры и продолжительности процесса.
  Различают жидкое и газовое цианирование. Газовое цианирование еще называют нитроцементацией. Жидкое цианирование проводят в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий.
  Цианирование при температурах 820-850°С позволяет осуществлять закалку непосредственно из ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск.
  Цианирование при температурах 820-850°С позволяет получать слои толщиной 0,15-0,35 мм за 30-90 мин. Для получения слоев большой толщины (0,5-2,0 мм) применяют глубокое цианирование при температурах 900-950° С, длительность 1,5-6,0 ч. Глубокое цианирование имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией: меньше продолжительность процесса для получения слоя заданной толщины; меньше деформация и коробление; более высокое сопротивление износу и повышенная усталостная прочность.
  После цианирования деталь охлаждают на воздухе, повторно нагревают для закалки и проводят низкотемпературный отпуск. Такая обработка необходима в связи с тем, что при температурах цианирования (900-950° С) сильно вырастает зерно аустенита и необходим повторный нагрев для его измельчения. Структура цианированного слоя после закалки такая же, как после цементации.
  Недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей. Поэтому цианирование проводят в специально выделенных помещениях с соблюдением мер предосторожности.
  Нитроцементацию осуществляют при температурах 840-860°С в газовой смеси из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса зависит от глубины насыщаемого слоя и составляет 1 -10 ч. Толщина слоя колеблется от 0,1 до 1,0 мм.
  После нитроцементации изделия подвергают закалке и низкотемпературному отпуску при температуре 160- 180° С.
  Низкотемпературное цианирование осуществляется при температурах 540-560°С в расплавленных цианистых слоях. Низкотемпературному цианированию подвергают инструмент из быстрорежущих сталей для повышения его стойкости при резании. В результате такой обработки образуется нитроцементованный слой толщиной 0,02-0,04 мм. Длительность процесса 1 -1,5 ч.
  Азотирование
  Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. Процесс осуществляется в среде аммиака при температуре 480-650° С. При этих температурах выделяется атомарный азот, который диффундирует в поверхностные слои детали.
  Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные стали. При азотировании легированных сталей азот образует с легирующими элементами устойчивые нитриды, которые придают азотированному слою высокую твердость.
  Перед азотированием детали подвергают термической обработке, состоящей из закалки и высокотемпературного отпуска. Затем производят механическую обработку, придающую окончательные размеры изделию.
  Участки, не подлежащие азотированию, защищают тонким слоем (0,001-0,015 мм) олова, нанесенным электролитическим методом, или жидким стеклом. В процессе азотирования олово расплавляется и благодаря поверхностному натяжению удерживается на поверхности стали в виде тонкой непроницаемой для азота пленки. Продолжительность процесса зависит от толщины слоя. Обычно процесс азотирования ведут при температурах 500-520° С. В этом случае получают слои толщиной до 0,5 мм за 24-90 ч.
  Для ускорения процесса азотирования применяют двухступенчатый цикл. Вначале азотирование ведут при 500-520°С, а затем температуру повышают до 580-600° С. Это ускоряет процесс в 1,5-2 раза при сохранении высокой твердости азотированного слоя.
  В процессе азотирования изменяются размеры деталей за счет увеличения объема поверхностного слоя. Чем выше температура процесса и больше толщина азотированного слоя, тем больше изменение размеров деталей.
  Для повышения коррозионной устойчивости изделий азотирование проводят при температуре 600-700°С в течение 15 мин. для мелких деталей и 6-10 ч. для крупных деталей.
  Процесс жидкостного азотирования осуществляют при температуре 570°С в расплаве циансодержащих солей. В ходе процесса расплав непрерывно продувается сухим и чистым воздухом, что обеспечивает превращения цианида в цианат, являющийся поставщиком атомов углерода и азота.
  Преимуществом жидкостного азотирования является резкое сокращение времени получения насыщенного слоя по сравнению с газовым азотированием (слой толщиной 0,10-0,20 мм получают за 1,5-3 ч). Кроме того, отсутствие водорода в среде способствует
 повышению вязкости слоя. Недостатком процесса является применение ядовитых солей.
  Широкое применение получает ионное азотирование. По сравнению с газовым азотированием оно имеет ряд преимуществ: меньшую продолжительность процесса, более высокое качество азотированного слоя, пониженную хрупкость слоя.
  Диффузионная металлизация
  Диффузионная металлизация - это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Она может осуществляться в твердых, жидких и газообразных средах.
  При диффузионной металлизации в твердых средах применяют порошкообразные смеси, состоящие обычно из ферросплавов с добавлением хлористого аммония.
  Жидкая диффузионная металлизация осуществляется погружением детали в расплавленный металл (например, цинк, алюминий).
  При газовом способе насыщения применяют летучие хлористые соединения металлов, образующиеся при взаимодействии хлора с металлами при высоких температурах. Хлориды диссоциируют на поверхности железа и выделяющийся в атомарном состоянии металл диффундирует в железо.
  Диффузия металлов в железе идет значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом твердые растворы внедрения, а металлы - твердые растворы замещения. Это приводит к тому, что диффузионные слои при металлизации получаются в десятки раз более тонкими. Поверхностное насыщение стали металлами проводится при температурах 900-1200° С.
 
  Алитирование (Al)
  Алитированием называется процесс насыщения поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до850-900° С) и коррозионную стойкость в атмосфере и в ряде сред.
  При алитировании в порошкообразных смесях чистые детали вместе со смесью упаковывают в железный ящик. В рабочую смесь входят: порошковый алюминий (25-50%) или ферроалюминий (50-75%), окись алюминия (25-50%) и хлористый алюминий (~1,0%). Процесс осуществляется при температуре 900-1000°С в течение 3-12 ч.
  Реже применяют алитирование в ваннах с расплавленным алюминием. Алитируемые детали погружают в расплавленный алюминий (92-94% А1 и 6-8% Fe). Железо добавляют для того, чтобы предотвратить растворение обрабатываемых деталей в алюминии. Процесс проводят при температурах 700-800°С в течение 45- 90 мин.
  Алитирование в расплавленном алюминии отличается от алитирования в порошкообразных смесях простотой метода, быстротой и более низкими температурами. Основной недостаток процесса - налипание алюминия на поверхность деталей.
  Иногда применяют металлизацию поверхности стали алюминием (напыление слоя алюминия на обрабатываемую поверхность) с последующим диффузионным отжигом при температуре 900-1000°С в течение 1-3 ч.
  Для предохранения алюминия от окисления во время диффузионного отжига изделие покрывают обмазкой, состоящей из серебристого графита (48%), кварцевого песка (30%), глины (20%), хлористого алюминия(2%) и 20-25% от массы первых четырех составляющих - жидкого стекла.
  Алитирование стали металлизацией с последующим диффузионным отжигом в несколько раз дешевле, чем в порошках. Агитированный слой представляет собой твердый раствор алюминия в железе, концентрация алюминия в поверхностном слое достигает 30-40%. Алитированию подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, чехлы термопар, детали газогенераторных машин и т. д.
  Хромирование (Cr)
  Хромирование (поверхностное насыщение хромом) проводят для повышения коррозионной стойкости, кислостостойкости, окалиностойкости (до 850° С) и т. д. Хромирование средне- и высокоуглеродистых сталей повышает твердость и износостойкость.
  Хромирование чаще всего проводят в порошкообразных смесях (50% металлического хрома или феррохрома, 49% окиси алюминия и 1% хлористого аммония). Процесс осуществляется при температуре 1000-1050°С. Диффузионный слой, получаемый при хромировании углеродистых сталей, состоит из карбидов хрома. Толщина хромированного слоя достигает 0,15-0,20 мм при длительности процесса 6-15 ч. Чем больше углерода в стали, тем меньше толщина слоя.
  Значительно реже применяется газовое хромирование. Процесс проводят в среде, содержащей пары CrCl2. Пары CrCl2 получают пропусканием осушенных Н2 и НС1 через феррохром или хром при температуре 980°С. За 3-5 ч получают слой толщиной 0,06-0,10 мм.
  Иногда применяют хромирование в вакууме. Изделия засыпают кусочками (диаметром 1-3 мм) хрома в стальном или керамическом тигле и помещают в вакуумную печь. При высокой температуре (960-1000° С) хром испаряется и диффундирует в сталь.
  Хромирование применяют для пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, а также деталей, работающих в агрессивных средах.
 
  Борирование (B)
  Борированием называется насыщение стали бором. Борирование проводят с целью повышения стойкости против абразивного износа. Толщина борированных слоев не превышает 0,3 мм.
  Широкое распространение получил метод электролизного борирования в расплавленных солях, содержащих бор. Деталь служит катодом в ванне с расплавленной бурой. Температура процесса 900-950° С. Процесс можно вести и без электролиза в ваннах с расплавленными хлористыми солями, в которые добавляют порошкообразный ферробор или карбид бора.
  Применяют также и метод газового борирования. В этом случае насыщение бором проводят в среде диборана в смеси с водородом при температуре 850-900° С.
  Борированию подвергают втулки грязевых нефтяных насосов, штамповый инструмент и т. д.
  Силицирование (Si)
  Силицированием называется процесс насыщения поверхности стали кремнием. В результате силицирования сталь приобретает высокую коррозионную стойкость в морской воде, в различных кислотах и повышенную износостойкость. Кроме того, силицирование резко повышает окалиностойкость молибдена и некоторых других металлов и сплавов.
  Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния в ?-железе. Силицированный слой несмотря на низкую твердость и значительную пористость после пропитки маслом при температуре 170-200° С имеет повышенную износостойкость.
  Силицирование можно проводить в порошкообразных смесях, состоящих из 60% ферросилиция, 39% окиси алюминия и 1 % хлористого аммония, но наиболее часто применяют газовое силицирование. При газовом силицировании при температуре 1000°С в течение 2-4 ч образуется слой толщиной 0,5-1,0 мм.
  Силицированию подвергают детали, применяемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности.
  В последние годы разработаны и получают промышленное внедрение новые процессы поверхностного насыщения металлов - титанирование и цинкование.
 
  Поверхностно-пластическая деформация
 
 
  Дробеструйный наклёп
 
 
  Упрочнение поверхности,
 
  снятие поверхностных напряжений.
 
 
 
 
 
 
 
 
  Центробежный шариковый наклёп
 
 
 
 
 
 
 
 
 

<< Пред.           стр. 3 (из 7)           След. >>

Список литературы по разделу