Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

ционного способа нагрева наиболее целесообразно при термообработке дета-

лей сравнительно простой формы при крупносерийном производстве.

При контактном нагреве заготовка нагревается проходящем через нее

током большой силы. Быстрый и равномерный нагрев заготовок, исключаю-

щий сильное окисление и значительный рост зерна, делает этот способ наи-

более высокопроизводительным и рациональным при нагреве длинномерных

изделий

При термической обработке цветных металлов широкое применение

нашли печи-ванны. В качестве нагревательной среды в них используют рас-

плавы солей, щелочей, металлов, а также масла.

Выбор состава нагревательных жидких сред определяется режимом

термообработки и в первую очередь температурой нагрева.

1.2 Охлаждающие среды

В зависимости от охлаждающей способности сред их делят

на три

группы: 1)сильнодействующие охладители (растворы в воде 5% NaOH, 10-

15NaOH, вода при 15-30 °С, жидкий азот, гелий); 2)среднедействующие ох-

ладители (расплавленные соли, щелочи, металлы, растительные и минераль-

ные масла); 3)слабодействующие (струи сухого воздуха и паро-воздушных

смесей, вода при 80-90 °С, мыльная вода и др.).

Охлаждающая способность охладителя зависит от его скрытой теплоты

испарения

, теплоемкости и вязкости. При погружении изделия с высокой

температурой в охлаждающую среду с низкой температурой кипения в пер-

воначальный момент на поверхности изделия наблюдается паровая пленка.

По мере понижения температуры паровая пленка разрывается, при этом ин-

тенсивно образуются пузырьки пара, и интенсивность охлаждения резко воз-

растает. При последующем охлаждении тепло

передается конвекцией от по-

верхности изделия к охлаждающей среде.

Охлаждение в воде. Циркуляция воды повышает скорости охлаждения

в области высоких температур. Повышение скоростей охлаждения в области

низких температур приводит к увеличению остаточных напряжений, и по-

этому нагрев воды в закалочных баках ограничивается температурами 25 –

45 °С.

Охлаждение в водных растворах и эмульсиях

. Незначительное количе-

ство примесей существенно изменяет охлаждающую способность воды. Это

связано с влиянием примесей на устойчивость паровой пленки. При этом

растворимые примеси уменьшают, а нерастворимые, наоборот, увеличивают

стабильность паровой пленки.

Охлаждение в маслах. Температуры кипения масел на 150-300 °C выше

чем у воды. Скорости охлаждения в масле при повышенных температурах в

5-8

раз меньше чем при охлаждении в воде. Масла пониженной вязкости об-

ладают более высокой охлаждающей способностью по сравнению с маслами

повышенной и высокой вязкости.

Закалка в расплавленном свинце, солях и щелочах. Расплавленный сви-

нец удовлетворяет предъявленным с теплотехнической точки зрения требо-

ваниям, но дефицитен, а испарения его вредны для обслуживающего персо-

нала. Поэтому свинец заменяют другими средами. Расплавленные соли и

щелочи и

их смеси имеют ряд преимуществ перед свинцом (поверхность из-

делий после закалки в щелочах не окисляется, использование соляных и ще-

лочных ванн позволяет осуществить внутренний электрический обогрев, лег-

ко автоматизировать регулирование температуры и просто решать проблемы

перемешивания расплава).

Охлаждение на воздухе. При охлаждении на воздухе тепло передается

излучением и конвекцией.

Интенсивность конвективного теплообмена при

вынужденном движении воздуха или газа зависит от скорости движения газа,

его физических свойств и геометрии нагреваемых или охлаждаемых изделий.

1.3 Термические напряжения

Основная причина возникновения термических напряжений неодина-

ковые скорости нагрева или охлаждения различных объемов изделия.

Если при термообработке сплава протекают фазовые превращения, свя-

занные с

объемными изменениями из-за разного удельного объема фаз, то

это приводит к возникновению напряжений в том случае, когда превращение

протекают не одновременно по всему объему изделий. Такие напряжения на-

зывают структурными или фазовыми. Временные и остаточные структур-

ные термические напряжения в ряде случаев ведут к образованию дефектов в

подвергающихся термообработке изделиях

а б в

Рис. 1.1 Схема распределения температур по сечению тела (а) и температурные

кривые нагрева (б) и охлаждения (в) поверхностных (1) и центральных (2) слоев

При симметричном нагреве тела простой конфигурации, например

длинной пластины, скорость нагрева в начальный период времени в поверх-

ностных слоях выше, чем в центральных. На конечных стадиях скорость на-

грева центральных слоев превышает скорость нагрева периферийных слоев

(см. рис.1.1). Таким образом, максимальная величина временных напряжений

соответствует моменту времени, когда скорости нагрева

периферийных и

центральных слоев выравниваются. Этому моменту времени соответствует и

максимальный перепад температур периферии и центра.

При охлаждении временные напряжения формируются аналогичным

образом, но знак их изменяется по сравнению со случаем нагрева.

Рис. 1.2 Схема нагрева разнотолщинного тела

Рассмотрим теперь возникновение напряжений при нагреве и охлажде-

нии тел сложной конфигурации в упругой области (см. рис. 1.2). На рис. 1.2

показана разнотолщинное изделие и температурные кривые нагрева тонкого Ι

и массивного ΙΙ частей сечения. Тонкая часть сечения при всестороннем на-

греве нагревается быстрее, и массивная часть сопротивляется ее свободному

расширению. Поэтому

в тонкой части возникают напряжения сжатия, а в

массивной – растяжения. При охлаждении температура в тонкой части сече-

ния снижается быстрее и взаимодействие с массивной частью приводит к

возникновению в первой напряжений растяжения. Коробление в этом случае

происходит в обратном направлении. После окончательного охлаждения

форма изделия восстанавливается, а временные напряжения исчезают.

1.4 Методы предупреждения и уменьшения

остаточных напряжений

Для уменьшения остаточных напряжений применяют термические и

механические методы:

I II

Термический метод заключается в регулировании скоростей закалки.

На практике этот метод используют при термообработке штамповок, поковок

и отливок. Наибольший уровень напряжений вызывает закалка в холодной

воде. Поэтому в ряде случаев для снижения остаточных напряжений целесо-

образно проводить закалку после предварительной механической термообра-

ботки полуфабрикатов.

Также можно применять изотермическую закалку для уменьшения

термических напряжений при которой мягкая закалка совмещена со старени-

ем или отпуском. Сущность этой закалки заключается в нагреве до закалоч-

ных температур и охлаждение в закалочной среде с температурой равной

температуре старения или отпуска.

Для уменьшения величины остаточных напряжений применяют отжиг.

Отжиг для снятия напряжений приводит к разупрочнению материала и

по-

этому применим в тех случаях, когда приемлема относительно низкая проч-

ность сплавов.

Величину напряжений можно уменьшить обработкой холодом. Этот

метод заключается в охлаждении свежезакалённого изделия в жидком азоте

или углекислоте при температурах 196 °С и –70 °С соответственно и в после-

дующем быстром нагреве всей поверхности высокоскоростной струе пара,

кипящей воде, в

масле или селитре. Чем ниже температуры охлаждения, тем

эффективнее снижаются напряжения и повышаются стабильность размеров

изделий.

Механический метод. Этот метод заключается в том, что при неболь-

шой пластической деформации (0,5-2%), осуществляемой на растяжной ма-

шине, величина напряжений по всему сечению выравнивается. При после-

дующей разгрузке снимается упругая деформация и полуфабрикат почти

полностью освобождается от остаточных напряжений.

Для уменьшения величины остаточных напряжений широко применя-

ют и холодное обжатие. Метод заключается в обжатии полуфабриката при

комнатной температуре для достижения остаточной деформации сжатия за-

данной величины.

Для плоских и катаных полуфабрикатов применяют роликовую правку.

1.5 Взаимодействие металлов с газами

Состав газовой среды, окружающей металл

, определяется, прежде все-

го, способами нагрева и применяемым для нагрева оборудованием.

В состав воздуха входит, % (по массе): 75,60 азота, 23,10 кислорода,

1,286 аргона, 0,030 углекислого газа, 0,002 гелия, неона, криптона, ксенона,

радона и водорода, 0,2-4 водяного пара.

Проникновение газа в металл и распределение составляющих его моле-

кул и атомов в объёме металла называют абсорбцией или окклюзией

. В зави-

симости от знака теплового эффекта различают эндотермическую (с погло-

щением тепла) и экзотермическую (с выделением тепла) абсорбцию.

При переходе металлов из твёрдого состояния в жидкое резко изменя-

ется растворимость газа.

Кислород отличается большой активностью по отношению ко многим

металлам. Медь, титан, цирконий, ванадий, и др., растворяют свои окислы, а

магний, молибден

, вольфрам, дают окислы, практически нерастворимые в

металле.

Азот. Небольшой термодинамической устойчивостью обладают нит-

риды железа, молибдена, марганца, а наиболее устойчивы нитриды циркония

и титана. Железо, молибден, хром, цирконий, титан, растворяют свои нитри-

ды, а алюминий и магний нет.

Водород. Металлы, абсорбирующие водород по эндотермической реак-

ции (алюминий, магний, медь, железо

и др.), не образуют с водородом гид-

ридов. Металлы абсорбирующие водород по экзотермической реакции (ти-

тан, цирконий, ванадий, ниобий, тантал), образуют с водородом гидриды.

Общее содержание водорода в этих металлах обычно превышает рас-

творимость, так как он может находиться в растворе в пересыщенном со-

стоянии, заполнять несплошности разного твида, сегрегировать на

различных

включениях, в частности на поверхности окислов. Наибольшее количество

водорода поглощают переходные металлы III А группы. При увеличении но-

мера группы общее количество водорода, поглощаемого металлами, умень-

шается.

1.6 Влияние газов на механические свойства металлов.

Водородная хрупкость

Образующиеся в результате реакции металлов с газами продукты взаи-

модействия оказывают разнообразное влияние на

их механические свойства.

Кислород и азот образуют нитриды и окислы. Они концентрируются в по-

верхностном слое изделия. Слой. образованный окислами и (или) нитридами,

а так же переходный обогащенный кислородом и (или) азотом, называют га-

зонасыщенным слоем.

Газонасыщенные слои способствуют возникновению поверхностных

микро- и макротрещин при деформации, сварке, вызывают в ряде

случаев

снижение коррозионной стойкости и даже приводят иногда к возгоранию из-

делий в среде активных реагентов. Окисные, нитридные и переходные слои

резко снижают пластичность полуфабрикатов и изделий тонкого сечения.

Однако, в некоторых случаях окисные, нитридные и переходные слои могут

и положительно влиять на служебные свойства металла, например, они могут

повышать

антифрикционные свойства. Именно с этой целью проводят хими-

ко-термическую обработку (ХТО) металла.

В отличие от азота и кислорода водород практически всегда отрица-

тельно влияет на служебные свойства металлов и сплавов, хотя иногда и на-

блюдается водородное пластифицирование.

Водород приводит ко многим нежелательным изменениям механиче-

ских свойств металлов. Все эти нежелательные явления условно называют

водородной хрупкостью металлов, хотя в большинстве случаев чисто хруп-

кое

разрушение не развивается. Различают два рода водородной хрупкости

возникающей в металле: хрупкость первого рода, обусловленную источни-

ками, которые имеются в исходном металле до какого-либо приложения на-

пряжений; хрупкость второго рода, обусловленную источниками, которые

развиваются в металле под действием приложенных или внутренних напря-

жений.

Водородная хрупкость может быть обратимой и

необратимой. Обра-

тимая – после снятия приложенных напряжений почти полностью восста-

навливается пластичность наводороженного металла. Необратимая – когда

снятие напряжений после длительного их действия не приводит к восстанов-

лению пластичности сплавов.

К водородной хрупкости первого вида относятся такие явления, как во-

дородная болезнь металлов и водородная коррозия стали.

Хрупкость второго вида обусловлена молекулярным

водородом. Она

чаще всего развивается в металлах, эндотермически поглощающих водород

(железо, алюминий, магний).

Гидридная хрупкость (хрупкость третьего вида) характерна для ме-

таллов, которые абсорбируют водород по экзотермической реакции. Эта

хрупкость в наибольшей степени развивается в том случае, когда гидриды

или образуют непрерывную сетку по границам зерен, или пронизывают зерна

от

одной границы до другой.

Хрупкость четвертого вида развивается в металлах и сплавах, в кото-

рых водород растворяется в больших количествах без образования гидридов.

Основная причина этой хрупкости – блокирование растворенными атомами

водорода источников дислокаций во вторичных плоскостях скольжения и

увеличение инертности подвижных дислокаций.

Водородная хрупкость пятого вида наблюдается в том случае,

когда в

образцах фиксируется пересыщенный относительно водорода твердый рас-

твор. Она развивается при содержаниях водорода больше той концентрации,

начиная с которой проявляется водородная хрупкость первого рода.

Обратимая водородная хрупкость шестого вида относится к наиболее

сложным явлениям, связанным с влиянием водорода на механические и слу-

жебные свойства металла. Водородная хрупкость шестого вида

развивается

при температурах ниже некоторой критической Т

, когда водород может об-

разовывать на дислокациях атмосферы Коттрелла.

Обратимая водородная хрупкость седьмого вида обусловлена направ-

ленной диффузией водорода в поле напряжения.

Водородная хрупкость восьмого вида обусловлена водородом, обра-

зующимся при реакциях в процессе коррозионного растрескивания.

Во избежание водородной хрупкости в технических условиях на спла-

вы оговаривают максимально допустимые содержания водорода в изделиях и

конструкциях.

1.7 Контролируемые атмосферы

Применительно

к цветным металлам и сплавам контролируемые атмо-

сферы можно разбить на две группы: а) защитные, применяемые для умень-

шения газонасыщения металла; б) специальные, предназначенные для осуще-

ствления процессов химико-термической обработки.

На поверхности таких металлов, как алюминий, хром, бериллий,

имеющих большое родство к кислороду, образуются плотные, медленно рас-

тущие окисные

пленки, обладающие высоким электросопротивлением. Эта

окисная пленка надежно защищает металл от проникновения кислорода в

глубь изделия. Поскольку толщина окисной пленки на поверхности металла

невелика, обычно не возникает необходимости ни ее удаления, ни защиты

металла от окисления. На магнии окисная пленка рыхлая, следовательно, для

магния и его сплавов целесообразно применять меры для

защиты его от

окисления. довольно плотная окисная пленка образующаяся на титане и цир-

конии, растет сравнительно быстро. К тому же окислы титана и циркония

растворяются в металле, образуя более протяженный газонасыщенный слой.

Поэтому термическую обработку тонких изделий предпочтительно прово-

дить в защитной атмосфере или в вакууме. Все тугоплавкие металлы, кроме

хрома, дают столь неустойчивые окислы или так интенсивно окисляются, что

их термическая обработка без специальных мер защиты от окисления стано-

вится невозможным.

По характеру взаимодействия с цветными металлами и сплавами на их

основе газы, составляющие атмосферу печи, можно разделить на следую-

щие группы:

1) окисляющие: кислород, пары воды, двуокись углерода;

восстанавливающие: водород, окись углерода, предельные и непре-

дельные углеводороды;

3) науглероживающие: окись углерода, углеводороды;

4) насыщающие металл азотом: аммиак, азот;

5) нейтральные: аргон, гелий.

Технологию отжига в защитных атмосферах в каждом отдельном слу-

чае следует корректировать для конкретного сплава или группы сплавов в

соответствии с особенностями используемого печного оборудования.

1.8 Защитные покрытия

Их наносят на металлы для уменьшения газонасыщения при нагреве

под обработку давлением, в процессе обработки давлением и охлаждения по-

сле неё, при

термической обработке.

Для приготовления покрытий применяют основные и вспомогательные

материалы. Основные материалы: стеклообразные и стеклокристаллические

(эмалевые фритты, силикатные стёкла и ситаллы); керамические (окисные,

силикатные и бескислородные); металлические материалы и интерметаллиды

(тонкие порошки металлов: алюминия, титана, железа, ферроалюминия).

Вспомогательные материалы – глина.

1.9 Термическая обработка в вакууме

Вакуум в термических печах

и установках создаётся главным образом в

двух целях: а) для уменьшения содержания водорода в металле до безопасно-

го уровня, гарантирующего отсутствие водородной хрупкости; б) для пре-

дотвращения взаимодействия металлов с газами, составляющими атмосферу

обычной печи.

Температура вакуумного отжига должна быть достаточно высокой для

удаления водорода из металла.

При выборе режимов вакуумного

отжига таких активных металлов, как

титан, ниобий, молибден и д.р., нельзя полностью исключить окисление ме-

таллов, так как для этого необходим чрезвычайно высокий вакуум.

Контрольные вопросы и задания

1 Перечислите способы нагрева, применяемые при термической обработке

цветных металлов и сплавов.

2 Поясните, какие используют охлаждающие среды при термической обра-

ботке цветных металлов и сплавов.

3 Объясните, как уменьшают остаточные напряжения в изделиях из цветных

металлов и сплавов.

4 Поясните, как взаимодействуют металлы с газами.

5 Объясните влияние

водорода на свойства сплавов. Укажите виды водород-

ной хрупкости.

6 Перечислите виды контролируемых атмосфер, используемых при термиче-

ской обработке цветных металлов и сплавов.

7 Перечислите назначение и виды защитных покрытий.

8 Поясните, для каких целей создают вакуум в термических печах.

2 МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

2.1 Принципы выбора режимов отжига меди и ее сплавов

При разработке технологии термической обработки меди и ее сплавов

приходится учитывать две их особенности: высокую теплопроводность и ак-

тивное взаимодействие с газами при нагреве. При нагреве тонких изделий и

полуфабрикатов теплопроводность имеет второстепенное значение. При на-

греве

массивных изделий высокая теплопроводность меди является причиной

более быстрого и равномерного их прогрева по всему сечению по сравнению,

например, с титановыми сплавами.

В связи с высокой теплопроводностью при упрочняющей термической

обработке медных сплавов не возникает проблемы прокаливаемости. При

используемых на практике габаритах полуфабрикатов и изделий они прока-

ливаются насквозь.

Медь

и сплавы на ее основе активно взаимодействуют с кислородом и

парами воды при повышенных температурах, по крайней мере, более интен-

сивно, чем алюминий и его сплавы. В связи с этой особенностью при терми-

ческой обработке полуфабрикатов и изделий из меди и ее сплавов часто при-

меняют защитные атмосферы, в то время

как в технологии термической об-

работки алюминия защитные атмосферы встречаются редко.

Отжиг меди и ее сплавов проводят с целью устранения тех отклоне-

ний от равновесной структуры, которые возникли в процессе затвердевания

или в результате механического воздействия либо предшествующей терми-

ческой обработки.

Гомогенизационный отжиг заключается в нагреве слитков до макси-

мально

возможной температуры, не вызывающей оплавления структурных

составляющих сплавов. Ликвационные явления в меди и латунях развивают-

ся незначительно, и нагрев слитков под горячую обработку давлением доста-

точен для их гомогенизации. Основными сплавами меди, нуждающимися в

гомогенизационном отжиге, являются оловянные бронзы, так как составы

жидкой и твердой фаз в системе Cu-Sn сильно отличаются, в

связи с чем раз-

вивается интенсивная дендритная ликвация.

В результате гомогенизацнонного отжига повышается однородность

структуры и химического состава слитков. Гомогенизационный отжиг - одно

из условий получения качественного конечного продукта.

Рекристаллизационный отжиг - одна из распространенных технологи-

ческих стадий производства полуфабрикатов меди и сплавов на ее основе.

Температуру начала рекристаллизации меди интенсивно повышают Zr,

Cd, Sn, Sb, Сг, в то время как Ni, Zn, Fe, Co оказывают слабое влияние.

На температуру рекристаллизации латуней также влияет предшест-

вующая обработка, в первую очередь степень холодной деформации и вели-