Термоциклическая обработка металлов и деталей машин
Обновлено: 26.04.2024
Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке сталей при изготовлении инструмента и деталей машин в машиностроении. Осуществляют многократный нагрев образцов выше АCl на 130-170 o С со скоростью 6-35 град/с, охлаждение в цикле ниже АCl проводят в расплаве солей до температуры 680-750 o С с выдержкой при этой температуре 3-9 мин, охлаждение в масле после нагрева в последнем цикле с последующим отпуском ведут при температуре 200-400 o С. Указанные приемы над образцами обеспечивают снижение длительности процесса термоциклической обработки, повышение твердости и прочностных свойств при сохранении высокой ударной вязкости, а значит повышение эксплуатационной прочности инструмента при динамических нагрузках. 1 табл.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам термической обработки инструментальных сталей для штампов холодного деформирования, и может быть использовано при изготовлении инструмента и деталей машин в машиностроении.
Известен способ термоциклической обработки стали, включающий многократный нагрев выше ACl 30-50 o C, подстуживание на воздухе до температуры ниже ACl 30-50 o C, снова нагрев выше ACl 30-70 o C, охлаждение в воде, после которого осуществляют отпуск при 450-500 o C для снятия внутренних напряжений [1].
Недостатками данного способа является то, что повышение пластичности стали не сопровождается необходимым высоким уровнем ее прочностных свойств, а также достаточная трудоемкость и длительность способа, так как для его осуществления необходимо проведение нагрева и охлаждения до 10 раз, что неизбежно приводит к окислению поверхности изделия и образованию окалины вследствие проведения всего процесса термообработки на воздухе.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ термоциклической обработки инструментальной стали, включающий многократный нагрев выше ACl на 40-80 o C со скоростью 250-350 o C/мин, охлаждение в цикле ниже ACl до температуры 560-620 o C в расплаве солей с выдержкой при этой температуре до окончания _ превращения, охлаждение в воде или масле после нагрева в последнем цикле, после которого осуществляют отпуск при 180-220 o C [2].
Недостатком данного способа для штампов холодного деформирования из сталей Х12М, Х12Ф1 и других им подобных, является то, что процесс полного превращения _ при 560-620 o C для этих сталей длится более 5 часов [4], следствием чего является значительное увеличение времени всего процесса термоциклической обработки, так как для его проведения необходимо 3-4 цикла, и, кроме того, указанный способ не обеспечивает необходимый высокий уровень прочности по причине низкой температуры нагрева (ACl+(40-80 o C)) в цикле и, следовательно, высокую эксплуатационную стойкость инструмента, изготовленного по этому способу.
Сущность изобретения достигается тем, что в известном способе темоциклической обработки инструментальной стали, при котором осуществляют многократный нагрев выше ACl, охлаждение в цикле ниже ACl и охлаждение в масле после нагрева в последнем цикле с последующим отпуском, многократный нагрев осуществляют выше ACl на 130-170 o C со скоростью 6-35 град/с, и охлаждение в цикле проводят в расплаве солей до температуры 680-750 o C с выдержкой при этой температуре 3-9 минут, а отпуск ведут при температуре 200-400 o C.
Техническим результатом является снижение длительности процесса термоциклической обработки и повышение твердости при сохранении ударной вязкости стали, что позволяет повысить эксплуатационную стойкость инструмента.
Выполнение предлагаемого способа с такими режимами позволяет сохранить ударную вязкость при повышении твердости за счет чередующегося повторения процессов взаимного растворения-выделения между ферритокарбидной смесью и аустенитом, способствующего получению благоприятного структурного состояния в конечной структуре стали.
Для изготовления штамповой оснастки холодного деформирования широко применяют стали Х12М, Х12Ф1. Присутствие в структуре этих сталей большого количества карбидов обеспечивает с одной стороны, высокую износостойкость инструмента, а с другой - приводит к заниженной ударной вязкости. Большая легированность стали создает устойчивые к растворению карбиды. Увеличение температуры закалки выше ACl + 170 o C для большего растворения карбидов и получения нужной твердости мартенсита приводит к увеличению размеров зерен в стали, следствием чего становится снижение пластичности и ударной вязкости. Понижение степени легирования аустенита всегда приводит к снижению его устойчивости - к более быстрому и полному распаду. Ускоренные нагревы до температуры на 130-170 o C выше ACl со скоростью 6-35 град/с и охлаждения в расплаве солей до 680-750 o C при термоциклировании позволяют снизить в аустените степень растворения легирующих элементов. После 2-4 кратного проведения таких нагревов и охлаждений формируется сверхмелкозернистая структура. Все это в конечном счете приводит к повышению прочности и пластичности стали, а отпуск при температуре 200-400 o C обеспечивает ее высокую твердость. Кроме того, в предлагаемом способе снижена длительность процесса за счет уменьшения времени выдержки при нижней температуре в цикле (с нескольких часов до 3-9 минут).
Повышение твердости и прочности при сохранении высокого уровня ударной вязкости позволяет повысить эксплуатационную стойкость штампов холодного деформирования.
Способ термоциклической обработки инструментальной стали осуществляется следующим образом. Берут образцы из стали Х12М, Х12Ф1 и подвергают нагреву до 960-1000 o C (выше ACl на 130-170 o C) со скоростью 6-35 град/с в расплаве хлористых солей. Затем их охлаждают до температуры 680-750 o C (ниже ACl) путем переноса в другой расплав смеси хлористых солей с выдержкой 3-9 минут при этой же температуре 680-750 o C. Затем их вновь нагревают до 960-1000 o C путем переноса в первый расплав солей, охлаждают до 680-750 o C переносом во второй расплав, выдерживают при этой температуре и т.д. После третьего нагрева до 960-1000 o C образцы охлаждают в масле или селитре (проводят закалку) с последующим отпуском при 200-400 o C.
Примеры осуществления способа термоциклической обработки инструментальной стали.
Пример конкретного выполнения предлагаемого способа. Берут образцы из сталей Х12М, Х12Ф1 и подвергают нагреву до 980 o C со скоростью 6-35 град/с в расплаве хлористых солей. Затем их охлаждают до температуры 730 o C путем переноса в другой расплав смеси хлористых солей с выдержкой 3-9 минут при этой же температуре 730 o C. Затем их вновь нагревают до 980 o C путем переноса в первый расплав солей, охлаждают до 730 o C переносом во второй расплав, выдерживают при этой температуре и т.д. После третьего нагрева до 980 o C охлаждают в масле (проводят закалку) с последующим отпуском при 200 o C.
Для получения сравнительных данных параллельно проводят термическую обработку по стандартной технологии: закалка от 1030 o C плюс отпуск при 200 o C [3].
Берут образцы из сталей Х12М, Х12Ф1 и подвергают четырехкратному нагреву до температуры 880 o C со скоростью 250-350 o C/мин в расплаве хлористых солей и охлаждению до температуры 590 o C путем переноса во второй расплав хлористых солей. После четвертого нагрева до 880 o C образцы охлаждают в масле (проводят закалку) и проводят отпуск при 200 o C. Результаты исследований приведены в таблице (см. таблицу в конце описания).
Как видно из таблицы, использование предлагаемого способа термоциклической обработки инструментальной стали позволяет повысить ударную вязкость более, чем в 2 раза по сравнению с традиционной закалкой при сохранении высокой твердости [3], а также повысить твердость и прочностные свойства стали при сохранении ударной вязкости и снизить длительность процесса по сравнению с термоциклической обработкой по режиму известного способа-прототипа. Улучшение комплекса механических свойств позволяет повысить эксплуатационную стойкость инструмента, особенно испытывающего динамические нагрузки.
Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР N 1379322, кл. C 21 D 1/78. Способ термоциклической обработки углеродистой стали.
2. Патент РФ N 2078440, кл. C 21 D 1/78. Способ термоциклической обработки инструментальной стали (прототип).
3. Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки стали. - М.: Металлургия, 1986. - с. 364-372.
4. Попов А.А., Попова Л.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. Справочник термиста. - М.: Металлургия, 1965. - с. 416-418.
Способ термоциклической обработки инструментальной стали, включающий многократный нагрев выше AС1, охлаждение в цикле ниже AС1, охлаждение в масле после нагрева в последнем цикле с последующим отпуском, отличающийся тем, что многократный нагрев осуществляют выше AС1 на 130 - 170 o C со скоростью 6 - 35 град/с, охлаждение в цикле проводят в расплаве солей до температуры 680 - 750 o C с выдержкой при этой температуре 3 - 9 мин, а отпуск ведут при температуре 200 - 400 o C.
Термоциклическая обработка металлов и деталей машин
Технология ТО предопределяет структуру сплава, обладающую определенным комплексом физико-механических свойств. Поэтому каждый режим ТЦО сталей и чугунов приводит к своей, отличающейся от других структуре. Существует огромное многообразие структур, получаемых в сплавах на основе железа. Однако можно выделить основные структурные изменения в результате ТЦО.
Первым и, по-видимому, основным эффектом любого режима ТЦО сталей и чугунов является измельчение их микроструктуры. Этот процесс измельчения обусловлен несколькими факторами: влиянием ускорения нагревов и охлаждений на структурообразование, отсутствием или малой длительностью выдержек при максимальной температуре нагревов, особенностью кинетики многократных структурных (и фазовых) превращений и т. д. Все эти аспекты процесса образования сверхмелкозернистой структуры еще мало изучены. Однако многое уже известно. Исследования показали, что при быстром нагреве рост аустенитного зерна происходит медленной поэтому нагрев до высоких температур (например, до 1000 °С) не ведет к интенсивному увеличению зерна. Критическая температура Ас1 при ускорении нагрева возрастает и «размывается» так, что появляется необходимость фиксировать и впоследствии учитывать значения температуры начала а- у превращения Ас1 и температуру конца а у превращения Ас1к в процессе структурного превращения перлита в аустенит. Первоначально в нагреваемом сплаве при температуре Ас1н появляются первые, очень мелкие зерна аустенита в перлите. Аустенит зарождается на границах между пластинками цементита и феррита. Число зарождающихся зерен аустенита в объеме превращающегося перлита чрезвычайно велико. При дальнейшем нагреве наблюдается некоторое увеличение числа зерен аустенита, возникающих в основном вблизи дефектов в феррите. Установлено, что увеличение размеров зерен идет при переменной температуре нагрева в 3 раза медленнее, чем в изотермических условиях при соответствующей температуре. При условии, когда скорость роста новой фазы (аустенита) мала, а скорость зарождения зерен значительна, получается, что не только в момент, но и к концу а у превращения сохраняется сверхмелкозернистая структура. Дальнейший нагрев или выдержка при постоянной температуре приводит к быстрому укрупнению зерен аустенита.
Если произвести охлаждение (например, на воздухе) быстро нагретой стали на 10—15 °С выше температуры точки Ас1, то вследствие обратной перекристаллизации образуется мелкое зерно перлита. При одном термоцикле феррит в доэвтектоидных сталях почти не претерпевает изменений. Но если произвести несколько таких нагревов и охлаждений, то вся ферритно-перлитная структура претерпевает изменение.
Тот факт, что в результате ТЦО резко измельчаются зерна в сталях и чугунах, требует своего объяснения. Наибольшую сложность вызывает понимание этого процесса в сталях с феррито-перлитной структурой. При попытках объяснить получение термоциклированием равномерной мелкозернистой структуры в доэвтектоидных углеродистых сталях необходимо исходить из механизма образования аустенита при ускоренных нагревах и его распада при последующих охлаждениях.
Следует отметить, что вопрос о механизме образования аустенита при нагреве стали является одним из фундаментальных в теории фазовых превращений и, к сожалению, еще до конца нерешенным. Обсуждению этого вопроса посвящено большое число работ. Высказано несколько гипотез о механизме аустенитизации, но важнейшие аспекты этого структурного превращения все еще остаются неясными.
Большие сложности вызывает объяснение начальной стадии превращения перлита и части доэвтектоидного феррита при температуре, близкой к 750 °С (Ас1)у хотя температура фазового превращения а-железа в у-железо при отсутствии цементита составляет 910 °С. Известно, что первые зародыши аустенита при нагреве до точки Ас1 образуются на межфазных границах феррита с цементитом. Установлено также, что превращение перлита в аустенит идет по мере «растворения» цементита и насыщения углеродом до 0,8 % зон, прилегающих вначале к цементиту, а потом к новой фазе — аустениту. По мере насыщения новой фазы углеродом— до 0,8% и более — идет дальнейшее превращение феррита в аустенит. Этот диффузионный механизм превращения перлита (цементита + феррита) в аустенит хорошо изучен и не вызывает сомнений, если скорость нагрева меньше 1 °С/мин. При малой скорости нагрева дефекты кристаллического строения исходных структур исчезают еще до начала превращения. В таком случае «бездефектный» доэвтектоидный феррит оказывается устойчивым и его вовлечение в превращение происходит постепенно, по мере повышения температуры до точки Лез [76].
Однако как только скорость нагрева превысит значения 3 °С/мин в конструкционных углеродистых сталях (типа сталь 40) при температурах несколько выше точки Ас1, появляется «избыточный» аустенит, т. е. количество аустенита оказывается больше, чем его образуется при медленном нагреве или после выдержки при этой температуре [75].
1. Немаловажное значение для появления бездиффузионного механизма превращения части феррита в аустенит после точки Ас1 перлитно-аустенитного превращения имеют дефекты, искажения кристаллического строения феррита в его приграничных зонах. Эти дефекты и межфазные напряжения возникают при неполном структурном превращении, т. е. тогда, когда перлит претерпевает превращение, а феррит запаздывает с превращением. В этом случае ослабевают внутрикристаллические силы взаимодействия атомов в поверхностных слоях контактирующих фаз. Однако известно, что при нагреве исчезающая фаза (феррит) теряет устойчивость, энергию взаимодействия атомов, а новая (аустенит) — увеличивает свою внутреннюю энергию.
2. При взаимодействии с аустенитом кристаллическая решетка феррита, будучи неустойчивой и «податливой» при температуре выше точки Асн оказывается энергетически подготовленной к перестройке (превращению) в аустенит — высокотемпературную фазу. Предрасположенность феррита к превращению способствует течению этого процесса по бездиффузионному механизму.
Указанные причины создают условия для бездиффузионного образования аустенита в приграничном феррите под воздействием более низкой температуры, чем 910 °С. Аустенит, возникающий по бездиффузионному механизму, первоначально неустойчив. Однако в силу большой растворимости углерода в нем происходит насыщение аустенита углеродом и стабилизация кристаллической структуры. Итак, при ускоренном нагреве конструкционной стали до температуры выше точки Ас1 образуется больше, чем обычно, мелкозернистого аустенита. Процесс обратного структурного превращения при охлаждении от указанного нагрева идет неидентично тому, который происходит при охлаждении после выдержки при данной температуре или медленного нагрева. Отличие состоит в том, что зерна аустенита имеют, во-первых, больший объем, чем в равновесном состоянии при Ас1, и, следовательно, меньшую удельную концентрацию углерода; во-вторых, аустенит мелкозернистый; в-третьих, в приграничных с ферритом областях аустенит содержит больше углерода (результат термодиффузии и диффузии при распространении а у-превращения феррита) и поэтому там он более устойчив.
В процессе охлаждения стали с такой неоднородной структурой аустенита распад его происходит следующим образом: вначале распадаются на феррит и перлит те мелкие зерна аустенита, которые имеют меньшую концентрацию углерода, т. е. внутренние. Этому процессу немного способствует и то, что температура внутренних (центральных) в семействе аустенитных зерен несколько ниже, чем крайних. Мелкие зерна аустенита, граничащие с ферритом, подогреваются от перегретого феррита. Таким образом, распад зерен аустенита при охлаждении от нагрева начинается не с границ зерен А — Ф, а внутри них, т. е. начинается выделением феррита в центральной части аустенитных зерен. В результате полного охлаждения на месте названных аустенитных зерен в их прежних границах образуется так называемый псевдоперлит, содержащий углерода меньше 0,8 %. Так, в результате одного быстрого нагрева стали до температуры несколько выше точки Ас1 с последующим охлаждением получим структуру не смеси феррита и перлита (Ф+ П), как обычно, а состоящую из зерен феррита и мелкозернистой смеси перлита и феррита, т. е. Ф+(Ф+П). Так, первый цикл нагрева и охлаждения всего лишь частично измельчает структуру, является шагом к полному измельчению зерен в стали.
При повторном нагреве стали аустенизация перлита происходит известным образом. Однако при этом нагреве возникает метастабильный аустенит только в крупных зернах феррита, точнее на границе с аустенитом. Мелкие зерна аустенита, находящиеся внутри прежнего псевдоперлита (т. е. внутри мелкозернистой перлитно-ферритной смеси), в процессе превращения перлита в аустенит имеют меньшую температуру, чем периферийные, граничащие с ферритом. Большие зерна оставшегося (исходного) феррита продолжают разогреваться, тогда как мелкие зерна феррита в псевдоперлите остаются некоторое время при постоянной температуре а -> у-превращения. При этих условиях (температура феррита больше температуры ферритных зерен псевдоперлита) дальнейшая аустенизация идет направленно — аустенизируется перегретый (крупный) феррит. Причинами такой аустенизации являются указанная разница в температурах при быстром нагреве и термодиффузия углерода в аустените в более нагретую, приграничную с ферритом зону.
В процессе охлаждения стали после второго нагрева кинетика распада аустенита аналогична описанной выше. Последующие циклы постоянно охватывают эвтектоидным превращением весь структурно-свободный феррит. Так, путем последовательных нагревов до температур несколько выше точки Ас1 и охлаждений на воздухе до комнатных температур создается мелкозернистая структура в стали и соответствующее улучшение ее механических свойств. Однако нет смысла производить все охлаждения до комнатных температур. Структура пластинчатого перлита при охлаждении полностью формируется при температуре порядка 600 °С. Дальнейшее охлаждение на воздухе не изменяет структуры стали. Поэтому охлаждения при термоциклировании для получения мелкозернистой структуры можно и с экономической точки зрения нужно производить до температур на 50—80 °С ниже точки Аги а потом вновь нагревать. Охлаждение после последнего нагрева следует осуществлять на воздухе до комнатной температуры.
Термоциклическая обработка сталей, сплавов и композиционных материалов
К настоящему времени разработаны и находят широкое применение на практике различные технологические способы термической обработки металлов и сплавов, в которых используется циклическое многократное изменение температуры. К ним можно отнести способы многократной нормализации, закалки или отпуска, циклического или маятникового отжига, а также различные способы термоциклирования в процессе обработки. Так, в последние годы интенсивно разрабатывается и находится на стадии внедрения принципиально новый метод термообработки — термоциклическая обработка (ТЦО), режимы которой характеризуются (в отличие от известного метода термической обработки) многократностью нагревов и охлаждений с оптимальными скоростями и отсутствием выдержек при максимальных температурах нагрева. Часто все эти разновидности термической обработки называют одним термином — термоциклическая обработка.
В самом общем виде все способы ТЦО можно подразделить на три основные группы, схематически показанные на рис. 1. К первой из них относится обработка, основанная на термоциклировании через линию растворимости, вторая— с полным или частичным прохождением диффузионного фазового превращения при ТЦО, а третья — при ТЦО сначала через интервал диффузионного, а затем бездиффузионного (мартенситного) перехода . Наиболее эффективные результаты достигаются, как правило, при 2 и 3 режимах, поэтому в дальнейшем более подробно рассматриваются в основном вопросы, относящиеся к этим типам ТЦО.
Употребление одного и того же термина для обозначения указанных видов термической обработки, естественно, вносит некоторую путаницу при понимании совершенно различных по своей физической сущности процессов. Кроме того, сам метод ТЦО в зависимости от температурно-скоростных условий обработки, а также от химического и фазового состава обрабатываемых материалов имеет еще ряд разновидностей, которые условно подразделяют на следующие: низко-, средне- или высокотемпературная ТЦО, маятниковая ТЦО или ТЦО с промежуточными охлаждениями до комнатной температуры и др.
Следует отметить принципиально важную особенность процессов ТЦО — в ходе обработки осуществляется многократное прохождение структурных и фазовых превращений в металлах и сплавах. Причем в одних случаях происходят только структурные изменения в результате ускоренных нагревов и охлаждений, в других — структурные и фазовые изменения в результате прохождения неполных фазовых переходов с различной степенью завершенности или полных многократных фазовых превращений с оптимальными скоростями. Следовательно, термоциклической обработкой (ТЦО) следует считать процесс термического воздействия, осуществляемого посредством непрерывного циклического изменения температуры и сопровождающегося многократными структурными или фазовыми превращениями в обрабатываемом материале при нагревах и охлаждениях с заданной скоростью. Целью данной обработки является получение необходимых изменений структурного, фазового или напряженного состояния материала, которые и будут определять в итоге его свойства.
Как и любой процесс термической обработки, ТЦО можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени. По такому графику можно определить параметры, характеризующие температурное воздействие при ТЦО: интервал и область температур цикла, скорость нагревай охлаждения, время пребывания при верхней и нижней температуре цикла, число циклов обработки, форму температурного цикла и т. п. Но по форме этого графика нельзя судить о виде термической обработки. Согласно классификации А. А. Бочвара многочисленные разновидности термической обработки металлов и сплавов определяются не характером изменения температуры во времени, а типом фазовых и структурных изменений в металле [6, 7]. Поэтому, основываясь на последнем признаке, и следует классифицировать многочисленные способы ТЦО.
Исходя из всех возможных вариантов ТЦО, классификацию ее разновидностей можно представить следующим образом (рис. 2). Все разновидности ТЦО можно подразделить на три основных типа в зависимости от причины структурных изменений в обрабатываемом материале.
К первому типу следует отнести все те процессы ТЦО, при которых структурные изменения не связаны с прохождением фазовых переходов в металлах. В данном случае структурные изменения являются результатом изменения концентрации точечных дефектов, образования новых дислокаций и дефектов упаковки, их взаимодействия и перераспределения, изменения ликвационной структуры материала вследствие деформации и изменения температуры и др. [5, 8].
Ко второму типу относятся процессы ТЦО, при которых протекают фазовые превращения. При этом может происходить измельчение зерен, преимущественно растворение или выделение избыточных фаз, изменение формы и размеров структурных элементов, выделяющихся из высокотемпературной фазы. Кроме того в этом случае действуют также и все те причины структурных изменений, которые перечислены для первого типа, когда фазовых превращений не происходит.
Как показали результаты многочисленных исследований, изменения структуры и физико-механических свойств металлов и сплавов проявляются наиболее эффективно и разнообразно в результате ТЦО, сопровождающейся фазовыми превращениями. Характер этих изменений определяется типом фазовых превращений, степенью их завершенности и температурно-скоростными условиями прохождения фазовых переходов в процессе ТЦО. Поэтому классификацию разновидностей этого типа ТЦО можно продолжить следующим образом.
ТЦО с фазовыми переходами можно разделить на две основные группы в зависимости от типа превращений в обрабатываемом материале. К первой группе относятся способы, когда при нагревах и охлаждениях протекают диффузионные превращения, например, эктектоидного типа (феррит + перлит в аустенит при нагреве сталей и обратный переход при охлаждении). Ко второй группе относятся способы, когда протекают превращения мартенситного типа. Следует иметь в виду также, что диффузионные превращения могут протекать с большим объемным эффектом (Fe, Zrи их сплавы) и с малым (Tiи его сплавы).
Разновидности ТЦО этого типа можно разделить еще на две подгруппы в зависимости от степени (полноты) прохождения фазового превращения в металлах или сплавах при нагревах и охлаждениях:
К третьему типу ТЦО следует отнести группу способов ТЦО, когда ее совмещают с другими видами термической обработки и в результате этого получают дополнительные необходимые изменения структурно-фазового и напряженного состояний сплавов. К этим способам можно отнести: ТЦО + нормализация или закалка, ТЦО + низкий или средний отпуск, а также ТЦО + отпуск в межкритическом интервале температур и др.
Кроме предложенной классификации, все разновидности ТЦО можно разделить по способам технологического исполнения. В основном это ТЦО с использованием печного нагрева и охлаждения на воздухе, в воде или масле, ТЦО в соляных ваннах и ТЦО с использованием электронагрева (к последнему относятся контактный — прямым пропусканием тока и индукционный — ТВЧ и ТПЧ и т. п.).
Существование такого разнообразия видов и способов ТЦО объясняется универсальностью и разнообразностью термоциклического воздействия на структуру и физико-механические свойства металлических материалов. Эффективность этого воздействия на материал определяется характером следующих основных изменений его состояния:
а)структурного строения — измельчением зерен, изменением их форм и ориентировки, обеспечением структурной однородности, а также изменением концентрации дефектов кристаллического строения;Щ§
б)фазового состава — получением того или иного фазового состояния сплава или преимущественного растворения или выделения избыточных фаз в нем;
Используя указанные возможности направленного изменения состояния металлов и сплавов за счет применения определенного температурно-скоростного режима ТЦО, можно успешно решать следующие технологические задачи.
1.Упрочнение металлических материалов за счет достижения лучшего сочетания прочностных и пластических свойств. Например, повышение предела прочности при растяжении, предела текучести и твердости стали при одновременном увеличении показателей ее ударной вязкости и пластичности [6].
2.Улучшение условий горячей пластической деформации (обработки давлением) металлических материалов. Например, достижение структурных и температурно-скоростных условий проявления материалами сверхпластичного состояния.
3.Улучшение последующей механической обрабатываемости
4.Регулирование размера зерна и получение сверхмелкозернистого строения металлических материалов, позволяющие получать уникальные физико-механические свойства.
5.Стабилизирующая обработка стальных и чугунных изделий прецизионногоназначения, позволяющая снижать их коробление и деформацию.
Однако использование ТЦО для решения технологических задач этим не ограничивается. Подтверждением служат результаты проведенных авторами исследований, которые будут обсуждаться в последующих разделах книги, в частности, в заключительной ее главе.
Сайт содержит техническую и нормативную информацию по металлургии.
Все материалы размещенные на сайте предоставляются бесплатно.
Книги по металлургии
В брошюре (4-ое издание, дополненное и переработанное) изложены наиболее доступные и простые в условиях заводских и цеховых лабораторий методы контроля качества электролитических покрытий. Наряду с широко известными ГОСТированными методами в этом издании (3-е изд.-1968 г.) приведен ряд новых количественных и качественных методов испытаний электролитических покрытий, которые легко могут быть использованы в производственных условиях. Брошюра рассчитана на квалифицированных рабочих, лаборантов и мастеров гальванических цехов. Она может быть также использована инженерно-техническими работниками гальванических цехов.
Содержание
Стойкость инструментов
Стойкость и износ инструмента
Шлифовочные ожоги
Какими способами можно повысить стойкость
Удаление дефектного слоя
Доводка
Травление
Электрополирование
Упрочнение структуры режущих инструментов
Обработка холодом
Цианирование
Электроискровое упрочнение
Создание на поверхности инструмента противозадирных пленок с низким коэффициентом трения
Хромирование
Сульфидирование и сульфоцианирование
Обработка в атмосфере водяного пара
Фосфатирование
В третьем издании (первое — в 1963 г., второе — в 1971 г.) описаны общие закономерности структурообразования при затвердевании, деформации и термической обработке металлов и сплавов. Эти же вопросы рассмотрены для технических сплавов (черных и цветных) на основе общих закономерностей фазового равновесия и структурообразования. Приведены диаграммы равновесия двойных и тройных систем и кристаллическая структура фаз. Рассмотрены некоторые свойства металлов и сплавов, иллюстрирующие конкретные случаи структурообразования, и методы металлографического эксперимента.
Для студентов металлургических вузов и факультетов; может быть использована инженерно-техническими работниками металлургических и машиностроительных предприятий.
Это первое издание книги Лившица Л.С. Металловедение для сварщиков 1979 года.
В книге даны основные положения металловедения, их значения для сварки металлов и свойств получаемых соединений. При рассмотрении некоторых прикладных вопросов металловедения сварки основное внимание уделено сталям, как материалам, наиболее широко применяемым в различных отраслях народного хозяйства.
В книге рассмотрены процессы тепловой работы печей, применяемых для нагрева металла перед обработкой давлением или для термической обработки. Процессы тепловой работы печей рассмотрены в тесной связи с их конструктивными особенностями. Приведены методы расчёта некоторых практически важных задач печной технологии.
Книга предназначена для конструкторов, технологов и теплотехников.
Учебное пособие содержит сведения по основам современной техники и технологии в объеме, необходимом для овладения профессией контролера работ по металлопокрытиям. Пособие включает материалы о современных оборудовании, технологических процессах контроля и передовых методах труда, применяемых в отечественной и зарубежной практике. Основное внимание уделено изложению материала о контроле качества электролитических покрытий.
Термоциклическая обработка (ТЦО) — новый метод упрочнения заготовок и деталей машин. За счет интенсификации процессов диффузии, фазовых и структурных превращений он позволяет сократить длительность термической обработки, улучшить весь комплекс механических свойств, а значит — надежность деталей машин. Авторами книги — известными учеными, разработчиками отечественного метода ТЦО — предпринята попытка сформулировать его теоретические основы и технологию на базе исследований ТЦО порошковых сплавов, сварных соединений сталей и чугунов, ряда сплавов алюминия, меди и других металлов.
Книга предназначена для инженеров-конструкторов, технологов, металловедов, термистов.
В книге рассмотрены условия деформации металла при прокатке в черновых калибрах. Предложены методы расчёта уширения, коэффициентов вытяжки и утяжки, необходимые при определении размеров прокатываемой полосы в калибрах различных систем. Детально рассмотрена прокатка в черновых калибрах применяемых систем овал - квадрат, ромб - квадрат и овал - ребровый овал, а также прокатка на гладкой бочке с равномерным и неравномерным обжатиями и в разрезных калибрах разной формы.
В книге обобщен и проанализирован опыт проектирования калибровок фасонных профилей полосового типа. Рассмотрены теоретические основы калибровки сложных профилей, сущность и задачи оптимизации калибровки прокатных валков (расчета калибровки на ЭВМ), экспериментальные исследования формоизменения, математическое моделирование технологического процесса. Изложена методика расчета формоизменения при прокатке основных групп фасонных профилей - полосовых симметричных и асимметричных, с клиновидными элементами, асимметричных профилей с отогнутыми краями, профилей желобчатой формы и шарнирного типа, полособульбовых профилей и с утолщениями на конце, а также профилей с ребрами жесткости.
Предназначена для инженерно-технических работников металлургической и машиностроительной промышленности.
Рассмотрены механические, свойства и характер разрушения сталей и сплавов, работающих при низких температурах. Приведены физико-механические и технологические свойства конструкционных металлических материалов, основные критерии выбора металлов для низкотемпературного применения.
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся вопросами разработки и исследования материалов, создания и эксплуатации машин и оборудования, работающих при низких температурах, а также для студентов и аспирантов, специализирующихся в области материаловедения и машиностроения применительно к низкотемпературной технике.
Способ термической обработки литых изделий или заготовок из силумина ак7
Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке алюминиевых сплавов. Предложен способ термической обработки литых изделий или заготовок из силумина АК7. Способ включает нагрев, выдержку и последующее охлаждение. Заготовку нагревают и выдерживают при температуре (0,4-0,7) tэвт. °С, где tэвт. °С - температура эвтектического превращения сплава, а последующее охлаждение до температуры -10-(-20)°С проводят при одновременном воздействии потока газа и акустического поля звукового диапазона частот с уровнем звукового давления в пределах 140-160 дБ. Техническим результатом является измельчение зерна, формирование внутризеренной структуры с выстраиванием дислокации в виде упорядоченных образований и уменьшение внутренних микронапряжений на границах раздела фаз. Повышаются механические свойства. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к металлургии, в частности к термической обработке алюминиевых сплавов.
Известен способ упрочняющей термической обработки сплавов системы Al-Si-Mg, включающий закалку (температура нагрева 535°С) и старение при 150°С с выдержкой 5 час, с последующим охлаждением, применяемый в том числе для сплава АК7 (АЛ9) (см. А.П.Гуляев. Металловедение. М.: Металлургия, 1986 г., с.541), обеспечивающий возможность формирования структуры и механических свойств этих материалов за счет протекания процессов фазовой перекристаллизации, выделения дисперсных фаз при старении (АК7). Недостатком этих способов обработки - закалки и старения для соответствующих сплавов является недостаточно высокий уровень механических свойств.
Известен способ термоциклической обработки (ТЦО) алюминиевых сплавов (В.К.Федюкин, М.Е.Смагоринский. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. Л.: Машиностроение, 1989 г., с.255), принятый в качестве ближайшего аналога, обеспечивающий возможность формирования структуры и механических свойств этих сплавов. ТЦО алюминиевых сплавов основана на эффекте измельчения кристаллов, устранения строчечности включений избыточных фаз. В результате многократных (до 20 раз) циклов нагрева и охлаждения в определенном температурном интервале. Так, для сплава АК7 термоциклирование осуществляется по режиму: 255↔530°С - 14 циклов, старение при 150°С (5 час).
Основным недостатком способа, принятого в качестве ближайшего аналога, является то, что способ используется для повышения пластичности, повышая пластичность, незначительно повышает прочность, не всегда обеспечивает стабильные результаты, требует длительного времени (~5 ч) и достаточно дорогого оборудования. Перед заявляемым изобретением поставлена задача повысить прочность литых алюминиевых, сплавов без снижения пластичности, при обеспечении технологичности процесса (небольшая продолжительность процесса, невысокая стоимость дополнительного оборудования, экологическая чистота). Поставленная задача решается за счет того, что изделие или заготовку подвергают обработке путем нагрева при температуре (0,4÷0,7) tэвт. °С, где tэвт. °C - температура эвтектического превращения сплава и выдержки, определяемой габаритами изделия, а последующее охлаждение до температуры -10°С ÷ -20°С проводят при одновременном воздействии потока газа и акустического поля звукового диапазона частот с уровнем звукового давления в пределах 140-160 дБ.
Перед проведением заявляемой обработки изделие или заготовка из алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, кроме отжига, осуществляемого путем нагрева до стандартной для этого сплава температуры с выдержкой и последующего охлаждения на воздухе или печью, подвергается закалке путем нагрева до температуры 535°С, выдержке и охлаждению в воде температурой 18÷20°С.
Охлаждение заготовки может быть проведено с использованием газоструйного генераторе звука (ГГЗ).
В качестве охлаждающего рабочего газа может быть использован воздух или инертный газ.
При проведении заявляемой обработки благодаря одновременному воздействию на заготовку (изделие) из алюминиевых сплавов при ее охлаждении потока газа температурой ниже 0°С и акустического поля достигается технический результат, а именно: измельчаются зерна избыточной фазы - α-твердого раствора и структурных составляющих эвтектики, формируется внутризеренная структура с выстраиванием дислокаций в виде упорядоченных образований, а также уменьшаются внутренние микронапряжения на границах раздела фаз. Это позволяет изменять механические свойства в желаемом направлении: повысить прочность при удовлетворительной пластичности (см. таблицу, режим 1в) или повысить пластичность (режим 1а).
На чертеже приведена схема резонатора газоструйного генератора звука (ГГЗ). При проведении заявляемой термической обработки охлаждение обрабатываемой заготовки 1 проводят в резонаторе 2, представляющем камеру, на открытом конце которой имеется фиксированный клин 3, перемещением которого регулируются амплитудо-частотные характеристики генерируемых акустических полей. Функционирование ГГЗ (создание мощных акустических полей в резонаторе 2) осуществляется с помощью рабочего газа, подаваемого в ресивер 4 через штуцер 5 с последующим истечением его через сопловой блок 6 над полостью резонатора 2.
В качестве примера для оценки заявляемого способа термической обработки использовались стандартные образцы для проведения механических испытаний. Часть образцов из сплава АК7 подвергалась дополнительно только закалке с температуры 535°С в воде, другие закалке и последующему старению по стандартному режиму. Образцы из сплава АК7, подвергнутого закалке, нагревали при температуре (0,4-0,7) tэвт. °С, выдерживали, а после этого помещали в камеру 2 резонатора ГГЗ, где их охлаждали под воздействием нестационарного потока газа 5, в качестве которого использовали воздух, и акустического поля звукового диапазона частот с уровнем звукового давления в пределах 140-160 дБ в течение 4-5 минут, где tэвт. °С - эвтектического превращения сплава.
Механические свойства сплава АК7 после всех видов стандартной обработки и дополнительной заявляемой обработки приведены в таблице.
Механические свойства сплава АК7 (АЛ9) после ТЦО приведены в таблице в соответствии с данными рис.4.1(б); 4.2(б); 4.3; 4.5, так как они полностью соответствуют информации авторов книги о характере влияния ВТЦО (высокотемпературной термоциклической обработки) на свойства литейных алюминиевых сплавов, приведенной в тексте: «ВТЦО по-разному влияет на свойства литейных и деформируемых сплавов. Для литейных сплавов характерно повышение относительного удлинения при сохранении или некотором увеличении прочностных показателей по сравнению со стандартными режимами обработки.» (В.К.Федюкин, М.Е.Смагоринский. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. Л.: Машиностроение, 1989 г., стр.143).
Как видно из результатов, приведенных в таблице, режим 1в, в соответствии с заявляемым изобретением, позволяет получать наиболее высокие механические свойства, а режимы 1а и 1с, выходящие за рамки заявляемого, не обеспечивают достаточного упрочнения.
Уменьшение уровня звукового давления до 120 дБ также приводит к снижению прочности.
Следовательно, термическая обработка алюминиевых сплавов, осуществляемая в рекомендуемых интервалах температур нагрева (0,4-0,7) tэвт. °С и охлаждения при комплексном воздействии потока газа и акустических полей с уровнями звукового давления 140-160 дБ (предлагаемая обработка) позволяет получить повышение прочностных свойств алюминиевых сплавов в ~1,4 раза без снижения пластичности по сравнению со свойствами, получаемыми при проведении стандартной термической обработки, чем достигается решение задачи, поставленной перед изобретением (режим 1в). При этом значительно сокращается время выдержки изделий или заготовок в печи (время выдержки составляет 15 мин). В режиме 1а может быть повышена пластичность.
Техническим результатом заявляемого способа термической обработки изделия или заготовки из алюминиевых сплавов является измельчение зерна и эвтектики, формирование внутризеренной структуры с выстраиванием дислокаций в виде упорядоченных образований, а также уменьшение внутренних микронапряжений на границах раздела фаз.
1. Способ термической обработки литых изделий или заготовок из силумина АК7, включающий нагрев, выдержку и последующее охлаждение, отличающийся тем, что заготовку нагревают и выдерживают при температуре (0,4-0,7) tэвт °С, где tэвт °С - температура эвтектического превращения сплава, а последующее охлаждение до температуры (-10)-(-20)°С проводят при одновременном воздействии потока газа и акустического поля звукового диапазона частот с уровнем звукового давления в пределах 140-160 дБ.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку сплава АК7 перед нагревом предварительно подвергают закалке путем нагрева до температуры 535-545°С, выдержке и охлаждению в воде.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение проводят в газоструйном генераторе звука ГГЗ.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа при охлаждении используют воздух.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа при охлаждении используют инертный газ.
Читайте также: