Тема № 9 Вступ до технологій термічної обробки матеріалів

План.

1. Властивості матеріалів.

2. Механічні властивості матеріалів.

3. Перетворення в сталях при нагріванні та охолодженні.

4. Загальні принципи технологічних процесів термічної обробки.

5. Визначення технологічних параметрів режиму відпалювання, гартування та відпускання сталі.

6. Поняття про хіміко-термічну обробку.

7. Основи технологій поверхнево-пластичного деформування матеріалів.

9.1. Властивості металів

Розрізняють механічні, фізичні, хімічні, технологічні, експлуатаційні властивості металів.

Всі деталі машин в процесі експлуатації зазнають впливу зовнішніх навантажень (сил), в результаті чого у них виникають напруження і деформації. Тому механічні властивості – найважливіші властивості будь–якого конструкційного матеріалу.

Напруженням називається величина, яка чисельно дорівнює силі P, що припадає на одиницю площі поперечного перерізу матеріалу F. Напруження позначається грецькою літерою  і визначається за формулою:

, Н/мм2 або мпа

Деформація – це зміна форми й розмірів деталей під дією прикладених сил. В процесі деформування матеріалу можна послідовно спостерігати: пружну деформацію, пластичну деформацію, руйнування. Якщо після зняття навантаження здеформована деталь повертається до своєї попередньої форми і розмірів, то таку деформацію визначають як пружну. При підвищенні навантаження деталь деформується пластично або руйнується, тобто змінює свою форму і розміри остаточно.

Здатність матеріалу під дією зовнішніх зусиль змінювати свою форму і розміри та при цьому не руйнуватись, а зберігати змінену форму після припинення дії зусиль, називається пластичністю.

Матеріали, які не здатні до пластичних деформацій, називаються крихкими. Такі матеріали при великому навантаженні чи під дією удару руйнуються раптово, майже не змінюючи своєї форми. До крихких матеріалів відносяться: скло, камінь, чавун та інші.

Поряд з пружністю і пластичністю важливою характеристикою матеріалів є міцність.

Міцність – це здатність матеріалу чи деталі опиратись дії зовнішніх зусиль. Часто під міцністю матеріалу розуміється його здатність опиратись розвитку пластичних деформацій під дією зовнішніх сил.

Кожна деталь машини чи інструмент повинні мати певні механічні властивості (міцність, пружність, пластичність) в залежності від умов їх роботи.

Щоб визначити, яким вимогам задовольняє деталь, проводять спеціальні досліди.

Показники пружності, міцності і пластичності металів визначають при дослідженні спеціальних зразків їх розтяганням, стиском, згином, крученням.

 

Рис. 9.1.1 Зразок для досліджень на розтягування: а) до досліду; б) після досліду.

Для проведення дослідів на міцність та пластичність виготовляють зразки плоскої (з листового матеріалу) чи круглої форми. Частіше використовують круглі зразки (рис.9.1.1). В цьому зразку регламентуються два розміри: діаметр і розрахункова довжина . Досліди проводять на розривних машинах різних конструкцій. В результаті отримують діаграму розтягування (рис. 9.1.2).

 

Рис. 9.1.2 Діаграма розтягування зразка з пластичного металу

При дослідах на розтяг визначають наступні показники міцності:

 межа пропорційності (зразок деформується пропорційно навантаженню);

 межа пружності  (при навантаженні більшому, ніж  порушується пропорційність між навантаженням і деформацією зразка, але зразок ще деформується пружно, тобто при знятті навантаження він приймає початкові розміри);

 межа текучості  (метал деформується практично без збільшення навантаження);

 межа міцності (відношення максимального навантаження , що передувало руйнуванню зразка, до площі поперечного перерізу зразка до досліду).

Частіше міцність металу характеризують межею міцності при розтязі (рис.9.1.2) , Па:

,

Де — максимальне навантаження, що витримав зразок перед руйнуванням, Н;

 — площа поперечного перерізу зразка до досліду, м2.

Одночасно з міцністю при розтязі визначають і пластичність — здатність металу втримувати залишкову зміну форми і розмірів без руйнування.

Пластичність матеріалу оцінюють двома величинами: відносним видовженням і відносним звуженням .

Відносне видовження  - це відношення в процентах залишкового видовження зразка (після розриву) до його початкової довжини :

,

Де - початкова довжина зразка, мм;

  - довжина зразка після розриву, мм.

Відносне звуження  (в шийці) – це відношення в процентах найбільшого зменшення площі поперечного перерізу зразка (після розриву) до початкової площі  його поперечного перерізу:

,

Де  — площа поперечного перерізу зразка до досліду, м2;

  - площа в місці розриву, м2.

Чим більше відносне видовження , тим більш пластичний метал. Так, наприклад, технічне залізо при розтягуванні до розриву видовжується в 1,5 рази, а у чавуна відносне видовження близьке до нуля.

Діаграма розтягування зразка із чавуна представлена на рис. 9.1.3.

 

Рис. 9.1.3 Діаграма розтягування зразка із чавуна

Для визначення схильності матеріалів до крихкого руйнування застосовують динамічні випробування на ударний згин.

Міцність при ударних навантаженнях визначають руйнуванням зразків ударом масивного маятника і характеризують ударною в'язкістю - відношенням витраченої на злам зразка роботи , Дж, до площі перетину зразка , м2, у місці зламу:

 

Визначення ударної в’язкості проводиться на зразках прямокутної форми. Щоб злам пройшов посередині зразка, в центрі його роблять неглибокий (2мм) надріз (рис. 9.1.4).

Чим вища ударна в’язкість, тим менше крихке руйнування.

 

А)
Б)
Рис. 9.1.4. Зразок для дослідів на удар: а) до дослідів; б) після дослідів.

 

Важливою характеристикою металів є твердість — здатність опиратися втискуванню в них іншого більш твердого тіла (індентора).

Для багатьох сплавів існує чітка залежність між твердістю, механічними, експлуатаційними та технологічними властивостями (міцністю, зносостійкістю, обробкою різанням, тиском та ін.). Тому вимірювання твердості є найбільш поширеним методом механічних випробувань. До основних методів випробувань на твердість відносяться три стандартних методи: Брінеля, Віккерса, Роквелла. Умови визначення твердості за цими методами регламентовані відповідно ГОСТ 9012-59, ГОСТ 2999-75, ГОСТ 9013-59.

 

Рис. 9.1.5 Схема вимірювання твердості за Брінелем

В результаті втискування сталевої кульки діаметром D за допомогою преса на поверхні зразка утворюється відбиток , який має сферичну форму (лунка). Діаметр відбитку d вимірюють за допомогою лупи, на окуляр якої нанесено вимірювальну шкалу з ціною поділки до 0,05 мм. Число твердості за Брінелем HB визначають відношенням навантаження F, Н, що діє на кульку, до площі отриманого відбитку А, м2:

.

Для спрощення процедури визначення твердості, на практиці користуються стандартною таблицею для визначення твердості в залежності від F, D і d. Кульки різних діаметрів (2,5; 5; та 10 мм), навантаження ( від 156 до 30000 Н) та час утримування під навантаженням (10, 30, 60 с) вибирають в залежності від очікуваної твердості та товщини матеріалу, що досліджується.

 

Рис. 9.1.6 Твердомір Брінеля типу ТШ

Визначення твердості за способом Брінеля відбувається на твердомірі типу ТШ (твердомір кульковий), який показано на. Рис. 9.1.6. Дослідження здійснюється наступним чином. На поверхні зразка, твердість якого необхідно виміряти, зачищають абразивним інструментом ділянку розміром 3 – 5 см2. Зразок ставлять на столик приладу, за допомогою маховика 3 піднімають до сталевої загартованої кульки 2, яку закріплено в шпинделі приладу. При включенні електродвигуна кулька втискується в зразок, що досліджується. Чим більша лунка, тим метал м’якший. Для визначення числового значення твердості діаметр відбитку вимірюють за допомогою лупи Брінеля, потім за формулою підраховують площу відбитку. Розділивши величину навантаження на площу поверхні відбитку, отримують число твердості за Брінелем.

Перевагами методу Брінеля є простота випробувань та точність результатів. Крім того, між твердістю за Брінелем та межею міцності для деяких пластичних сплавів існує залежність типу:

,

Де - коефіцієнт, який залежить від марки матеріалу. Наприклад, для сталі та дюралюмінію k=0,35; для міді та її сплавів k=0,55 і т.д.

До недоліків методу Брінеля відносяться: обмежене застосування (до HB 4500 мпа), через деформацію стальної кульки; неможливість досліджень тонких виробів (товщиною до 2 – 3 мм) та тонких поверхневих шарів (до 1мм), що залишають на деталі відбиток діаметром 2 – 6 мм.

Цих недоліків немає метод Віккерса (рис. 9.1.7).

 

Рис. 9.1.7 Схема визначення твердості за методом Віккерса

За методом Віккерса в металевий зразок вдавлюється алмазна чотирьохгранна піраміда з кутом між протилежними гранями 1360. Твердість в цьому випадку визначається як частка від ділення сили F, Н, що діє на піраміду, на площу її відбитку А, м2:

,

Де ,  - розміри діагоналей відбитку.

Навантаження, яке прикладається до індентора, складає від 10 до 1000 Н. Цей факт, а також твердість матеріалу індентора (алмаз), дозволяє визначати твердість в дуже широкому діапазоні ( від самих м’яких до самих твердих матеріалів).

Твердість за методом Роквелла визначають шляхом втискування в досліджуваний зразок індентора в вигляді алмазного конуса з кутом при вершині 1200 і радіусом заокруглення 0,2 мкм чи сталевої кульки діаметром 1,588 мм. Навантаження на індентор прикладається послідовно: спочатку початкове навантаження F0 , що складає 100 Н, потім – основне навантаження F1, Н. (Рис. 9.1.8).

Твердість за методом Роквелла вимірюють безпосередньо по індикатору твердоміра в умовних одиницях, позначається  та підраховується за формулою:

,

 ,

,  - глибина втискування індентора при прикладанні, відповідно, основного і початкового навантажень.

 

Рис. 9.1.8 Схема вимірювання твердості за методом Роквелла

9.2. Фізичні і хімічні властивості

 Фізичні властивості характеризують температуру плавлення металів, їх густину, коефіцієнт теплового розширення, тепло- і електропровідність та інші.

 Хімічні властивості металів визначаються їх хімічною активністю, здатністю до хімічної реакції з газовими і рідкими агресивними середовищами, корозійною стійкістю.

9.3.Технологічні та експлуатаційні властивості матеріалів

 Технологічні властивості матеріалів характеризують їхню здатність до різноманітних способів обробки в холодному та гарячому стані. Вони органічно поєднують у собі фізико – хімічні та механічні властивості.

А) Ливарні властивості (рідкотекучість, усадка і схильність до ліквації) характеризують здатність металів і сплавів утворювати зливки без тріщин, раковин та інших дефектів.

Б) Здатність металів оброблятися тиском характеризується ковкістю. Ковкість у значній мірі визначається пластичністю, залежить від температури обробки і структури металу.

В) Зварюваність характеризується здатністю металів утворювати якісні нероз'ємні з'єднання (шви).

Г) Оброблюваність різанням — здатність металів піддаватися обробці ріжучими інструментами з метою одержання деталей певної форми, розмірів і шорсткості поверхні.

Технологічні властивості визначають за технологічними пробами, що дозволяє одержати якісну оцінку придатності металів до різних видів обробки (наприклад, глибокому штампуванню-витяжці і т.п.).

 Експлуатаційні властивості характеризують здатність металу працювати в умовах низьких чи високих температур, високої радіації, визначають антифрикційні чи фрикційні показники та ін.

9.4. Термічна і хіміко-термічна обробка металів

9.4.1. Термічна обробка сталі

Термічною обробкою називається теплова обробка металів і сплавів, при яких відбувається зміна їх структури і властивостей. За допомогою термічної обробки механічні властивості сталі можуть бути змінені в дуже широкому діапазоні.

Термічна обробка є одним з найважливіших технологічних процесів, що використовується майже в усіх галузях машинобудування.

Будь – яка термічна обробка складається із трьох операцій, що відбуваються послідовно одна за одною:

1) нагрів до визначеної температури;

2) витримка при задані температурі;

3) охолодження з різною швидкістю від заданої температури до кімнатної.

Таким чином, процесами термічної обробки керують два основних елемента – температура і час. Тому будь – який процес термічної обробки можна представити в вигляді графіка, де на вісі ординат відкладається температура, а на вісі абсцис – час (рис. 9.4.1) .

 

Рис. 9.4.1 Графік термічної обробки

Час нагріву деталі залежить від конструкції нагрівальної установки. В електричних повітряних печах швидкість нагрівання складає 1,5 – 2 хв. На 1 мм перерізу деталі. В соляних ваннах швидкість нагрівання в двічі вища – 0,8 – 1 хв. На 1 мм перерізу деталі. Час витримки обирають рівним 0,2 часу нагрівання.

Регулюючи температуру і час, можна здійснити наступні види термічної обробки:

- Відпалювання (відпал);

- Нормалізація;

- Гартування;

- Відпускання (відпуск).

 

Рис. 9.4.2 Піч електрична СНОЛ – 2,5.4.1.1,4/11–И1

 

Рис. 9.4.3 Зовнішній вигляд пічі електричної СНОЛ – 2,5.4.1.1,4/11–И1

Відпалювання - нагрівання стального виробу до температури 600 - 900 ° (залежно від марки сталі) і охолодження разом з піччю. Його застосовують при виготовленні із загартованого виробу іншого або ж коли попереднє загартування було невдале й інструмент потрібно знову загартувати.

Якщо гартувати невідпалені деталі, то в них можуть виникнути тріщини, структура металу стане неоднорідною, що різко погіршує якість виробу.

Дрібні деталі відпалюють, нагріваючи на масивних розжарених стальних штабах, з якими їх охолоджують. Інколи виріб нагрівають ацетиленовим пальником, який поступово віддаляють від виробу, даючи останньому можливість охолонути.

Нормалізація - це нагрівання стальних виробів до відповідної температури і охолодження на повітрі.

Гартування - нагрівання вуглецевих або легованих сталей до певної температури і швидке охолодження. У результаті цього змінюється кристалічна структура металу - він стає твердішим і більш антикорозійним. Маловуглецеві сталі з вмістом вуглецю до 0,3 % не гартуються.

Залежно від марки сталь нагрівають до певної температури. Так, сталі У7, У7А нагрівають до 770 - 790°; У8 – У13А - до 760 - 780; Р9 - Р18К5Ф2 - до 1235 - 1280 °С. При нагріванні вище цієї температури сталь втрачає свої властивості. Це також стосується відпалювання та відпускання.

Дрібні вироби, щоб не перепалити, краще нагрівати на попередньо нагрітій металевій підставці (наприклад, штабі). Температура нагрівання її є температурою нагрівання виробу.

Швидке охолодження призводить до твердого загартування, внаслідок чого можуть виникнути великі внутрішні напруження і навіть тріщини. Повільне охолодження може не дати потрібного по твердості загартування.

Охолодними середовищами можуть бути вода (звичайної температури і нагріта до температури 50 - 70 °С), водні розчини, масло і повітря. Кухонна сіль, їдкий натр або селітра, що добавляють до охолодників, прискорюють охолодження. Для зменшення швидкості охолодження до води додають розчин мила, масляну емульсію, рідке скло, вапняне молоко тощо.

Надмірно швидке охолодження водою часто призводить до дефектів (внутрішні напруження, тріщини, згинання), а також різко зменшує гартувальні здатності з підвищенням її температури. Тому при послідовному загартуванні кількох деталей, щоб вони мали однаковий гарт, воду часто замінюють або наливають у велику посудину.

Рівномірно і досить швидко сталь охолоджується у водному розчині кухонної солі або їдкого натру при температурі 20 °С. Деякі сталі для кращого загартування охолоджують у 30%-ному розчині їдкого натру.

Як охолодне середовище можна застосовувати розплавлені солі калієвої або натрієвої селітри.

Нагрівання масла до 60 - 90 °С не зменшує швидкості охолодження, тобто його гартувальна здатність не зменшується.

Охолодним середовищем для сталей може бути повітря (для тонких деталей) або повітря під тиском (від вентилятора, компресора). Деякі плоскі деталі (ножі) з нержавіючої сталі охолоджують між двома металевими штабами.

Відпускання - нагрівання деталей до певної температури, витримування при цій температурі і швидке охолодження. Його застосовують після охолодження деталі в процесі гартування, щоб зменшити крихкість і частково твердість.

Є три види відпускання: низьке, середнє і високе відповідно в інтервалі температур до 350 °С, 350 - 500 і 500 - 680 °С.

Найпоширеніше низьке відпускання. Нагрівання до 170 °С тільки знімає внутрішні напруження, але не змінює твердості сталі. Температуру нагрівання при відпусканні визначають за спеціальним термометром, а якщо його немає, то за кольорами мінливості, тобто кольорами окисної плівки, що виникає на зачищеній поверхні виробу під час нагрівання:

При появі бажаного кольору в процесі нагрівання деталь зразу ж охолоджують.

9.4.2. Технологія та особливості гартування деяких інструментів.

Вуглецеві сталі найкраще охолоджувати спочатку у воді (до 350 - 400 °С), а потім у маслі. Це запобігає виникненню внутрішніх напруг, які часто призводять до утворення тріщин і навіть руйнування деталей. З цією ж метою під час охолодження інструменту рекомендують швидко переміщувати його зверху вниз.

Якщо загартовують лише робочу частину інструменту, його також переміщують вверх-вниз близько до верхньої межі гартування.

Тонкостінні довгі деталі (наприклад, ножі) при гартуванні опускають у воду чи масло вертикально, бо коли занурювати хоч трохи похило, вони увігнуться в бік їх нахилення.

Зубила іноді гартують у піску, зволоженому водою, до якої додають трохи солі. Для цього нагріте до червоного кольору зубило заглиблюють у вологий пісок. Режими термічної обробки інструментів наведено в таблиці 1.

Під час гартування вістря і верхівки (наприклад, у зубила) інструмент нагрівають весь, беруть за середину ковальськими кліщами, швидко обертають і почергово занурюють у воду то вістря, то верхівку до почорніння. Колір мінливості визначають за вістрям.

Тоненькі свердла гартують у сургучі. Для цього розігрітий до світло-червоного кольору кінець свердла занурюють у сургуч і залишають там до повного охолодження.

9.4.3. Термічна обробка кольорових металів

Кольорові метали здебільшого термічне обробляють для зручності роботи з ними.

Мідь відпалюють, нагріваючи її до температури 500 - 650 °С, і охолоджують у воді. Якщо м'яку мідь нагріти, а потім поступово охолодити на повітрі, то вона твердішає.

Латунь і алюміній відпалюють при нагріванні відповідно до 600 - 750 °С і 350 - 410 °С з наступним охолодженням на повітрі.

Бронзу гартують нагріванням до 800 - 850 °С і охолодженням У воді. Якщо її нагріти до тієї ж температури і охолодити на повітрі, то вона відпускається.

Дюралюмінійд1 і Д6 гартують нагріванням до 490 - 500 °С і охолодженням у воді. Проте твердне він (старіє) при кімнатній температурі не зразу, а через 4 - 5 днів. Відпалюють дюралюміній (для згинання під прямим кутом) при нагріванні до 350 - 400 °С з охолодженням на повітрі.

9.4.4. Хіміко-термічна обробка сталі

Хіміко-термічна обробка сталі змінює не лише структуру металу, а й хімічний склад його поверхневого шару. Завдяки цьому деталь може мати в'язку серцевину, яка витримує ударні навантаження, і високу твердість та стійкість проти спрацювання зовні. Існує кілька способів хіміко-термічної обробки, але в умовах невеликої майстерні можна виконати тільки цементацію.

Цементація - насичення вуглецем поверхневого шару сталі без доступу повітря в середовищі (карбюризаторі), яке має значний вміст вуглецю.

Цементують, звичайно, деталі з маловуглецевих сталей, які після загартування вуглецевого шару шліфують.

Карбюризатори для цементації можуть мати різний склад, але найпростіший такий, %:

· вуглекислий натрій або вуглекислий барій (для відповідальних деталей) 10

· вуглекислий кальцій 3

· деревне вугілля 87

Карбюризатор можна приготувати з вуглекислого натрію (сода 6 - 10 %) і пиляного рогу або торф'яного коксу (90 - 94 %).

Місця на деталях, які не потребують цементації, захищають протицементаційними обмазками. Найпростіша обмазка - це вогнетривка (шамотна) глина з добавкою (10 %) азбестового бою. Замішують цю суміш на воді.

Розводять цю обмазку до потрібної густини рідким склом або «Клеєм конторським силікатним». Закладають деталі в цементаційні ящики після висихання обмазки.

Цементують так. У металевий ящик з кришкою на дно насипають карбюризатор шаром 30 - 40 мм і на нього кладуть підготовлені (обмазані) деталі так, щоб відстань між ними, а також між ними та стінками ящика становила 10 - 15 мм. Зверху деталі присипають карбюризатором шаром 30 - 40 мм, закривають кришкою, промазують її в місці з'єднання з ящиком вогнетривкою глиною і сушать.

Якщо для цементації використовують пасту, то деталь намазують нею шаром товщиною 3 - 4 мм, кладуть в ящик, закривають і також обмазують кромки вогнетривкою глиною. Після висихання глини ящик поміщають у піч і витримують (температура 930 - 950°С) протягом 1,5 - 3 годин (з твердим карбюризатором 7 - 8 годин ). При цьому шар цементації досягає 1 мм. Іноді в ящику для цементації роблять отвори і через них вставляють І - 2 відрізки м'якого стального дроту діаметром 3 - 4 мм. Щілини добре обмазують вогнетривкою глиною. Через деякий час пробник виймають, отвір з-під нього замазують глиною, а пробник перерізають і визначають глибину цементації. Цим визначають доцільність дальшого прогрівання.

Після цементації деталі охолоджують разом з ящиком, потім нагрівають до температури 760 - 780°С і гартують.

Іншим видом хіміко-термічної обробки є азотування – насичення поверхневого шару деталі азотом, який утворює дуже тверді нітриди, що характеризуються високою зносостійкістю. Азотування буває рідке – в розчині азотомістких солей, і газове – в середовищі газів, які при високих температурах вступають в реакцію з поверхневими шарами металу. Однією із різновидів цієї операції є азотування у тліючому розряді, розробленому в ТУП. Його особливістю є порівняльно низька температура азотування (500-6000) і швидкість процесу. Глибина азотованого шару коливається в межах 0,05...0,3 мм, а сам він крім високої зносостійкості має підвищену крихкість. Деталі після азотування дуже добре працюють на зношування.