Технология термообработки. 
Технология термообработки

1) Как можно устранить крупнозернистую структуру в кованой стали 30? Используя диаграмму состояния железо-цементит, обоснуйте выбор режима термической обработки для исправления структуры. Опишите структурные превращения и характер изменения свойств Крупнозернистую структуру в кованой стали 30 можно устранить отжигом при температуре 850−870°С (рисунок).

Рисунок — Диаграмма состояния железо-углерод.

После отжига в стали 30 получается структура феррит + перлит. Сталь имеет низкую твердость (НВ не более 1870 МПа) и прочность при высокой пластичности. При фазовой перекристаллизации измельчается зерно. Понижая прочность и твердость, отжиг облегчает обработку, резание среднеуглеродистой стали. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способствует повышению пластичности и вязкости по сравнению со свойствами, полученными после ковки. При нагреве до температуры выше точки А_с3 (820°С) на 30−50°С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность и возможность достижения высоких свойств после окончательной термической обработки. Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки А_с3 вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали.

2) Укажите температуры, при которых производится процесс прочностного азотирования. Объясните, почему азотирование не производится при температурах ниже 500 и выше 700 °C (используя диаграмму состояния железо-азот). Назовите марки сталей, применяемых для азотирования, и опишите полный цикл их термической и химико-термической обработки.

Азотированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом.

Упрочнение при азотировании достигается за счет фаз, образующихся из твердых растворов на базе нитридов. Азотирования при температурах ниже 500 °C не производится, т.к. этих температур не достаточно для образования упрочняющих фаз (е, гґ, г, б) (рисунок 4).

Азотирование является окончательной термической обработкой. Ему обычно предшествует термическая обработка, заключающаяся в закалке и высоком отпуске стали, для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия. Отпуск проводят при высокой температуре 600−675°С, превышающей максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием. Структура стали после этого отпуска — сорбит отпуска. Поэтому для сохранения полученных в результате улучшения свойств не следует назначать температуру азотирования выше температуры высокого отпуска.

Обычно азотированию подвергают конструкционные стали, содержащие алюминий: 38Х2МЮА, 38Х2Ю и т. д. и не содержащие алюминия: 40Х, 40ХФ, 18ХГТ, 30ХГТ, 40ХНМА, 20Х3ВА, 30Х3МФ, 18Х2Н4ВА и т. д. Стали без алюминия технологичнее, многие из них имеют более высокие механические свойства, чем сталь 38Х2МЮА, но пониженную твердость азотированного слоя.

Рисунок 4 — Диаграмма состояния железо-азот.

Технологический процесс азотирования предусматривает несколько операций:

• 1. предварительная термическая обработка заготовки (как правило, улучшение);
• 2. механическая обработка деталей, а также шлифование, которое придает окончательные размеры детали;
• 3. защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя олова электролитическим методом или жидкого стекла;
• 4. азотирование;
• 5. окончательное шлифование или доводка изделия.
• 3) Для изготовления деталей штампов, обрабатывающих металл в холодном состоянии, выбрана сталь ХГЗСВ. Укажите состав, назначте и обоснуйте режим термической обработки стали, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке. Опишите микроструктуру и свойства штампов после термической обработки

Сталь ХГ3СВ — легированная штамповая сталь, содержащая около 1% углерода, 1% хрома, 3% марганца, 1% кремния, 1% вольфрама.

Стали для штампов холодного деформирования должны иметь высокую твердость, износостойкость при достаточной вязкости. Заданные свойства соответствуют структуре мартенсита отпуска и могут быть получены в результате термообработки, включающей закалку и низкий отпуск. Закалка стали — основной упрочняющий способ термической обработки конструкционных и инструментальных сталей. Закалкой называется термическая операция, связанная с нагревом стали выше температуры фазовых превращений, выдержкой и последующим быстрым охлаждением (в каком-либо охладителе). Для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, температура нагрева под закалку выбирается по справочнику в зависимости от состава стали и намного превышает критические точки.

Скорость охлаждения стали после нагрева и выдержки оказывает решающее влияние на результат закалки. Режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали большие напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Эти напряжения складываются из термических и структурных.

Для легированных сталей при закалке применяют минеральное масло. Оно не изменяет охлаждающей способности при нагреве (20 — 150°С), не образует «паровой рубашки». Перепад температуры между поверхностью и центром изделия при закалке в масле меньше, чем при охлаждении в воде, а следовательно, меньше термическое напряжение. Недостатками масла, как охладителя, при закалке являются образование пригара на поверхности изделия, потеря с течением времени закаливающей способности (загустевшее масло требует замены), легкая возгораемость.

Отпуск — операция термической обработки, связанная с нагревом закаленной стали ниже температуры фазовых превращений, выдержкой и охлаждением. Цель отпуска — снижение или снятие внутреннего напряжения, возникшего при закалке стали, и получение структуры с заданными свойствами (прочностью, твердостью, упругостью, вязкостью и пластичностью).

Закалка и отпуск неразделимы. Отпуск необходимо проводить непосредственно после закалки, так как закалочное напряжение через некоторое время может вызвать появление трещин. Кроме того, остаточный аустенит стабилизируется, его устойчивость к отпуску повышается.

Температура отпуска — самый существенный фактор, который влияет на свойства закаленной стали. Твердость и прочность с повышением температуры отпуска снижаются, а пластичность и вязкость повышаются.

В легированных сталях все процессы отпуска происходят, как правило, в области более высоких температур, так как легирующие элементы замедляют диффузионные процессы.

Назначаем следующий режим термообработки:

Закалка от температуры 860…880 (С, охлаждение в масле. Структура стали после закалки — легированный мартенсит закалки. Твердость стали HRC 53…58. После закалки сталь подвергают отпуску при температуре 400 (С. Структура стали после отпуска — легированный мартенсит отпуска, твердость стали НВ 400…450.

4)Для поршней двигателя внутреннего сгорания, работающих при температурах 200−250° С, используется сплав АЛ1. Расшифруйте состав и укажите способ изготовления деталей из данного сплава. Опишите режим упрочняющей термической обработки и кратко объясните природу упрочнения Алюминиевые сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористостью в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии и т. п. Их маркируют буквами «АЛ» (алюминиевый литейный) и номером марки. В зависимости от условий получения и применения, отливки подвергают термической обработке по одному из восьми режимов, которые обозначают буквой «Т» и номером (Т1, Т2, Т3, … Т8). Например, АЛ20 (Т2), где Т2 — отжиг при 300 °C для снятия внутренних напряжений и стабилизации размеров.

Жаропрочные литейные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1 (алюминий — магний — медь — никель с добавками хрома), из которого изготавливают головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275 — 300 °C. Отливки используют после закалки и кратковременного старения при 175 °C (Т5), поршни подвергают закалке и старению при 290 °C (Т7). Легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы переменной растворимости и ряд химических соединений (CuAl2; Al2CuMg; Mg2Si и др.), что позволяет упрочнять такие сплавы термической обработкой — закалкой и старением.

Целью закалки является получение структуры однородного пересыщенного твердого раствора. Нагрев для закалки ведут до температур, при которых избыточные фазы растворяются в алюминии. После выдержки охлаждением в воде фиксируется структура пересыщенного твердого раствора. Сплавы имеют низкую прочность и высокую пластичность.

Старение — распад пересыщенного твердого раствора с выделением избыточных фаз и упрочнением сплава. Старение (без нагрева) при комнатной температуре называют естественным, с нагревом — искусственным. Существует «инкубационный» период, при котором в течение 1 — 2 часов после закалки нет заметного упрочнения и повышения твердости. Сплавы сохраняют пластичность, позволяющую подвергать их холодной обработке давлением (правке, гибке, клепке и т. п.).

Медь — основной компонент в сплавах этой группы. Поэтому процессы старения целесообразно рассмотреть на примере простой системы «алюминий — медь». Растворимость меди в алюминии переменная: от 0,2 (0°С) до 5% (548°С), а ее содержание в сплавах — 2,5 — 4,5%. Следовательно, структура таких сплавов — (-твердый раствор и кристаллы CuAl2.

При естественном старении (ниже 100°С) атомы меди перемещаются в решетке пересыщенного твердого раствора и собираются в пластинчатые образования толщиной в несколько атомных слоев — зоны Гинье-Престона (ГП). Эти зоны равномерно распределены в каждом кристалле твердого раствора и в прилегающих областях вызывают значительное искажение его кристаллической решетки, что является причиной упрочнения сплава.

Процесс естественного старения состоит только в образовании зон ГП, скорость возникновения которых постепенно уменьшается, и по истечении 4 — 7 суток старение заканчивается. Распад твердого раствора и образование новых фаз не происходят. Сплав приобретает максимальную прочность, сохраняющуюся в дальнейшем постоянной.

После естественного старения сплавы имеют высокую коррозионную стойкость и низкую чувствительность к хрупкому разрушению.

Если сплав после естественного старения кратковременно быстро нагреть до 230 — 270 °C и быстро охладить, то упрочнение полностью снимается и восстанавливается пластичность. Эту операцию называют обработкой «на возврат».

При нагреве зоны ГП растворяются в твердом растворе, атомы меди и других компонентов равномерно распределяются в пределах кристаллов твердого раствора, искажения решетки устраняются. После инкубационного периода процесс естественного старения повторяется, но у сплава снижается сопротивление коррозии. Это ограничивает применение обработки «на возврат».

С повышением температуры (100 — 150°С) при искусственном старении ускоряются процессы диффузии, зоны ГП укрупняются, и в них увеличивается концентрация меди. Нагрев до 150 — 200 °C и выдержка в несколько часов приводят к образованию в местах зон ГП мелкодисперсных частиц CuAl2, не отделившихся от решетки твердого раствора. Повышение температуры до 200 — 250 °C вызывает отделение и укрупнение (коагуляцию) этих частиц. Искусственное старение связано с распадом пересыщенного твердого раствора и образованием избыточных фаз — «фазовое» старение. При более высоких температурах старения, в процессе коагуляции образовавшихся фаз, прочность и твердость сначала возрастают, достигают максимальных значений, а затем снижаются. Пластичность, вязкость и сопротивление коррозии возрастают. Такое старение, вызывающее разупрочнение сплавов, называют коагуляционным. После искусственного старения у большинства сплавов вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и коррозии под напряжением снижаются при возрастании прочности.

5) Для реостатных элементов сопротивления выбран сплав манганин МНМцЗ. Расшифруйте состав, опишите структуру и электротехнические характеристики этого сплава Манганин является сплавом с высоким электросопротивлением.

Применяющиеся прецизионные сплавы высокого электрического сопротивления являются в основном сплавами на медной основе.

Манганин МНМц3 содержит 12% марганца, 3% никеля и кобальта, остальное медь. Сплавы для прецизионных резисторов должны обладать низким температурным коэффициентом электросопротивления (желательно приближающимся к нулю), низкой термо-э. д. с. в паре с медью, высокой стабильностью электрического сопротивления во времени. К сплавам, из которых изготовляют переменные резисторы (по обмоткам которых скользят контакты), дополнительно предъявляют требования высокой износоустойчивости и обеспечения малого контактного сопротивления, сохраняющего стабильность при различных условиях внешней среды. Манганин является основным сплавом для изготовления прецизионных резисторов. Он обладает комплексом электрических и технологических свойств, наиболее полно удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к прецизионным сопротивлениям, имеет достаточно высокое удельное электросопротивление (0,44 мкОм*м), очень малый и стабильный во времени температурный коэффициент электросопротивления, а также малую величину термо-э. д. с, в паре с медью (1 мкВ на 1 °С), позволяющую избавиться от появления термотоков.

Для получения малого температурного коэффициента электрического сопротивления с высокой стабильностью последнего во времени манганин подвергают термической обработке, состоящей из отжига при 400 °C в течение 1—1,5 ч в вакууме или нейтральной среде с последующим медленным охлаждением до комнатной температуры. После отжига манганиновые сопротивления подвергают травлению, Лучшим травителем является реактив, состоящий из 10—30 г бихромата калия или натрия, растворенных в 125 см³ серной кислоты, и 250 см³ воды.

После изготовления сопротивлений из манганина их подвергают стабилизирующему старению (это особенно важно для проволочных сопротивлений изготовленных намоткой).

Манганин имеет хорошие механические свойства. Предел прочности отожженного манганина равен 400— 550 МПа при удлинении до 30%. Он технологичен; хорошо поддается пластической деформации, хорошо паяется, допускает эмалирование. Манганин изготовляют в виде листов, лент, полос, проволоки, микропроволоки.

Проволока манганиновая неизолированная изготовляется в соответствия с ГОСТ 10 155–75.

Термо-эдс, развиваемая проволокой в паре с медной в интервале температур 0—100°С, не превышает 1 мкВ/°С.

термообработка сталь азотирование манганин.

• 1. Богородицкий Н. П. Пасынков В.В. Тареев Б. Н. Электротехнические материалы. 7-е издание. Л.: Энергоатомиздат 1985 г.
• 2. Гуляев А. П. Металловедение М.: Машиностроение 1986. 544с.
• 3. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1980. 493 с
• 4. Термическая обработка в машиностроении: Справочник/ Под ред Ю. М. Лахтина и др М.: Машиностроение, 1980, 378с