Технология конструкционных материалов 4 (стр. 4 из 6)
2. Литейные алюминиевые сплавы содержат повышенное количество Mg, Cu, Si или Zn. Наиболее широкое применение из них получили силумины — сплавы алюминия с 8…14 % кремния. В качестве литейных используют также алюминиево-медные (4—11 % Си), алюминиево-магниевые (8…11 % Mg), алюминиево-цинковые (10…14 % Zn) сплавы. Их обозначают буквами АЛ и условным номером, например АЛ2, АЛ4.
Магний и его сплавы
Магний — серебристо-белый металл с температурой плавления 651 °С и наименьшей среди конструкционных металлов плотностью — 1,74 г/см3.
В связи с небольшой прочностью σв = 100 МПа, пластичностью (δ = 8 %) и малой коррозионной стойкостью технически чистый магний в качестве конструкционного материала не применяется. В технике используют сплавы магния с Al, Mn, Zn, Zr и другими элементами.
1. Деформируемые магниевые сплавы применяют для изготовления поковок и штамповок. К этой группе сплавов, обозначаемых буквами МА и условным номером (MA1, MA8), относятся сплавы магния, содержащие по 9 % А1, 2,5 % Мn, 1,5 % Zn. Они обладают прочностью в пределах 200-350 МПа.
2. Литейные магниевые сплавы содержат до 10 % А1, 6 % Zn, (МЛ4, МЛ6 и др.). Они обладают хорошей жидкотекучестью и применяются для получения литых кронштейнов, корпусов приборов и других деталей, которые должны обладать небольшой массой. Предел прочности этих сплавов — 200—250 МПа.
Титан и его сплавы
Титан — стального цвета металл с температурой плавления 1665 °С и плотностью 4,5 г/см3., обладает прочностью σв = 250 МПа, относительным удлинением δ = 20…30 %, твердостью НВ = 100 … 140, высокой коррозионной стойкостью.
Улучшение механических свойств титана достигается легированием некоторыми элементами: Al, Cr, Mo, Nb, Sn и др. Легирование и термическая обработка позволяют получать сплавы на основе титана с пределом прочности при растяжении до 1300…1600 МПа.
Благодаря малой плотности, высокой прочности и коррозионной стойкости титан и его сплавы находят широкое применение в авиационной технике, судостроении, химической и пищевой промышленности.
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Сущность термической обработки
Свойства металлов и сплавов определяются их внутренним строением — структурой. Одним из эффективных способов, позволяющих изменять в значительной степени структуру металлов и сплавов, является термическая обработка.
Термическая обработка заключается в нагреве металла (изделия) до определенной температуры, выдержке и последующем охлаждении с различной скоростью.
Термической обработке подвергают как черные, так и цветные металлы и их сплавы. Возможность применения термообработки и ее эффективность определяются характером превращений в металле в твердом состоянии.
Виды термической обработки
Различают следующие основные виды термической обработки: отжиг I рода, отжиг II рода, закалку и отпуск.
1. Отжиг I рода не обусловлен фазовыми превращениями, поэтому может быть применен для любых металлов и сплавов. Скорость нагрева и охлаждения для этого вида отжига не имеет принципиального значения.
Рис. 12. Температуры нагрева стали при различных видах термообработки.
1 — отжиг для уменьшения напряжения, 2 — рекристаллизационныи отжиг, 3 — неполный отжиг, 4 — полный отжиг, 5 — диффузионный отжиг, 6 — нормализация
Различают следующие разновидности отжига I рода
Диффузионный отжиг устраняет химическую неоднородность в слитках и отливках. Для ускорения диффузионных процессов этот отжиг производится при температуре 0,8—0,9 Тпл сплава
Рекристаллизационный отжиг устраняет наклеп — упрочнение и увеличение хрупкости металла, которые возникают при холодной обработке давлением. Эту операцию производят при температуре 0,2…0,6 Тпл металла
Отжиг для уменьшения остаточных напряжений, возникающих в изделиях при обработке давлением или резанием, в сварных конструкциях, отливках и т. д., осуществляется при температуре несколько ниже температуры рекристаллизации данного металла и применяется с целью предотвращения коробления и стабилизации размеров изделия, снижения склонности его к хрупкому разрушению.
2. Отжиг II рода применяют для сплавов, претерпевающих при нагреве и охлаждении фазовые превращения. Этот вид отжига в основном применяют для стальных изделий.
Отжиг стали подразделяют на полный и неполный; разновидностью отжига стали является нормализация (рис. 12).
3. Закалка, как и отжиг II рода, применяется для сплавов, претерпевающих при нагреве и охлаждении фазовые превращения. Принципиальным отличием между ними является большая скорость охлаждения при закалке, достаточная для предотвращения обратных фазовых превращений в сплаве при охлаждении. Закалке в основном подвергают сплавы железа — стали, чугуны Наряду с ними закаливают и сплавы на основе цветных металлов алюминия, меди, титана, никеля и др.
Углеродистую сталь нагревают для закалки доэвтектоидную до температуры на 30—50 °С выше точки Ас, (линии GS), а заэвтектоидную — на 30—50 0С выше точки Aс3 (линии SK).
Для обеспечения необходимой скорости охлаждения стали применяют различные охлаждающие среды воду, минеральное масло и др
В результате закалки в стали образуется так называемая мартенситная структура, обладающая наибольшей прочностью и твердостью (НВ ≈ 600), но низкой ударной вязкостью.
4. Отпуску подвергают закаленную сталь с целью повышения ее ударной вязкости и пластичности, уменьшения твердости и внутренних напряжений. Для отпуска сталь нагревают до температуры ниже точки Ас1 (линии PSK) и затем охлаждают обычно на воздухе.
Различают три вида отпуска:
Низкий отпуск (150—250 °С) применяют для изделий, которые должны обладать высокой твердостью (НВ ≈ 600), например режущие инструменты, не подвергающиеся ударным нагрузкам (напильники, плашки, метчики и т. д). Этот отпуск предназначен главным образом для уменьшения внутренних напряжений в изделиях.
Среднему отпуску (350—400 °С) подвергают изделия, которые должны обладать высокой упругостью и прочностью при достаточной вязкости, например пружины, рессоры. Твердость при этом снижается до НВ ≈ 450
Высокий отпуск (450—650 °С) обеспечивает получение наиболее вязкой структуры, обладающей достаточно высокой прочностью и твердостью (НВ ≈ 350). Такому отпуску подвергают обычно детали машин валы, шестерни и т. д.
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Химико-термическая обработка — это процесс поверхностного насыщения стали химическими элементами (углеродом, азотом, алюминием, кремнием и др.) для повышения износостойкости, твердости, жаростойкости и других свойств.
К химико-термической обработке относят цементацию, азотирование, цианирование и диффузионную металлизацию.
Цементация — процесс поверхностного науглероживания стальных изделий для придания им высокой поверхностной твердости при сохранении вязкой сердцевины.
Цементации подвергают такие детали, как поршневые пальцы, зубчатые колеса, кулачки распределительных валиков и др. Для изготовления цементируемых деталей применяют низкоуглеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,15...0,35%.
Цементацию выполняют после окончательной механической обработки с небольшим припуском на шлифование
Глубина науглероженного слоя тем больше, чем выше температура цементации и чем больше время выдержки изделия в печи. Содержание углерода в цементованном слое уменьшается от поверхности к сердцевине.
Цементованный слой изделия приобретает требуемую высокую твердость и износостойкость только в результате термической обработки в виде закалки и низкого отпуска.
Азотирование — процесс насыщения поверхности стали азотом для повышения твердости, износостойкости и устойчивости против коррозии.
Азотируют детали машин, работающих при высоких температурах (гильзы цилиндров, клапаны), а также измерительный инструмент. Процесс азотирования проводят в специальных герметических печах при температуре 500...600°С. Через печь пропускают аммиак NH3. Образующийся азот в атомарном состоянии поглощается поверхностью стали и проникает в глубь детали, образуя твердые растворы и химические соединения, называемые нитридами.
Для изготовления деталей, подвергаемых азотированию, применяют легированные стали марок 35ХМЮА и 38ХМЮА. Результаты процесса зависят от температуры, состава стали, времени выдержки и степени диссоциации аммиака. Чем выше температура азотирования, тем глубже слой, но меньше его твердость. Продолжительность процесса зависит от требуемой глубины азотированного слоя. Например, для получения азотированного слоя 0,3... 0,6 мм выдержка составляет 30...60 ч.
Перед азотированием изделия обязательно подвергают термической обработке, которая сводится к закалке и последующему отпуску. Это придает сердцевине изделия высокие механические свойства.
Цианирование — процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом для повышения твердости и износостойкости, а также для увеличения сопротивляемости коррозии. Чем выше температура цианирования, тем сильнее поверхностный слой насыщается углеродом, чем ниже — азотом. Цианирование бывает высокотемпературным при 800...950°С и низкотемпературным при 500...600°С.
При высокотемпературном цианировании получают твердый поверхностный слой глубиной до 2 мм, обладающий высокой износостойкостью. После цианирования изделия непосредственно из ванны или печи закаливают, а затем отпускают. Данную обработку используют для увеличения срока службы шестерен и других деталей.
Низкотемпературное цианирование применяют для инструмента из быстрорежущей стали, прошедшей термообработку. Толщина слоя составляет 0,02...0,07 мм и зависит от режима цианирования.