III. Охлаждение с заданной скоростью.

Основоположником теории и рациональных ТМ ТрОб был русский ученный Д.К. Чернов.

Таким образом, в зависимости от места в ТП различается:

1. Предварительная ТрОб. Выполняется для улучшения обрабатываемости заготовок и деталей;

2. Промежуточная ТрОб. Используется для восстановления пластических свойств заготовок и деталей между отдельными переходами ТО;

3. Окончательная ТрОб. Предназначена для получения заданных механических характеристик готовых деталей. У высокопрочных и трудно обрабатываемых материалов окончательная ТрОб выполняется после черновой, но до чистовой обработки резанием, чтобы иметь возможность удалить поверхностный дефектный слой, а также устранить погрешности форм и размеров, возникшие в результате ТрОб.

Детали из алюминиевых и магниевых сплавов проходят окончательную ТрОб до механической обработки резанием , т.к. эти сплавы лучше всего обрабатываются при максимальной твердости.

Главными видами ТрОб являются:

I. Отжиг I рода. Отжиг – ТрОб металлов и других материалов, заключающаяся в нагреве до определенной температуры, выдержке и медленном охлаждении, для улучшения структуры и обрабатываемости, снятия внутренних напряжений и т.д. Отжиг не обусловлен фазовыми превращениями и применяется для любых металлов и сплавов. Скорость нагрева и охлаждения не имеет принципиального значения:

1) Диффузионный отжиг. Устраняет химическую неоднородность в слитках и отливках. Для ускорения диффузионных процессов производится при температуре Тотж=0,8-0,9 Тпл сплава;

2) Рекристаллизационный отжиг. Устраняет наклеп – упрочнение и увеличение хрупкости металла, которые возникают при холодной обработке давлением. Производится при температуре Тотж=0,2-0,6Тпл металла;

3) Отжиг для уменьшения остаточных напряжений, возникающих в изделиях при ОМР или ОМД, в сварных конструкциях, отливках и т.д. Осуществляется при температуре несколько ниже температуры рекристаллизации данного металла. Тотж< Трек. Применяется с целью предотвращения коробления и стабилизации размеров изделия и снижения склонности его к хрупкому разрушению;

II. Отжиг II рода. Применяется для сталей, претерпевающих при нагреве и охлаждении фазовые превращения:

1) Полный отжиг. Подвергаются отливки, поковки и сварные узлы из доэвтектоидных сталей доля устранения в них крупнозернистости и других пороков структуры, а также для уменьшения твердости и остаточных напряжений. Сталь нагревается до Тотж=Ас₃+(30-50)⁰С линии GS выдерживаются при этой температуре в течение времени, необходимого для завершения фазовых превращений, а затем медленно (обычно вместе с печью) охлаждается;

2) Неполный отжиг. Способствует улучшению обрабатываемости стали резанием. Сталь нагревается до температуры Тотж=Ас₁+(30-50)⁰С, несколько выше линии PSK;

3) Нормализация. Сталь нагревается до Тотж= Ас₃ (или Ас_Т) + (30-50)⁰С, линии GSE, выдерживается при этой температуре и далее охлаждается на воздухе. Ускоренное по сравнению с отжигом охлаждение обусловливает образование в стали перлита более тонкого строения, приводящего к некоторому повышению её прочности и твердости;

III. Закалка. Закалка – ТрОб, заключающаяся в нагреве и последующем быстром охлаждении с целью фиксации высокотемпературного состояния сплава или предотвращения (подавления) нежелательных процессов, происходящих при меленном охлаждении. Применяется для сплавов, претерпевающих при нагреве и охлаждении фазовые превращения (как при отжиге IIрода). Характеризуется большой скоростью охлаждения, достаточной для предотвращения обратных фазовых превращений в сплаве. Закалке в основном подвергаются сплавы железа – стали и чугуны. Также закаливаются сплавы на основе цветных металлов: алюминия, меди, титана, никеля и др:

1) Закалка объемная; наиболее распространенная:

а) общая объемная закалка;

б) местная;

2) Изотермическая закалка; наиболее распространена светлая закалка;

3) Закалка с нагревом ТВЧ, местная поверхностная закалка;

4) Закалка с нагревом газовым пламенем; для крупных деталей в индивидуальном производстве;

5) Химико – термическая обработка;

IV. Отпуск. Отпуск– ТрОб закаленных сплавов (в основном сталей), заключающейся в нагреве ниже нижней критической точки А_С1, выдержке и охлаждении. Подвергаются закаленные стали с целью повышения их ударной вязкости и пластичности, уменьшения твердости и внутренних напряжений. Для отпуска сталь нагревается до температуры ниже точки А_С1линииPSK и затем охлаждается (обычно на воздухе):

1) Низкий отпуск. Тотп=150-250⁰С; применяется для получения изделий с высокой твердостью HB 600 и предназначен для уменьшения внутренних напряжений (напильники, плашки, метчики и т.д.);

2) Средний отпуск. Тотп=350-400⁰С; подвергаются изделия для получения высокой упругости и прочности при достаточной вязкости с твердостью HB 450 (пружины, рессоры и др.);

3) Высокий отпуск. Тотп=450-650⁰С; обеспечивает получение наиболее вязкой структуры с достаточно высокой прочностью и твердостью HB 350 (валы, шестерни и т.д.).

Для ТрОб применяется различное оборудование:

1. Нагревательные печи:

- камерные;

- муфельные;

- ванные;

2. Закалочные устройства:

- закалочные баки;

- травильные баки;

- баки для промывки водой и нейтрализации;

3. Устройства для контроля тепловых режимов:

- термометры ( );

- термоэлектрические и оптические пирометры.

Общие конструктивные требования к деталям, подвергающихся термической обработке:

1. Форма детали должна предусматривать устранение возможности возникновения концентрации напряжений и чрезмерных деформаций, возникающих в местах шпоночных пазов, вырезов, подрезов, грубо обработанных поверхностей и сварочных швов;

2. Детали не должны иметь острых углов, тонких концов и выступов;

3. Стенки полых деталей должны быть одинаковой толщины;

4. Сечение детали должно быть по возможности симметричным во избежание значительных деформаций и разрушения детали;

5. Внутренние углы и резкие переходы деталей должны быть закруглены, чтобы избежать образования закалочных тещин:

а) При закалке в воде ;

б) При закалке в масле ;

в) У деталей, подвергаемых закалке с внутренней поверхности, необходимо обеспечить возможность удаления образующегося при закалке пара для получения заданной твердости и исключения коробления и трещин и др.

10.6 Особенности термической обработки металлов и сплавов, применяемых в самолетостроении

I.Титановые сплавы. Сплавы ВТ1, ВТ4, ВТ5-1 и ОТ4не упрочняются термообработкой. Для них применяется отжиг Тотж=500-800⁰С с целью придания наибольшей пластичности при операциях холодного пластического деформирования.

Для сплавов ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ8, ВТ9, ВТ14, ВТ15, ВТ16, ВТ22, ВТ23, ВТ30, упрочняемых термообработкой, применяется кроме отжига окончательная термическая обработка – закалка с искусственным старением. Тз=750-900⁰С.

Охлаждающую среду (вода, масло, спокойный воздух) выбирают, исходя из необходимости получения заданной структуры при минимальной величине коробления.

Искусственное старение осуществляется длительной выдержкой при Тс=450-500⁰С.

Нагрев титановых сплавов при ТрОб осуществляется только в электрических печах обычно с защитной средой или в вакууме.

II. Алюминиевые сплавы. Алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные. Из деформируемых сплавов все марки технически чистого алюминия, а также сплавы типа АМц и АМг не упрочняются ТрОб. Эти материалы подвергаются только высокому отжигу для полного разупрочнения или для повышения пластичности с сохранением полунагортованного состояния.

Для упрочняемых деформируемых сплавов, применяются следующие виды ТрОб:

1) Закалка. Проводится нагревом до температур Тз=500⁰С с охлаждением в воде комнатной температуры. Некоторые марки сплавов допускают охлаждение в кипящей воде, что значительно уменьшает поводку и коробление тонкостенных конструкций. Скорость нагрева под закалку плакированных материалов должна быть возможно более высокой, чтобы уменьшить диффузию упрочняющих компонентов в плакирующий слой;

2) Термическая обработка на возврат. Служит для придания закаленным и состаренным алюминиевым сплавам свойств свежезакаленного состояния. Для этого заготовки подвергаются кратковременному нагреву (в течение нескольких секунд или минут) до Тв=200-250⁰С. Термообработка на возврат применяется вместо повторной закалки к плакированным алюминиевым сплавам;

3) Старение. Нарастание прочности после закалки в процессе старения у алюминиевых сплавов различных составов происходит по- разному. У сплавов типа Д1, Д16, Д19 процесс естественного старения завершается за 4-5 суток, причем в первые 1,5- 7 ч пластичность уменьшается незначительно, в этот период сплавы можно подвергать операциям пластического деформирования. Сплав Д20 практически вообще не упрочняется в результате естественного старения. Детали из сплава Д16, предназначенные для работы при температурах , а также из ковочных сплавов АК4, АК6, АК8 и высокопрочного сплава В95 рекомендуется применять в искусственно состаренном состоянии. Искусственное старение осуществляется нагревом и выдержкой в течении нескольких часов при Тис=150-190⁰С;

4) Отжиг. Применяется в качестве межоперационной термообработки для снятия наклепа и повышения пластичности деформируемых алюминиевых сплавов. Перед последней операцией холодной ОМД для упрочняемых алюминиевых сплавов вместо отжига применяется закалка. Температура нагрева при отжиге для большинства алюминиевых сплавов составляет Тотж=350-400⁰С. Время отжига колеблется от нескольких минут до нескольких часов.

Для литейных алюминиевых сплавов наиболее распространены следующие виды ТрОб:

1) Т1 - искусственное старение, применяемое для ускорения упрочнения сплавов и улучшения ОМР;

2) Т2 - отжиг;

3) Т4 – закалка с последующим естественным старением;

4) Т5– закалка и частичное (неполное) искусственное старение. Обработка по режиму Т5 позволяет обеспечить достаточную прочность при сохранении повышенной пластичности и наряду сТ4 получила широкое распространение в качестве окончательной ТрОб;

5) Т6- закалка и полное старение при более высоких температурах и с большей выдержкой, чем приТ5 (применяется только для сплава АЛ9);

6) Т7 – закалка и стабилизирующий отпуск для жаропрочных сплавов с целью получения высокой стабильности структуры при достаточной прочности;

7) Т8 – закалка и стабилизирующее старение. Применяется для получения повышенной пластичности и стабильности геометрических размеров вследствие снижения прочности по сравнению с режимами Т5, Т6, Т7.

III. Магниевые сплавы. Сплавы МА1, МА2, МА 3, МВ8, МЛ2 иМЛ3 не упрочняются термообработкой. Для них применяется только отжиг с целью снятия наклепа и внутренних напряжений. Высокопрочный сплав ВМ65-1 упрочняется искусственным старением, остальные сплавы – закалкой и последующим искусственным старением.

10.7 Химико – термическая обработка

ХТО подвергаются детали из конструкционной углеродистой и легированной сталей с малым содержанием углерода, при требовании высокой износостойкости поверхности и высокой вязкости сердцевины в сочетании с высокой прочностью.

Все виды поверхностного упрочнения повышают усталостную и коррозионно-усталостную прочность как углеродистой, так и легированной сталей.

Существуют следующие основные виды ХТО:

1. Цементация – диффузионное насыщение поверхности стальных деталей углеродом для повышения твердости, износостойкости и предела прочности. Применяется для деталей, работающих на трение при больших давлениях, когда требуется большая глубина твердого поверхностного слоя ( 0,5мм). Глубина слоя цементации (без учета припуска на шлифование) может быть до 1/16 наименьшей толщины детали в цементируемых местах, но не более2 мм. Цементовать рекомендуется на глубину с интервалами: 0,5-0,8; 0,8-1,2; 1,2-1,6 и 1,6-2,0 мм. Цементации рекомендуется подвергать следующие марки сталей: 20; 20Х; 18ХГТи др.

2. Цианирование – диффузионное насыщение поверхности стальных деталей углеродом и азотом в расплавах, содержащих цианистые соли, для повышения твердости, износостойкости и предела выносливости. Применяется для деталей, работающих на трение при небольших давлениях, когда нужно получить высокую твердость поверхности HRC и минимальное коробление. Глубина цианированного слоя ;

3. Нитроцементация – диффузионное насыщение из газовой среды поверхности стальных и чугунных деталей одновременно азотом и углеродом. Повышает износостойкость, усталостную и контактную прочность металла (иногда и коррозионную стойкость). Применяется для деталей, работающих на трение при разных давлениях, глубина слоя h=0,2-1,0мм. Износостойкость нитроцементованных поверхностей на 20-30% выше износостойкости цементованной поверхности;

4. Азотирование – насыщение азотом поверхности металлических изделий (стальные и титановые) для повышения твердости, износостойкости, предела усталости и коррозионной стойкости. Применяется для деталей со сложной конфигурацией, работающих на износ без больших давлений, когда не допускаются значительные коробления и требуется особо твердый поверхностный слой. Твердость поверхностного слоя азотированных стальных деталей в 1,2-1,5раза больше, чем цементованных и закаленных.

10.8 Условное обозначение термической и химико-термической обработки

I. Термическая обработка:

1) Пример обозначения твердости по методу Бринелля для стали 40Х, закаленной в масле с последующим высоким отпуском, при сечении :

НВ 230…280;

2) Обозначение твердости по методу Роквела для стали 45, закаленной в воде или щелочном растворе с последующим отпуском, при сечении :

HRCэ40…50;

3) Обозначение закалки с нагревом токами высокой частоты стали 40Хглубиной закаленного слоя h=1,8-2,2мм с последующим отпуском:

ТВЧ h 1,8…2,2 мм; 50…54 HRCэ;

II. Химико-термическая обработка:

1) Обозначение цементации стали 18ХГТ с последующими закалкой в масле и отпуском при сечении с твердостью сердцевины НВ 240…300:

Цементовать h 0,7…0,9 мм; 58…62 HRCэ;

2) Обозначение азотирования стали 38Х2Юпри сечении и твердостью сердцевиныНВ 260:

Азотировать h 0,3…0,5 мм; 800…940 HV,

здесь твердость поверхности определяется по методу Виккерса.