Детали машин, станков и приборов изготовляют различными методами: отливкой, обработкой давлением (прокаткой, волочением, прессованием, ковкой и штамповкой), сваркой и механической обработкой на металлообрабатывающих станках.

Литейное производство. Сущность литейного производства заключается в том, что изделия или заготовки деталей машин получают заливкой расплавленного металла в формы. Полученная литая деталь называется отливкой.

а - раздельная модель отливки, б - разъемный стержневой ящик, в - отливка втулки с литниковой системой, г - стержень.

Технологический процесс литейного производства состоит из подготовки формовочных и стержневых смесей, изготовления форм и стержней, плавки металла , сборки и заливки формы, удаления отливок из формы и в отдельных случаях термической обработки отливок .

Литье применяют для изготовления самых различных деталей: станин металлорежущих станков, блоков цилиндров автомобилей, тракторов, поршней, поршневых колец, радиаторов отопления и т. п.

Отливки изготовляют из чугуна, стали, медных, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов, обладающих необходимыми технологическими и техническими свойствами. Наиболее распространенным материалом является чугун - самый дешевый материал, обладающий высокими литейными свойствами и низкой температурой плавления.

Фасонные отливки с повышенной прочностью и высокой ударной.вязкостью изготовляют из углеродистых сталей марок 15Л, 35Л, 45Л и т. д. Буква Л означает литую сталь, а цифры - среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Литейную форму, полость которой представляет собой отпечаток будущей отливки, получают из формовочной смеси при помощи деревянной или металлической модели.

В качестве материала для формовочных; смесей применяют бывшую в употреблении формовочную землю (горелую), свежие составляющие - кварцевый песок, формовочную глину, модифицирующие добавки, связующие вещества (смолы, жидкое стекло и пр.), пластификаторы, разрыхлители и прочие. Выбор их зависит от геометрии отливки, ее веса и толщины стенок, химического состава заливаемого металла.

Стержни, предназначенные для получения в отливках полостей и отверстий, изготовляют из стержневой смеси в специальных ящиках.

Стержневая смесь обычно состоит из малоглинистого песка и связующих веществ.

В индивидуальном и мелкосерийном производстве литейные формы выполняют ручным способом (формуют), используя деревянные модели, в поточно-массовом производстве - на специальных машинах (формовочных), по модельным плитам (металлическая плита с прочно закрепленными на ней частями модели) и в двух опоках.

Чугун плавят в вагранках (шахтных печах), сталь - в конверторах, дуговых и индукционных электрических печах, а цветное литье - в плавильных тигельных горнах. Металл, выплавленный в вагранках, сначала разливается в ковши, а затем через литниковую систему (систему каналов в форме) - в форму.

После заливки и охлаждения отливку вынимают (выбивка) из формы, удаляют прибыли (питатели), очищают от заусенцев, остатков литниковой системы и пригоревшей земли.

Специальные способы литья. Кроме литья в земляные формы, на заводах в настоящее время применяют следующие прогрессивные способы литья: литье в металлические формы (кокили) центробежное литье, литье под давлением, точное литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы. Эти способы позволяют получать детали более точной формы и с небольшими припусками на механическую обработку.

Литье в металлические формы. Этот способ состоит в том, что расплавленный металл заливают не в разовую земляную форму, а в постоянную металлическую, изготовленную из чугуна, стали или других сплавов. Металлическая форма выдерживает от нескольких сот до десятков тысяч заливок.

Центробежное литье. При этом способе расплавленный металл заливается в быстровращающуюся металлическую форму и под действием центробежных сил прижимается к ее стенкам. Металл обычно заливают на машинах с вертикальной, горизонтальной и наклонной осью вращения.

Центробежное литье применяют для изготовления втулок, колец, труб и т. п.

Литье под давлением - это способ получения фасонных отливок в металлических формах, при котором металл в форму заливают под принудительным давлением. Таким способом получают мелкие фасонные тонкостенные детали автомобилей, тракторов, счетных машин и т. д. Материалом для отливок служат медные, алюминиевые и цинковые сплавы.

Литье под давлением производится на специальных машинах.

Точное литье по выплавляемым моделям. Этот способ основан на применении модели из смеси легковыплавляемых материалов - воска, парафина и стеарина. Литье осуществляется следующим образом. По металлической прессформе с большой точностью изготовляют восковую модель, которую склеивают в блоки (елочки) с общей литниковой системой и облицовывают огнеупорным формовочным материалом. В качестве облицовочного материала применяют смесь, состоящую из кварцевого песка, графита, жидкого стекла и других компонентов. При высыхании и обжиге формы облицовочный слой образует прочную корку, которая дает точный отпечаток восковой модели. После этого восковая модель выплавляется, а форма прокаливается. Расплавленный металл заливают в форму обычным способом. Точным литьем изготовляют мелкие фасонные и сложные детали автомобилей, велосипедов, швейных машин и т. п.

Литье в оболочковые формы является разновидностью литья в разовые земляные формы. Подогретая до 220-250°С металлическая модель будущей отливки обсыпается из бункера формовочной смесью, состоящей из мелкого кварцевого песка (90-95%) и термореактивной бакелитовой смолы (10-5%). Под действием тепла смола в слое смеси, соприкасающаяся с плитой, сначала плавится, затем затвердевает, образуя на модели прочную песчано-смоляную оболочку. После просушки оболочковую полуформу соединяют с соответствующей ей другой полуформой, в результате чего получается прочная форма. Корковое литье применяют для отливки стальных и чугунных деталей станков, машин, мотоциклов и т. д.

Основными дефектами отливок в литейном производстве являются: коробление - изменение размеров и контуров отливки под влиянием усадочных напряжений; газовые раковины - пустоты, расположенные на поверхности и внутри отливок, которые возникают от неправильного режима плавки; усадочные раковины - закрытые или открытые пустоты в отливках, получаемые в результате усадки металла при охлаждении.

Незначительные дефекты в отливках устраняют заваркой жидким металлом, пропиткой термореактивными смолами и термической обработкой.

Обработка металла давлением. При обработке металла давлением широко используют пластические свойства металлов, т. е. их способность в определенных условиях под действием приложенных внешних сил изменять, не разрушаясь, размеры и форму и сохранять полученную форму после прекращения действия сил. При обработке давлением изменяются также структура и механические свойства металла.

Чтобы повысить пластичность металла и уменьшить величину работы, затрачиваемой на деформацию, перед обработкой давлением металл необходимо нагреть. Металл обычно нагревают при определенной температуре, зависящей от его химического состава. Для нагрева применяют горны, нагревательные пламенные печи и электронагревательные установки. Большую часть обрабатываемого металла нагревают в камерных и методических (непрерывных) печах с газовым обогревом. Для подогрева под прокатку крупных стальных слитков, поступающих неостывшими из сталеплавильных цехов, используют нагревательные колодцы. Цветные металлы и сплавы нагревают в электрических печах. Нагрев черных металлов производится двумя способами: индукционным и контактным. При индукционном способе заготовки нагреваются в индукторе (соленоиде), по которому пропускают ток высокой частоты, за счет тепла, возникаемого под действием индукционного тока. При контактном электронагреве ток большой величины пропускают через нагреваемую заготовку. Тепло выделяется в результате омического сопротивления нагреваемой заготовки.

К видам обработки металлов давлением относятся прокатка, волочение, прессование, свободная ковка и штамповка.

Прокатка - самый массовый способ обработки металлов давлением, осуществляемый путем пропуска металла в зазор между вращающимися в разных направлениях валками, вследствие чего уменьшается площадь поперечного сечения исходной заготовки, а в ряде случаев изменяется ее профиль. Схема прокатки изображена на рис. 31.

Прокаткой получают не только готовые изделия (рельсы, балки), но и сортовой прокат круглого, квадратного, шестигранного профилей, трубы и т. п. Прокатка производится на блюмингах, слябингах, сортовых, листовых, трубопрокатных и других станах, на гладких и калиброванных валках с ручьями (калибрами) определенной формы. На блюмингах из крупных и тяжелых слитков прокатывают заготовки квадратного сечения, называемые блюмсами, на слябингах - заготовки прямоугольного сечения (стальные диски), называемые слябами .

Сортовые станы используют для прокатки из блюмсов сортовых и фасонных профилей, листовые станы - для листовой прокатки из слябов в горячем и холодном состоянии, а трубопрокатные станы - для прокатки бесшовных (цельнотянутых) труб. Бандажи, дисковые колеса, шарики для подшипников, зубчатых колес и т. п. прокатывают на станах специального назначения

Волочение. Этот способ состоит в протягивании металла в холодном состоянии через отверстие (фильер) в матрице, поперечное сечение которого меньше, чем у обрабатываемой заготовки. При волочении площадь поперечного сечения уменьшается, благодаря чему длина заготовки увеличивается. Волочению подвергают черные и цветные металлы и сплавы в прутках, проволоке и трубах. Волочение позволяет получать материалы точных размеров и с высоким качеством поверхности.

Волочением получают сегментные шпонки, стальную проволоку диаметром 0,1мм, иглы для медицинских шприцев и т. д.

Волочение производят на волочильных станах. В качестве инструмента применяют волочильные доски и матрицы, изготовляемые из инструментальной стали и твердых сплавов.

Прессование. Оно осуществляется продавливанием металла через отверстие матрицы. Профиль прессованного металла соответствует конфигурации отверстия матрицы, оставаясь постоянным по всей длине. Прессованием изготовляют прутки, трубы и различные сложные профили из таких цветных металлов, как олово, свинец, алюминий, медь и т. д. Прессуют обычно на гидравлических прессах усилием до 15тыс. т.

Ковка. Операция, при которой металлу ударами инструментов придают требуемую внешнюю форму, называется ков кой . Ковку, осуществляемую под плоскими бойками, называют свободной, так как изменение формы металла при этом виде обработки не ограничивается стенками особых форм (штампов) и металл «течет» свободно. Свободной ковкой можно изготовлять самые тяжелые поковки - вплоть до 250 т. Свободная ковка разделяется на ручную и машинную. Ручную ковку в основном применяют при изготовлении мелких изделий или при ремонтных работах. Машинная ковка - это основной вид свободной ковки. Она выполняется на ковочных пневматических или паровоздушных молотах, реже - на ковочных гидравлических прессах. При ручной ковке инструментом являются наковальня, кувалда, зубило, пробойники, клещи и т. д. При машинной ковке рабочим инструментом служат бойки ковочных молотов и прессов, вспомогательным - раскатки, прошивки и клеши. Кроме вспомогательного инструмента, применяют машины, называемые манипуляторами, предназначенные для удержания, перемещения и кантовки тяжелых заготовок в процессе ковки.

Основными операциями технологического процесса свободной ковки являются: осадка (уменьшение высоты заготовки), вытяжка (удлинение заготовки), прошивка (получение отверстий), рубка, сварка и т. п.

Штамповка. Способ изготовления изделий давлением при помощи штампов, т. е. металлических форм, очертания и форма которых соответствует очертанию и форме изделий, называют штамповкой. Различают объемную и листовую штамповку. При объемной штамповке поковки штампуют на штамповочных и ковочных прессах. Штампы состоят из двух частей, каждая из которых имеет полости (ручьи). Очертания ручьев соответствуют форме изготовляемой поковки. Поковки можно штамповать и на паровоздушных молотах одинарного и двойного действия падающей частью (бабой) весом до 20-30 т и кривошипных прессах с усилием до 10 тыс. т. При штамповке нагретая заготовка под действием удара молота деформируется и заполняет полость штампа, излишек металла (облой) поступает в специальную канавку и затем обрезается на прессе. Мелкие поковки штампуют из прутка длиной до 1200мм, а крупные - из штучных заготовок.

Листовой штамповкой изготовляют тонкостенные детали из листов и лент различных металлов и сплавов (шайбы, сепараторы подшипников, кабины, кузовы, крылья и другие детали автомобилей и приборов). Листовой металл толщиной до 10мм штампуют без нагрева, более 10мм - с нагревом до ковочных температур.

Листовую штамповку обычно производят на кривошипных и листоштамповочных прессах простого и двойного действия.

В условиях массового производства подшипников, болтов, гаек и других деталей широкое применение находят специализированные кузнечные машины. Наибольшее распространение получила горизонтально-ковочная машина.

Основные дефекты проката и поковок . При прокатке заготовок могут возникать следующие дефекты: трещины, волосовины, плены, закаты.

Трещины образуются из-за недостаточного прогрева металла или при большом обжатии в валках.

Волосовины появляются на поверхности проката в виде вытянутого волоса в тех местах металла, где были газовые пузыри, раковины.

Плены возникают при прокатке некачественных слитков.

Закаты - это дефекты наподобие складок, получающиеся при неправильном прокате.

В кузнечно-штамповочном производстве могут быть следующие виды брака: забоины, недоштамповка, перекос и т. д.

Забоины, или вмятины, - это простые повреждения поковки, образующиеся при неточной укладке заготовки в ручей штампа перед ударом молота.

Недоштамповка, или «недобой», - это увеличение поковки по высоте, возникающее из-за недостаточного количества сильных ударов молота или из-за остывания заготовки, в результате чего металл теряет пластичность.

Перекос, или смещение, - это вид брака, при котором верхняя половина поковки смещается или перекашивается относительно нижней.

Устранение дефектов и брака достигается правильным выполнением технологических процессов прокатки, ковки и штам повки.

Сварка металлов. Сварка - один из важнейших технологических процессов, применяемых во всех областях промышленности. Сущность процессов сварки состоит в получении неразъемного соединения стальных деталей путем местного нагрева до плавления или до пластического состояния. При сварке плавлением металл расплавляется по кромкам соединяемых частей, перемешивается в жидкой ванне и затвердевает, образуя после охлаждения шов. При сварке в пластическом состоянии соединяемые части металла нагревают до размягченного состояния и под давлением соединяют в одно целое. В зависимости от видов энергии, применяемой для нагрева металла, различают химическую и электрическую сварку.

Химическая сварка. При этом виде сварки источником нагрева служит тепло, получаемое при химических реакциях. Она подразделяется на термитную и газовую сварку.

Термитная сварка основана на использовании в качестве горючего материала термита, представляющего собой механическую смесь алюминиевого порошка и железной окалины, развивающего при горении температуру до 3000°С. Этот вид сварки применяют для сварки трамвайных рельсов, концов электрических проводов, стальных валов и других деталей.

Газовую сварку осуществляют нагревом металла пламенем горючего газа, сжигаемого в струе кислорода. В качестве горючих газов при газовой сварке и резке металлов используют ацетилен, водород, природный газ и т. п., но наиболее распространенным является ацетилен. Максимальная температура газового пламени 3100° С.

Аппаратурой для газовой сварки служат стальные баллоны и сварочные горелки со сменными наконечниками, а материалом - конструкционные малоуглеродистые стали. В качестве присадочного материала для сварки сталей используют специальную сварочную проволоку.

Газовой сваркой можно производить сварку чугунов, цветных металлов, наплавку твердых сплавов, а также кислородную резку металлов.

Электрическая сварка. Она подразделяется на дуговую и контактную сварку. При дуговой сварке энергия, необходимая для нагрева и расплавления металла, выделяется электрической дугой, а при контактной электросварке-при прохождении тока по свариваемой детали.

Дуговую электросварку осуществляют на постоянном и переменном токе. Источником тепла для такого вида сварки является электрическая дуга.

Сварочная дуга питается постоянным током от сварочных машин-генераторов, переменным током - от сварочных трансформаторов.

Для дуговой сварки применяют металлические электроды, покрываемые специальной обмазкой для защиты расплавленного металла от кислорода и азота воздуха, и угольные.

Дуговая сварка может быть ручной и автоматической. Автоматическая сварка осуществляется на сварочных автоматах. Она обеспечивает получение качественного сварного шва и резко увеличивает производительность труда.

Флюсовая защита в этом процессе позволяет без потерь металла повысить силу тока и тем самым увеличить производительность в пять и более раз по сравнению с ручной дуговой сваркой.

Контактная сварка основана на использовании тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через свариваемый участок детали. Свариваемые детали в месте контакта нагревают до сварочного состояния, после чего под давлением получают неразъемные соединения.

Контактная сварка делится на стыковую, точечную и роликовую.

Стыковая сварка - это разновидность контактной сварки. Она используется для сварки рельсов, стержней, инструмента, тонкостенных труб и т. д.

Точечная сварка производится в виде точек в отдельных местах деталей. Она широко применяется для сварки из листового материала кузовов легковых автомобилей, обшивки самолетов, железнодорожных вагонов и т. п.

Роликовая, или шовная, сварка осуществляется при помощи роликовых электродов, подключаемых к сварочному трансформатору. Она позволяет получать на листовом материале сплошной и герметически плотный сварной шов. Роликовую сварку используют для изготовления масляных, бензиновых и водяных баков, труб из листовой стали.

Дефекты сварки. Дефектами, возникающими при сварке, могут быть непровары, шлаковые включения, трещины в сварочном шве и основном металле, коробление и т. д.

Обработка металла резанием. Основное назначение такой обработки - получение необходимых геометрических форм, точности размеров и чистоты поверхности, заданных чертежом.

Лишние слои металла (припуски) с заготовок снимаются режущим инструментом на металлорежущих станках. В качестве заготовок применяют отливки, поковки и заготовки из сортового проката черных и цветных металлов.

Резание металлов является одним из наиболее распространенных способов механической обработки деталей машин и приборов. Обработка деталей на металлорежущих станках осуществляется в результате рабочего движения обрабатываемой заготовки и режущего инструмента, при котором инструмент снимает стружку с поверхности заготовки.

Металлорежущие станки подразделяются на группы в зависимости от способов обработки, типов и типоразмеров.

Токарные станки предназначаются для выполнения разнообразных токарных работ: точения цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, растачивания отверстий, нарезания резьбы резцом, а также обработки отверстий зенкерами и развертками.

Для работы на токарных станках применяют различные виды режущего инструмента, но основными из них являются токарные резцы.

Сверлильные станки используют для получения в заготовках отверстий, а также для зенкерования, развертывания и нарезания резьбы метчиками.

Для работы на сверлильных станках применяют такой режущий инструмент, как сверла, зенкеры, развертки и метчики.

Сверло - это основной режущий инструмент.

Зенкер служит для увеличения диаметра предварительно просверленных отверстий.

Развертки предназначаются для выполнения точных и чистовых отверстий, предварительно обработанных сверлом или зенкером.

Метчики используют при изготовлении внутренних резьб.

Фрезерные станки предназначаются для выполнения самых разнообразных работ - от обработки плоских поверхностей до обработки различных фигур. Инструментом для фрезерования служат фрезы.

Строгальные станки применяют для обработки плоских и фасонных поверхностей, а также для прорезания прямых канавок у деталей. При работе на строгальных станках металл снимают только во время рабочего хода, так как обратный ход - холостой. Скорость обратного хода в 1,5-3 раза больше скорости рабочего хода. Строгание металла осуществляется резцами.

Шлифовальные станки используют для отделочных операций, обеспечивающих высокую точность размеров и качество обрабатываемых поверхностей. В зависимости от видов шлифования станки подразделяют на круглошлифовальные - для наружного шлифования, внутришлифовальные - для внутреннего шлифования и плоскошлифовальные - для шлифования плоскостей. Детали шлифуют шлифовальными кругами.

Под слесарными работами понимают ручную обработку металла резанием. Они подразделяются на основные, сборочные и ремонтные.

Основные слесарные работы производятся с целью придания обрабатываемой детали форм, размеров, необходимой чистоты и точности, заданных чертежом.

Сборочные слесарные работы выполняются при сборке узлов из отдельных деталей и сборке машин и приборов из отдельных узлов.

Ремонтные слесарные работы осуществляются с тем, чтобы продлить срок службы металлорежущих станков, машин, кузнечных молотов и другого оборудования. Сущность таких работ заключается в исправлении или замене изношенных и поврежденных деталей.

Электрические методы обработки металлов. К ним относятся электроискровой и ультразвуковой методы. Электроискровой метод обработки металлов применяют для изготовления (прошивки) отверстий различной формы, извлечения из отверстий деталей сломанных метчиков, сверл, шпилек и т. п., а также для заточки твердосплавных инструментов. Обработке подвергаются твердые сплавы, закаленные стали и другие твердые материалы, которые не могут быть обработаны обычными способами.

Этот метод основан на явлении электрической эрозии, т. е. на разрушении металла под действием электроискровых разрядов.

Сущность электроискрового метода обработки металлов состоит в том, что к инструменту и изделию, служащим электродами, подводится электрический ток определенной силы и напряжения. При сближении электродов на определенном расстоянии между ними под действием электрического тока происходит пробой этого промежутка (зазора). В вместе пробоя возникает высокая температура, расплавляющая металл и выбрасывающая его в виде жидких частиц. Если к заготовке подвести положительное напряжение (анод), а к инструменту - отрицательное (катод), то при искровом разряде происходит, вырыв металла из заготовки. Чтобы раскаленные частицы, вырванные разрядом из электрода-изделия, не перескакивали на электрод-инструмент и не искажали его, искровой промежуток заполняют керосином или маслом.

Инструмент-электрод выполняют из латуни, меднографитовой массы и других материалов. При изготовлении отверстий электроискровым методом можно получать любой контур в зависимости от формы инструмента-катода.

Кроме электроискрового метода обработки металлов, в промышленности применяют ультразвуковой метод, основанный на использовании упругих колебаний среды со сверхзвуковой частотой (частота колебаний более 20 тыс. гц). При помощи ультразвуковых установок можно обрабатывать твердые сплавы, драгоценные камни, закаленную сталь и т. д

КОМПЛЕКСНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Термическая обработка (термообработка ) стали, сплавов бывает следующих видов: отжиг , нормализация , закалка , отпуск .

• Отжиг - термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термобработка (т.е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).
• Закалка - термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки - отпуск.
• Отпуск - термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.
• Нормализация - термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термобработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге - в печи).

ОТЖИГ СТАЛИ

Отжиг - процесс термообработки металла, при котором производится нагревание, затем медленное охлаждение металла. Переход структуры из неравновесного состояния до более равновесного. Отжиг первого рода , его виды: возврат (он же отдых металла), рекристаллизационный отжиг (он же называется рекристаллизация ), отжиг для снятия внутренних напряжений , диффузионный отжиг (еще называется гомогенизация ). Отжиг второго рода – изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур. Отжиг второго рода, его виды: полный , неполный , изотермический отжиги . Ниже рассмотрен отжиг, его виды, применительно к стали.

• Возврат (отдых) стали – нагрев до 200 – 400C°, отжиг для уменьшения или снятия наклепа. По результатам отжига наблюдается уменьшение искажений кристаллических решеток у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств стали.
• Рекристаллизационный отжиг стали (рекристаллизация) - нагрев до температур 500 – 550C°; отжиг для снятия внутренних напряжений – нагрев до температур 600 – 700C°. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения металла отливок от неравномерного охлаждения их частей, также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) с использованием температур ниже критических. Вследствиии рекристаллизационного отжига из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, поэтому твердость стали снижается, а пластичность, ударная вязкость увеличиваются. Чтобы полностью снять внутренние напряжения стали нужна температура не менее 600C°. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: вследствии ускоренного охлаждения металла вновь возникают внутренние напряжения.
• Диффузионный отжиг стали (гомогенизация) применяется тогда, когда сталь имеет внутрикристаллическую ликвацию. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. По результатам отжига, сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией . Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, однако нельзя допускать пережога, оплавления зерен. Если допустить пережог, то кислород воздуха окисляет железо, проникая в толщу его, образуются кристаллиты, разобщенные окисными оболочками. Пережог устранить нельзя, поэтому пережженные заготовки являются окончательным браком. Диффузионный отжиг стали обычно приводит к слишком сильному укрупнению зерна, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).
• Полный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией, измельчением зерна при температурах точек АС1 и АС2 . Назначение его – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30-50C°выше температуры линии GSK и медленно охлаждают. После отжига избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоидный цементит имеют форму пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатым
• При отжиге стали на пластинчатый перлит заготовки оставляют в печи до охлаждения, чаще всего при частичном подогреве печи топливом, чтобы скорость охлаждения была не больше 10-20C° в час. Отжигом также достигается измельчение зерна. Крупнозернистая структура, например, доэвтектоидной стали, получается при затвердевании вследствие свободного роста зерен (если охлаждение отливок медленное), а также в результате перегрева стали. Эта структура называется видманштетовой (по имени австрийского астронома А. Видманштеттена, открывшего в 1808 г. такую структуру на метеорном железе). Такая структура придает низкую прочность заготовке. Структура характерна тем, что включения феррита (светлые участки) и перлита (темные участки) располагаются в виде вытянутых пластин под различными углами друг к другу. В заэвтектоидный сталях видманштетова структура характеризуется штрихообразным расположением избыточного цементита. Размельчение зерна связано с перекристаллизацией альфа-железа в гамма-железо; вследствии охлаждения и обратного переходе гамма-железа в aльфа-железо мелкозернистая структура сохраняется. Таким образом, одним из результатов отжига на пластинчатый перлит является мелкозернистая структура.
• Неполный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки А С1 ; неполный отжиг применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура.
• Отжиг стали на зернистый перлит применяют обычно для эвтектоидных, заэвтектоидных сталей, для повышения пластичности, вязкости стали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита сталь нагревают выше точки АС1 , затем выдерживают недолго, чтобы цементит растворился в аустените не полностью. Затем сталь охлаждают до температуры несколько ниже Ar 1 , выдерживают при такой температуре несколько часов. При этом частицы оставшегося цементита служат зародышами кристаллизации для всего выделяющегося цементита, который нарастает округлыми (глобулярными) кристаллитами, рассеянными в феррите. Свойство зернистого перлита существенно отличаются от свойств пластинчатого в сторону меньшей твердости, но большей пластинчатости и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоидной стали, где весь цементит (как эвтектоидный, так избыточный) получается в виде глобулей.
• Изотермический отжиг - после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки А 1 , затем выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время, а также повышает производительность. Например, обыкновенный отжиг легированной стали длится 13-15 ч, а изотермический – всего 4-7 ч.

ЗАКАЛКА СТАЛИ

Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов. Материал, подвергшийся закалке приобретает большую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала.

В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают на 30 - 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK, в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяетсядля инструментальных сталей. Закалка снимается отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.

Закалочные среды

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650-400 °C, то есть в том интервале температур в котором аустенит менее всего устойчив, быстрее всего превращается в феритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда (Термат), а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения - стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

Способы закалки

• Закалка в одном охладителе - нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.
• Прерывистая закалка в двух средах - этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).
• Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.
• Ступенчатая закалка - закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.
• Изотермическая закалка . В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

ОТПУСК СТАЛИ

Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите.

Преимуществом точечной структуры является более благоприятное сочетание прочности и пластичности. При одинаковом химическом составе и одинаковой твердости сталь с точечной структурой имеет значительно более высокое относительное сужение y и ударную вязкость а н , повышенное удлинение d и предел текучести s т по сравнению со сталью с пластинчатой структурой.

Мартенсит закалки имеет неустойчивую тетрагональную решетку, а мартенсит отпуска – устойчивую центрированную кубическую решетку альфа-железа.

Отпуск разделяют на низкий, средний и высокий в зависимости от температуры нагрева.

Для определения температуры при отпуске изделия пользуются таблицей цветов побежалости . Тонкая пленка окисдов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета - от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220C°; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300C°) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях. Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали. Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330C° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500C°) и высоком (500-700C°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние троостита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение таких показателей как прочность, пластичность и вязкость, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит применяют для термической обработки кузнечным штампов, пружин, рессор, а высокий – для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом. Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970C°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

Нормализацией называют такой вид термической обработки, когда сталь нагревают на 30 - 50C° выше верхних критических температур Асз или Аст и после выдержки при этих температурах охлаждают на спокойном воздухе. Таким образом, от отжига нормализация отличается более быстрым охлаждением изделия (примерно в 2 раза).

Нормализация является более дешевой операцией, чем отжиг, так как печи используются только для нагрева и выдержки изделия при температуре нагрева, а охлаждение производится вне печи. Кроме того, нормализация ускоряет процесс термической обработки. Таким образом, отжиг выгодно заменять нормализацией. Однако это не всегда возможно, так как у некоторых сталей твердость после нормализации возрастает более значительно, чем при отжиге. Малоуглеродистые стали рекомендуется подвергать нормализации, так как у них практически отсутствует разница в свойствах после отжига и нормализации.

Стали, содержащие свыше 0,4% углерода, после нормализации получают повышенную твердость. Такие стали лучше отжигать. На практике и такие стали часто подвергают нормализации вместо отжига, а затем высокому отпуску при температурах 650 - 700C° для уменьшения твердости. Нормализацию применяют для получения мелкозернистой структуры в отливках и поковках, для устранения внутренних напряжений и наклепа, для подготовки структуры стали к закалке.

Для некоторых изделий нормализация является не предварительной, а окончательной операцией термической обработки. В этом случае после нормализации изделия подвергают высокому отпуску для снятия внутренних напряжений, образовавшихся при охлаждении изделия на воздухе.