Вакуумный отжиг нержавейки

Термическая обработка деталей из нержавеющей стали и алюминия Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Карху Виктория Сергеевна, Данилко Валерия Андреевна

В статье рассмотрены основные этапы и особенности процесса термической обработки металлов (нержавеющей стали и алюминия ), которые чаще всего используют в качестве материалов корпусов современной техники.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Карху Виктория Сергеевна, Данилко Валерия Андреевна

Текст научной работы на тему «Термическая обработка деталей из нержавеющей стали и алюминия»

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ

СТАЛИ И АЛЮМИНИЯ Карху Виктория Сергеевна, студентка (e-mail: vickt.carhu2011@yandex.ru) Данилко Валерия Андреевна, старший преподаватель (e-mail: danilko.v.a@rsreu.ru)

Рязанский государственный Радиотехнический университет, Россия

В статье рассмотрены основные этапы и особенности процесса термической обработки металлов (нержавеющей стали и алюминия), которые чаще всего используют в качестве материалов корпусов современной техники.

Ключевые слова: термическая обработка, сталь, алюминий, температура, отжиг, закалка, отпуск.

Сегодня мы живем в 21 веке, в котором человек уже не может представить свою жизнь без электронных приборов и устройств. При покупке товара он обращает внимание на технические параметры, а также на материал, из которого сделан корпус и детали оборудования. Все перечисленное обуславливает его выбор в пользу более качественной продукции.

Из множества видов материала изделий, представленного на рынке, покупатель обращает внимание чаще всего на такие металлы, как нержавеющая сталь и алюминий. Изготовление деталей из таких материалов включает в себя целый ряд операций, необходимых для изменения структуры и свойств металлов. В число таких операций входят отжиг, закалка, отпуск и другие (рисунок 1).

Приведем значение основных технологических процессов изготовления деталей из нержавеющей стали, представленных на рисунке 1:

Отжиг представляет собой термообработку, направленную на уменьшение прочности, твердости и повышение пластичности металлов. Температура отжига определяется его назначением и зависит от содержания углеродов стали.

Закалка — это термообработка, которая включает в себя нагрев сталей до температур выше критических, выдержку при данных температурах и резкое охлаждение с целью получения высокой прочности и твердости.

Отпуск — это дополнительная термообработка, которая предотвращает деталь при ударных нагрузках от быстрого разрушения.

Как уже упоминалось, отжиг проводится с целью понижения параметров твердости нержавеющего металла, благодаря чему он приобретает пластичность. Термообработка данным способом проводится в специальной печи с непременным соблюдением определенного температурного режима. По завершении процессов накаливания и выдержки продукцию оставляют в такой печи до ее полного остывания.

Для стали применяют рекристализационный отжиг и отжиг для снятия внутренних напряжений.

Рисунок 1 — Основные операции термической обработки

Рекристализационный отжиг осуществляют при температуре 680 0С в течение 4-12 часов. Его применяют для малоуглеродистых сталей, содержащих менее 0,25 % углерода.

Отжиг для снятия внутренних напряжений применяют для устранения дефектов, возникающих в процессе резки, сварки, шлифования и т.д. Снятие внутренних напряжений происходит в результате процессов возврата. Продолжительность от 2 до 12 часов и температура такого отжига зависит от вида напряжений, от размеров детали, химического состава стали.

Следующим этапом технологического процесса выступает закалка нержавеющей стали, которая предусматривает доведение материала до критического уровня нагрева. Конкретный температурный режим определяется составом материала и особенностями его дальнейшего использования. Различают объемную и поверхностную закалку. В первом случае нагревают и охлаждают всю деталь, во втором — её поверхность.

Охлаждение при закалке проводят в различных средах, в том числе вода, масло, водовоздушные смеси. От скорости охлаждения зависит структура стали после закалки. Поверхностную закалку применяют для изделий, у которых должна быть твердая поверхность и вязкая внутренняя часть, например, шестеренки, валы. При этом поверхностная закалка делится на несколько видов: закалка погружением; газопламенная закалка; закалка токами высокой частоты; лазерная закалка.

После осуществления закалки детали из нержавеющей стали подвергаются операции отпуска стали, которая производится в электропечах. Данный вид термообработки нержавеющей стали призван устранить и предотвратить различные дефекты данного металла. В

зависимости от температуры различают 3 вида отпуска: низкий (150оС -220 оС), средний (350оС — 450 оС), высокий (550оС — 650 оС).

Схожий технологический процесс термообработки имеют детали из алюминия. Он обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики и качество изделий в целом. К основным видам термической обработки алюминиевых сплавов относят: отжиг, закалка и старение.

Для алюминия применяют гомогенизирующий отжиг, рекристализационный отжиг, отжиг для снятия внутренних напряжений и полный отжиг.

Первому из указанных виду отжига подвергают слитки перед обработкой давлением для устранения дендритной ликвации, которая приводит к получению неоднородного твердого раствора и выделению по границам зерен между ветвями дендритов неравномерных включений CuAl2, Mg2Si, Al2CuMg, Al6CuMg4 и другие. В процессе гомогенизации состав кристаллитов твердого раствора выравнивается, а интерметаллиды растворяются. Вследствие этого пластичность литого сплава повышается, что позволяет увеличить степень обжатия при горячей обработке давлением, скорость прессования и уменьшить технологические отходы. Температура гомогенизации в пределах 450 — 520 °С, а выдержка от 4 до 40 часов.

В тоже время после полного отжига все алюминиевые сплавы получают состояние, которое является самым мягким, самым пластичным и наиболее благоприятным для пластической деформации.

При закалке алюминия происходит нагрев сплавов до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или большей частью растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до комнатной температуры для получения пересыщенного твердого раствора. Например, температура закалки сплавов системы Al-Си (рисунок 2) определится линией abc. При нагреве под закалку сплавов, содержащих до

5 % Си, избыточная фаза СиА12 полностью растворяется, и при последующем быстром охлаждении фиксируется только пересыщенный a-твердый раствор. Время выдержки при температуре закалки зависит от структурного состояния сплава, типа печи и толщины изделия. После закалки сплавы имеют сравнительно невысокую прочность и высокую пластичность.

0,5 5,1 W ZU SO Si 40 5QCut%

Рисунок 2 — Диаграмма состояния Al-Cu

После закалки следует старение, при котором сплав выдерживают при нормальной температуре несколько суток (естественное старение) или в течение 10-24 часов при повышенной температуре (искусственное старение). В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, что сопровождается упрочнением сплава.

Распад пересыщенного твердого раствора происходит в несколько стадий в зависимости от температуры и продолжительности старения.

Таким образом, наиболее распространенными металлами и сплавами, используемыми в промышленности, в настоящее время являются сталь и алюминий. Процесс термообработки данных металлов включает в себя отжиг, закалку, отпуск (старение). Выбор термообработки зависит от свойств и назначения сплава.

1 Как проводится термическая обработка нержавейки [Электронный ресурс] -Режим доступа: https://www.globus-stal.ru/articles/kak-provoditsya-termicheskaya-obrabotka-nerzhaveyki/.

2 Наука: Современные технологии обработки алюминия и его сплавов [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://stankoreport.ru/news/article_post/nauka-sovremennyye-tekhnologii-obrabotki-alyuminiya-i-yego-splavov.

3 Термическая обработка алюминиевых сплавов [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://weldworld.ru/theory/term-obrab/termicheskaya-obrabotka-alyuminievyh-splavov.html.

4 Смоляров Н.А. Основы технологии производства / Н. А. Смоляров. — Рязань, 2017. — 115 с.

Karkhu Victoria Sergeevna, student. Direction of preparation «Standardization and Metrology» (e-mail: vickt.carhu2011@yandex.ru, 89106287291).

Danilko Valeria Andreevna, senior Lecturer (e-mail: danilko.v.a@rsreu.ru).

Russia, Ryazan, Ryazan State Radio Engineering University, Department of Information-measuring and Biomedical Engineering.

The Heat Treating of stainless steel and aluminum parts

Abstract: The article considers the main stages and peculiarities of the process of heat treatment of metals (stainless steel and aluminum), which are most often used as materials of modern equipment.

Keywords: heat treatment, steel, aluminum, temperature, quenching, annealing, drawback.

Термообработка нержавеющей стали – особенности сложного процесса!

Термообработка нержавеющей стали – это специальное тепловое воздействие на металлическую основу с целью последующего изменения определенных свойств или структуры металла.

1 Отжиг стали 1 рода – важный этап термообработки

Отжиг металла включает в себя нагревание до определенной температуры, затем выдержку и обработку при той же заданной температуре и постепенное охлаждение. Такая процедура необходима для получения максимально эластичных свойств металла, а также получения полноценной, равновесной структуры и снижения первоначальных прочностных характеристик. Таким образом, процедура бывает двух родов. В первом случае обработка металла не несет в себе каких-либо существенных структурных потерь, во втором отжиг направлен на создание определенных свойств, на всех этапах и видах отжига остановимся подробнее далее в статье.

Гомогенизация стали – способ температурной обработки, при котором уменьшается химическая неоднородность металлических свойств. Так как полностью избавиться от неоднородности химического состава металла невозможно, приходится уменьшать ее с помощью специального этапа отжига. В течении длительного периода металл держат при высокой температуре, это способствует максимально высокому движению атомов кристаллической решетки, за счет чего (обычно в диапазоне 48-62 часов) химическая неоднородность выравнивается до необходимых норм.

Рекристаллизация – еще один способ обработки металла, при котором происходит его нагрев до высоких температур (выше температуры начала кристаллизации), а затем медленное и продолжительное охлаждение. Продолжительность подобной процедуры зависит от типа металла, его размеров и изначальных свойств. Как правило, среднее время рекристаллизации равно 2-2,5 часам. В результате такого отжига увеличивается пластичность металла и уменьшается его прочность, кроме того, это необходимо для предотвращения наклепа или нагартовки, которые ведут к полному разрушению металлических свойств.

Снятие внутреннего напряжения металла – этот этап применяется для снятия напряжения, которое возникло в процессе других типов обработки. Чаще всего следствием необходимости такого процесса является неравномерный нагрев или охлаждение детали, шлифовка, порезка, сварка.

Таким образом, внутренние напряжения, которые создаются в различных частях сплава, могут в итоге влиять на прочность нержавеющей стали и приводить к деформации и нарушению допустимых пределов использования. Снятие напряжения проводят при температурах существенно ниже порога начала кристаллизации, что обеспечивает равномерное распределение внутренней разрядки в металле. При обычной температуре добиться нормализации напряжения можно лишь за очень долгий промежуток времени.

2 2 род – создание структурного равновесия в металле

В отличии от процесса первого рода, в данном случае удается добиться полного изменения структурных свойств металлического сплава. При этом специалисты в термообработке различают два вида отжига второго рода – полный и частичный. Закалка – вид термической обработки, при котором сплав получает неравновесную структуру и максимально прочные свойства. При закалке происходит равномерное нагревание до высоких температур, затем обработка стали при этих же температурах и резкое, почти мгновенное охлаждение металла. Закалка может также быть двух видов – с полиморфным превращением и без такового.

В первом случае металл при обработке нагревается до температуры, при которой происходит замена типа кристаллической решетки на нужную в одном из основных легирующих элементов сплава. Во втором обработке подвергается металлический сплав с органическим сочетанием легирующих элементов одного в другом. Иногда подобный процесс также называется старением, и необходим он для получения равновесия в структуре сплава и необходимого уровня свойств.

Отпуск металлического сплава – еще один вид термообработки, который направлен на уменьшение напряжения с полиморфным превращением. Этот процесс необходим для придания металлу оптимального сочетания свойств пластичности и прочности. Различают четыре этапа в процессе отпуска, которые направлены на создание естественного или искусственного старения металла. Эти факторы напрямую влияют на характеристики прочности и твердости.

3 Химическая обработка и повышение коррозионной стойкости

Химическая обработка представляет собой одновременное воздействие на металл температуры среды и химических свойств с тем, чтобы влиять на поверхность детали. Как правило это либо повышение антикоррозионной защиты поверхности, либо создание специальных слоев, например, дополнительных износостойких или антифрикционных возможностей металла. При термомеханической процедуре происходит одновременная деформация и термическая обработка металла (например, ковка, закалка), что также влияет на конечные свойства металла, причем при термообработке можно добиться существенно лучших показателей, чем при обработке металла двумя способами по отдельности.

Чтобы повысить стойкость металлического сплава к коррозии межкристального типа, необходимо добавить дополнительные легирующие элементы в процессе термической обработки. Наиболее эффективными элементами в данном случае выступают Cr и Ni – свинец и никель соответственно. В процессе обработки антикоррозийная защита стали включает в себя такие виды работ, как:

• снижение содержание кристаллов азота и углерода в составе;
• введение дополнительных элементов (титан, свинец);
• отжиг металла;
• уменьшение времени охлаждения при термической обработке.

Самые распространенные и массово применяемые виды стали – хромистые. В них нет полиморфных превращений, что упрощает процесс их обработки. Поэтому чаще всего обработка таких сталей сводится либо к смягчению (отжиг) либо к упрочнению материала (закалка). Температура при этом выбирается в зависимости от желания производителя получить те или иные свойства в доминирующем виде. Температура в первом случае не должна превышать 900 градусов, а закалка и отпуск проводятся в печи при оптимальных температурах нагрева до 650 градусов.

Таким образом, термообработка стали является самым распространенным способом улучшения свойств сплава и придания ему необходимой формы и содержания. Изделия после термообработки применяются в различных областях строительства и промышленности. Кроме того, с ее помощью можно добиться увеличения срока службы стальной конструкции (антикоррозийное покрытие, механическая обработка). В зависимости от типа обработки и состава сплава различают и различные маркировки стали, по которым можно определить способ, которым она была обработана.

Способ отжига заготовок из нержавеющих сталей и сплавов

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«i>981396 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 13. 05 ° 81(21) 3288785/22-02

С 21 D 1/773 с присоединением заявки ¹вЂ” (23) Приоритет—

СССР по делам изобретеиий и открытий

Опубликовано 15-1282 ° Бюллетень ¹ 46

Дата опубликования описания 15.12.82

)%3) УДК 621 785 ° .34.061(088.8) (12) Авторы изобретения

М. И. Тарасьев, В. В. Ярсыенко и

Днепропетр ский ордена Трудового (71) Заявитель металлургический институт (54) СПОСОБ ОТЖИГА ЗАГОТОВОК ИЗ НЕРЖАВЕЮЩИХ

CTAJIFA И СПЛАВОВ эффективность процесса вакуумного рафинирования в целом.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достига-. емому результату является способ термической обработки железохромистых сплавов, включающий высокотемпературный отжиг заготовок иэ высокохромистой нержавеющей стали в вакууме с окислительным потенциалом 0,100,25 мм рт. ст., создаваемыми за счет напуска углекислого газа . На этом этапе происходит обезуглероживание стали. По окончанию обеэуглероживающего отжига прекращают подачу окислителя и производят дополнительный отжиг при той же температуре

-Ъ и остаточном давлении 1 ° 10

1 — 10 е мм рт. ст. с целью ут жния азота, Недостатком известного способа является следующее. Выдержка в атмосфере с укаэанным окислительным потенциалом не может обеспечить максимальной скорости удаления углерода в течение всего обезуглероживающего отжига, что снижает производительность процесса в целом. Это связано с тем, что недостаток окислителя в газовой фазе, равно как и его избыток, окаэы,25

Изобретение относится к термической обработке, в частности, заготовок из нержавеющих сталей и сплавов.

В современной металлургии для повьхаения коррозионной стойкости и ударной вязкости нержавеющих сталей применяют термическую обработку в вакууме или контролируемых газовых средах. !О

Известен способ термической обработки включающий высокотемпературо ный (1300-1380 C) отжиг в вакууме в течение 8-20 ч с целью обезуглероживанияи дегазации и повышения тем самым эксплуатационных свойств.

В качестве источника окислителя, необходимого для успешного протекания процесса обезуглероживания, ис пользуют остаточную прокатную окалину либо газообразные окислители (например, CO ) (.1) .

Однако дегазация металла при этом протекает недостаточно эффективно, поскольку окисная пленка на поверхности металла в значительной степени затрудняет процесс десорбции азота. Толстая окисная пленка может неблагоприятно сказываться также и на ходе обезуглероживания, что снижает

f (: l; f ч ! н н н, Ъ:. с

Красног Зна йНЫЛ., д::-;

981396 вают отрицательное воздействие на скорость удаления углерода из металла.

При недостатке окислителя снижается скорость самой реакции обезуглероживания, а при его избытке образующаяся на поверхности окисная пленка тормозит удаление газообразных продуктов реакции, что также ухудшает итоги процесса. В начальной стадии отжига, когда содержание углерода в металле велико (как правило, > 0,0б%) 10 дпя его интенсивного удаления необходимо поддержание в атмосфере печи относительно высокого окислительного .потенциала. По мере обезуглероживания стали скорость массопереноса уг- 15 лерода к поверхности раздела металла с газовой фазой снижается, что при поддержании окислительного потенциала на начальном уровне приводит к окислению поверхности заготовок и созданию грубой окисной пленки, резко снижающей скорость процесса на его заключительной стадии.

Укаэанный недостаток не может быть устранен путем выбора какого» либо постоянного значения окислительного потенциала как в указанных пре-. делах, так и вне их, так как наиболее эффективное обезуглероживание имеет место только в том случае, если скорость подвода окислителя из газовой фазы к реакционной поверхности в любой момент времени соответствует скорости поступления к ией углерода из глубинных слоев металла.

Параллельно с удалением углерода на первом этапе процесса частично протекает и деаэотация металла, причем в тем большей степени, чем ниже остаточное давление в печи. Постоянное значение окислительного потенци- 40 ала не обеспечивает оптимальной скорости и этого процесса, поскольку образующаяся окисная пленка препятствует удалению и азота. Глубокая деазотация в этом случае происходит 45 только во время дополнительн и выдержки прн остаточном давлении

1 ° 10″ — 1 ° 10 мм рт. ст., что также приводит к увеличению общей длительности вакуумтермической обработки.

Целью изобретения является повышение скорости обезуглероживания и деазотации и увеличение производительности процесса.

Поставленная цель достигается тем,.55 что согласно способу отжига заготовок из нержавеющих сталей и сплавов, включающему нагрев до 1300-1350 С, выдержку в вакууме с окислительным потенциалом, создаваемым эа счет на- 60 пуска газообразного окислителя, дополнительную выдержку при остаточном давлении 1 10″ -1 10 мм рт. ст. и охлаждение, в процессе выдержки давление окислителя постепенно снижают 65 во времени в соответствии с уравнением, /C D» пМ ° Ос р -,» хо(- — «- — ), () где P — давление окислителя (СОл) в момент времени «,Г мм.рт.ст.

Сс, — исходное содержание углеро- . да в металле, Ъг

D. — коэффициент диффузии углерода при температуре отжига, см»г/сг

h — толщина отжигаемой заготовки см время от начала обезуглероживающего отжига, с, k n — константы, определяемые экспериментально в зависимости от температуры и марки стали.

Уравнение (1) получено, исходя иэ уже обоснованного требования постоянного соответствия скоростей подвода окислителя и углерода к реакционной поверхности, т.е.

Здесь скорость массопереносг углерода к реакционной поверхности, г/c, скорость поступления окислителя к реакционной поверхности, г/c, 12

° д — коэффициент, учитывающий стехиометрическое соотношение реагентов в реакции окисления углерода.

Скорость массопереноса углерода в пластине толщиной Ь имеет видг с1юс 8Ссг 5 е c гс Пс — I- «) где S — площадь поверхности пластины, см й.

3 плотность металла, г/см

Скорость поступления окислителя к границе раздела газметалл при прочих равных условиях определяется его давлением в рабочем пространстве и может бить записана в виде: с1дгсо 2„1/и

СО г. где k — коэффициент пропорциональности.

Приравнивая выражения (3) и (4) в соответствии с уравнением (2); после ряда несложных преобразований получаем искомое уравнение (1). Выражение, стоящее перед знаком экспоненты, представляет собой начальное давление окислителя, при котором следует начинать процесс обеэуглероживания. Это

981396 давление для каждой марки стали находится экспериментально или расчетным. путем в зависимости от толщины изделия (h), исходного содержания углерода (Со), температуры, влияющей на величины коэффициента диффузии (Ре) и констант k и .n..

Выражение, стоящее под знаком экспоненты, устанавливает закон, по которому следует снижать давление окис лителя по ходу процесса, чтобы на всем его протяжении поддерживать оп гимальные условия обеэуглероживания.

Сущность предлагаемого способ заключается в следующем.

Заготовки подвергают высокотемпературному отжигу в вакууме с окислительным потенциалом, создаваемым за счет напуска газообразного окислителя (например, СО ) начальное давление которого, как указывалось, определяется толщиной заготовки, ее химическим составом и температурой отжига. B дальнейшем по ходу процесса давление окислителя в рабочем пространстве печи снижают непрерывно или ступенчато в соответствии с программой, которая рассчитывается заранее по уравнению (1). Снижение давления осуществляется путем уменьшения расхода окислителя, подаваемого в печь.

По окончании периода обезуглероживания подачу окислителя прекращают и проводят период дополнительной деаэотации при остаточном давлении

1- 10 — 1 10 мм рт.. ст. Длительность каждого периода и всего отжига в целом (при данной температуре) определяется маркой стали, толщиной заготовки, исходными и требуемыми конечными содержаниями углерода и азота.

На чертеже приведено изменение давления СО в процессе обеэуглероживавщего отжига образцов стали

Пример. Термической обработке в вакууме при 1300 С подвергают плоские образцы из стали 06Х25 толщиной 8 и 4,6 мм. Исходное содержание углерода и азота составляет

0,064 и 0,050% соответственно.

Подачу углекислого газа в печь осуществляют из баллона через редуктор с игольчатым натекателем, при помощи которого производят регулирование расхода газа (а соответственно и его давления в печи).

С целью более детального исследования влияния окислительного потенциала на обеэуглероживание и деазотацию металла после первого этапа отжига процесс прерывают и образцы контролируют на содержание углерода и азота. Затем проводят дополнительную (деазотирувщую) выдержку при остаточном давлении в печи (4-6 ) х 10 4мм рт. ст. Длительность каждой иэ стадий выбирают из расчета получения в готовом металле 0,006-0,009% углерода и азота (по Ту 14-242-157-77 для стали 01Х25 суммарное содержание углерода и азота не должно превышать

0,015% при концентрации каждого

Содержание С и N определяют с точностью 0,0002Ъ.

Параметры ваккумных отжигов и их результаты приведены в таблице.

В опытах 1, 2, 5 и 6 давление окислителя в процессе обеэуглероживающего отжига поддерживают постоянным на нижнем и верхнем пределах, укаэанных в известном способе.

Данные таблицы свидетельствуют, что с повышением давления от 0,1 до 0,25 мм рт. ст. наблюдается не20 которое увеличение скорости обеэуглероживания, однако наряду с этим ухудшается деазотация в первой стадии процесса.

Поддержание в ходе обезуглерожи25 вающего отжига давления СО, превышающего рекомендуемые в прототипе пределы (опыты 3 и 7), также не приводит к желаемым результатам.

Существенное повышение скорости

З0 обеэуглероживания (а в ряде случаев и деаэотации) достигается при непрерывном или ступенчатом уменьшении давления СО в первом периоде процесса по уравнению (1), которое для случая отжига образцов иэ стали

06Х25 принимает вид

Р = 0,35ехр (-0,0002 Г ) для Ь = 0,8 см (5)

Р = О, 6 ехр (- О, 0006 )

40 для h = 0,46 см (6) По уравнениям (5) и (6) рассчита ны кривые, .в соответствии с которыми следует снижать давление СО, в процессе обезуглероживающего отжига (пунктиры на чертеже) . Для этого в уравнения подставляются: значения 6 от О до 2 ч (опыт 4) и от О до

0,7 ч (опыт 8) через каждые 300 с.

Длительность обеэуглероживающего отжига (2 ч и 0,7 ч), как указывалось выбирают из расчета снижения содержания углерода до величин,. требуемых техническими условиями.

Начальное давление СО (при т: О) 2 в соответствии с уравнениями(5) и <6) в опытах 4 и 8 составляет 0,35-и

0 06 мм рт. ст. соответственно.

В дальнейшем в процессе обезуглероживающего отжига, давление СО снижают через каждые 5-10 мин. Изменение давления в ходе обезуглероживающей ста дии опытов 4 и 8 приведено на чертеже (сплошные линии1. В принципе воз65 можно и плавное ведение пРоцесса

981396 с помощью автоматического регулятора . давления.

После окончания первой стадии процесса подачу окислителя прекращают и образцы извлекаются иэ печи.

Затеи после химического анализа металла проводят вторую (деазотирующую) часть выдержки.

Проведение термической обработки по предлагаемому режиму обеспечивает на первой стадии отжига максимальную скорость обезуглероживания при удовлетворительной деазотации. Это. позволяет получить требуемое техническими условиями суммарное содержание углерода и азота (.» 0,015%), в то время, как по прототипу (опыты 1, 2, 5 и 6), при той же общей продолжительности процесса уровень концентрации этих элементов значительно вьые.

Для глубокого рафинирования образцов толщиной 8 мм до суммарного содержания углерода и азота 0,015% длительность изотермической выдержки должна быть увеличена на 4 ч, или на 25%. Стенка 8 мм выбрана для расчета как наиболее распространен10 ная в промышленной практике вакуумного отжига труб из нержавеющих сталей. С учетом неизменной длительности периЬдов нагрева и охлаждения в промышленной печи ОКБ-554АМ (24

15 и 36 ч соответственно) увеличение производительности составляет и 10%.

Термическая обработка деталей из нержавеющей стали и алюминия Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Карху Виктория Сергеевна, Данилко Валерия Андреевна

В статье рассмотрены основные этапы и особенности процесса термической обработки металлов (нержавеющей стали и алюминия ), которые чаще всего используют в качестве материалов корпусов современной техники.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Карху Виктория Сергеевна, Данилко Валерия Андреевна

Текст научной работы на тему «Термическая обработка деталей из нержавеющей стали и алюминия»

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ

СТАЛИ И АЛЮМИНИЯ Карху Виктория Сергеевна, студентка (e-mail: vickt.carhu2011@yandex.ru) Данилко Валерия Андреевна, старший преподаватель (e-mail: danilko.v.a@rsreu.ru)

Рязанский государственный Радиотехнический университет, Россия

В статье рассмотрены основные этапы и особенности процесса термической обработки металлов (нержавеющей стали и алюминия), которые чаще всего используют в качестве материалов корпусов современной техники.

Ключевые слова: термическая обработка, сталь, алюминий, температура, отжиг, закалка, отпуск.

Сегодня мы живем в 21 веке, в котором человек уже не может представить свою жизнь без электронных приборов и устройств. При покупке товара он обращает внимание на технические параметры, а также на материал, из которого сделан корпус и детали оборудования. Все перечисленное обуславливает его выбор в пользу более качественной продукции.

Из множества видов материала изделий, представленного на рынке, покупатель обращает внимание чаще всего на такие металлы, как нержавеющая сталь и алюминий. Изготовление деталей из таких материалов включает в себя целый ряд операций, необходимых для изменения структуры и свойств металлов. В число таких операций входят отжиг, закалка, отпуск и другие (рисунок 1).

Приведем значение основных технологических процессов изготовления деталей из нержавеющей стали, представленных на рисунке 1:

Отжиг представляет собой термообработку, направленную на уменьшение прочности, твердости и повышение пластичности металлов. Температура отжига определяется его назначением и зависит от содержания углеродов стали.

Закалка — это термообработка, которая включает в себя нагрев сталей до температур выше критических, выдержку при данных температурах и резкое охлаждение с целью получения высокой прочности и твердости.

Отпуск — это дополнительная термообработка, которая предотвращает деталь при ударных нагрузках от быстрого разрушения.

Как уже упоминалось, отжиг проводится с целью понижения параметров твердости нержавеющего металла, благодаря чему он приобретает пластичность. Термообработка данным способом проводится в специальной печи с непременным соблюдением определенного температурного режима. По завершении процессов накаливания и выдержки продукцию оставляют в такой печи до ее полного остывания.

Для стали применяют рекристализационный отжиг и отжиг для снятия внутренних напряжений.

Рисунок 1 — Основные операции термической обработки

Рекристализационный отжиг осуществляют при температуре 680 0С в течение 4-12 часов. Его применяют для малоуглеродистых сталей, содержащих менее 0,25 % углерода.

Отжиг для снятия внутренних напряжений применяют для устранения дефектов, возникающих в процессе резки, сварки, шлифования и т.д. Снятие внутренних напряжений происходит в результате процессов возврата. Продолжительность от 2 до 12 часов и температура такого отжига зависит от вида напряжений, от размеров детали, химического состава стали.

Следующим этапом технологического процесса выступает закалка нержавеющей стали, которая предусматривает доведение материала до критического уровня нагрева. Конкретный температурный режим определяется составом материала и особенностями его дальнейшего использования. Различают объемную и поверхностную закалку. В первом случае нагревают и охлаждают всю деталь, во втором — её поверхность.

Охлаждение при закалке проводят в различных средах, в том числе вода, масло, водовоздушные смеси. От скорости охлаждения зависит структура стали после закалки. Поверхностную закалку применяют для изделий, у которых должна быть твердая поверхность и вязкая внутренняя часть, например, шестеренки, валы. При этом поверхностная закалка делится на несколько видов: закалка погружением; газопламенная закалка; закалка токами высокой частоты; лазерная закалка.

После осуществления закалки детали из нержавеющей стали подвергаются операции отпуска стали, которая производится в электропечах. Данный вид термообработки нержавеющей стали призван устранить и предотвратить различные дефекты данного металла. В

зависимости от температуры различают 3 вида отпуска: низкий (150оС -220 оС), средний (350оС — 450 оС), высокий (550оС — 650 оС).

Схожий технологический процесс термообработки имеют детали из алюминия. Он обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики и качество изделий в целом. К основным видам термической обработки алюминиевых сплавов относят: отжиг, закалка и старение.

Для алюминия применяют гомогенизирующий отжиг, рекристализационный отжиг, отжиг для снятия внутренних напряжений и полный отжиг.

Первому из указанных виду отжига подвергают слитки перед обработкой давлением для устранения дендритной ликвации, которая приводит к получению неоднородного твердого раствора и выделению по границам зерен между ветвями дендритов неравномерных включений CuAl2, Mg2Si, Al2CuMg, Al6CuMg4 и другие. В процессе гомогенизации состав кристаллитов твердого раствора выравнивается, а интерметаллиды растворяются. Вследствие этого пластичность литого сплава повышается, что позволяет увеличить степень обжатия при горячей обработке давлением, скорость прессования и уменьшить технологические отходы. Температура гомогенизации в пределах 450 — 520 °С, а выдержка от 4 до 40 часов.

В тоже время после полного отжига все алюминиевые сплавы получают состояние, которое является самым мягким, самым пластичным и наиболее благоприятным для пластической деформации.

При закалке алюминия происходит нагрев сплавов до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или большей частью растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до комнатной температуры для получения пересыщенного твердого раствора. Например, температура закалки сплавов системы Al-Си (рисунок 2) определится линией abc. При нагреве под закалку сплавов, содержащих до

5 % Си, избыточная фаза СиА12 полностью растворяется, и при последующем быстром охлаждении фиксируется только пересыщенный a-твердый раствор. Время выдержки при температуре закалки зависит от структурного состояния сплава, типа печи и толщины изделия. После закалки сплавы имеют сравнительно невысокую прочность и высокую пластичность.

0,5 5,1 W ZU SO Si 40 5QCut%

Рисунок 2 — Диаграмма состояния Al-Cu

После закалки следует старение, при котором сплав выдерживают при нормальной температуре несколько суток (естественное старение) или в течение 10-24 часов при повышенной температуре (искусственное старение). В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, что сопровождается упрочнением сплава.

Распад пересыщенного твердого раствора происходит в несколько стадий в зависимости от температуры и продолжительности старения.

Таким образом, наиболее распространенными металлами и сплавами, используемыми в промышленности, в настоящее время являются сталь и алюминий. Процесс термообработки данных металлов включает в себя отжиг, закалку, отпуск (старение). Выбор термообработки зависит от свойств и назначения сплава.

1 Как проводится термическая обработка нержавейки [Электронный ресурс] -Режим доступа: https://www.globus-stal.ru/articles/kak-provoditsya-termicheskaya-obrabotka-nerzhaveyki/.

2 Наука: Современные технологии обработки алюминия и его сплавов [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://stankoreport.ru/news/article_post/nauka-sovremennyye-tekhnologii-obrabotki-alyuminiya-i-yego-splavov.

3 Термическая обработка алюминиевых сплавов [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://weldworld.ru/theory/term-obrab/termicheskaya-obrabotka-alyuminievyh-splavov.html.

4 Смоляров Н.А. Основы технологии производства / Н. А. Смоляров. — Рязань, 2017. — 115 с.

Karkhu Victoria Sergeevna, student. Direction of preparation «Standardization and Metrology» (e-mail: vickt.carhu2011@yandex.ru, 89106287291).

Danilko Valeria Andreevna, senior Lecturer (e-mail: danilko.v.a@rsreu.ru).

Russia, Ryazan, Ryazan State Radio Engineering University, Department of Information-measuring and Biomedical Engineering.

The Heat Treating of stainless steel and aluminum parts

Abstract: The article considers the main stages and peculiarities of the process of heat treatment of metals (stainless steel and aluminum), which are most often used as materials of modern equipment.

Keywords: heat treatment, steel, aluminum, temperature, quenching, annealing, drawback.

Технология вакуумной термической обработки

До сих пор, на многих машиностроительных предприятиях, применяется классическая технология улучшения стальных изделий. Она представляет собой нагрев под закалку в окислительной или защитной атмосфере, охлаждение деталей в воде, масле или полимере и последующий отпуск в печах с окислительной атмосферой. На выходе получаются изделия с короблением поверхности до 0,2 мм. и чёрной пленкой, которая является результатом образования оксидов на металле. У таких деталей одна дорога — в цех механической доводки геометрии поверхностей. Избежать образования окислов на поверхности можно, используя защитные атмосферы эндо- и экзогаза, азота и др. Но коробление всегда будет являться обязательным атрибутом нагрева и закалки сталей.

Современные технологии позволяют значительно уменьшить изменения геометрических размеров поверхностей, используя более плавный нагрев деталей и используя в качестве закалочных сред более мягкие охладители. Это достигается при вакуумном нагреве с охлаждением в потоке газа.

Снижение давления до уровня ≤ 5 x 10 −5 атм., приводит к тому, что количество оставшегося кислорода в рабочем пространстве печи снижается и нагрев в такой атмосфере происходит без образования окислов на поверхности деталей. Более высокой чистоты термообработки можно достичь при подготовке поверхности деталей — предварительном обжиге, для максимального удаления влаги с поверхности, если такая имеется. Для этого детали пропускают через печь предварительного окисления с температурой около 600 о С, когда еще обезуглероживание не начинается. Как правило, такая печь предусмотрена в линии вакуумной термообработки. Она имеет еще одно назначение — обезуглероживание поверхности перед цементацией. По утверждению зарубежных коллег, предварительное обезуглероживание поверхности стали увеличивает скорость цементации на несколько десятков процентов.

В вакууме теплообмен осуществляется за счет излучения, так называемый радиационный нагрев. Но он происходит эффективно лишь тогда, когда излучение становится видимым, т.е. при температурах, превышающих 600 о С. При более низких температурах для ускорения нагрева используют специальный газ-заполнитель рабочего пространства печи, например азот. При использовании такого газа, время нагрева сокращается на треть.

Использование газовой атмосферы в низкотемпературном интервале нагрева (конвективный нагрев) повышает однородность прогрева изделий, соответственно позволяет снизить уровень термических напряжений, вызывающих коробление. Кроме сокращения времени нагрева и снижения коробления, преимуществом использования конвективного нагрева является возможность применение более плотной загрузки, т.е. повышение производительности.

Также газ-заполнитель может использоваться в качестве закалочной среды и среды для отпуска, т.е. все операции закалки (нагрев под закалку и закалка) могут производиться на одном и том же технологическом оборудовании — вакуумной печи.

Закалочные среды, используемые при вакуумной термообработке

В случае закалки, интенсивность охлаждения должна обеспечить требуемый уровень упрочнения с учётом легирования стали, размеров обрабатываемых изделий и их массой в загрузке. При этом коробления изделий должны быть минимальны.

Интенсивность охлаждения принято оценивать коэффициентом теплоотдачи α, имеющим размерность Вт/м 2 К (количество тепла, теряемых единицей площади поверхности, при снижении её температуры на один о К).

Коэффициенты теплоотдачи для разных закаливающих сред:

— Циркулирующий газ — 100-150 Вт/м 2 К

— Сжатый газ — до 1000 Вт/м 2 К

— Спокойное масло (80 о С) — 1000-1500 Вт/м 2 К

— Циркулирующее масло (80 о С) — 1800-2200 Вт/м 2 К

Возрастание коэффициента теплоотдачи, при использовании газа, может быть достигнуто за счёт увеличения давления охлаждающей среды. Конечно нужно понимать, что не все стали можно закалить газом. Вакуумное оборудование позволяет производить закалку как в потоке газа, так и в масле. При выборе охлаждающей среды следует учитывать взаимное расположение с-кривой стали и скорости охлаждения среды. Из-за того, что производители вакуумного термического оборудования не работают с водяными закалочными баками, все низкоуглеродистые стали, к сожалению, остаются «за бортом» высоких технологий вакуумной закалки. Конечно их можно упрочнить частичной закалкой в масле, но присутствие перлитных составляющих в структуре мартенсита не вызывает доверия к долговечной работе этих деталей.

Наиболее дешевой охлаждающей средой для вакуумной закалки является азот. Для проведения качественных процессов нагрева и закалки необходимо использовать азот повышенной чистоты. При циркуляции в рабочем пространстве со скоростью 60-80 м/с коэффициент теплоотдачи будет составлять примерно 350-450 Вт/м 2 K. Более высокий коэффициент теплоотдачи имеет гелий, но он имеет более высокую стоимость. Все применяемые при вакуумной закалке среды, можно расположить по мере возрастания охлаждающей способности следующим образом:

азот (1 атм) — азот (10 атм) — гелий (10 атм) — гелий (20 атм) — масло

Охлаждающая способность сжатых гелия и азота приближается к охлаждающей способности масла. Недостатком гелия является его высокая стоимость. Данная проблема решается использованием рациональных схем введения гелия в печь, в том числе предусматривающих многократное использование одних и тех же порций газа.

Подведем итог. Преимущества вакуумной термообработки на лицо: отсутствие окисления и обезуглероживания, снижение степени коробления деталей (даже при закалке в масле), высокая гибкость оборудования, увеличение производительности процесса, высокая экологичность и безопасность процессов, повышение культуры термических производств.