4.3. Термічна обробка кольорових металів

Кольорові метали здебільшого термічне обробляють для зручності роботи з ними.

Мідь відпалюють, нагріваючи її до температури 500 - 650 °С, і охолоджують у воді. Якщо м'яку мідь нагріти, а потім поступово охолодити на повітрі, то вона твердішає.

Латунь і алюміній відпалюють при нагріванні відповідно до 600 - 750 °С і 350 - 410 °С з наступним охолодженням на повітрі.

Бронзу гартують нагріванням до 800 - 850 °С і охолодженням У воді. Якщо її нагріти до тієї ж температури і охолодити на повітрі, то вона відпускається.

ДюралюмінійД1 і Д6 гартують нагріванням до 490 - 500 °С і охолодженням у воді. Проте твердне він (старіє) при кімнатній температурі не зразу, а через 4 - 5 днів. Відпалюють дюралюміній (для згинання під прямим кутом) при нагріванні до 350 - 400 °С з охолодженням на повітрі.

7. Види хіміко-термічної обробки деталей та їх основні характеристики.

4.4. Хіміко-термічна обробка сталі

Хіміко-термічною обробкою називають насичення поверхні виробу різними елементами. Мета хіміко-термічної обробки - надати поверхневому шару стальних деталей підвищеної твердості, зносостійкості, жаростійкості, корозійної стійкості та ін. Для цього нагріті деталі поміщають у середовище, з якого в процесі дифузії у поверхневий шар переходять деякі елементи (вуглець, азот, алюміній, хром, кремній, бор та ін.).

Такі елементи найкраще поглинаються тоді, коли вони виділяються в атомарному стані при розпаді якої-небудь сполуки. Подібний розпад найлегше відбувається у газах, тому їх і намагаються застосовувати для хіміко-термічної обробки сталі. Активізований атом елемента, що виділяється при розпаді, проникає у решітку кристалів сталі і утворює твердий розчин або хімічну сполуку. Найпоширенішими видами хіміко-термічної обробки сталі є: цементація, азотування, ціанування, дифузійна металізація.

Цементацією називається насичення поверхні стального виробу вуглецем. Після загартування такого виробу він стає твердим на поверхні і в'язким у серцевині. Цементації піддають в основному деталі, які працюють на стирання і удар одночасно. Цементація придатна для маловуглецевих сталей. Є два види цементації: цементація твердим карбюризатором і газова цементація.

Азотування - це насичення поверхневого шару виробу азотом, щоб надати йому високої твердості, підвищити зносостійкість та опір агресивним середовищем. Азотують леговану сталь, що містить алюміній, титан, ванадій, вольфрам, молібден або хром. Такі елементи, при взаємодії з азотом, утворюють тверді, стійкі в агресивних середовищах нітриди (TіN і т.п.).

Ціанування - насичення поверхневого шару виробів одночасно вуглецем і азотом. Воно буває рідинне і газове, низькотемпературне (773-973 ⁰К), високотемпературне (1073-1123 ⁰К). Ціанування в основному застосовують для обробки інструментів із швидкорізальної сталі, підвищується твердість і корозійна стійкість.

Дифузійна металізація - насичення поверхневого шару виробу різними металами. Найбільш поширені: алютування (насичення алюмінієм); хромування (насичення хромом); нікелювання (насичення нікелем); силіціювання (насичення кремнієм). Дифузійна металізація проводиться для підвищення твердості, корозійної стійкості, жаростійкості, блиску і естетичного вигляду. Цей спосіб насичення поверхневого шару проводиться, у твердому стані.

Хіміко-термічна обробка сталі змінює не лише структуру металу, а й хімічний склад його поверхневого шару. Завдяки цьому деталь може мати в'язку серцевину, яка витримує ударні навантаження, і високу твердість та стійкість проти спрацювання зовні. Існує кілька способів хіміко-термічної обробки, але в умовах невеликої майстерні можна виконати тільки цементацію.

Цементація - насичення вуглецем поверхневого шару сталі без доступу повітря в середовищі (карбюризаторі), яке має значний вміст вуглецю.

Цементують, звичайно, деталі з маловуглецевих сталей, які після загартування вуглецевого шару шліфують.

Карбюризатори для цементації можуть мати різний склад, але найпростіший такий, %:

· вуглекислий натрій або вуглекислий барій (для відповідальних деталей) 10

· вуглекислий кальцій 3

· деревне вугілля 87

8. Основні фізико-механічні властивості металів. Методи контролю параметрів.

Фізико-механічні властивості металів і сплавів

Фізико-механічні властивості

Колір. За кольором відрізняються від інших металів лише мідь (рожево-червона) або золото (жовте). Срібло має характерний білий світ; алюміній, магній, платина, олово, кадмій, ртуть - синювато-білий, залізо, свинець, миш'як і - сіруватий. У сильно подрібненому стані метали мають сірий. Коричневий або чорний колір.

При перебуванні на протязі тривалого часу на повітрі більшість металів окислюється й темніє. Метали, не окисляються на повітрі (срібло, золото і метали платинової груп), і метали, у яких утворюється на поверхні найтонший захисний шар окису (алюміній та ін), не змінюють свого кольору і блиску протягом тривалого часу.

Питома вага. Питомою вагою металів називається вага 1 см3 речовини, виражений в грамах.

Окрім невеликої групи легких металів (алюміній, магній) мають питому вагу менше 3, більшість металів має значну питому вагу (табл.1) окремо.

Завдяки великій питомій вазі платина (21,4) і золото (19,32), що зустрічаються в самородному вигляді, видобуваються шляхом відмивання від супроводжуючих їх порівняно легких частинок піску, глини і т.п.

Мала питома вага алюмінію і магнію має виключно важливе значення при будівництві літаків, і тому легкі сплави цих металів особливо ретельно вивчають.

У ливарній справі велика різниця металів іноді викликає труднощі при отриманні однорідних сплавів. При сплаві металів, сильно розрізняються за питомою вагою, більш легкий метал може спливати. Таке явище відбувається, наприклад, при виготовленні свинцевої бронзи, що містить 60% Pb і 40% Cu.

Температура плавлення. Температура, при якій нагрівається метал переходить з твердого стану в стан рідке, називається температурою плавлення (див. табл. 1).

Необхідно враховувати зміну температури плавлення сплаву при введенні в нього нових складових частин. Температура плавлення платини 1773 oC, і в окислювальному, світлому, некоптящем полум'я платиновий тигель легко витримує температуру полум'я. У коптить відновному полум'я (при неповному горінні), незважаючи на більш низьку температуру полум'я, платина тигля, вступивши в сполуку з надлишком незгорілого вуглецю, може утворити більш легкоплавку і тендітну вуглецеву платину, і тигель зіпсується. Чисте залізо разом з вуглецем дає порівняно легкоплавкий чавун з температурою плавлення приблизно 1130 oC. може вийти і зворотне явище, наприклад при сплаву алюмінію і 30% Ni. Раніше вважали обов'язковим починати плавку завжди з розплавлення цього найбільш тугоплавкого металу, але в даному випадку цього робити не можна. Якщо почати з розплавлення нікелю (температура його плавлення 1454oC) і в нього вводити поступово більше легкоплавкий алюміній (температура плавлення 660 oC), то його сплав затвердіє.

При вмісті 68,5% Ni і 31,5% Al утворюється хімічна сполука AlNiс температурою плавлення близько 1620 oC. тому при сплаву металів, які можуть дати хімічні сполуки з температурою плавлення вище температури плавлення вихідних компонентів, необхідно керуватися діаграмою стану, що вказує, як змінюється температура плавлення сплаву при поступовому зміні його складу, і вести плавку відповідним чином.

Питома теплоємність. Кількість тепла у великих калоріях (кілокалорії - ккал), необхідно для підвищення температури 1 кг металу на 1 oC, називається теплоємністю металу і позначається літерою С.

Теплоємність дещо змінюється з температурою. У таблицях наводитися зазвичай середня температура, наприклад, від 0 до 100 oC (див. табл. 1)

Прихована теплота плавлення. Щоб розплавити тверда речовина, тобто перевести його в рідкий стан, потрібно не тільки нагріти його до температури плавлення, але ще затратити додаткову теплову енергію, яка не підвищує температури розплавляється тіла, а йде на руйнування кристалічної структури. Поки тверде речовина не перейде все цілком у рідкий стан, температура не буде підвищуватися вище температури джерела теплової енергії. Підвищена потужність джерела тепла може лише прискорити розплавлення, але температура плавкого речовини буде залишатися постійної, поки не відбудеться повне розплавлення.

Кількість тепла, що йде на підвищення 1 кг твердого речовини при температурі його плавлення в рідкий стан при тій же температурі, називається схованою теплотою плавлення і виражається у великих калоріях.

Теплопровідність. Властивість металу проводити тепло називається теплопровідністю теплопровідність характеризується коефіцієнтом теплопровідності, що показує, скільки калорій тепла може пройти в одиницю часу крізь 1 см oC речовини при різниці температур на двох протилежних гранях кубика в 1 oC, і позначається літерою λ.

Теплопровідність алюмінію в п'ять разів більше теплопровідності чавуну, і тому алюмінієві сплави часто замінюють чавун при виготовленні поршнів двигунів внутрішнього згоряння. Крім того, поршень з алюмінієвого сплаву будучи легше чавунного приблизно в три рази, полегшить ве конструкції. Метали з великою теплопровідністю в той же час є кращими провідниками електрики.

Електроопір. За одиницю електричного опору прийнято опір ртутного стовпа довжиною 106,3 см з поперечним перерізом 1 см 2C при 0 oC. Ця одиниця називається Омом (позначається Ω). Чим більше довжина провідника і чим менше поперечний переріз провідника, тим опорі його більше. При одній і тій же довжині і перерізі провідники з різних металів мають різний опір, що характеризується питомою опором. Питомий опір показує, який опір має провідник з даного металу довжиною 1 м і перетином 1 мм2C.

Для всіх металів характерне підвищення електроопору з підвищенням температури на відміну від неметалевих матеріалів, елетросопротівленіе яких при нагріванні зменшується.

Мідь і алюміній, володіючи самим малим електроопору з усіх металів (за винятком срібла), є основними металами для електропроводів.

Металами і сплавами з високим опором користуються, коли хочуть електричну енергію перетворити в теплову. Кількість теплоти, що виділяється в провіднику струмом певної сили, прямо пропорційно опору провідника. Сплавами для елементів звичайних нагрівальних приладів (електропечей, плит, чайників, прасок, електропаяльників) служать ніхром і ін Для нитки в лампах розжарювання застосовують вольфрам, який, не плавлячись, витримує температуру більше 2000 oC. Проте таку нитку модно нагрівати лише у вакуумі. Кисень повітря її окисляє

Термічний коефіцієнт лінійного розширення. Приріст довжини предмета на одиницю довжини при нагріванні його на 1 oC називається термічним коефіцієнтом лінійного розширення α.

Так як коефіцієнт α дуже малий, то в таблицях його значення зазвичай дається з коефіцієнтом 10-6C, тобто у мільйонних частках первісної довжини, зміненої при 0 oC. Властивість металів розширюватися при нагріванні та стискатися при охолодженні необхідно враховувати при виготовленні металевих споруд і деталей машин.

Коефіцієнт лінійного розширення може вважатися майже постійним при невеликих змінах температури. При сильному нагріванні він може значно змінювати свою величину. Є сплави, які мають особливо малою величиною α. Наприклад, сплав "інвар" (35% Fe і 35% Ni) має в межах від -10 до + 90 oC термічний коефіцієнт лінійного розширення α, близький до нуля, а проте при підвищенні температури вище 100 oC він швидко зростає.

При застиганні відлитих деталей, якщо тонкі частини охолоджуються і стискаються швидше, ніж товсті, можуть вийти тріщини там, де виникають шкідливі внутрішні напруги. Конструктор у уникнення тріщин повинен вміло підбирати розміри перерізів в литві.

Теплове розширення має велике значення і для зварних конструкцій, в яких теж виникає внутрішня напруга.

Особливо ретельно необхідно враховувати лінійне розширення металів при виробництві вимірювальних і прецизійних (точних) приладів, при виготовленні калібрів і деталей машин, що працюють при підвищеній температурі.

Поглинання газів. Багато металів та сплави мають властивість в рідкому стані поглинати і розчиняти гази, і тим сильніше, чим вище перегрітий рідкий метал. При охолодженні і при кристалізації розчинність газів знижується. Вони виділяються в товщині застигаючого металу і можуть утворювати велику кількість газових раковин та інших дефектів. Це викликає шлюб в наслідок недостатньої щільності і міцності лиття. Розчинений у металі кисень може давати хімічні сполуки з металом, теж знижують міцність металу.

Для видалення газів і розкислення рідких металів (наприклад, сталі) застосовують елементи, що володіють великим спорідненістю з киснем і азотом, напрмер металевий алюміній. Він з'єднується з киснем і з азотом, а які утворюються при жтом оксиди і нітриди алюмінію піднімається на поверхню розплавленого металу і переходять в шлак. Для розкислення міді і її сплавів часто застосовують фосфористую мідь - сплав з 12-14% Р, використовуючи велику спорідненість фосфору з киснем.

Особливе значення має ретельне розкислення мідних і інших сплавів успішної обробки їх тиском у гарячому або холодному вигляді (прокату, пресування, кування, штампування, волочіння тощо) і для зниження шлюбу. Однак надлишок розкислювача, переходячи в сплав в якості його компонентів може погіршити властивості сплаву.

Окисли розкислювача, що утворюються в результаті розкислення сплаву, повинні легко обділяє від нього, спливаючи у вигляді шлаку.

Цьому сприяє достатня різниця питомих ваг сплаву і продуктів розкислення його. Що залишається в сплаві після реакції розкислення невеликий надлишок розкислювача не повинен знижувати обратавиаемость і механічних якостей сплаву.

Як розкислювача не слід вживати дорогі, рідкісні речовини. Розкислювач повинен бути зручним для точної наважки при додаванні його в шихту.

Магнітні властивості. За магнітними властивостями всі метали поділяються на дві групи - діамагнітні і парамагнітні. При внесенні діамагнітного металу в магнітне поле воно зменшується, а при внесенні парамагнітного металу магнітне поле посилюється. До діамагнітним металам відноситься берилій, сурма, вісмут, мідь, золото, срібло, цинк, кадмій, ртуть та ін до парамагнітним металам алюміній, кальцій, барій, молібден, вольфрам і ін

Окремим випадком парамагнітних метало є феромагнітні метали - залізо, нікель, кобальт і рідкісний елемент - гадоліній.

Залізо, кобальт і нікель втрачають свої магнітні властивості при високих температурах (залізо при 759 oC, кобальт при 1110 oC і нікель при 350 oC).

Дифузія. Протікає у часі процес вирівнювання складу в газі, в рідині і навіть у твердому тілі шляхом взаємного проникнення їх часток називається дифузією. Оцинкування заліза та інші подібні операції з дифузією рідкого металу в твердий. Тверде речовина також може дифундувати в рідке - розчинятися у ньому. Це має важливе практичне значення і спостерігається, між іншим, при виготовленні сталі та інших сплавів, коли твердий метал розчиняється в рідкому металі або в сплаві.

Дифузією газу в твердий метал широко користуються в таких процесах, як азотування (нітрування), стали, коли аміак, що вводиться в піч, в яку покладено деталі, розкладається при нагріванні до 500-600 oC, а виділяється азот дифундує в тверду сталь, утворюючи на поверхні її дуже тверді нітриди. Тривалість часу нагрівання в аміаку і температура нагріву визначають глибину азотированного шару. Дифузія алюмінію в поверхню залізних, сталевих або чавунних виробів при температурі близько 900 oC ("алітування" виробів) викликає підвищення їх корозійної стійкості.

Твердість. Твердістю металу називається опір, який чиниться металом при вдавлюванні в нього твердих предметів. Найбільш поширеними методами визначення твердості є методи Брінелля і Роквелла.

Пружність. Пружністю металу називають властивість металу відновлювати свою початкову форму і розміри після припинення дії зовнішньої сили, що викликає його деформацію.

Брусок металу, підданий дії розтягуючого зусилля, подовжується. Якщо це зусилля не перевершує визначеної для даного матеріалу величини, брусок після зняття навантаження отримує свої початкові розміри. Величина цього зусилля називається межею пружності.

Якщо навантаження перейде за межі пружності, то після зняття навантаження форма бруска не відновлюється, і брусок залишиться подовженим; така деформація називається пластичної.

Міцність. Міцністю називається властивість металу чинити опір дії зовнішніх руйнуючих сил. Залежно від характеру цих зовнішніх сил розрізняють міцність на розтяг, на стиск, на вигин, на кручення і т.д. Умовне напруження, яке відповідає найбільшого навантаження, що передує руйнуванню зразка, називається межею міцності, визначаючи максимальне зусилля Р, яка може витримати зразок під час випробування, ділячи його на початкову площа поперечного перерізу зразка F oC.

В'язкість ударна. В'язкість характеризується опором удару.

Питома ударна в'язкість (опір удару) визначається кількістю роботи, необхідної для руйнування бруска за допомогою ударної згинального навантаження на так званому копрі Шарпі, поділеній на поперечний переріз зразка, і виражається у кгм / см 2C.