Материалдарды термиялық өңдеу. Шынықтыру және жұмсарту

Металдар мен металл қорытпаларының физика-химиялық қасиеттерін өзгерту үшін оларды термиялық әдіспен өңдейді. Термиялық өңдеудің кез келгені қыздыру, белгілі бір температурада ұстап тұру, суыту сияқты үш кезеңнен тұрады.

Материалдың кыздыру температурасы мен суыну жылдамдығын өзгерту арқылы оның құрылымдық өзгеріс жылдамдығын арттыруға немесе кемітуге болады.

Термиялық өңдеудің түрлері. А.А.Бочвардың еңбектері бойынша термиялық өңдеудің барлық түрі бес топқа бөлінеді:

1) Бірінші күйдіру;

2) Екінші күйдіру;

3) Шынықтыру;

4) Жұмсарту;

5) Химия-термиялық өңдеу.

1. Алдын-ала деформацияланған металды қайта кристалдандыру температурасынан (Т_қ=0,4Т_б) жоғары температураға дейін кыздырып, сол температурада белгілі ауқыт ұстап тұрып суытуды бірінші реттік күйдіру немесе қайта кристалдандыру деп атайды. Термиялық өңдеудің бұл түрі суық күйде өңделген детальдарды жұмсарту үшін қолданылады.

2. Металды фазалық өзгерту температурасынан жоғары температураға дейін кыздырып, сол температурада белгілі ауқыт ұстап тұрып суытуды екінші реттік күйдіру немесе металдың физикалық қайта кристалдануы деп атайды. Термиялық өңдеудің бұл түріне қойылатын негізгі шарт өңделетін металдың фазалық өзгересі немесе кризистік нүктеден жоғары температураға дейін кыздыру болуға тиіс.

3. Металды фазалық өзгерту температурасынан жоғары температураға дейін кыздырып, сол температурада белгілі ауқыт ұстап тұрғаннан кейін үлкен жылдамдықпен суытуды шынықтыру дейді. Шынықтыру екінші реттік күйдіру сияқты, айырмасы тек оның фазалық өзгеріс нүктелері бар металдарға ғана қолданылатындығында. Шынықтырған металл теңсіздік күйге келеді. Болат, шойын, дюралюминий, қола сияқты қорытпаларды шынықтыру арқылы олардың беріктік, қаттылық, үйкеліске беріктік қасиеттерін жоғарылатуға болады.

4. Металды фазалық өзгерту температурасынан төмен температураға дейін кыздырып, сол температурада біраз ауқыт ұстап тұрғаннан кейін баяу жылдамдықпен суытуды жұмсарту дейді.

Жұмсартылған металл теңсіздік күйден тепе-теңдік күйге өтіп, оның қаттылығы мен беріктігі төмендеп, пластикалық қасиеті жоғарылайды.

Металды теңсіздік күйден тепе-теңдік күйге өткізетін процестер қалыпты температурада да жүруі мүмкін. Металдың өздігінен жұмсартуы оның табиғи ескіруі, ал оның төменгі температураларда жұмсаруы жасанды ескіруі деп аталады.

5. Қалыпты немесе жоғары температурада, диффузия құбылысы арқылы металдың сыртқы қабатының химиялық құрамын өзгертуді химия-термиялық өңдеу деп атайды. Өндірісте термиялық өңдеудің бұл түрінің цементтеу, азаоттау, циандау, алитирлеу деген т.б. түрлері қолданылады.

Металды термиялық өңдеу теориясы. Болат халық шаруашылығының түрлі саласында конструкциялық материал ретінде, басқа материалдарға қарағанда, жиі қолданылады. Болаттың тамаша ерекшеліктерінің бірі – оның құрылымының температураға байланысты өзгеруі.

Болаттың қыздырған кездегі өзгерістерін қарастырып көрелік. Құрамында 0,83% көміртегі бар эвтектоидтық болаттың бастапқы құрылымы перлиттен тұрады. Осы болатты А_С1 (723⁰С) температураға дейін қыздырсақ, ол перлиттен аустенитке айналады: қыздыру температурасы неғұрлым жоғарылаған сайын перлиттің аустенитке айналу жылдамдығы арта түседі. А_С1 температурадан жоғары температурада a-Fe кристалдық торы g-Fe темір торына ауысу және көміртегінің темір торында еру процестері жүреді.

Енді болаттың суынған кездегі өзгерістерін қарастырып көрелік. Тағы да құрамында 0,83% көміртегі бар эвтектоидтық болатты алайық. А₁ температурадан жоғары температурадағы болат аустениттен тұрады. Егер сол болатты А₁ температураға дейін суытсақ, аустенит перлитке айналады. Бұл кезде g-Fe-дің a-Fe темірге айналу және g-Fe темірден көміртегінің екінші реттік цементит түрінде бөліну процестері жүреді. Цементит пен ферриттің қоспасы – перлит – түзіледі. Бұл өзгеріс бірден жүрмей, біраз уақыт өткен соң басталады.

Изотермиялық өзгеріс диаграммасы (40-сурет) тұрақты температурадан аустениттің перлитке айналу уақытының суыну температурасына байланысты екендігін көрсетеді.

 

40-сурет. Эвтектоидтық болаттағы аустениттің изотермиялық өзгеру диаграммасы

Диаграмма температура және уақыт координаталары бойынша сызылып, өзгеріс уақыты секундтан сағатқа дейін созылатындықтан, уақыт логарифмдік шкала бойынша санылады. Аустениттің изотермиялық өзгерістерінің нәтижесінде феррит-цементитті қоспа түзіледі. Өзгеріс температурасына байланысты бұл қоспаның дисперсиясы әр түрлі болғандықтан, оның механикалық қасиеттері де әр түрлі болады. Изотермиялық өзгеріс температурасы төмендеген сайын перлиттің дисперсиясы жоғарылайды.

650-700⁰С температура аралығында (изотермиялық ыдырау сызығының иілу нүктесінен жоғары участокта) алынған болаттың құрылымындағы ферри-цементит қоспасын (перлит) микроскоппен көруге болады.

650-700⁰С температура аралығында сорбит деп аталатын, қаттылығы HRC-30-қа тең, феррит-цементит қоспасы түзіледі. Сорбит құрылымындағы перлитті микроскоп арқылы күшті ұлғайтып көруге болады.

500-550⁰С температура аралығында тростит деп аталатын дисперсиялы, қаттылығы HRC-40-қа тең, феррит-цементит қоспасы түзіледі. Перлит, сорбит және троститтің табиғаты бір, барлығы да цементит пен ферриттің қоспасы болып табылады, олардың айырмашалығы тек құраушыларының дисперсиясында ғана болғандықтан олардың механикалық қасиеттері түрліше болып келеді. Изотермиялық ыдырау қисығының иілу нүктесінен төмен участоктарда болаттың құрылымы өрбуі шектелген ине тәрізді пластинкалар мен кристалдардан тұрады. Феррит пен цементтің ине тәрізді қоспасы бейнит немесе ине тәрізді тростит деп аталады. 550-350⁰С температура аралығында түзілген бейнит – жоғарғы бейнит, 350-250⁰С температура аралығында түзілген төменгі бейнит деп аталады.

Жоғарғы бейниттің қаттылығы HRC-45 өлш, микроскоппен қарағанда ол қауырсын тәрізді, ал төменгі бейниттің қаттылығы HRC-55 өлш, құрылымы ине тәрізді. Сонымен суыну жылдамдығы аз болса, дисперсиясы әр түрлі феррит-цементит қоспасы түзіледі, ал суыну жылдамдығы жоғары болса, аустенит ыдырамастан, мартенситке айналады. Аустенитті мартенсит өзгерісінің температурасына дейін жеткізетін ең аз суыну жылдамдығын ²шекті² шынықтыру жылдамдығы деп атайды. Кризистік шынықтыру жылдамдығын көрсететін сызық (v_k) аучстениттің изотермиялық өзгеріс сызығына жанама болады. Мартенсит деп көміртегінің a-Fe-дегі аса қаныққан ертіндісін атайды. Мартенсит тетрагональды тордан тұрады, қаттылығы HRC-65өлш.

Енді шыныққан болатты жұмсарту кезінде болаттың өзгерісті қарастырып көрелік.

Шынықтырылған болаттың құрылымы тетрагональдық аустенит пен мартенситтен тұратындығы белгілі. Бұл құраушылар тұрақсыз болғандықтан, қыздырғанда ауқытқа байланысты жүретін диффузиялық процестердің себебінен өзгеріп, ситема тұрақты күге келеді. Диффузиялық процестердің жылдамдығы температураға байланысты.

Шыныққан болатты 80-100⁰С-қа дейін қыздырғанда құрылымы өзгермейді, ішкі кедергілері азаяды, 100-200⁰С-та тетрагональдық мартенсит жұмсартылған мартенситке, 200-300⁰С-та қалдық аустенит жұмсартылған мартенситке айналады, 300-400⁰С-та болаттың ішкі кедергілері жойылып, қатты ертіндінің ыдырау процестері аяқталады. Сөйтіп, феррит пен цементиттің дисперсиялы қоспасы – тростит – түзіледі. Троститтің қаттылығы HRC=40-45. Шынықтырылған болаттың 400-650⁰С температура аралығындағы өзгерістер оның жұмсарту кезіндегі өзгерістері деп аталады, ал өзгеріс нәтижесінде түзілген цементит пен ферриттің қоспасы жұмсарту сорбитті деп аталады. Сорбит құрылымы жөніне троститке ұқсас, бірақ сорбиттегі цементит түйіршіктері, троститтікіне қарағанда, ірі болып келеді. Сорбиттің қаттылығы HRC=30-40. Шынықтырылған болатты 700⁰С-тен жоғары температурада жұмсарту цементит түйірлерінің іріленуінен перлиттің түзілуіне әкеліп соғады. Перлит шлифтісін 100 есе ұлғайтып қарағанда оның құрылымы жақсы көрінеді. Қаттылығы HRC=20, пластикалық қасиеті жоғары.

Шынықтыру. Шынықтыру кезіндегі жағдайлардың көпшілігінде қаттылығы өте жоғары болатын құрылым, яғни мартенсит шығарып алғын дұрыс. Қаттылықтары тең болған кезде мартенситті жұмсартудан алынған құрылымның механикалық қасиеттерінің комплексі, аустениттің ыдырау нәтижесінде алынған құрылымдардың механикалық қасиеттерінің комплексінен жақсырақ болады.

Шынықтыру кезiндегi қыздыру температурасы. Күйдіру шарттары бойынша шынықтыру толық шынықтыру және шала шынықтыруға ажыраты iсi қабылданған. Толық шынықтыру кезiнде болатты бiр фазалық аустениттiк күйге көшiредi, яғни оны А _С3 немесе А _ст кризистiк температурасынан жоғары қыздырады, ал шала шынықтыруу кезiнде болат кризистiк аралық – А _С1 және А _С3 (А _ст) арасындағы – температураларға дейiн қыздырылады.

 

41-сурет. Эвтектоидтыққа дейінгі, эвтектоидтықтан кейінгі және жоғары

легірленген ледебуриттік болаттврды шыңдау үшін кыздырудың

үйлесімді температурасы

 

Эвтектодитыққа дейiнгi болат толық шыңдалады, мұнда үйлесiмдi қыздыру температурасы А _С3+30-50⁰С температурасы болып табылады.

Мұндай температура қыздырғанда ұсақ кристалды аустениттi, ал суынғаннан кейiн соған сәйкес келетiн ұсақ кристалды мартенситтi шығарып алуды қамтамасыз етедi. А _С3 температурасына дейiн жеткiзбей қыздырғанда кристалдардың құрылымында эвтектоидтыққа дейiнгi феррит сақталады, яғни құрылым тiкелей шыңдалғаннан кейiн де, сондай-ақ жұмсакртылғаннан кейiн де бiр тектi болып шықпайды.

Эвтектоидтан кейiнгi болаттар шала шынықтыруға ұшырайды. Көмiртектi және аз легiрленген болаттарды қыздырудың үйлесiмдi температурасы – А _С1+30-50⁰С температурасы.

Шыңдалғаннан кейiн эвтектоидтықтан кейiнгi болат мартенсит пен цементиттен тұратын құрылымға ие болады. Цементиттiң кристалдары мартенситтiкiнен қаттырақ келедi, сондықтан шала шыңдалғанда эвтектоидтықтан кейiнгi болаттың қаттылығы, толық шыңдалғандағыдан гөрi, өте жоғары болады. Өйткенi болат алдын-ала сфероитаушы жасытылудан өтетiндiктен, дөңгелек формалы артық карбидтер тұтқырлықты төмендетпейдi.

Егер ең жоғары қызуға берiктiкке қол жеткiзу қажет болса, ледебуриттiк кластын жоғары легiрленген аспаптық болаттарын (келесi сурет) шынықтыру кезiнде эвтектикалыққа жақын келетiн өте жоғары температураға дейiн (1 аймақ) қыздырады. Бұл аустенитте барлық туынды (екiншi реттiк) карбидтердi ерiту мақсатымен жасалынады. Сонда аустенит тек қана көмiртекпен емес, сонымен қатар арнаулы карбидтерде болатын легiрлеушi элементтемен де байытылады, бұл жоғары легiрленген, сондықтан қызуға берiк мартенсит шығарып алуды қамтамасыз етедi. Мұндай жоғары температуралық шынықтыру көбiнесе «екiншi реттiк қаттылық» үшiн шынықтыру деп аталады, өйткенi «қаттылық – жұмсарты температурасы» қисық сызығында екiншi реттiк қаттылықтың шырқау биiгi пайда болады.

Егер жоғары легiрленген аспаптық болаттар қызуға берiк болат ретiнде емес, тек тозыға төзiмдi болат ретiнде ғана пайдаланылатын болса, онда екiншi реттiк карбидтердiң бiраз мөлшерiн ерiмеген күйiнде сақта отырып, шынықтыр температурасын төмендетедi (суреттегi 2 аймақ). «Бiрiншi реттiк қаттылық» үшiн осылай етiп шыңдалғанда қызу температурасы әлi де айтарлықтай жоғары болады (900-1000⁰С), бұл – легiрлеушi элементтердiң болаттың кризистiк температурасына тигiзетiн әсерi мен қатты ерiтiндiдегi легiрлеушi элементтер диффузиясы жылдамдығының аздығына байланысты болады.

Суретте эвтектоидтыққа дейiнгi, эвтектоидтан кейiнгi және ледебуритты болаттардың үйлесiмдi шынықтыру температурасы күй диаграммасына түсiрiлген. Жоғары легiрленген болаттар үшiн жалған бинарлы күй диаграммасы пайдаланылған.

Шынықтыру кезiндегi суыту. Мартенситтiк құрылым шығарып алу үшiн аустениттi мартенситтiк түрлену температурасына дейiн суыту қажет, демек суыту жылдамдығы V _кр – кризистiк жылдамдықтан асып түсуге тиiс.

Ең жоғары V _кр жылдамдық (1400-400⁰С/с) көмiртектi болаттарда болады. Осындай болаттардың аустениттiн мартенситтiк түрлену температурасына дейiн аса суыту үшiн тым шұғыл суытуды қолдану қажет, мұндай суытуға батыру арқылы қол жеткiзуге болады. Көптеген легiрленген болаттар суық немесе қыздырылған маймен суытулғанда маретнситтiк құрылымға ие болады, ал жоғары легiрленген болаттар тiптi ауада суытулғанның өзiнде де мартенситке шыңдалады.

Шынықтыру операциясы, бөлме температурасындағы сұйық ортаға (суға немесе майға) шыңдалатын бұйымды батыру арқылы оңай жүзеге асырылады. Алайда кейбір жағдайларда бұйымның деформациясын (қақырауын) азайту және жарықшақтардың пайда болуын болдыомау үшін суыту шартын күрделендіреді.

Қақырау және шытынау шынықтыру кезінде пайда болатын біраз қалдық кернеулердің әсерінен болады. Кернеудің негізгі қайнар көзі – аустениттің мартенситке түрлену кезіндегі көлемнің артуы. Мартенситтік түрленудің температуралық интервалындағы болаттардың серпімділігі айтарлықтай зор болады, сондықтан да көлемдік өзгерістер салдарынан пайда болатын кернеулер төменгі жылдамдықта релакцияланады. Біраз макроскопиялық кернеулер болаттың қимасы бойынша түрленудің бір мезгілде болмауы салдарынан және шыңдалатын бұйымның формасы күрделі болған жағдайда пайда болады. Болаттың қимасы бойынша түрленуі бір мезгілі болғанда және М _б - М _с температурасы интервалындағы суыну жылдамдығы төмендегенде қалдық кернеулер кемиді.

Болаттарды термиялық өңдеу практикасында қалдық кернеулердің шамасын едәуір азайтуға мүмкіндік беретін мынадай суыту әдістері кең түрде пайдаланылатын болды: екі ортада шыңдау және сатылап шыңдау.

Екі ортада шынықтыру. Изотермиялық түрлену диаграммасымен салыстырғандағы өңделу схемасы көрсетілген.

Шынықтыру үшін қыздырғаннан кейінгі бұйым белгілі бір уақытқа суға батырылады, осының нәтижесінде аустениттің ең аз тұрақтылығының температуралық аймағында тез суынуына қол жетеді, сонан кейін бұйым өте жұмсақ суынатын ортаға, әдетте майға көшіріледі. Суытудың бұл әдісі бұйымның суда болатын уақытының дәл есебін талап етеді, сондықтан белгілі бір типтес көптеген бұйымды өңдеген жағдайда жақсы әтиже береді.

Сатылап шынықтыру. Сатылап шыңдаған кезде шынықтыру темпратурасына дейін қыздырылған бұйымды ұйық ортаға көшіреді, мұндай ортаның температурасы шыңдалатын болаттың М _б мартенситтік нүктесінен 50-100⁰С жоғары болады, мұнан кейін бұймды қимасы бойынша температурасын теңестіруге қажетті шамалы уақыт өткенше ұстап тұрады, сонан соң оны тынық ауада біржолата суытады.

Изотермиялық шынықтыру. Кейбір жағдайларда төменгі бейниттің құрылымын шығарып алу қажет. Төменгі бейниттің құрылымы изотермиялық шынықтыру нәижесінде түзіледі. Изотермиялық шынықтыру кезінде шыңдау үшін қызыдырылған бұйым М _б мартенситтік нүктесінен 50-100⁰С жоғарырақ температурасы болатын, балқыған тұзы бар ваннаға көшірледі де, осындай температурада аустениттің бейнике түрленуі аяқталғанға дейінгі ұсталынады, сонан кейін оны ауада суытады. Изотермиялық шынықтыру, сатылап шыңдау сияқты, тек асқын суынған аустениті айтарлықтай тұрақты болатынболаттарға ғана қолданылады.

Жұмсарту. Жұмсартудың практикалық мақсаты әр түрлi болуы мүмкiн. Шынықтыру мен жұмсарту тек болаттың механикалық қасиетiн ғана емес, сонымен қатар олардың физикалық қасиеттерiн де елеулi түрде өзгертетiн болғандықтан, жұмсарты iсi осындай қасиеттердiң қандай да болмасын бiреуiнiң белгiлi бiр дәрежесiне жету үшiн жүргiзiлуi мүмкiн.

Көмiртектi және аз легiрленген болаттарды жұмсарту. Жұмсартуға қарсылық жасайтын жоғарылау кедергiсi (қызуға төзiмдiлiк) жоқ болаттарға қолданылатын жұмсартуды, қыздыру температурасына байланысты, төменгi температурада, орташа температурада және жоғары температурада жұмсарту де атайды.

Төменгi температурада жұмсарту шыңдалған болатты 120-250⁰С температураға дейiн қыздыру арқылы жүзеге асырылады. 120-250⁰ жұмсарту температурасында аспаптық болаттардың қаттылығы бiраз артады, ал құрамында көмiртектiң мөлшерi аз болатың болаттардың қаттылығы, шындалған күйдегiсiнен салыстырғанда, практика жүзiндеөзгермейдi. 200-250⁰С жұмсарту температурасында қаттылық бiраз төмендейдi, бiрақ жұмсарған мартенситке тән жоғары мәнi сақталады.

Төменгi температурада жұмсарту қолданылатын типтiк мысалдар: кескiш және өлшеуiш аспап, шариктi және роликтi подшипниктердiң деталдарды, цементтендiрiлген детальдар, аса берiк легiрленген конструкциялық болаттар, көмiртектi немесе аз легiрленген болаттардан жасалған тұрақты магниттер.

Орташа температурада жұмсарту шыңдалған болатты 350-450⁰С температураға дейiн қыздыру арқылы жүзеге асырылады. Осындай температураларда жұмсарту трооститi түзiледi, бұл шыңдалған болаттың қаттылығын елерлiктей төмендетуге әкеп соқтырады.

Орташа температурада жұмсарту қолданылатын типтiк мысалдыр: серiппе және рессорлар, суықтай деформациялауға арналған соққылық штамптық аспап.

Жоғары температурада жұмсарту шыңдалған болатты 500-650⁰ температураға дейiн, ал А _С1 температурасын арттыратын және жұмсартуға қарсылық жасайтын кедергiнi бiраз арттыратын, құрамында легiрлеушi элементтер болатын болаттарды өте жоғары температураға дейiн қыздыру арқала жүзеге асырылады. Осындай температураларда жұмсарту сорбит түзiледi. Бұл жағдайда шыңдалған күймен салыстырғанда, қаттылық пен берiктiк едәуiр төмендейдi, сонымен қатар пластикалық пен соққы тұтқырлығы артады.

Жоғары температурада жұмсарту қолданылатын типтiк мысалдар: термиялық бекемделуден кейiн 800-1200МПа берiктiк шегi болуға тиiстi машина деталдары (бiлiктер, осьтер, шатундар, iштен жанатын двигательдердiң клапандары, бекiткiш детальдар, аса iлгiштiк қабiлетi бар және шамалы жылдамдықта жұмыс атқаратын тiстi дөңгелектер, шпиндельдер және басқа да көптеген детальдар.

Машина детальдарын жасауға арналған мартенситке шыңдаудан және кейiннен сорбитке жоғары температурада жұмсартудан құралатын термиялық өңдеудiң төтенше кең түрде қолданылуы арнаулы терминнiң пайда болуына себепшң болды. Мұндай өңдеудi жақсарту деп атайды.