М е т а л д ы т е р м и я л ы қ ө ң д е у әдістері

Тақырып. Болат пен шойынның термиялық өңдеуінің технологиялық процессі

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.

Металдың қыздыру температурасы мен суыну жылдамдығын өзгерту арқылы оның структуралық өзгеріс жылдамдығын арттыруға немесе кемітуге болады. 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 рекристалдандыру (қайта кристалдандыру) температурасынан (tрек=0,4Тs) жоғары температураға дейін қыздырып,сол температурада белгілі уақыт ұстап тұрып суытуды бірінші реттік күйдіру (отжиг 1-го рода) немесе рекристалдандыру (қайта кристалдандыру) деп атайды.Термиялық өңдеудің бұл түрі суық күйде өңделген (штамптау,созу,соғу т.б) детальдарды жұмсарту үшін қолданылады.

2.Металды фазалық өзгерту температурасынан (кризистік нүкте) жоғары температураға дейін қыздырып,сол температурада белгілі уақыт ұстап тұрып суытуды екінші реттік күйдіру (отжиг 2-го рода) немесе металдың физикалық қайта кристалдануы деп атайды.Термиялық өңдеудің бұл түріне қойылатын негізгі шарт өнделетін металдың фазалық өзгерісі немесе кризистік нүктеден жоғары температураға дейін қыздыру болуға тиіс.

3.Металды физикалық өзгерту температурасынан жоғары температураға дейін қыздырып, сол температурада белгілі уақыт ұстап тұрғаннан кейін үлкен жылдамдықпен суытуды шынықтыру (закалка) дейді. Шынықтыру екінші реттік күйдіру сияқты, айырмасы тек онық фазалық өзгеріс нүктелері бар металдарға ғана қолданылатындығанда. Шынықтырған метал теңсіздік (тұрақсыз) күйге келеді. Болат, шойын, дюралюминий, қола сияқты қорытпаларды шынықтыру арқылы олардың беріктік, қаттылық, үйкеліске беріктік қасиетерін жоғарылатуға болады.

4. Металды фазалық өзгерту температурасынан төмен температураға дейін қыздырып, сол температурада біраз уақыт ұстап тұрғаннан кейін баяу жылдамдықпен (әдетте ауада) суытуды жұмсарту (отпуск) дейді.

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

Металды теңсіздік күйден тепе-теңдік күйге өткізетін процесстер қалыпты температурада да жүруі мүмкін. Металдың өздігінен жұмсаруы оның табиғи ескеруі (естественное старение), ал оның төменгі температураларда (100⁰ – 150⁰ С) жұмсаруы жасанды ескеруі (искусственное старение) 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, азоттау, циандау, алитерлеу деген т.б. түрлері қолданылады.

М е т а л д ы т е р м и я л ы қ ө ң д е у әдістері

Термиялық өңдеудің кез келген түрі болатты белгілі температураға дейін қыздыруды қажет етеді.Болат мұнай немесе газбен жағылатын жалынды пештерде,кедергілі электр пешінеде,балқытылған қорғасын немесе тұз құйылған астауларда қыздырылады.Соңғы кезде металдарды қыздыру үшін жоғарғы жиілікті айнымалы токты пайдаланып жүр.Термиялық өңдеудің жұмыс өнімділігі қыздырғыш пештердің қыздыру жылдамдығына байланысты.Қыздыру жылдамдығы жоғары пештерге жататындар:индукциялы пештер,қорғасын астауы,тұз астауы,газ немесе мұнай пештері,ең соңында-кедергілі электр пештері.

Термиялық өңдеу мынадай түрлерге бөлінеді:

1)Күйдіру,2)Нормальдау,3)Шынықтыру (закалка),4)Жұмсарту (отпуск),5)Химия-термиялық өңдеу.

1. Күйдіру. Күйдірудің өзі мынадай алты түрге бөлінеді:а)рекристализациялық күйдіру (қайта кристалдау үшін), б)толық күйдіру, в)шала күйдіру, г)түйіршікті перлитке күйдіру, д)изотермиялық күйдіру, е)диффузиялық күйдіру.

А)Суық күйде өңделген (прокаттау,штамптау,созу т.б) детальдардың ішкі кернеулерін жою тұтқырлығы мен пластикалық қасиеттерін арттыру үшін оларды рекристалдық күйдіру (қайта кристалдау) арқылы өңдейді.Рекристалдық күйдіруде металды рекристалдау температурасынан (tрек) жоғары температураға дейін (650-700С) қыздырып,біраз уақыт сол температурада ұстағаннан кейін белгілі жылдамдықпен суытады.

Б)Толық күйдіру эвтектикаға дейінгі болаттарды толық өңдеу үшін қолданылады.Толық күйдіруде металды Ас3 (GS сызығы) температурадан 20-40С жоғары қыздырып, сол температурада белгілі уақыт ұстағаннан соң аз жылдамдықпен (әдетте пешпен бірге) суытады.Мұндай әдіспен өңделген металдың структурасы майдаланып,ішкі кернеуі жойылады және жұмсарып,механикалық өңделгіштік қасиеті артады.

В)Шала күйдіру арқылы өңдегенде металды Ас1 мен Ас3 -тің аралығындағы температураға дейін қыздырып,сол температурада біраз уақыт ұстаған соң аз жылдамдықпен суытады.Термиялық өңдеудің бұл түрінде қайта кристалдану процесі толық жүрмегендіктен,феррит (эвтектойдқа дейінгі болаттағы) пен цементит (эвтектойдтан кейінгі болаттар) өзгермейді.

Г)Түйіршікті перлитке күйдіруде болатты 750-780С –қа дейін қыздырып,сол температурада біраз уақыт ұстағаннан кейін баяу жылдамдықпен суытады.Термиялық өңдеудің бұл әдісі эвтектойдқа дейінгі және одан кейінгі болаттардың структурасын түйіршікті перлитке айналдыру,пластикалық қасиетін арттырып,қаттылығы мен беріктігін кеміту үшін қолданылады.Бұл әдіспен құрал-саймандар жасауға арналған болаттар өңделеді.

Д)Изотермиялық күйдіруде болатты Ас3 нүктесінен 20-40С жоғары қыздырғаннан соң,Аz1 нүктесінен 500-200С температураға дейін тез суытып,сол температура аралығында белгілі уақыт ұстап,белгілі жылдамдықпен суытады.Өңдеудің бұл түріне кететін уақыт толық күйдіруге қарағанда әлде қайда аз.

Е)Диффузиялық күйдіруде болатты Ас3 немесе Асm нүктелерінен 30-50С жоғарғы температураға дейін қыздырып,сол температурада ұзақ уақыт (10-даған сағат) ұстап,800-850С-қа дейін пешпен бірге, сонан соң ауада суытады.

2.Н о р м а л ь д а у. Металды 30-50С жоғарғы температураға дейін қыздырып, сол температурада белгілі уақыт ұстағаннан кейін ауада суыту арқылы өңдеуді нормальдау дейді.

Қыздырған кезде болаттың структурасы аустенитке айналып,суынғанда,күйдіргендегі сияқты,оның структурасындағы көміртегінің мөлшеріне байланысты феррит-перлитке немесе перлит-цементитке айналады.

Нормальдау процесінде болаттың суыну температурасының дәрежесі жоғары болғандықтан жоғары дисперсиялы перлит түзіліп, эвтектоид ерітіндісіндегі перлиттің мөлшері артады.Сондықтан нормальданған болаттың күйдірілген болатқа қарағанда қаттылығы мен беріктігі жоғары болады.Нормальдау болаттың тығыздығы мен ішкі кернеуін жою үшін,орташа мөлшерлі көміртекті болаттардың механикалық қасиеттерін арттыру және болатты одан да әрі өңдеуге (термиялық өңдеу,штамптау,механикалық өңдеу т.б) дайындау үшін қолданылады.

3.Ш ы н ы қ т ы р у (суару).Металды кризистік нүктеден 30-50С жоғары қыздырып,сол температурада біраз уақыт ұстағаннан кейін үлкен жылдамдықпен суытуды шынықтыру дейді.Осының нәтижесінде болаттың структурасы мартенситке айналып,қаттылық,беріктік,үйкеліске беріктік қасиеті артады.

Шынықтыру толық шынықтыру және шала шынықтыру болып екіге бөлінеді.Қыздыру температурасы болаттың құрамындағы көміртегінің мөлшеріне байланысты болады.Эвтектоидқа дейінгі болаттардың структурасы феррит пен перлиттен тұрады.Осы болатты Ас3 нүктесінен жоғары температураға дейін қыздырсақ,оның структурасы аустенитке,ал кризистік жылдамдықпен суытсақ-мартенситке айналады.Металды термиялық жолмен осылайша өңдеу әдісін толық шынықтыру деп атайды.

Егер болатты төмен температураға дейін қыздырсақ, структурасы аустенит пен ферритке, ал суытсақ – аустенит мертенситке айналып, феррит өзгермей қалады. Сондықтан мұндай шынықтырудан кейін болаттың структурасы мартенсит пен ферритке айналады, ал металды мұндай жөндеумен өңдеуді шала шынықтыру дейді. Структурасында феррит болғандықтан, шала шыныққан болаттың қаттылығы мен беріктігі төмен болады. Эвтектоидтан кейінгі болаттарды шынықтыру үшін Ас1 нүктесінен 30-50С жоғарғы температураға дейін қыздырып, белгілі жылдамдықпен суытады. Болатты шынықтыру процесін дұрыс жүргізу шынықтыру ортасын дұрыс таңдап алу және мертенситтің өзгеру температурасынан жоғары температурада аустениттің ыдырауына жол бермеуге байланысты болады. Сондықтан суыту ортасының әр түрлі температура аралықтарында суыту жылдамдығы әр түрлі болуы керек.

Термиялық өңдеуде суытқыш орта ретінде су, ауа, майлар және тұздар ерітіндісі пайдаланылады. Көміртегі болаттардың кризистік суыну жылдамдығы жоғары болғандықтан, аустениттің тұрақсыз күйіне сәйкес, температура ралығында оларды үлкен жылдамдықпен суыту үшін суытқыш орта ретінде су қолданылады. Суда шынықтырылған болаттың кемшілігі оның майысатындығында. Осы кемшіліктерге жол бермеу үшін болатты суыту жылдамдығы әр түрлі ортада суытад.

Шынықтыру әдісі мынадай түрлерге бөлінеді: бір суытқыш ортада шынықтыру, үзілісті шынықтыру, сатылы шынықтыру, изотермиялық шынықтыру, жергілікті шынықтыру.

Бір суытқыш ортада шынықтыру термиялық өңдеудің басқа түрлеріне қарағанда техникада жиі қолданылады. Термиялық өңдеудің бұл түрінде болат белгілі температураға дейіін қыздырылып, сол температурада біраз уақыт ұсталғаннан соң, белгілі ортада(су, май) кризистік жылдамдықтан жоғары жылдамдықпен суытылады. Көміртегі болаттар суда, легірленген болаттар мен диаметрі 5-8 миллиметрден жоғары көміртекті болаттар майда шынықтырылады.

Металды бірден әр түрлі суыту орталарында шынықтыру арқылы өңдеуді үзілісті шынықтыру деп атайды. Шынықтыру температурасына дейін қыздырылған болатты аустениттің тұрақсыз күйіне сәйкес температура интервалынан тез өткізу үшін мертенситті өзгеріс температурасынан жоғары температураға дейін суда суытып, одан кейін қалыпты температураға дейін майда суытады. Майдың суыту жылдамдығы төмен болғандықтан, болаттың температурасы мартенситтің өзгеріс температурасы аралығынан баяу өтеді.

Сатылы шынықтыруда шынықтыру температурасына дейін қыздырылған болат мартенситтің өзгеріс температурасынан шамалы жоғары температураға дейін қыздырылған ортаға салынып, біраз уақыт ұсталғаннан соң, ауда баяу жылдамдықпен суытылады. Соының нәтижесінде болаттың структурасы аустенит мартенситке айналады.

Изотермиялық шынықтыру сатылы шынықтыруға ұқсас, айырмасы тек мынада ғана: аустенит цементит-феррит қоспасына (сорбит,тростит) немесе ине тәрізді троститке (бейнитке) айналу үшін болатты қыздырған ортада, аустениттің изотермиялық өзгеріс температурасынан төменгі температура аралығында суытады.

Изотермиялық шынықтыру 250-400С температурада жүреді. Изотермиялық әдіспен шынықтырылған болаттың механикалық қасиеті оның структурасына байлансыты. Мұндай болаттың деформация болу, сызаттар түсу, майысу сияқты кемшіліктері болмайды. Өздігінен жұмсарту арқылы шынықтыруда шынықтыру температурасына дейін қыздырылған болат белгілі суыту ортасында шамалы суытылғаннан соң одан алынып, ауада суытылады. Осы кезде металдың ішкі жағындағы жылу оның шыныққан сыртқы бетін қыздырып, жұмсартады. Термиялық өңдеудің бұл әдісі құрал-саймандарда шынықтыруда қолданылады.

Жергілікті шынықтыру металдардың белгілі бөліктерін өңдеу үшін қолданылады. Термиялық өңдеудің бұл әдісінде болаттың балқытылған қорғасында немесе жоғары жиілікті индукциялы пештерде қыздырады