Раздел 1. Авиационные стали и сплавы. Тема 1.5. Обработка

Раздел 1. Авиационные стали и сплавы.
Тема 1.5. Обработка металлов.
План лекции:
1. Термическая обработка.
2. Поверхностное упрочнение.
Литература и источники информации:
[1] с. 127-156, 156-169
[2] с. 38-57, 57-69
1
Чтобы обеспечить металлическим изделиям нужные физико-механические характеристики
без вмешательства в их химический состав, выполняется термическая обработка. Металл
нагревают до высокой температуры, а затем выдерживают или охлаждают в жидкой (или иной)
среде. Заданные физико-механические свойства достигаются за счет изменения кристаллической
структуры. Благодаря термообработке можно продлить сроки эксплуатации металлических
изделий, уменьшить их габариты, массу, сделать их более выносливыми к напряжению. Такой
обработке подвергаются сталь, чугун и некоторые сплавы цветных металлов.
Термообработка значительно меняет механические свойства стали. Для некоторых целей
сталь нагревают, а после закаляют, быстро охлаждая. В горячем состоянии сталь весьма
пластична, что позволяет ей придать любую требуемую форму. Затем сталь закаливают, после
чего пластичность стали уменьшается, но увеличивается ее плотность.
В зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения различают следующие
основные виды термической обработки:
1. Закалка - нагрев металла (сплава) выше критической температуры (температуры
изменения типа кристаллической решетки, т.е. полиморфного превращения) с
последующим быстрым охлаждением. Закалка применяется для повышения твердости и
крепости металла (сплава). При закалке стали, вследствие разности температур ее
поверхностных и внутренних слоев во время быстрого охлаждения, в ней возникают
внутренние напряжения, что увеличивает хрупкость стали, способствует короблению
изделия и образованию в нем трещин. Поэтому после закалки стальные изделия
подвергаются отпуску (или старению после закалки без полиморфного превращения для
большинства цветных металлов).
2. Отпуск - нагрев закаленного металла (сплава) до температур ниже критической, выдержка
при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе). Отпуск является
окончательной термической обработкой. Целью отпуска является изменение строения и
свойств закаленной стали: повышение вязкости и пластичности, уменьшение твердости,
снижение внутренних напряжений. Закалку и отпуск деталей простой формы (валики,
оси, зубила, кернеры) часто делают за один раз. Нагретую до высокой температуры деталь
опускают на некоторое время в охлаждающую жидкость, затем вынимают. Отпуск
происходит за счет тепла, сохранившегося внутри детали.
3. Нормализация (термическое улучшение) - нагрев металла (сплава) на 30—50°C выше
критической точки, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе.
Нормализацию стали производят для уменьшения размера зерна, выросшего при
перегреве во время горячей механической обработки, цементации или сварки (явление
перекристаллизации). Во многих случаях нормализация стали
- операция,
подготовляющая структуру к последующей закалке.
4. Отжиг — нагрев металла (сплава) до определенной температуры, выдержка и медленное
охлаждение. В процессе горячей механической обработки (отливки, прокатки или ковки,
сварки) стальные заготовки охлаждаются неравномерно, что приводит к неоднородности
структуры и свойств, возникновению внутренних напряжений. Для устранения
различного рода структурных неоднородностей проводят отжиг, который уменьшает
твердость и восстанавливает вязкость и тягучесть стали и таким образом облегчает ее
дальнейшую механическую обработку. Отжиг производится также после холодной
механической обработки давлением (получение листов, лент, проволоки, труб и других
полуфабрикатов небольшой толщины и точных размеров; штамповка и загиб изделий
сложной конфигурации из листового металла), под влиянием которой метал сильно
упрочняется, что снижает его пластичность и сопротивление удару. Упрочнение металла
при холодной обработке называется наклепом, а сам металл — наклепанным или
нагартованным. При отжиге нагартованного металла одновременно с изменением
механических свойств изменяется и его структура: вместо первоначально вытянутых и
сплющенных зерен возникают новые мелкие зерна нормальной, округленной формы
(рекристаллизация).
Рис.1. Схема изменения структуры металла при холодной прокатке и последующем отжиге.
2
Поверхностное упрочнение металла необходимо в том случае, если изделие должно
обладать высокой вязкостью и прочностью в целом, но одновременно иметь твердую,
износоустойчивую поверхность. Это во многом справедливо для многих деталей авиационных
конструкций (валы, оси, шестерни), которые работают в условиях трения и вместе с тем
подвергаются воздействию знакопеременных или динамических нагружений.
Виды поверхностного упрочнения:
1. Поверхностная закалка по методу индукционного нагрева токами высокой частоты.
Вихревые токи концентрируются преимущественно в поверхностных слоях детали
(скин-эффект), вызывая ее поверхностный нагрев до температуры закалки. Последующее
резкое охлаждение дает изделию наружный закаленный слой.
2. Цементация — насыщение поверхностного слоя детали углеродом. Применяется для
малоуглеродистых сталей (не более 0,2% С), так как в сталях с большим содержанием
углерода нельзя получить сердцевину с нужной вязкостью. Цементируемые поверхности
деталей механически обрабатывают, оставляя лишь небольшой припуск на окончательное
шлифование. Поверхности, не подлежащие цементированию, гальванически покрывают
слоем меди, через который углерод не способен диффундировать.
3. Азотирование — насыщение поверхностного слоя детали азотом. При этом в структуре
стали образуются соединения металлов с азотом — нитриды, обладающие высокой
твердостью и теплостойкостью. Применяется для увеличения поверхностной твердости,
предела усталости, а в некоторых случаях и улучшения коррозионной стойкости.
Авиационные детали азотируют на глубину 0,1-0,5 мм; большая глубина не
рекомендуется , так как приводит к получению хрупкого слоя. Вследствие небольшой
глубины слоя и резкого падения твердости при переходе к сердцевине шлифование
азотированных деталей не является целесообразным.
4. Цианирование — одновременное насыщение поверхностного слоя детали углеродом и
азотом.
5. Алитирование — насыщение поверхностного слоя детали алюминием. Применяется для
повышения жаростойкости, т.е. сопротивляемости изделия окислению при высоких
температурах. Алитирование основано на способности алюминия образовывать при
окислении стойкую окисную пленку, обладающую высокими защитными свойствами и
предохраняющую металл от дальнейшего окисления. Алитированию подвергают
некоторые детали авиационных двигателей (детали камеры сгорания, реактивного сопла,
лопатки турбины, выхлопные патрубки и т.д.).
6. Хромирование - насыщение поверхностного слоя детали хромом. Применяется для
повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости авиационных деталей.
7. Силицирование - насыщение поверхностного слоя детали кремнием. Применяется для
получения высокой жаростойкости поверхностей таких металлов, как молибден, ниобий и
вольфрам. Силицированные детали обладают кислотоупорностью — образующаяся при
окислении пленка SiO2 предохраняет металл от дальнейшего окисления и является
стойкой к кислотам любой концентрации.
Возможны также комбинированные методы химико-термической обработки, такие как
хромоалитирование, хромосилицирование и др. Например, хромоалитирование применяется для
обработки лопаток турбин и соплового аппарата авиационного двигателя. Практическая
температурная граница для таких деталей составляет до 1050ºС.