Основы металловедения

Металловедение — наука, изучающая зависимость свойств металлов от их строения и состава. Металловеде­ние является базой для разработки оптимальных техноло­гических процессов обработки металлов.

Свойства металлов

Металлами называются вещества, обладающие рядом специфических свойств: характерным цветом, высокой электро- и теплопроводностью, прочностью, пластичное-

 

Термическая обработка стали

Термическая (тепловая) обработка стали основана на способности металла изменять свою структуру при нагре­вании и охлаждении. Путем такой обработки можно при­давать стали необходимые свойства: сделать изделие твер­дым или хрупким, прочным или пластичным.

Термическая обработка заключается в нагреве сталь­ного изделия (заготовки) до определенной температуры, некоторой выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью (рис. 10). Режим терми­ческой обработки зависит от вида и цели термической обра­ботки, химического состава, формы и размеров изделия.

В зависимости от свойств, которые хотят придать из­делию (твердость, прочность, пластичность и т. д.), при­меняют разные виды термической обработки. Основными видами термической обработки являются: отжиг, норма­лизация, закалка и отпуск.

Отжиг заключается в нагреве изделия до определенной температуры, выдержке при этой температуре и мед­ленном охлаждении — обычно вместе с печью. Отжиг де­лает сталь пластичной, благодаря чему улучшается ее об­рабатываемость, снимается внутреннее напряжение, возникшее в металле на предыдущих этапах изготовления изделия или получения Заготовки (обработка давлением, литье, сварка).

Нормализация заключается в нагреве стального изделия и последующем его охлаждении на воздухе без выдержки. Сталь при этом приобретает более мелкозернистую структу­ру, следовательно, более высокую прочность и твердость, чем после отжига, но частично теряет свою пластичность.

Закалка заключается в нагреве стального изделия до определенной температуры, выдержке и быстром охлаждении. Быстрое охлаждение позволяет получить мелкозер­нистую структуру стали, то есть придать ей высокие меха­нические свойства: прочность, твердость, повысить режу­щие свойства и т. д.

Скорость охлаждения при закалке обеспечивается вы­бором охлаждающей среды. Закалку производят в основ­ном в масле и воде.

Возможна закалка изделия в двух средах: сначала в воде, а затем в масле. В некоторых случаях выполняют только поверхностную закалку, что позволяет придать из­делию поверхностную твердость при сохранении вязкости основной массы металла. Нагрев изделия в данном случае производится токами высокой частоты или пламенем ацетилено-кислородной горелки.

Отпуск заключается в нагреве закаленного стального изделия до температуры ниже 720 °С, некоторой выдержке при этой температуре и охлаждении. Отпуск выполняют сразу после закалки. Отпуск осуществляется для сниже­ния хрупкости и уменьшения внутренних напряжений, а также для придания стали повышенной вязкости.

Применяются другие виды термической обработки металлов — старение и обработка холодом. Основное назна­чение старения — повышение прочности и стабилизация свойств, например, алюминиевых и медных сплавов. Об­работку холодом применяют главным образом для режу­щих инструментов.

 

Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка стали состоит в одно­временном нагревании и поверхностном насыщении сталь­ного изделия различными элементами — углеродом, азо­том, алюминием, хромом и др. При этом поверхностный слой изделия становится более прочным, твердым, износоус­тойчивым, стойким против воздействия агрессивных сред.

В зависимости от того, каким веществом насыщается поверхностный слой изделия, химико-термическую обра­ботку подразделяют на цементацию, азотирование, циани­рование, алитирование, хромирование и т. п.

Цементация заключается в нагреве стального изделия в среде, легко отдающей углерод (например, древесный уголь). Цементацию проводят с целью последующей закал­ки поверхностного слоя изделия из низкоуглеродистой ста­ли. Наружный слой изделия при этом становится твердым, а внутренние слои сохраняют вязкость и пластичность.

Азотирование состоит в насыщении стального изделия азотом на некоторую глубину. Азотирование не только по­вышает твердость поверхностного слоя, но также защи­щает его от воздействия агрессивной среды. Процесс осу­ществляется путем длительного нагревания готовых изде­лий в продуктах разложения аммиака.

Цианирование производится путем одновременного на­сыщения поверхностного слоя изделия углеродом и азотом. Режущий инструмент при цианировании обладает высокой износоустойчивостью, твердостью, хорошо противостоит действию переменных нагрузок.

Алитирование, хромирование и другие аналогичные процессы состоят в насыщении поверхности стальных из­делий соответствующим металлом с целью обретения спе­цифических свойств, например жаростойкости, стойкости против коррозии и т. д.