Виды термической обработки отливок

В зависимости от метода литья и применяемого сплава к алюминиевой отливке могут применяться следующие виды термической обработки:

• отжиг для снятия остаточных напряжений;
• стабилизирующий отпуск;
• гомогенизация;
• полный отжиг;
• упрочнение старением.

Наиболее важным видом термической обработки для алюминиевых отливок является старение, обычно — искусственное старение.

Принципы упрочнения алюминиевых сплавов старением

Необходимым условием для того, чтобы в алюминиевом сплаве происходило упрочнение старением, является уменьшение растворимости в твердом растворе алюминия одного или нескольких компонентов сплава с понижением температуры.

Как правило, процесс искусственного старения включает три стадии:

1. При нагреве на твердый раствор (нагреве под закалку) происходит растворение в твердом растворе алюминия достаточного количества компонентов сплава, которые обеспечивают упрочнение старением.
2. При достаточно быстром охлаждении при закалке эти компоненты остаются в твердом растворе. В этом состоянии отливки остаются относительно мягкими.
3. При старении – для литых изделий, в основном, искусственном – происходит выделение этих растворенных компонентов в форме мельчайших субмикроскопических фаз, которые дают повышение твердости и прочности алюминиевого сплава. Эти мельчайшие фазы, которые по-научному называют «когерентными или полукогерентными фазами», представляют собой препятствия для движения дислокаций в металле и поэтому упрочняют до этого мягкий металл.

Термически упрочняемые литейные алюминиевые сплавы

Термической обработке старением поддаются следующие типы алюминиевых литейных сплавов:

• алюминий-медь;
• алюминий-медь-магний;
• алюминий-кремний- магний;
• алюминий-магний-кремний;
• алюминий-цинк-магний.

Нагрев на твердый раствор (нагрев под закалку)

Для того, чтобы ввести упрочняющие компоненты сплава в твердый раствор так быстро, как это только возможно, температура нагрева на твердый раствор должна быть максимально высокой, не ближе чем 15 °С к температуре ликвидус, чтобы избежать локального подплавления. По этой причине часто литейные алюминиевые сплавы, содержащие медь, подвергают нагреву на твердый раствор в два этапа: сначала до 480 °С, потом до 520 °С.

Длительность нагрева под закалку зависит от толщины стенки отливки и метода литья. По сравнению с литьем в песчаные формы, литье в кокиль требует более короткий нагрев под закалку для растворения упрочняющих компонентов сплава благодаря более измельченной микроструктуре. В принципе, нагрева около одного часа обычно достаточно. Более длительный нагрев под закалку – до 12 часов – применяют, например, для сплавов алюминий-кремний-магний для сфероидизации или округления эвтектического кремния, чтобы повысить пластические свойства сплава (относительное удлинение).

В ходе нагрева под закалку прочность отливок остается еще очень низкой. Поэтому необходимо принимать меры по предотвращению их прогиба и коробления. Для этого большие и сложные отливки закрепляют в специальных приспособлениях.

Закалка алюминиевых отливок

Горячую отливку необходимо охладить в воде как можно быстрее – за 5-20 секунд в зависимости от толщины ее стенок, чтобы подавить любое нежелательное и преждевременное выделение растворенных компонентов сплава.

После закалки отливки имеют высокую пластичность. Резкое охлаждение отливки при закалке может приводить к образованию больших внутренних напряжений и короблению изделия. Эту проблему решают выбором закалочной среды и способа ее подачи: погружение в воду или подача воды через спрейеры — вода холодная, вода горячая или масло.

В любом случае, любые действия по правке изделия должны производиться после закалки, но до старения.

Операция старения

Операция старения приводит к значительному увеличению твердости и прочности литейной структуры за счет выделения мельчайших упрочняющих фаз. Только после этой операции изделие получает свои заданные свойства, свою окончательную форму и размеры.

Обычные сплавы подвергают искусственному старению. Искусственное старение – это старение при повышенных температурах, в отличие от естественного старения, которое проводят при температуре окружающей среды («комнатной» температуре).

Температура старения и ее длительность могут быть различными в зависимости от требуемых свойств алюминиевого сплава в отливке. Например, механические свойства можно «отрегулировать» так, чтобы получить высокую твердость и прочность, но за счет более низкой пластичности (относительного удлинения) материала отливки. И наоборот, можно достичь более высокой пластичности (относительного удлинения), но в ущерб твердости и прочности. При выборе температуры старения и длительности его выдержки применяют диаграммы старения конкретного сплава, которые разработаны для многих сплавов (рисунки 1-4).

 

Легированными называют стали, в которые специально вводят те или иные химические элементы (хром, никель, кобальт, молибден, титан, вольфрам и др.). Эти элементы вводят с целью воздействия на структуру и получения требуемых свойств.

По своему воздействию на структуру стали легирующие элементы делятся на 2 класса:
- первые расширяют гамма-область и сужают альфа-область
- вторые наоборот – сужают гамма-область и расширяют альфа-область

Легированные стали классифицируют:
- по структуре в равновесном состоянии и после охлаждения на воздухе
- по типу легирующих элементов и их процентному содержанию
- по качеству
- по назначению

По структуре в равновесном состоянии разделяют на:
- доэвтектоидные
- эвтектоидные
- заэвтектоидные

После охлаждения на воздухе структура стали может измениться. По структуре в нормализованном состоянии легированные стали подразделяют на:
- перлитные
- аустенитные
- мартенситные

По типу легирующих элементов стали подразделяют на хромовые, никелевые и т.д.
Современные легированные стали – сложнолегированные.

По общему процентному содержанию легирующих элементов легированные стали разделяют на:
- низколегированные – 5-10%
- среднелегированные – 10%
- высоколегированные – более 10%

Все легированные стали являются качественными сталями. Но бывают высококачественные и особо высококачественные.

Все легированные стали подвергаются термообработке, которая существенно улучшает структуру и форму. Использование без термообработки нерационально.

По назначению стали делят на:
- конструкционные
- инструментальные
- стали специального назначения

Маркировка легированных сталей

Маркировка легированных сталей зависит от их назначения.
В основе маркировки легированных сталей лежит буквенно-цифровой метод.
В начале марки конструкционных легированных сталей (гост 4543-71) ставятся цифры, обозначающие содержание углерода в сотых долях процента.
Далее идут большие буквы, обозначающие тот или иной легирующий элемент:

Х – хром	Б - ниобий
Н – никель	Д – медь
К – кобальт	Г – марганец
М – молибден	Р – бор
Т – титан	Ю – алюминий
В – вольфрам	Ф – ванадий
А – азот	С - кремний

После буквы может стоять цифра, которая обозначает среднее округленное до целого процентное содержание соответствующего легирующего элемента.
Если цифры нет, то содержание легирующего элемента около 1% (или менее).

Если буква А стоит в середине марки стали – она означает присутствие в стали азота как легирующего элемента.
Если буква А стоит в конце марки – сталь высококачественная. У особо высококачественной стали ставится буква Ш в конце марки.

40ХН3МФА – конструкционная легированная сталь со средним содержанием углерода 0,4%, ~1% хрома, ~3% никеля, ~1% молибдена, ~1% ванадия, высококачественная.

18ХГТ – конструкционная легированная сталь с содержанием углерода 0,18% и по 1% (приблизительно) хрома, марганца и титана.

В начале марки инструментальных легированных сталей (ГОСТ 5950-2000) первая цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если цифра не стоит, то содержание углерода в этой стали 1% и более.
Затем следуют буквы и цифры, обозначающие тоже самое, что и у конструкционных легированных сталей.
Легирующие элементы, которые вводят в инструментальные стали увеличивают теплостойкость, закаливаемость, вязкость, износостойкость.

ХВГ – инструментальная легированная сталь, углерода более 1%, приблизительно около 1% хрома, вольфрама, марганца.

Стали специального назначения маркируются несколько иначе. В начале марки – большая буква русского алфавита, обозначающая назначение стали:

А – автоматная

Э – электротехническая

Ш – шарикоподшипниковая

Р - быстрорежущая

После буквы ставятся цифры, обозначающие среднее, округленное до целого, содержание ведущего легирующего элемента. Для электротехнических сталей это кремний, для быстрорежущих (используются для изготовления режущего инструмента) – вольфрам.

Р18 – быстрорежущая сталь, 18% вольфрама

Р6М5К4 – быстрорежущая сталь, содержание вольфрама 6%, молибдена 5%, 4% кобальта.