Термическая обработка материалов

Термической обработкой материалов называют воздействие чередующихся тепловых потоков на конструкционный материал (нагрев и охлаждение) с целью фиксирования определенных структур, обеспечивающих требуемые от изделия свойства. Термической обработке подвергаются металлы и их сплавы, полимерные материалы (реактопласты) и ряд других. Наиболее распространенными видами термической обработки являются закалка и отпуск стали. При этом сталь нагревают до температуры, при которой весь металл переходит в твердый раствор углерода в у железе-аустенита, а затем резко охлаждают в воде или масле. При этом происходит бездиффузионное (сдвиговое) перестроение кристаллической решетки с образованием пересыщенного твердого раствора углерода в а железе-мартенсита. Мартенсит обладает сочетанием высокой прочности, упругости и пластичности.

Избыточные внутренние напряжения, образовавшиеся в ходе закалки, ликвидируются в ходе диффузионного процесса, называемого отпуском. При этом стальную деталь медленно нагревают, но не выше той температуры при которой может начаться вновь образование аустенита, выдерживают несколько часов и медленно охлаждают.

Химико-термическая обработка материалов

Под химико-термической обработкой (ХТО) понимают насыщение поверхностных слоев детали из практически любого материала при нагреве другим материалом или веществом с целью придания детали каких- либо особых свойств- чаще всего твердости и износостойкости. Диффузия частиц может идти в любой из трех сред: твердой, жидкой и газообразной. Диапазон температур ХТО зависит от свойств металла детали и естественно выше у металлов, чем у волокнистых полимерных материалов. Скорость диффузии помимо температуры зависит от пористости материала. При достижении максимального насыщения поверхностного слоя обрабатываемого материала дальнейшее продолжение ХТО становится нецелесообразным. Это может быть отражено зависимостью:

Метод ХТО позволяет значительно экономить дорогие материалы в тех случаях, когда присущими им ценными свойствами должна обладать лишь поверхность эксплуатируемой детали.

Алюминий и его сплавы

Алюминий - легкий металл серебристо-белого цвета с высокой электро- и теплопроводностью. Плотность - 2700 кг/м³, температура плавления около 660°С. Алюминий обладает малой прочностью, низкой твердостью, но достаточно высокой пластичностью. Алюминий хорошо обрабатывается давлением, сваривается, но плохо поддается резанию.

Алюминий получают преимущественно из бокситов. Бокситы в своем составе содержат 30-70% глинозема Аl₂О₃, из которого и получают металл благодаря реакции восстановления металлического алюминия электролизом.

Первично получаемый алюминий делят на три группы по содержанию примесей: особой чистоты, высокой чистоты и технической чистоты, соответственно.

В качестве конструкционных материалов чистый алюминий практически не применяется. Используют только алюминиевые сплавы, которые нашли довольно широкое применение. Все алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы применяют для получения листов, ленты, фасонных профилей, проволоки и деталей для штамповки. Деформируемые в свою очередь подразделяют на термически не упрочняемые сплавы (сплавы алюминия с марганцем и магнием) и термически упрочняемые (сплавы с медью, марганцем и магнием - дюралюмины).

Литейные сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок. Легирующими компонентами являются те же, что и в деформируемых сплавах, только в большем количестве, до 13% по отдельным компонентам.

Медь и медные сплавы

Медь - розовато-красный металл, обладающий высокой пластичностью. Плотность - 8920 кг/м³, температура плавления 1083°С. Обладает высокой тепло- и электропроводностью (уступает только серебру). Чистую медь применяют для электротехнических целей и поставляют в виде полуфабрикатов - проволоки, прутков, лент, полос и труб. Из-за малой механической прочности чистую медь, как конструкционный материал, не используют, а применяют ее сплавы с цинком, оловом, алюминием, кремнием, марганцем и другими. Легирование меди обеспечивает повышение ее механических, технологических и эксплуатационных свойств. Различают три группы медных сплавов: латуни, бронзы, сплавы меди с никелем.

Латунь - сплав на основе меди, в котором основным легирующим элементом является цинк (до 40-45%). Латунь по сравнению с медью обладает большей прочностью, коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью (резанием, литьем, давлением).

Бронза - сплав на основе меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем и др. за исключением цинка и никеля. Бронза обладает высокой коррозионной стойкостью, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатываемость резанием. В зависимости от введенного элемента бронзы называют оловянными, алюминиевыми и т.д.

Сплавы меди с никелем - это сплавы на основе меди, в которых основным легирующим компонентом является никель. По назначению их подразделяют на конструкционные и электротехнические сплавы. Медноникелевые сплавы (мельхиоры, константан, куниали и др.) применяют в основном в дорогостоящем и обладающем высокоточными характеристиками оборудовании.