Древесина, металлы, строительно-отделочные материалы

В легированных сталях выделяются две группы карбидов: группа I - M ₃ C, M ₂₃ C ₆, M ₇ C ₃ и M ₆ C и группа II - MC, M ₂ C (M - легирующий компонент - элемент). Карбиды I группы имеют сложную кристаллическую решетку и при соответствующем нагреве достаточно хорошо растворимы в аустени--те. Карбиды II группы имеют простую кристаллическую решетку, но растворяются в аустените лишь частично и при очень высокой температуре.

Некарбидообразующие элементы (легированные) содержатся в легированных сталях в виде твердого раствора в феррите. Карбидообразующие легированные элементы могут находиться в различных структурных состояниях: они могут быть растворены в феррите или цементите (FeCr) ₃ C или существовать в виде самостоятельных структурных составляющих - специальных карбидов: WC, MoC и др. Местоположение карбидообразующих элементов в структуре стали зависит от количества введенных легирующих элементов и содержания углерода. Легирующие элементы, растворенные в феррите, искажают его кристаллическую решетку; уменьшают теплопроводность и электропроводность стали. Карбиды легирующих элементов отличаются весьма высокой твердостью (70-75 HRC) и износостойкостью, но обладают значительной хрупкостью. Они играют очень важную роль в производстве инструментальных сталей.

Как показали исследования, конкретному сечению стали должно соответствовать определенное количество легирующих элементов, иначе ухудшаются такие ее технологические свойства, как обработка резанием, свариваемость и др. Например, если содержание хрома или марганца превышает 1 %, увеличивается порог хладноломкости стали (порог хладноломкости, или критическая температура хрупкости, - это температура перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому, и наоборот).

2. Теория термической обработки

Задача термической обработки - путем нагрева и охлаждения вызвать необратимое изменение свойств вследствие необратимого изменения структуры. Любой вид термической обработки обычно изображается в координатах температура - время.

Собственно термическая обработка не предусматривает какого--либо иного воздействия, кроме температурного.

При термической обработке стали происходят следующие основные превращения:

1) превращение перлита в аустенит, происходящее при нагреве выше точки Ас₁ :

Fea + Fe₃ C > Fev (C) илиП-А;

Рис. 8. График термической обработки: ?_н - время нагрева, ?_в - время выдержки, ?₀ - время охлаждения; t _max - максимальная температура; t_ист - истинная скорость охлаждения при данной температуре, v = t _max - средняя скорость охлаждения

2) превращение аустенита в перлит, происходящее при медленном охлаждении из? - области:

Fev (C) > Fea (C) + Fe ₃ C или А >П;

3) превращение аустенита в мартенсит, происходящее при быстром охлаждении из? - области:

Fev (C) > Fea (C) илиА>М;

4) превращение мартенсита при нагреве (отпуске):

Fea (C) > Fea + Fe₃ C или М >П.

Описание структурных превращений, происходящих в стали при термической обработке, является одновременно и теорией термической обработки.

Превращение перлита в аустенит - необходимый этап для многих видов термической обработки.

Рис. 9. Диаграмма изотермического превращения перлита (П) в аустенит

Сталь с содержанием (А) углерода 0,8 %. Превращение перлита в аустенит реализуется при нагреве выше значения Ас ₁, причем с повышением температуры оно непрерывно ускоряется. При непрерывном нагреве с различной скоростью лучи v₁ и v₂ превращения начинаются в точке а' (а' ) и заканчиваются в точке b' (b' ), которая тем выше, чем больше скорость нагрева. В связи с этим чем быстрее нагрев, тем выше должна быть температура нагрева стали, для того чтобы вызвать полное превращение перлита в аустенит, включая полное растворение карбидов и гомогенизацию аус--тенита.

В интервале между точками а'Ь' (a» b») превращение идет с разной скоростью, но приблизительно в середине интервала превращение идет с сильным поглощением теплоты настолько бурно, что на кривой нагрева образуется площадка Это обычно и есть экспериментально определяемая температура превращения Ас₁.

При исходной перлитной структуре образование аустени--та идет из многих центров, и тотчас после окончания превращения перлита в аустенит образуется мелкозернистый аус--тенит.

Дальнейший нагрев ведет к росту зерна аустенита, осуществляемого по одному из следующих механизмов: путем слияния мелких зерен в крупные, путем миграции границ зерен. Процесс слияния происходит при более низкой температуре (от +900 до +1000 °C), чем миграция (> +1100 °C), но приводит к образованию отдельных более крупных зерен, т. е к разнозернистости.

При термической обработке механические свойства стали могут изменяться в очень широких пределах. Так, например, твердость стали, содержащей 0,8 % углерода, после такой обработки возрастает до 160-600 МВ.

3. Диаграмма изотермического превращения аустенита

На рис. 10 представлена диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % углерода.

По оси ординат откладывается температура. По оси абсцисс - время.

Рис. 10. Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % углерода

Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита, т. е. выше критической точки, а затем быстро охлаждают, например до +700, +600, +500, +400, +300 °C и т. д., и выдерживают при

этих температурах до полного распада аустенита. Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от +727 до +250 °C (температуры начала мартенситного превращения - Мн). На диаграмме - две С--образные кривые. Кривая I указывает время начала превращения, кривая II - время конца превращения переохлажденного аустенита. Период до начала распада аустенита называют инкубационным.

При +700 °C превращение аусте--нита начинается в точке а и заканчивается в точке b, в результате этого процесса образуется перлит. При температуре +650 °C распад аустенита происходит между точками а₁ и b₁ . В этом случае образуется сорбит - тонкая (дисперсная) механическая смесь феррита и цементита. Сталь, в которой доминирует структура сорбита, имеет твердость 30-40 HRC. Такая сталь обладает высокой прочностью и пластичностью. Устойчивость аустенита в значительной мере зависит от степени переохлаждения.

Наименьшую устойчивость аустенит имеет при температурах, близких к +550 °C. Для эвтектоид--ной стали время устойчивости аустенита при температурах от + 550 до +560 °C - около 1 с. По мере удаления от температуры +550 °C устойчивость аустенита возрастает. Время устойчивости при +700 °C составляет 10 с, а при +300 °C - около 1 мин. При охлаждении стали до +550 °C (точки начала и конца распада - a₂ и b₂ соответственно - на диаграмме) аусте--нит превращается в троостит - смесь феррита и цементита, которая отличается от перлита и сорбита высокой степенью дисперсности составляющих и обладает повышенной твердостью (40-50 HRC), прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью. Ниже температуры +550 °C в результате промежуточного превращения аустенита (в температурном интервале, расположенном ниже перлитного, но выше мартенси--тного превращения) образуется структура бейнита, состоящая из смеси насыщенного углеродом феррита и карбидов (цементита). При медленном охлаждении аустенит превращается в перлит, а при большой скорости охлаждения переохлажденный аустенит полностью переходит в сорбит.

При еще больших скоростях охлаждения образуется новая структура - троостит. При наибольших скоростях охлаждения образуется только мартенсит, т. е. пересыщенный твердый раствор углерода в? - железе. Скорость охлаждения, при которой из аусте--нита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Аустенит, который сохраняется в структуре стали при комнатной температуре наряду с мартенситом, называют остаточным. Закаленные высоколегированные стали содержат остаточный аустенит в больших количествах, а низкоуглеродистые его почти не имеют.

4. Виды и разновидности термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, нормализация

Термическую обработку металлов и сплавов, а также изделий из них применяют для того, чтобы вызвать необратимое изменение свойств вследствие необратимого изменения структуры.

Термическая обработка подразделяется на следующие виды: собственно термическая, химико--термическая и деформационно--термическая. Собственно термическая обработка не предусматривает какого--либо иного воздействия, кроме температурного. Если при нагревах изменяется состав металла (сплава) - его поверхностных слоев - в результате взаимодействия с окружающей средой, то такая термическая обработка называется химико--термической (ХТО), а если наряду с температурным воздействием производится еще и деформация, вносящая соответствующий вклад в изменение структуры, то такая термическая обработка называется деформационно--термической. В свою очередь деформационно--термическая обработка подразделяется на термомеханическую (ТМО), меха--нотермическую (МТО) и др.

Разные виды деформационно--термической обработки разделяются в зависимости от характера фазовых превращений и способа деформации.

Собственно термическая обработка подразделяется на: отжиг первого и второго рода, закалку с полиморфным превращением и закалку без полиморфного превращения, отпуск и нормализацию.

Отжиг вообще - это процесс термической обработки, при котором металл сначала нагревают до определенной температуры, выдерживают заданное время при этой температуре, а затем медленно охлаждают, чаще всего вместе с печью. Отжиг первого рода - нагрев металла, который имеет неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки (кроме закалки), приводящий металл в более устойчивое состояние. Основные подвиды: гомогенизационный отжиг, рекристаллизационный отжиг, отжиг для снятия внутренних напряжений. Отжиг второго рода - нагрев выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения стабильного структурного состояния сплава.

Закалка с полиморфным превращением - нагрев выше температуры полиморфного превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно--неустойчивого состояния. Закалка без полиморфного превращения - нагрев до температур, вызывающих структурные изменения (чаще всего для растворения избыточной фазы) с последующим быстрым охлаждением для получения структурно--неустойчивого состояния - пересыщенного твердого раствора. Отпуском называется процесс термической обработки, при котором закаленная сталь нагревается ниже критической точки Ас₁, выдерживается определенное время, а затем охлаждается.

Нормализация - один из видов термической обработки При нормализации сталь нагревают до температур, на 30-50 °C превышающих верхние критические температуры, затем выдерживают необходимое время, а потом охлаждают на спокойном воздухе для получения тонкопластинчатой перлитной структуры. От отжига нормализация отличается более быстрым охлаждением.

5. Поверхностная закалка

Поверхностной называется такая закалка, при которой высокую твердость приобретает лишь часть поверхностного слоя стали или сплава. Она отличается от других способов закалки методом нагрева.

При такой обработке до температуры закалки нагревают только поверхностный слой изделия. Причем при быстром охлаждении лишь этот слой подвергается закалке. Остальная часть не закаливается и сохраняет структуру и свойства, которые были до закалки. В настоящее время наибольшее распространение получила поверхностная закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты. Этот метод термической обработки создает предпосылки для комплексной механизации и автоматизации процесса закалки.

Индукционный нагрев металла достигается путем индуцирования вихревых токов, которые сосредоточиваются в поверхностном слое изделия и нагревают его на определенную глубину. Продолжительность нагрева токами высокой частоты весьма мала - она исчисляется секундами. При закалке небольших изделий производят нагрев и охлаждение всей их поверхности. Закалку изделий значительной длины проводят непрерывно--последовательным нагревом. Для охлаждения применятся вода.

Для поверхностной закалки крупных изделий в единичном и мелкосерийном производстве, а также при ремонтных работах применяют нагрев пламенем, чаще всего ацетиленокисло--родным, температура которого равна +3150 °C. При этом методе закалки толщина закаленного слоя составляет 2-5 мм, твердость его такая же, как при обычной закалке.

В крупносерийном и массовом производстве при установившемся технологическом процессе, когда длительное время изготавливаются одни и те же изделия из стали определенных марок например ведущие колеса гусеничных тракторов, используется поверхностная закалка в электролите - 14-16 %-ном водном растворе кальцинированной соды. Закаливаемое изделие присоединяют к отрицательному полюсу генератора постоянного тока и опускают в ванну с электролитом.

Погруженное на заданную глубину изделие нагревается за несколько секунд, после чего ток выключают. Как правило, тот же электролит является и охлаждающей средой.

При нагреве в электролите происходят электролитические и электроэрозионные процессы, которые очищают нагреваемую поверхность изделий от окисных пленок, ухудшающих теплопередачу. Скорость нагрева в электролите - до + 150 °C/с.

Существует еще метод импульсной поверхностной закалки. При нем применяют высокочастотные генераторы, работающие в импульсном режиме, конденсаторы, аппаратуру для точечной сварки или лазерные установки. Такая закалка позволяет исключить деформации, трещины, повысить коррозионную стойкость деталей, заменить в некоторых случаях легированную сталь на углеродистую.

Кроме вышеперечисленных способов поверхностной закалки, применяется поверхностная закалка в псевдоожижен--ной среде. Псевдоожиженная среда («кипящий» слой) представляет собой твердые частицы кварцевого песка или другого сыпучего материала, интенсивно перемешиваемого воздушным или газовым потоком. Эту же среду используют и для охлаждения.

6. Химико--термическая обработка: цементация, нитроцементация

Для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя деталей осуществляется их тепловая обработка в химически активной среде, называемая химико--термической обработкой. При ней происходят следующие процессы: распад молекул и образование атомов диффундирующего элемента (диссоциация), поглощение атомов поверхностью (адсорбция) и проникновение атомов вглубь металла (диффузия).

Цементация - диффузионное насыщение

поверхностного слоя детали углеродом. После цементации выполняется термическая обработка - закалка и низкий отпуск. Такие детали должны иметь твердую закаленную поверхность, хорошо сопротивляющуюся истиранию, и вязкую сердцевину, способную выдерживать динамические нагрузки Цементации подлежат детали из стали, содержащей до 0,3 % углерода. Поверхность деталей насыщается углеродом в пределах от 0,8 до 1 % цементации, осуществляется в твердых, жидких и газообразных средах. В качестве карбюризатора в частности служит смесь древесного угля (60-90 %) и углекислых солей бария (BaCO₃) и натрия (NaCO₃).

При нагреве углерод древесного угля соединяется с кислородом воздуха, образуя окись углерода (CO), которая разлагается с образованием атомарного углерода, диффундирующего в деталь:

2COCO₂ + C_{атомарный}.

С повышением температуры и времени выдержки толщина цементированного слоя увеличивается, глубина его достигает 0,5-2 мм на каждые 0,1 мм толщины слоя, требуется выдержка около 1 ч. При массовом и крупносерийном производствах хорошие результаты дает газовая цементация в специальных герметически закрытых печах. По сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе газовая цементация дает возможность повысить скорость процесса, увеличить пропускную способность оборудования и производительность труда.

После цементации детали подвергают термической обработке для обеспечения высокой твердости поверхности, исправления структуры перегрева и устранения карбидной сетки в цементированном слое. Закалку производят при температуре +780-850 °C с последующим отпуском при +150-200 °C.

Нитроцементацией называется процесс химико--термической обработки, при котором происходит одновременное насыщение поверхностных слоев стальных изделий углеродом и азотом в газовой среде. После нитроцементации детали закаливают и затем подвергают низкому отпуску при температуре от +160 до +180 °C. Твердость поверхностного закаленного и нитроцементированного слоя - 60-62 HRC. При нитроце--ментации совмещают процессы газовой цементации и азоти

рования. В газовую смесь входят эндогаз, до 13 % природного газа и до 8 % аммиака. В рабочее пространство шахтной печи вводят в виде капель жидкий карбюризатор - триэтаноламин.

Для легированных сталей процесс нитроцементации выполняют в атмосфере с минимальным количеством аммиака - до 3 %.

7. Химико--термическая обработка: азотирование, ионное азотирование

Химико--термическая обработка - азотирование применяется с целью повышения твердости поверхности у различных деталей - зубчатых колес, гильз, валов и др. изготовленных из сталей 38ХМЮА, 38ХВФЮА, 18Х2Н4ВА, 40ХНВА и др. Азотирование - последняя операция в технологическом процессе изготовления деталей. Перед азотированием проводят полную термическую и механическую обработку и даже шлифование, после азотирования допускается только доводка со съемом металла до 0,02 мм на сторону. Азотированием называется химико--термическая обработка, при которой происходит диффузионное насыщение поверхностного слоя азотом. В результате азотирования обеспечиваются: высокая твердость поверхностного слоя (до 72 HRC), высокая усталостная прочность, теплостойкость, минимальная деформация, большая устойчивость против износа и коррозии. Азотирование проводят при температурах от +500 до +520 °C в течение 8-9 ч. Глубина азотированного слоя - 0,1-0,8 мм. По окончании процесса азотирования детали охлаждают до +200-300 °C вместе с печью в потоке аммиака, а затем - на воздухе.

Поверхностный слой не поддается травлению. Глубже него находится сорбитообразная структура. В промышленности широко применяется процесс жидкостного азотирования в расплавленных цианистых солях. Толщина азотированного слоя - 0,15--0,5 мм.

Азотированный слой не склонен к хрупкому разрушению. Твердость азотированного слоя углеродистых сталей - до 350 HV, легированных - до 1100 HV. Недостатки процесса - токсичность и высокая стоимость цианистых солей.

В ряде отраслей промышленности используется ионное азотирование, которое имеет ряд преимуществ перед газовым и жидкостным. Ионное азотирование осуществляется в герметичном контейнере, в котором создается разреженная азотсодержащая атмосфера. Для этой цели применяются чистый азот, аммиак или смесь азота и водорода. Размещенные внутри контейнера детали подключают к отрицательному полюсу источника постоянной электродвижущей силы Они выполняют роль катода. Анодом служит корпус контейнера. Между анодом и катодом включают высокое напряжение (500--1000 В) - происходит ионизация газа. Образующиеся положительно заряженные ионы азота устремляются к отрицательному полюсу - катоду. Возле катода создается высокая напряженность электрического поля. Высокая кинетическая энергия, которой обладали ионы азота, переходит в тепловую. Деталь за короткое время (15-30 мин) разогревается до от +470 до +580 °C, происходит диффузия азота вглубь металла, т. е. азотирование.

Ионное азотирование по сравнению с азотированием в печах позволяет сократить общую продолжительность процесса в 2-3 раза, уменьшить деформацию деталей за счет равномерного нагрева.

Ионное азотирование коррозионно--стойких сталей и сплавов достигается без дополнительной депассивирующей обработки. Толщина азотированного слоя - 1 мм и более, твердость поверхности - 500--1500 HV. Ионному азотированию подвергают детали насосов, форсунок, ходовые винты станков, валы и многое другое.



Лекция № 9. Классификация сталей и их назначение

1. Углеродистые и легированные конструкционные стали: назначение, термическая обработка, свойства

Из углеродистых качественных конструкционных сталей производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь--серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки. Эти стали являются основным материалом для изготовления таких деталей машин, как валы, шпиндели, винты, гайки, упоры, тяги, цилиндры гидроприводов, звездочки цепных передач, т. е. деталей различной степени нагружения. Различные специальные виды термообработки углеродистых сталей проводятся с целью обеспечения необходимых параметров вязкости, упругости и твердости. В конечном итоге термическая обработка данных сталей и деталей приводит к увеличению их износостойкости и надежности. Углеродистые качественные конструкционные стали обладают более высокими механическими свойствами, чем стали обыкновенного качества, за счет меньшего содержания в них фосфора, серы и других неметаллических включений. По видам обработки углеродистые конструкционные стали подразделяются на горячекатаные, кованые, калиброванные и серебрянку (со специальной отделкой поверхности). В зависимости от состояния материала указанные стали выпускаются без термической обработки, термически обработанные (Т) и нагартованные (Н). В соответствии с назначением горячекатаная и кованая углеродистые конструкционные стали делятся на подгруппы: «а» - для горячей обработки давлением; «б» - для механической обработки резанием на станках; «в» - для холодного волочения.

Легированными называют стали, которые, кроме обычных примесей (марганца, кремния, серы и фосфора), содержат ряд элементов, специально вводимых в сталь при ее выплавке для получения заданных свойств. Эти элементы называют легирующими. В качестве легирующих элементов чаще всего применяют никель, хром, вольфрам, молибден, титан, ванадий, алюминий. Конструкционные легированные стали подразделяются на горячекатаную, кованую, калиброванную и сталь--серебрянку, применяемую в термически обработанном состоянии. Горячекатаная и кованая стали поставляются как в термически обработанном состоянии (отожженные, вы--сокоотпущенные, нормализованные или нормализованные с высоким отпуском), так и без термообработки, стали калиброванная и серебрянка - нагартованными или термически обработанными (отожженными, отпущенными, нормализованными, закаленными с отпуском). Стандартом (ГОСТом) предусмотрен выпуск и изготовление 13 групп конструкционных легированных сталей, каждая из которых получила название по преобладающему в ней легирующему элементу. Например, хромистые легированные стали - 15Х, 15Ха, 20Х, 30Х, 30ХРА, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Х; из этих сталей изготовляют детали, от которых наряду с высокой износостойкостью требуется минимальная деформация при термообработке, улучшенные и закаленные детали, работающие при средних скоростях и высоких удельных давлениях (шестерни, кольца, зубчатые рейки и т. д.), нагруженные детали автомобилей и тракторов, а также крупные детали, требующие высокой прокаливаемости и общей повышенной прочности.

2 Стали, устойчивые против коррозии

Стали, устойчивые против коррозии, - это нержавеющие стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. К этим сталям относятся следующие марки: 20Х13 (2Х13), 08Х13 (0Х13), 25Х13Н2 (2Х14Н2, ЭИ474). Они применяются для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам (клапанов гидравлических прессов), деталей, работающих в слабоагрессивных средах (при атмосферных осадках, в водных растворах солей, органических кислот); высокая коррозионная стойкость обеспечивается после термической обработки и полировки.

Сталь марки 14Х14Н12 (1Х17Н2, ЭИ268) применяется в основном в химической и авиационной промышленности; обладает достаточно удовлетворительными технологическими свойствами.

Сталь марки 15Х25Т (Х25Т, ЭИ439) применяется в производстве теплообменной аппаратуры (труб, соединительных фланцев, вентилей, кранов), работающей в агрессивных средах; используется в качестве заменителя стали марки 12Х18М10Т при изготовлении сварных конструкций, работающих в более агрессивных средах, чем среды, рекомендуемые для стали марки 08Х17Т; не рекомендуется применение этой стали (15Х25Т) при температурах +400-700 °C. 08Х21Н6М2Т идет на изготовление деталей и сварных конструкций, работающих в средах повышенной агрессивности - уксуснокислых, сернокислых и фосфорнокислых; марки 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т используются для производства сварных конструкций, работающих в условиях действия кипящей фосфорной, серной и 10 %-ной уксусной кислот, а также в сернокислых средах.

В ряде узлов механизмов подшипники работают в агрессивных средах и при повышенных температурах. В этих узлах используется в основном коррозионно--стойкая сталь 95?18. Микроструктура коррозионно--стойкой стали 95 ? 18 - скры--тоигольчатый мартенсит и избыточные карбиды, а микроструктура аналогичной стали 11 ? 18 М - скрыто--и мелкокристаллический мартенсит и избыточные карбиды, но игольчатый мартенсит в стали 11 ? 18 М не допускается. В случае работы подшипников при температурах от --200 °C до +120 °C наилучший комплекс механических и антикоррозионных свойств используемых сталей имеет место при следующем режиме термической обработки: подогрев - до +350 °C, окончательный нагрев при +1070 °C ± 20 °C, закалка - в масле с температурой от +30 до +60 °C, обработка холодом - при --70 °C и отпуск - от +150 до +160 °C.

Как показала многолетняя практика применения в различных отраслях промышленности, коррозионная стойкость сталей зависит от многих факторов:

1) от используемых легирующих элементов - хрома, никеля, алюминия, титана, молибдена, их сочетаний и процентного содержания в сплавах; например высокими антикоррозионными свойствами обладают хромомолибде--новые и хромомолибденованадиевые стали марок 15ХМ, 20ХМ, 30Х3МФ, 40ХМФА;

2) от термической или химико--термической обработки;

3) от качества обработки поверхности сталей и деталей, работающих в агрессивных средах («зеркальные» поверхности, как правило, более устойчивы к коррозии, чем шероховатые).

3. Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочные стали и сплавы относятся к третьей группе высоколегированных сталей. Их микроструктура после термической обработки должна состоять из скрыто--и мелкоигольчатого мартенсита или мелкоигольчатого мартенсита и избыточных карбидов легирующих элементов (MoC, CrC, NiC и т. д.).

К жаропрочным сталям и сплавам относятся:

1) 40Х9С2. Применяется для изготовления клапанов моторов и крепежных деталей, работающих в условиях высоких температур - около +1000 °C;

2) Х1560-Н. Используется для изготовления нагревательных элементов (рабочая температура нагревательных элементов +1000-1300 °C);

3) Х20Н80, Х20Н80-ВИ (выплавляется вакуумно--индук--ционных способом);

4) Х15Н60-Н--ВИ, Н50К10, Х13Ю4, ОХ23Ю5, ОХ23Ю5А, Ох27Ю5А. Из этих сплавов изготовляют термодатчики и термочувствительные элементы, проволоку и ленту для нагревательных печей, электрических аппаратов теплового действия, микропроволоку для резисторов неответственного назначения; указанные сплавы работают в интервале от +1000 до +1300 °C.

К жаропрочным сталям и сплавам относятся также следующие марки:

1) ХН60Ю. Применяется для изготовления деталей турбин (из листового проката), работающих при умеренных напряжениях, а также для нагревательных приборов сопротивления;

2) 20Х23Н18. Идет на изготовление деталей машин для химической и нефтяной промышленности, запорной арматуры для газопроводов, камер сгорания, а также для нагревательных приборов сопротивления;

3) 09Х16Н15М3Б. Используется в производстве труб пароперегревателей и трубопроводов высокого давления;

4) 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 12Х18Н9Т. Применяются для изготовления деталей выхлопных систем и труб (из листового и сортового проката), сталь 12Х18Н12Т более стабильна при эксплуатации, чем сталь марки 12Х18Н10Т;

5) 40Х15Н7Г7Ф2МС. Идет на изготовление крепежных деталей, работающих при температуре +650 °C. Жаропрочность сталей и сплавов зависит от состава легирующих элементов, их сочетания и концентрации. ГОСТ 5632-72 рекомендует оптимальные интервалы температур, при которых детали, изготовленные из жаропрочных сталей и сплавов, обладают наибольшей надежностью в работе. Кроме того, в стандарте для каждой марки стали или сплава указаны температура начала интенсивного окалинообразова--ния и срок работы деталей из них - кратковременный, ограниченный, длительный и весьма длительный. За кратковременный срок работы условно принимают время службы детали до 100 ч, ограниченный - до 1000 ч, длительный - до 10 000 ч и весьма длительный - до 100 000 ч.

Жаропрочные сплавы бывают высоколегированными и прецизионными. Прецизионные сплавы характеризуются высокой чистотой компонентов, их точным соотношением. Маркировка прецизионных сплавов немного отличается от маркировки легированных сталей и сплавов. ГОСТ 10994-74 регламентирует химический состав, основные физические свойства и области применения каждого сплава. Выше были перечислены жаропрочные прецизионные сплавы и указаны области их применения - Н50К10, Х13Ю4, ОХ23Ю5, Х15Н60-Н и т. д.

4. Инструментальные материалы: инструментальные и быстрорежущие стали

Инструментальные легированные стали применяются для изготовления режущего и измерительного инструмента, а так же штампов. Стали, предназначенные для изготовления режущего инструмента (резцов, сверл, фрез и др.), должны обладать высокой твердостью (HRC l 62) и износостойкостью. Если обработка резанием выполняется в тяжелых условиях - большие скорости резания, обработка твердых металлов, большое сечение снимаемой стружки - то при этом затрачивается значительная механическая энергия, которая сопровождается сильным нагревом режущей кромки инструмента. Поэтому сталь, применяемая для изготовления инструмента, должна иметь высокую твердость и теплостойкость (или красностойкость). В сталях, используемых для изготовления штампов, должны сочетаться твердость и вязкость, а также термостойкость (способность сопротивляться резкому изменению температуры в виде устойчивости против появления трещин разгара).

Инструментальные легированные стали содержат карбидо--образующие элементы: хром, вольфрам, молибден, марганец, ванадий. Эти стали имеют меньшую скорость охлаждения при закалке, за счет чего уменьшается опасность образования трещин, деформации и коробления.

Сталь поставляется горячекатаной, кованой, калиброванной и шлифованной (серебрянка). Стандарт предусматривает две группы и пять подгрупп инструментальных легированных сталей. Содержание как серы, так и фосфора в них не должно превышать 0,03 %, а содержание серы в стали, полученной методом электрошлакового переплава, не должно быть выше 0,015 %. Стали для режущего и измерительного инструмента изготавливаются с неглубокой (7ХФ, 8ХФ 11ХФ) и с глубокой прокаливаемостью (9Х1, Х, 12Х1, 9ХС, 8ГС, 8Х6НФТ). Из этих сталей изготавливаются метчики плашки, сверла, фрезы, ножовочные полотна, калибры, шаблоны и т. д. Инструментальные быстрорежущие стали получили такое название потому, что изготовленные из них инструменты могут работать при больших скоростях резания, не теряя своих свойств. Замечательное свойство быстрорежущих сталей - высокая красностойкость, т. е. способность сохранять высокую твердость и режущую способность при нагревании до 600-650 °C. Красностойкость определяется в основном двумя факторами: химическим составом и термической обработкой. Быстрорежущие стали имеют сложный химический состав. Наиболее важным легирующим элементом их является вольфрам (6--18 %), а также ванадий (1-5 %). Кроме того, во все быстрорежущие стали входит хром (3-4,5 %), большая часть которого растворяется в кристаллической решетке железа. Для того чтобы придать быстрорежущим сталям высокие режущие свойства, их подвергают термической обработке по специальному режиму. Стандартом предусмотрен выпуск 14 марок быстрорежущих сталей, которые условно подразделяются на две группы: первая группа - стали, не содержащие кобальта, вторая группа - стали, содержащие повышенное количество кобальта и ванадия. Марки быстрорежущих сталей - Р18, Р12, Р9, Р6М3, Р9К5.

Лекция № 10. Твердые и сверхтвердые сплавы

1. Твердые сплавы и режущая керамика

Твердые сплавы и режущую керамику получают с помощью методов порошковой металлургии. Порошковая металлургия - область техники, охватывающая совокупность методов изготовления металлических порошков из металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них, а также из их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента. Исходные материалы для твердых сплавов и металлокерамики - порошки - получают химическими или механическими способами. Формообразование заготовок (изделий) осуществляют в холодном состоянии либо при нагревании. Холодное формообразование происходит при осевом прессовании на механических и гидравлических прессах или при давлении жидкости на эластичную оболочку, в которую помещают порошки (гидростатический метод). Горячим прессованием в штампах под молотом (динамическое прессование) или газостатическим методом в специальных контейнерах за счет давления (15--400 тыс. Па) горячих газов получают изделия из плохо спекающихся материалов - тугоплавких соединений, которые применяются для изготовления твердых сплавов и металлокерамики. В состав таких спеченных тугоплавких соединений (псевдосплавов) включаются неметаллические компоненты - графит, глинозем, карбиды, придающие им особые свойства.

В инструментальном производстве получили широкое распространение твердые спеченные сплавы и режущая металлокерамика (металлы + неметаллические компоненты) По содержанию основных компонентов порошков в смеси твердые спеченные сплавы подразделяются на три группы вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталоволь--фрамовые, по области применения - на сплавы для обработки материалов резанием, оснащения горного инструмента, для наплавки быстро изнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений.

Физико--механические свойства твердых сплавов: предел прочности при изгибе - 1176-2156 МПа (120-220 КГС/мм ²), плотность - 9,5--15,3 г/см ³, твердость - 79-92 HRA.

Твердые сплавы для бесстружковой обработки металлов, наплавки быстро изнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений: ВК3, ВК3-М, ВК4, ВК10-КС, ВК20-КС, ВК20К. В обозначении марок твердых сплавов буква «К» означает - кобальт, «В» - карбид вольфрама, «Т» - карбиды титана и тантала; цифры соответствуют процентному содержанию порошков компонентов, входящих в сплав. Например, сплав ВК3 содержит 3 % кобальта, остальное - карбид вольфрама.

Дефицит вольфрама обусловил необходимость разработки безвольфрамовых твердых сплавов, не уступающих по основным свойствам спеченным сплавам на основе карбидов вольфрама.

Безвольфрамовые и карбидохромовые твердые металлокера--мические сплавы применяются в машиностроении для изготовления волок, вытяжных матриц, для распыления различных, в том числе абразивных, материалов, деталей трения, работающих при температурах до 900 °C, режущего инструмента для обработки цветных металлов.

2. Сверхтвердые материалы

Для изготовления различного режущего инструмента в настоящее время в различных отраслях промышленности, в том числе в машиностроительной, применяются три вида сверхтвердых материалов (СТМ): природные алмазы, поликристаллические синтетические алмазы и композиты на основе нитрита бора (эльбора).

Природные и синтетические алмазы обладают такими уникальными свойствами, как самая высокая твердость (HV 10 000 кгс/мм ²), у них весьма малые: коэффициент линейного расширения и коэффициент трения; высокие: теплопроводность, адгезионная стойкость и износостойкость. Недостатками алмазов являются невысокая прочность на изгиб, хрупкость и растворимость в железе при относительно низких температурах (+750 °C), что препятствует использованию их для обработки железоуглеродистых сталей и сплавов на высоких скоростях резания, а также при прерывистом резании и вибрациях. Природные алмазы используются в виде кристаллов, закрепляемых в металлическом корпусе резца Синтетические алмазы марок АСБ (балас) и АСПК (карбонадо) сходны по своей структуре с природными алмазами Они имеют поликристаллическое строение и обладают более высокими прочностными характеристиками.

Природные и синтетические алмазы применяются широко при обработке медных, алюминиевых и магниевых сплавов, благородных металлов (золота, серебра), титана и его сплавов, неметаллических материалов (пластмасс, текстолита, стеклотекстолита), а также твердых сплавов и керамики.

Синтетические алмазы по сравнению с природными имеют ряд преимуществ, обусловленных их более высокими прочностными и динамическими характеристиками. Их можно использовать не только для точения, но также и для фрезерования.

Композит представляет собой сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора, применяемый для изготовления лезвийного режущего инструмента. По твердости композит приближается к алмазу, значительно превосходит его по теплостойкости, более инертен к черным металлам Это определяет главную область его применения - обработка закаленных сталей и чугунов. Промышленность выпускает следующие основные марки СТМ: композит 01 (эльбор - Р), композит 02 (белбор), композит 05 и 05И и композит 09 (ПТНБ - НК).

Композиты 01 и 02 обладают высокой твердостью (HV 750 кгс/мм ²), но небольшой прочностью на изгиб (40-50 кг/мм ²). Основная область их применения - тонкое и чистовое безударное точение деталей из закаленных сталей твердостью HRC 55-70, чугунов любой твердости и твердых сплавов марок ВК 15, ВК 20 и ВК 25 (HP^ 88-90), с подачей до 0,15 мм/об и глубиной резания 0,05--0,5 мм. Композиты 01 и 02 могут быть использованы также для фрезерования закаленных сталей и чугунов, несмотря на наличие ударных нагрузок, что объясняется более благоприятной динамикой фрезерной обработки. Композит 05 по твердости занимает среднее положение между композитом 01 и композитом 10, а его прочность примерно такая же, как и композита 01. Композиты 09 и 10 имеют примерно одинаковую прочность на изгиб (70--100 кгс/мм ²).

3. Материалы абразивных инструментов

Абразивные материалы делятся на естественные и искусственные. К первым относятся кварц, наждак, корунд и алмаз, а ко вторым - электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, кубический нитрид бора и синтетические алмазы.

Кварц (П) - это материал, состоящий в основном из кристаллического кремнезема (98,5…99,5 % SiO2). Применяется для изготовления шлифовальных шкурок на бумажной и тканевой основе в виде шлифовальных зерен в свободном состоянии.

Наждак (Н) - мелкокристаллическая окись алюминия (25…60 % A_l2 O₃) темно--серого и черного цветов с примесью окиси железа и силикатов. Предназначен для изготовления наждачного полотна и брусков.

Корунд (Е и ЕСБ) - минерал, состоящий в основном из кристаллической окиси алюминия (80.95 % A_l2 O₃) и незначительного количества других минералов, в том числе химически связанных с A_l2 O₃. Зерна корунда тверды и при разрушении образуют раковистый излом с острыми гранями. Естественный корунд имеет ограниченное применение и используется главным образом в виде порошков и паст для доводочных операций (полирования).

Алмаз (А) - минерал, представляющий собой чистый углерод. Он имеет наиболее высокую твердость из всех известных в природе веществ. Из кристаллов и их осколков изготовляют однолезвийные режущие инструменты и алмазно--металлические карандаши для правки шлифовальных кругов.

Электрокорунды бывают четырех видов:

1) нормальный электрокорунд 1А, выплавляемый из бокситов, его разновидности - 12А, 13А, 14А, 15А, 16А;

2) белый, выплавляемый из глинозема, его разновидности - 22А, 23А, 24А, 25А;

3) легированные электрокорунды, выплавляемые из глинозема с различными добавками: хромистый 3А с разновидностями 32А, 33А, 34А и титанистый 3А с разновидностью 37А;

4) монокорунд А4, выплавляемый из боксита с сернистым железом и восстановителем с последующим выделением монокристаллов корунда.

Электрокорунды состоят из окиси алюминия Al ₂ O ₃ и некоторого количества примесей.

Карбид кремния - химическое соединение кремния с углеродом (SiC). Обладает большей твердостью и хрупкостью. чем электрокорунды. В зависимости от процентного содержания карбида кремния этот материал бывает зеленого (6С) и черного (5С) цветов. Первый содержит не менее 97 % кремния. Второй вид (черный) выпускают следующие разновидности: 52С, 53С, 54С и 55С. Из зерен зеленого карбида кремния изготавливают различные абразивные инструменты (например, шлифовальные круги) для обработки твердых сплавов и неметаллических материалов, а из зерен черного карбида кремния - инструменты (шлифовальные круги) для обработки изделий из чугуна, цветных металлов и для заточки режущих инструментов (резцов, сверл и т. д.).

Кубический нитрид бора (КНБ) - соединение бора, кремния и углерода. КНБ обладает твердостью и абразивной способностью, близкими к алмазу.

Синтетический алмаз (АС) имеет то же строение, что и природный. Физико--механические свойства синтетических алмазов хороших сортов аналогичны свойствам природных алмазов. Синтетические алмазы выпускают пяти марок АСО, АСР, АСК, АСВ, АСС.

Лекция № 11. Сплавы цветных металлов

1. Цветные металлы и сплавы, их свойства и назначение

Ценные свойства цветных металлов обусловили их широкое применение в различных отраслях современного производства. Медь, алюминий, цинк, магний, титан и другие металлы и их сплавы являются незаменимыми материалами для приборостроительной и электротехнической промышленности, самолетостроения и радиоэлектроники, ядерной и космической отраслей техники.Цветные металлы обладают рядом ценных свойств: высокой теплопроводностью, очень малой плотностью (алюминий и магний), очень низкой температурой плавления (олово, свинец), высокой коррозионной стойкостью (титан, алюминий). В различных отраслях промышленности широко применяются сплавы алюминия с другими легирующими элементами.

Сплавы на магниевой основе отличаются малой плотностью, высокой удельной прочностью, хорошо обрабатываются резанием. Они нашли широкое применение в машиностроении и в частности в авиастроении.

Техническая медь, содержащая не более 0,1 % примесей, применяется для различных видов проводников тока.

Медные сплавы по химическому составу классифицируются на латуни и бронзы. В свою очередь латуни по химическому составу подразделяются на простые, легированные только цинком, и специальные, которые, помимо цинка, содержат в качестве легирующих элементов свинец, олово, никель, марганец.

Бронзы также подразделяются на оловянные и безоловянные. Безоловянные бронзы имеют высокую прочность, хорошие антикоррозионные и антифрикционные свойства.

В металлургии широко используется магний, с помощью которого осуществляют раскисление и обессеривание неко

торых металлов и сплавов, модифицируют серый чугун с целью получения графита шаровидной формы, производят трудно восстанавливаемые металлы (например, титан), смеси порошка магния с окислителями служат для изготовления осветительных и зажигательных ракет в реактивной технике и пиротехнике. Свойства магния значительно улучшаются за счет легирования. Алюминий и цинк с массовой долей до 7 % повышают его механические свойства, марганец улучшает его сопротивление коррозии и свариваемость, цирконий, введенный в сплав вместе с цинком, измельчает зерно (в структуре сплава), повышает механические свойства и сопротивление коррозии.

Из магниевых сплавов изготавливают фасонные отливки, а также полуфабрикаты - листы, плиты, прутки, профили, трубы, проволоки. Промышленный магний получают электролитическим способом из магнезита, доломита, карналлита, морской воды и отходов различного производства по схеме получение чистых безводных солей магния, электролиз этих солей в расплавленном состоянии и рафинирование магния В природе мощные скопления образуют карбонаты магния - магнезит и доломит, а также карналлиты.

В пищевой промышленности широко применяется упаковочная фольга из алюминия и его сплавов - для обертки кондитерских и молочных изделий, а также в больших количествах используется алюминиевая посуда (пищеварочные котлы, поддоны, ванны и т. д.).

2. Медные сплавы

Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. Раннему знакомству человека с медью способствовало то, что она встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают значительных размеров. В настоящее время медь широко используется в электромашиностроении, при строительстве линий электропередач, для изготовления оборудования телеграфной и телефонной связи, радио--и телевизионной аппаратуры. Из меди изготовляют провода, кабели, шины и другие токопроводящие изделия. Медь обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, прочностью вязкостью и коррозионной стойкостью. Физические свойства ее обусловлены структурой. Она имеет кубическую гра--нецентрированную пространственную решетку. Ее температура плавления - +1083 °C, кипения - +2360 °C. Средний предел прочности зависит от вида обработки и составляет от 220 до 420 МПа (22-45 кгс/мм ²), относительное удлинение - 4--60 %, твердость - 35--130 НВ, плотность - 8,94 г/см ³. Обладая замечательными свойствами, медь в то же время как конструкционный материал не удовлетворяет требованиям машиностроения, поэтому ее легируют, т. е. вводят в сплавы такие металлы, как цинк, олово, алюминий, никель и другие, за счет чего улучшаются ее механические и технологические свойства. В чистом виде медь применяется ограниченно, более широко - ее сплавы. По химическому составу медные сплавы подразделяют на латуни, бронзы и медноникелевые, по технологическому назначению - на деформируемые, используемые для производства полуфабрикатов (проволоки, листа, полос, профиля), и литейные, применяемые для литья деталей.

Латуни - сплавы меди с цинком и другими компонентами. Латуни, содержащие, кроме цинка, другие легирующие элементы, называются сложными, или специальными, и именуются по вводимым, кроме цинка, легирующим компонентам. Например: томпак Л90 - это латунь, содержащая 90 % меди, остальное - цинк; латунь алюминиевая ЛА77-2 - 77 % меди, 2 % алюминия, остальное - цинк и т. д. По сравнению с медью латуни обладают большой прочностью, коррозионной стойкостью и упругостью. Они обрабатываются литьем, давлением и резанием. Из них изготовляют полуфабрикаты (листы, ленты, полосы, трубы конденсаторов и теплообменников, проволоку, штамповки, запорную арматуру - краны, вентили, медали и значки, художественные изделия, музыкальные инструменты, сильфоны, подшипники).

Бронзы - сплавы на основе меди, в которых в качестве добавок используются олово, алюминий, бериллий, кремний, свинец, хром и другие элементы. Бронзы подразделяются на безоловянные (БрА9Мц2Л и др.), оловянные (БрО3ц12С5 и др.), алюминиевые (БрА5, БрА7 и др.), кремниевые (БрКН1-3, БрКМц3-1), марганцевые (БрМц5), бериллиевые бронзы (БрБ2, БрБНТ1,7 и др.). Бронзы используются для производства запорной арматуры (краны, вентили), различных деталей, работающих в воде, масле, паре, слабоагрессивных средах, морской воде.

3. Алюминиевые сплавы

Название «алюминий» происходит от латинского слова alumen - так за 500 лет до н. э. называли алюминиевые квасцы, которые использовались для протравливания при крашении тканей и дубления кож.

По распространенности в природе алюминий занимает третье место после кислорода и кремния и первое место среди металлов. По использованию в технике он занимает второе место после железа. В свободном виде алюминий не встречается, его получают из минералов - бокситов, нефелинов и алунитов, при этом сначала производят глинозем, а затем из глинозема путем электролиза получают алюминий. Механические свойства алюминия невысоки: сопротивление на разрыв - 50-90 МПа (5-9 кгс/мм ²), относительное удлинение - 25-45 %, твердость - 13-28 НВ.

Алюминий хорошо сваривается, однако трудно обрабатывается резанием, имеет большую линейную усадку - 1,8 % В чистом виде алюминий применяется редко, в основном широко используются его сплавы с медью, магнием, кремнием, железом и т. д. Алюминий и его сплавы необходимы для авиа--и машиностроения, линий электропередач, подвижного состава метро и железных дорог.

Алюминиевые сплавы подразделяются на литейные и деформируемые. Литейные сплавы алюминия выпускаются в чушках - рафинированные и нерафинированные.

Сплавы, в обозначении марок которых имеется буква «П», предназначены для изготовления пищевой посуды. Механические свойства сплавов зависят от их химического состава и способов получения. Химический состав основных компонентов, входящих в сплав, можно определить по марке. Например, сплав АК12 содержит 12 % кремния, остальное - алюминий; АК7М2П - 7 % кремния, 2 % меди, остальное - алюминий. Наиболее широко применяется в различных отраслях промышленности сплав алюминия с кремнием - силумин, который изготовляется четырех марок - СИЛ-00,