Классификация чугунов и пластмасс

Размещено на http://www.allbest.ru/

КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНОВ

Чугуны -- это железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода и затвердевающие с образованием эвтектики. В отличие от стали чугуны обладают низкой пластичностью. Однако, благодаря высоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне, чугуны нашли широкое применение в машиностроении.

Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используются для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всех выплавляемых чугунов используют для изготовления отливок

Литейные и механические свойства чугуна зависят от того, насколько близок его состав к эвтектическому. Для оценки этого применяют два показателя:

Степень эвтектичности SЭ -- отношение концентрации углерода С в чугуне к его концентрации в эвтектике с учетом влияния кремния и фосфора:

где 4,26 -- концентрация углерода в эвтектике системы «железо--графит» (см. рис. 7.1.), Si и P -- содержание этих элементов в чугуне, %.

Углеродный эквивалент определяется как:

Сэк = С + 0,3(Si + P)

Чугуны подразделяются на: доэвтектические (Sэ < 1, Cэв < 4,2-4,3), эвтектические (Sэ 1, Сэк 4,2-4,3) и заэвтектические (Sэ > 1, Cэв > 4,2-4,3).

Чугуны при кристаллизации и дальнейшем охлаждении могут вести себя по-разному (рис. 1.1): либо в соответствии с метастабильной диаграммой состояний Fe--Fe3C (белые чугуны, в которых углерод присутствует в виде Fe3C), либо в соответствии со стабильной диаграммой Fe--C (серые чугуны, в которых углерод присутствует в виде графита).

На представленной диаграмме (рис.1.1) кроме общих линий АС, АЕ, GS остальные линии не совпадают. В системе Fe--C графитная эвтектика (аустенит--графит) содержит 4,26 % С и образуется при 1 153 ° С. По линии E' S' в интервале температур 1 153-738 ° С выделяется вторичный графит. Эвтектоидное превращение протекает при 738 ° С с образованием эвтектоида (феррит + графит). Пользование диаграммами Fe--C и Fe--Fe3C принципиально не отличается друг от друга.

рис. 1.1 :

Вероятность образования цементита из жидкой фазы значительно выше, чем графита. Любой процесс определяется термодинамическими и кинетическими условиями протекания. Движущей силой процесса графитизации является стремление системы уменьшить запас свободной энергии. Цементит термодинамически менее устойчивая фаза, чем графит. Однако разница между температурами образования цементита и графита невелика, и при сравнительно небольшом переохлаждении будет происходить кристаллизация цементита, а не графита.

Графит образуется только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. При ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 ° С происходит образование цементита.

Графитизация чугунов

Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении чугунов. Графит может образовываться как из жидкой фазы при кристаллизации, так и из твердой фазы. В соответствии с диаграммой Fe--C ниже линии C'D' образуется первичный графит, по линии E'C'F' -- эвтектический графит, по линии Е'S' -- вторичный графит и по линии P'S'К'-- эвтектоидный графит.

Графитизация чугуна и ее полнота зависит от скорости охлаждения, химического состава и наличия центров графитизации.

Влияние скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна протекает очень медленно и включает несколько стадий:

Образование центров графитизации в жидкой фазе или аустените;

Диффузия атомов углерода к центрам графитизации;

Рост выделения графита.

При графитизации цементита добавляются стадии предварительного распада Fe3C и растворение углерода в аустените. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации.

В зависимости от степени графитизации различают чугуны белые, серые и половинчатые.

Серые чугуны -- образуются только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. В этих условиях весь углерод или его большая часть графитизируется в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в виде цементита составляет не более 0,8 %. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала.

Промышленные чугуны содержат 2,0-4,5 % С, 1,0-3,5 % Si, 0,5-1,0 % Mn, до 03 % Р и до 0,2 % S. Наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает кремний. Меняя содержание кремния, можно получать чугуны с различной структурой и свойствами.Марганец препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Сера является вредной примесью. Ее отбеливающее влияние в 5-6 раз выше, чем марганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин. Фосфор не влияет на графитизацию и является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950-980) ° С фосфидной эвтектики.

Таким образом, регулируя химический состав и скорость охлаждения можно получать в отливках нужную структуру чугуна.

Серый чугун можно рассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы с графитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера графитных включений.

Металлическая основа может быть: перлитной, когда 0,8 % С находится в виде цементита, а остальной углерод в виде графита; феррито-перлитной, когда количество углерода в виде цементита менее 0,8 % С; ферритной, когда углерод находится практически в виде графита.

В зависимости от формы графитных включений серые чугуны классифицируются на:

1. чугун с пластинчатым графитом;

2. чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун);

3. чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун);

4. чугун с вермикулярным графитом.

На рис. 1.2 дана обобщенная классификация чугунов по строению металлической основы и форме графита.

Микроструктура чугунов приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.2. Классификация чугунов по структуре металлической основы и в форме графитовых включений

Рис. 1.3. Различные формы графита в чугуне: а) пластинчатый графит; б) хлопьевидный графит; в) шаровидный графит; г) вермикулярный графит. ? 200

По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитовые включения можно считать нарушениями сплошности (пустотами) в металлической основе, и чугун можно рассматривать, как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. Вместе с тем наличие графита определяет и ряд преимуществ чугуна: хорошая жидкотекучесть и малая усадка; хорошая обрабатываемость резанием (графит делает стружку ломкой); высокие демпфирующие свойства; антифрикционные свойства и др.

В отдельную группу при классификации выделены чугуны со специальными свойствами. Как правило, эти чугуны легированные и делятся по назначению на следующие виды: антифрикционные, износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные.

МАРКИ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ЧУГУНОВ

Чугун с пластинчатым графитом для отливок

На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунных отливок.

Пластины графита с острыми краями уменьшают живое сечение металлической матрицы и, главное, являются внутренними концентраторами напряжений, способствующими зарождению и развитию трещин. Коэффициент концентраций растягивающих напряжений около пластин графита достигает 7,5. Пластины графита сильно снижают прочность и пластичность чугуна при растяжении. Относительное удлинение серых чугунов с пластинчатым графитом, как правило, не превышает 0,5-1,0 % и стандартом не гарантируется. На прочность при сжатии включения графита влияют значительно слабее, поэтому чугун особенно выгодно использовать для изготовления деталей, работающих на сжатие.

Наличие большого количества внутренних концентраторов напряжений в виде пластин графита делает серый чугун малочувствительным к внешним концентраторам напряжений: резким переходам между сечениями отливки, надрезам, выточкам, царапинам и другим неровностям поверхности отливки.

Количественные параметры структуры чугуна оценивают в соответствии с ГОСТ 3443-87. Форму, размер, распределение и объемную долю включений графита, соотношение феррита и перлита и дисперсность пластинчатого перлита определяют сравнением с эталонными структурами. Микроструктуры чугунов с пластинчатым графитом приведены на рис. 1.4

Рис. 1.4. Микроструктура серых чугунов на ферритной (а), феррито-перлитной (б) и перлитной (в) основах. ? 200

Серый чугун с пластинчатым графитом маркируют буквами СЧ, за которыми следует число, обозначающее гарантируемое временное сопротивление при растяжении в МПа · 10-1. ГОСТ 1412-85 включает шесть основных марок серого чугуна -- от СЧ 10 до СЧ 35 (табл. 1.1). По требованию потребителя для изготовления отливок допускаются марки чугуна СЧ 18, СЧ 21, СЧ 24. Сдаточной характеристикой является только s в. Приведенный в табл. (1.1) химический состав не является сдаточной характеристикой, но от него зависят структура чугуна и, соответственно, уровень s в. Химический состав устанавливает завод-изготовитель отливок для обеспечения необходимого уровня s в.

Чем выше углеродный эквивалент, тем ниже прочность. У чугуна СЧ 10 Сэ = 4,25-4,6, а у чугуна СЧ 35 Сэ = 3,3-3,5. Чугун СЧ 10 по структуре эвтектический или слегка заэвтектический, а чугун СЧ 35 -- доэвтектический.

Снижение прочности с увеличением Сэ обусловлено большой полнотой графитизации, образованием более крупных включений графита и уменьшением доли перлита (увеличением доли феррита). Чугун СЧ 10 имеет ферритную основу, а чугун СЧ 35 -- перлитную.

Поскольку строение чугуна зависит не только от его химического состава, но и от условий плавки и литья, то эти условия также влияют на механические свойства чугуна. С ускорением охлаждения мельче становятся включения графита, уменьшается его количество, увеличивается доля перлита и уменьшается межпластиночное расстояние в перлите. Все эти факторы приводят к повышению прочности и твердости при заданном химическом составе чугуна

Физические свойства чугунов представлены в табл. 1.2

чугун литейный графит пластинчатый

Таблица 1.1

Прочность и химический состав (масс. %) чугунов с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85)

Таблица 1.2

Физические свойства чугуна с пластинчатым графитом

Наивысший демпфирующей способностью обладают чугуны с пластинчатым графитом марок СЧ 10 и СЧ 15, которые имеют в своей структуре максимальное количество графита (углеродный эквивалент Сэ = 4,25-4,6).

Графит делает стружку ломкой, благодаря чему серый чугун хорошо обрабатывается резанием. Лучшими литейными свойствами (большой жидкотекучестью, меньшей усадкой из-за увеличения удельного объема при образовании графита) обладают чугуны низких марок (СЧ 10, СЧ 15). Но все же наиболее широко в машиностроении используют более прочные чугуны марок СЧ 20-СЧ 35.

Основные области применения серого чугуна -- станкостроение и тяжелое машиностроение (станины станков, разнообразные корпусные детали), автомобильная промышленность и сельскохозяйственное машиностроение, санитарно-техническое оборудование (отопительные радиаторы, трубы, ванны) и др.

Отливки из чугуна с пластинчатым графитом, как правило, подвергаются термической обработке. Самым распространенным видом термической обработке является отжиг при 450-600 °С отливок для уменьшения литейных напряжений, всегда возникающих при фасонном литье. Основная цель отжига -- стабилизация размеров.

Графитизирующий отжиг. В тонких сечениях отливок из-за ускоренного охлаждения чугун получается белым. Кроме того в отливках, особенно при литье в кокиль, поверхность может оказаться отбеленной. Для устранения отбела с целью улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности проводят графитизирующий отжиг при температуре 850-950 °С, время выдержки -- 0,5-5 ч, охлаждение -- до 300 °С вместе с печью.

Упрочняющая термическая обработка (нормализация или закалка с низким отпуском) широкого применения не нашла. Это объясняется тем, что пластинчатый графит, действуя как внутренние надрезы, сильно снижает прочность и вязкость металлической основы. Поэтому ее упрочнение при термообработке не дает большого эффекта и часто нерентабельно.

Материалы с высокой твёрдостью поверхности

Материалы с высокой твёрдостью поверхности бывают композитные и спецально обработанные стальные ( Закалка , Отпуск , Химико - термическая обработка.)

Закалка. Отпуск

Целью закалки и отпуска стали является повышение твердости и прочности. Закалка и отпуск стали необходимы для очень многих деталей и изделий. Закалка основана на перекристаллизации при нагреве и предотвращении перехода аустенита в перлит путем быстрого охлаждения. Закаленная сталь имеет неравновесную структуру мартенсита, троостита или сорбита.

Чаще всего сталь резко охлаждают на мартенсит. Для смягчения действия закалки сталь отпускают, нагревая до температуры ниже точки А1. При отпуске структура стали из мартенсита закалки переходит мартенсит отпуска, троостит отпуска, сорбит отпуска.

Закалка стали. Температура нагрева стали при закалке та же, что и при полном отжиге: для доэвтектоидной стали на 30--50 °С выше точки Ас3, для заэвтектоидной -- на 30--50° выше точки Aс1. При нагреве доэвтектоидной стали до температуры между точками Ас1 и Ac3 (неполная закалка) в структуре быстро охлажденной стали наряду с закаленными участками будет присутствовать нерастворенный при нагреве (в аустените) феррит, резко снижающий твердость и прочность. Поэтому для доэвтектоидной стали обязательна полная закалка с нагревом выше точки Ас3.В заэвтектоидной стали избыточной фазой является цементит, который по твердости не уступает мартенситу и даже превосходит его, поэтому сталь достаточно нагреть на 30--50 °С выше точки Ас1.

Нагревать заготовки, особенно крупные, нужно постепенно во избежание местных напряжений и трещин, а время выдержки нагретых заготовок должно быть достаточным, чтобы переход в структуру аустенита полностью завершился. Скорость охлаждения заготовок при закалке должна быть такой, чтобы получить заданную структуру. Критическая скорость закалки изменяется в широких пределах в зависимости от наличия легирующих компонентов в стали. Для простых сплавов железо--углерод эта скорость очень высока. Присутствие в стали кремния и марганца облегчает закалку на мартенсит, так как для такой стали С-образные кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита будут сдвинуты вправо и критическая скорость закалки понижается. Наиболее распространено охлаждение заготовок погружением их в воду, в щелочные растворы воды, в масло, расплавленные соли и т. д. При этом сталь закаливается на мартенсит или на бейнит. При закалке применяют различные способы охлаждения в зависимости от марки стали, формы и размеров заготовки. Простую закалку в одном охладителе (чаще всего в воде или водных растворах) выполняют, погружая в него заготовки до полного охлаждения. Для получения наибольшей глубины закаленного слоя применяют охлаждение при интенсивном обрызгивании.

Прерывистой закалкой называют такую, при которой заготовку охлаждают последовательно в двух средах: первая среда -- охлаждающая жидкость (обычно вода), вторая -- воздух или масло (см. кривую 2 на рис. 2). Резкость такой закалки меньше, чем предыдущей.

При ступенчатой закалке заготовку быстро погружают в соляной расплав и охлаждают до температуры несколько выше Мн. Выдержка обеспечивает выравнивание температуры от поверхности к сердцевине заготовки, что уменьшает напряжения, возникающие при мартенситном превращении; затем заготовку охлаждают на воздухе

Изотермическая закалка (закалка в горячих средах) основана на изотермическом распадении аустенита. Охлаждение ведется до температуры несколько выше начала мартенситного превращения (200--300 °С) в зависимости от марки стали. В качестве охладителя используют соленые расплавы или масло, нагретое до 200--250 °С. При температуре горячей ванны заготовка выдерживается продолжительное время, пока пройдет инкубационный период и период превращения аустенита (кривая 4 на рис. 2). В результате получается структура бейнита, по твердости близкая к мартенситу, но более вязкая и пластичная. Последующее охлаждение производится на воздухе.

При изотермической закалке вначале требуется быстрое охлаждение со скоростью не менее критической, чтобы избежать распадения аустенита. Следовательно, по этому методу можно закаливать лишь небольшие (диаметром примерно до 8 мм) заготовки из углеродистой стали, так как массивные заготовки не удается быстро охладить. Это не относится однако к легированным сталям, большинство марок которых имеют значительно меньшие критические скорости закалки. Большим преимуществом изотермической закалки является возможность рихтовки (выправления искривлений) заготовок во время инкубационного периода превращения аустенита (который длится несколько минут), когда сталь еще пластична.

Закалка при помощи газовой горелки. Кислородно-ацетиленовое пламя газовой горелки с температурой около 3200 °С направляется на поверхность закаливаемой заготовки и быстро нагревает ее поверхностный слой до температуры выше критической. Вслед за горелкой перемещается трубка, из которой на поверхность заготовки направляется струя воды, закаливая нагретый слой. Этот способ применяется для изделий с большой поверхностью (например, для прокатных валков, зубьев больших шестерен и т. д.).

Закалка токами высокой частоты по методу В. П. Вологдина нашла очень широкое применение в промышленности, так как отличается высокой производительностью, легко поддается автоматизации.

Обработка холодом. Этот метод применяется для повышения твердости стали путем перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Холодом обрабатывают углеродистую сталь, содержащую больше 0,5 % С, у которой температура конца мартен-ситного превращения находится ниже 00 С, а также легированную сталь (например, быстрорежущую).

Отпуск стали. Отпуск смягчает действие закалки, снимает или уменьшает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева заготовок до температуры ниже критической; при этом в зависимости от температуры могут быть получены структуры мартенсита, троостита или сорбита отпуска.

При низком отпуске (нагрев до температуры 150--200 °С) в структуре стали в основном остается мартенсит, который однако имеет другую решетку, как сказано выше. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из пересыщенного твердого раствора углерода в a-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение вязкости стали, а также уменьшение внутренних напряжений в заготовках. Для низкого отпуска, заготовки выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или солевых ваннах. Если для низкого отпуска заготовки нагревают в атмосфере воздуха, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на зачищенной поверхности заготовки. Появление этих цветов связано с интерференцией белого цвета в пленках оксида железа, возникающих на поверхности заготовки при ее нагреве. Для углеродистой стали в интервале температур от 220 до 330 °С в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Для легированной стали соответствующие температуры выше. Низкий отпуск применяют для режущего инструмента из углеродистых и легированных сталей, измерительного инструмента, цементированных заготовок, а также других изделий, работающих в условиях трения на износ.

При среднем (нагрев в пределах 300--500 °С) и высоком (500--700 °С) отпуске структура мартенсита переходит соответственно в структуру троостита или сорбита. Чем выше температура отпуска, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее вязкость. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств: повышенные прочность, вязкость и пластичность; поэтому закалку на мартенсит с последующим высоким отпуском называют улучшением стали. Средний отпуск применяют при производстве кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий--для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Химико-термическая обработка. Её виды

Целью химико-термической обработки является получение поверхностного слоя стальных изделий, обладающего повышенными твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью или коррозионной стойкостью. Для этого нагретые заготовки подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии в поверхностный слой заготовок переходят нужные для получения заданных свойств элементы: углерод, азот, алюминии, хром, кремний и др.

Эти элементы диффундируют в поверхностный слой лучше, когда они выделяются в атомарном состоянии при разложении какого-либо соединения. Подобное разложение легче всего происходит в газах, поэтому их и стремятся применять для химико-термической обработки стали. Выделяющийся при разложении газа активизированный атом элемента проникает в решетку кристаллов стали и образует твердый раствор или химическое соединение. Наиболее распространенными видами химико-термической обработки стали являются цементация, азотирование, цианирование.

Цементация. Цементацией называется поглощение углерода поверхностным слоем заготовки, который после закалки становится твердым; в сердцевине за готовка остается вязкой. Цементации подвергают такие изделия, которые работают одновременно на истирание и удар. Существуют два вида цементации: цементация твердым карбюризатором и газовая цементация.

При цементации твердым карбюризатором применяют древесный уголь в смеси с углекислыми солями -- карбонатами (ВаСО3, Nа2СО3, К2СО3, СаСО3 и др.).

Цементации подвергают заготовки из углеродистой или легированной стали с массовым содержанием углерода до 0,08 %. Для деталей, подверженных большим напряжениям, применяют стали, содержащие до 0,3 % С. Такое содержание углерода обеспечивает высокую вязкость сердцевины после цементации.

Для цементации заготовки помещают в стальные цементационные ящики, засыпают карбюризатором, покрывают крышками, тщательно обмазывают щели глиной, помещают ящики в печь и выдерживают там 5--10 ч при температуре 930--950 °С.

Технология цементации деталей в твердом карбюризаторе заключается в следующем. Детали очищают от грязи, масла, окалины и упаковывают в цементационный ящик. На дно ящика насыпают карбюризатор слоем 25--30 мм, на него укладывают первый ряд деталей. Расстояние между деталями должно быть 15--20 мм, а между деталями и стенкой ящика 15--25 мм. На первый ряд деталей насыпают карбюризатор и укладывают следующий ряд деталей, снова засыпают карбюризатор, и так до заполнения ящика до верха. Сверху ящик закрывают крышкой и обмазывают глиной .При нагревании в присутствии угля углекислый барий при температуре 900 °С распадается по реакции ВаСО3 + С ® ВаО + 2СО.В результате образуется оксид углерода, который на поверхности стальных заготовок диссоциирует с выделением активного атомарного углерода; этот углерод адсорбируется и диффундирует в поверхностный слой заготовки, в результате повышается его массовое содержание в аустените, далее по достижении предела растворимости образуется цементит 3Fe + С ® Fe3С. Поверхности, не подлежащие цементации, изолируют от карбюризатора нанесением на них обмазок или омедняют электролитическим способом. Глубина цементации обычно составляет 0,5--3 мм; цементированные заготовки содержат в поверхностном слое 0,95-- 1,1 % С.

При газовой цементации в качестве карбюризатора применяют различные газы и газовые смеси (природный, светильный, генераторный газы и др.). В их состав кроме оксида углерода входят углеводороды, из которых особое значение имеет метан СН4. Газовую цементацию выполняют в герметически закрытых безмуфельных или муфельных печах непрерывного действия при температуре 900-- 950 °С и непрерывном потоке цементирующего газа или в шахтных печах периодического действия. В шахтных печах для цементации используют жидкие углеводороды (керосин, синтин), которые каплями подаются в печь и, испаряясь, образуют газы- карбюризаторы. Преимуществом газовой цементации перед цементацией твердым карбюризатором являются двух-трехкратное ускорение процесса, чистота рабочего места, возможность лучшего управления процессом. Газовая цементация применяется очень широко.

Цементированные заготовки подвергают однократной или двойной закалке и низкому отпуску. Однократную закалку с нагревом до 820--850 °С применяют в большинстве случаев, особенно для наследственно-мелкозернистых сталей, когда продолжительная вы-держка в горячей печи при цементации не сопровождается большим ростом зёрен аустенита. Такая закалка обеспечивает частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины заготовки, а также измельчение зерна и полную закалку цементированного слоя. Закалка после газовой цементации часто производится из цементационной печи после подструживания заготовок до 840-- 860 °С.

Двойную закалку применяют, когда нужно получить высокую ударную вязкость и твёрдость поверхностного слоя (например, для зубчатых колес). При этом производят; (1) закалку или нормализацию с нагревом до температуры 880- 900 С для исправления структуры сердцевины и ликвидации (растворения) цементитной сетки поверхностного слоя; (2) закалку с нагревом до температуры 760-- 780 °С для измельчения структуры цементированного слоя и придания ему высокой твердости (до 60--64 HRC для углеродистой стали). Закаленные заготовки подвергают низкому отпуску (150-- 170 °С). Углеродистая сталь имеет очень большую критическую скорость закалки, и сердцевина заготовок из такой стали независимо от скорости охлаждения имеет структуру перлит + феррит. Поэтому, чтобы получить детали с сердцевиной высокой прочности (сорбит + феррит), применяют легированную сталь, имеющую меньшую критическую скорость закалки (например, сталь марок 20Х, 18ХГТ, 25ХГМ и др.).

Азотирование. Цель азотирования -- придание поверхностному слою деталей высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Азотирование осуществляется при выделении активного азота из диссоциирующего аммиака

2NH3 ® 2N + ЗН2.

Азотируют легированную сталь, содержащую алюминий, титан, вольфрам, ванадий, молибден или хром (например, сталь марок 35ХМЮА, 35ХЮА и др.).Перед азотированием заготовки подвергают закалке и высокому отпуску. Азотирование производят в печах при температуре 500-- 600 °С. Активный азот, выделяющийся при диссоциации аммиака, диффундирует в поверхностный слой и вместе с перечисленными легирующими элементами и железом образует очень твердые химические соединения -- нитриды (A1N, MoN, Fe3N и др.).Азотирование на глубину 0,2--0,5 мм продолжается 25--60 ч и в этом его основной недостаток. Однако азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией: температура нагрева сравнительно низкая, а твердость более высокая (1100--1200 по Виккерсу, вместо 800--900 после цементации и закалки); у азотированных изделий большие коррозионная стойкость, сопротивление усталости и меньшая хрупкость. Поэтому азотирование широко применяют для деталей из стали и чугуна (шестерен, коленчатых валов, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.).

Азотирование приводит к некоторому увеличению размеров заготовок, поэтому после азотирования их подвергают шлифованию.

Цианирование. Цианирование -- насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом; оно бывает жидкостным и газовым.

Жидкостное цианирование производится в ваннах с расплавами цианистых солей (NaCН, KCН, Са(CN)2., и др.) при температуре, достаточной для разложения их с выделением активных атомов Си N.

Низкотемпературное (550--600 °С) цианирование применяют главным образом для инструментов из быстрорежущей стали с целью повышения их стойкости и производится в расплавах чистых цианистых солей. Высокотемпературное (800--850 °С) цианирование осуществляется в ваннах, содержащих 20--40 %-ные расплавы цианистых солей с нейтральными солями (NaCl, Na.2CO3 и др.) для повышения температуры плавления ванны. Продолжительность жидкостного цианирования от 5 мин до 1 ч. Глубина цианирования 0,2--0,5 мм. После цианирования заготовки подвергают закалке и низкому отпуску. Цианирование, как и цементацию, применяют для различных изделий, при этом коробление заготовок значительно меньше, чем при цементации, а износо- и коррозионная стойкость более высокие. Недостатком жидкостного цианирования является ядовитость цианистых солей, а также их высокая стоимость.

Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем, что к цементирующему газу добавляют аммиак, дающий активизированные атомы азота. Газовое цианирование, так же как и жидкостное, разделяется на низкотемпературное и высокотемпературное.При низкотемпературном (500--700 °С) газовом цианировании в сталь преимущественно диффундирует азот (с образованием нитридов), а углерод диффундирует в малых количествах. Это цианирование так же как и жидкостное низкотемпературное, применяют для обработки инструментов из быстрорежущей стали. При высокотемпературном газовом цианировании (800--850 °С) в сталь диффундирует значительное количество углерода с образованием аустенита. После высокотемпературного цианирования заготовки закаливают. При газовом цианировании, называемом также нитроцементацией, отпадает необходимость в применении ядовитых солей и, кроме того, имеется возможность обработки более крупных деталей.

Диффузионная металлизация. Наиболее распространенными видами диффузионной металлизации являются алитирование, хромирование, силицирование.

Алитирование представляет собой поверхностное насыщение стальных и чугунных заготовок алюминием с образованием твердого раствора алюминия в железе. Его применяют преимущественно для деталей, работающих при высоких температурах (колосников, дымогарных труб и др.), так как при этом значительно (до 10000С) повышается жаростойкость стали.Для алитирования алюминий сначала наносят на заготовку распылением жидкой струи сжатым воздухом, затем нанесенный слой алюминия защищают жаростойкой обмазкой и производят диффузионный отжиг заготовок при температуре 920 °С в течение 3 ч. В процессе отжига поверхностный слой заготовки насыщается алюминием на глубину в среднем 0,5 мм.

Диффузионное хромирование производится в порошковых смесях, составленных из феррохрома и шамота, смоченных соляной кислотой или в газовой среде при разложении паров хлорида хрома СrCl2. Хромированию подвергаются в основном стали с массовым содержанием углерода не более 0,2 %. Хромированный слой низкоуглеродистой стали незначительно повышает твердость, но обладает большой вязкостью, что позволяет подвергать хромированные детали сплющиванию, прокатке и т. п. Хромированные детали имеют высокую коррозионную стойкость в некоторых агрессивных средах (азотной кислоте, морской воде). Это позволяет заменять ими детали из дефицитной высокохромовой стали.

Силицирование -- насыщение поверхностного слоя стальных заготовок кремнием, обеспечивающее повышение стойкости против коррозии и эрозии в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах, применяется для деталей, используемых в химической промышленности.Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния в a-железе. Существует силицирование в порошкообразных смесях ферросилиция, а также газовое силицирование в среде хлорида кремния SiCl4.

Композитные материалы

В настоящее время на производстве широко используются композитные твердые сплавы. Они состоят из карбидов вольфрама, титана, тантала, сцементированных небольшим количеством кобальта. Карбиды вольфрама, титана и тантала обладают высокой твердостью, износостойкостью. Производство металлокерамических твердых сплавов относится к области порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта. Изэтой смеси прессуют изделия требуемой формы и затем подвергают спеканию при температуре, близкой к температуре плавления кобальта. Так изготовляют пластинки твердого сплава различных размеров и форм, которыми оснащаются резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки и др. В зависимости от химического состава металлокерамические твердыесплавы, применяемые для производства , разделяются на три основные группы.

Сплавы первой группы изготовляют на основе карбидов вольфрама и кобальта. Они носят название вольфрамокобальтовых. Это сплавы группы ВК.

Ко второй группе относятся сплавы, получаемые на основе карбидов вольфрама и титана и связующего металла кобальта. Это двух карбидные титано-вольфрамокобальтовые сплавы группы ТК.

Третья группа сплавов состоит из карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта. Это трехкарбидные титано-танталовольфрамокобальтовые сплавы группы ТТК.

Режущие свойства и качество твердосплавного инструмента определяются не только химическим составом сплава, но и его структурой, т. е. величиной зерна. С увеличением размера зерен карбида вольфрама прочность сплава возрастает, а износостойкость уменьшается, и наоборот. В зависимости от размеров зерен карбидной фазы сплавы могут быть мелкозернистые, у которых не менее 50 % зерен карбидных фаз имеют размер порядка 1 мкм,среднезернистые - с величиной зерна 1-2 мкм и крупнозернистые, у которых размер зерен колеблется от 2 до 5 мкм.

Все марки твердых сплавов разбиты по международной классификации (ИСО) на группы: К, М и Р. Сплавы группы К предназначены для обработки чугуна и цветных металлов, дающих стружку надлома. Сплавы группы М для труднообрабатываемых материалов, сплавы группы Р - для обработки сталей.

ПЛАСТМАССЫ

Название пластмасс. Формула. Свойства. Применение

Полиэтилен (-CH2-CH2-)n Термопластичен. При нагревании размягчается - можно вытянуть нити. Горит, синим пламенем, при этом плавиться, и образует капли. Пластичен, эластичен, прочен, тонкие пленки прозрачные, не пропускают ультрафиолетовые лучи; обладает электроизоляционными свойствами, устойчив к действию щелочей любых концентраций, органических кислот, концентрированной соляной и плавиковой кислот; сравнительно стоек к радиоактивным излучениям. При t0 выше 80 0C растворяется в алифатических и ароматических углеводородах и их галогенопроизводных. Идет на изготовление пленок, труб, профилированных изделий, изоляции проводов и кабеля, емкостей, гальванических ванн, санитарно-технических изделий, волокон и др., широко применяется в различных областях техники, сельском хозяйстве и быту.

Полипропилен (-CH2-CH-) n CH3 Термопластичен. Обладает свойствами высокой ударной прочности, высокой стойкости к многократным изгибам, низкой паро- и газопроницаемости; хороший диэлектрик, плохо проводит тепло, не растворяется в органических растворителях, устойчив к воздействию кипящей воды и щелочей, но темнеет и разрушается под действием HNO3,H2SO4 и хромовой смеси. Обладает низкой термо- и светостойкостью. Из пропилена изготавливают волокна и пленки, сохраняющие гибкость при 100-1300 С, пенопласт, детали машин, профилированные изделия, трубы, различную арматуру, контейнеры, бытовые изделия и др.

Поливинилхлорид (-CH2-CH-) n Cl Термопластичен. При нагревании размягчается. Горит небольшим пламенем, образуя черный хрупкий шарик. При горении чувствуется острый запах. Достаточно прочен, обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Ограниченно растворим в кетонах, сложных эфирах, хлорированных углеводородов. Устойчив к действию влаги, кислот, щелочей, растворов солей, промышленных газов, бензина, керосина, жиров, спиртов. Стоек к окислению и практически негорюч, обладает невысокой теплостойкостью. Применяется для производства искусственной кожи, плащей, клеенки, труб, изоляционного материала для электрических проводов, стройматериалов.

Полистирол (-CH2-CH-) n C6H5 Термопластичен. Хороший диэлектрик, влагостоек, легко окрашивается и формуется, химически стоек, растворяется в ароматических и хлорированных алифатических углеводородах, физиологически безвреден, однако для полистирола характерны сравнительно низкая теплостойкость и значительная хрупкость. Используют для изготовления предметов бытовой техники и домашнего обихода, упаковки, игрушек, фурнитуры, пленки, для получения пенопластов.

Полиметилметакрилат (-CH2-C -C H Исключительно прозрачен, обладает высокой проницаемостью для лучей видимого и ультрафиолетового света, хорошими физико-механическими и электроизоляционными свойствами, атмосферостоек, устойчив к действию разбавленных кислот и щелочей, воды, жиров, спиртов и минеральных масел. Физиологически безвреден и стоек к биологическим средам. Размягчается при температуре несколько выше 1200 С и легко перерабатывается. Используется в транспортном машиностроении, авиационной и светотехнической промышленности, строительстве и архитектуре, приборостроении, для изготовления вывесок и реклам, бытовых изделий и др.

Фенолформальдегидная смола Отвержденные смолы характеризуются высокими тепло-, водо- и кислостойкостью, а в сочетании с наполнителями и высокой механической прочностью. Из фенолформальдегидного полимера, добавляя различные наполнители, получают фенолформальдегидные пластмассы, т. н. фенопласты. Их применение очень широко. Это: шарикоподшипники, шестерни и тормозные накладки для машин; хороший электроизоляционный материал в радио- и электротехнике. Изготовляют детали больших размеров, телефонные аппараты, электрические контактные платы.

Фторопласт-4 (Ф-4) обладает исключительной химической инертностью по отношению практически ко всем агрессивным средам (за исключением расплавов щелочных металлов и трифторида хлора). Это качество фторопласта-4 используется при эксплуатации трубопроводов для транспортировки высоко агрессивных сред, футеровки реакторов, аппаратов колонного типа, запорной арматуры, насосов, ёмкостей для хранения химически активных сред, прокладочно-уплотнительных деталей контактирующих с агрессивными средами и др. Самый низкий среди конструкционных материалов коэффициент трения, а также равенство статического и динамического коэффициентов трения фторопласта-4 и композиций на его основе обуславливают широкое применение их в машиностроении - в узлах трения механизмов машин и приборов в качестве подшипников и опор скольжения, подвижных уплотнителей - поршневых колец, манжет. Использование фторопластов в узлах трения повышает надежность и долговечность механизмов, обеспечивает стабильную эксплуатацию в условиях агрессивных сред, глубокого вакуума и при сверхнизких температурах. Высокая термостойкость в сочетании с превосходными диэлектрическими характеристиками материала позволяет применить его в электронной радиотехнике для изоляции проводов, кабелей, разъёмов, изготовлении печатных плат, а также в технике СВЧ. Фторопласт-4 можно эксплуатировать при температурах от -269 до +260°С, причем верхний предел ограничивается не потерей химической стойкости, а снижением физико-механических свойств. Физиологическая и биологическая безвредность фторопласта обусловливает его широкое использование в медицинской и фармацевтической промышленности: из него изготавливают протезы кровеносных сосудов, сердечные клапаны, емкости для хранения крови и сыворотки, упаковку для лекарств и многое другое.

Размещено на Allbest.ru