Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ТЕРМІЧНА І Х1МІКО-ТЕРМІЧНА ОБРОБКА СТАЛІ
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Кафедра будівельних конструкцій та мостів
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Теорія
Предмет:
Будівельні конструкції
Група:
ПЦБ-3
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
РОЗДІЛ IV
ТЕРМІЧНА І Х1МІКО-ТЕРМІЧНА ОБРОБКА СТАЛІ
§ 8. Загальні відомості
Термічною обробкою називається сукупність операцій нагрівання, витримування і наступного охолодження заготовок або готових виробів за певними режимами для зміни їх структури і надання їм потрібних механічних, фізичних або хімічних властивостей. В основі термічної обробки сталей лежать перетворення, що відбуваються в них при нагріванні і охолодженні.
1. Перетворення в сталі при нагріванні. Нагрівання сталі до температур, нижчих від лінії PSK (точки Ас1), не супроводиться якими-небудь фазовими перетвореннями. Вони починаються лише при переході через точку Ас1, тобто коли перліт перетворюється на аустеніт. Це перетворення є процесом кристалізаційного типу. Зародження зерен аустеніту починається по краях феритних і цементитних часточок перліту (рис. 16). У наступні моменти ростуть раніше сформовані і зароджуються нові зерна аустеніту. Процес перетворення закінчується заповненням об'єму, який мав до цього перлітну структуру, безліччю дрібних зерен аустеніту. Тому структура евтектоїдної сталі при нагріванні вище від точки Ас1 складається тільки з аустеніту (рис. 17, 6). У структурі доевтектоїдної сталі при цій температурі поряд з аустенітом буде ще й надлишковий ферит (рис. 17, а), а в структурі заевтектоїдної сталі — цементит (рис. 17, в). При нагріванні до більш високих температур ферит і цементит розчинятимуться в аустеніті.
Вище від точок Ас3 і Аcm структура цих сталей складатиметься також з самого тільки аустеніту.
Дрібні зерна аустеніту, що утворилися при перліто-аустенітному перетворенні, з підвищенням температури зростають, особливо при температурах, вищих за точки Ас3 і Аcm. Явище надмірного укрупнення зерен сталі при нагріванні називають перегрівом.
Нагрівання сталі до температур, близьких до лінії солідус, супроводиться обплавленням і окисленням границь зерен, настає так званий перепал — непоправний дефект сталі. Така сталь характеризується дуже низькою ударною в'язкістю, тому не може бути використана як конструкційний матеріал і звичайно йде на переплавку.
2. Перетворення в сталі при охолодженні. Якщо сталь охолоджувати дуже повільно, то в ній утворюються рівноважні структури відповідно до діаграми залізо — вуглець. Аустеніто-перлітне перетворення при цьому відбувається при температурі 727 °С (точка Аг1). Починається воно формуванням зародків перліту, тобто також належить до процесів кристалізаційного типу.
Оскільки аустеніто-перлітне перетворення розвивається на поверхні зерен, то збільшення її площі приводить до збільшення кількості центрів кристалізації. Загальна поверхня зерен у полікристалічній речовині збільшується із зменшенням розміру самих зерен.
Рис. 18. Зміна розміру зерна перліту
Рис. 19. Залежність положення залежно від температури нагріван ня критичних точок евтектоїдної сталі від швидкості охолодження.
Тому чим дрібніші зерна аустеніту в сталі при перетворенні, тим менші розміри утворюваних зерен перліту (рис. 18). І навпаки, з великих зерен аустеніту, зокрема в перегрітій сталі, утворюються великі зерна перліту. Крім того, при охолодженні перегрітої сталі феритні і цементитні виділення відповідно в доевтектоїдній і заевтектоїдній сталях набирають звичайно вигляду голок; таку структуру називають відманштеттовою.
Наявність відманштетової структури свідчить, що сталь була перегріта. Така сталь має погані механічні властивості — малі міцність і ударну в'язкість.
Із збільшенням швидкості охолодження фазові і дифузійні процеси в сталі сповільнюються, тому процес перетворення аустеніту розвивається інакше. В результаті утворюються нерівноважні (метастабільні) структури і сталь набуває інших властивостей.
Розглянемо процес перетворення аустеніту в евтектоїдній сталі при різних швидкостях безперервного охолодження.
При повільному охолодженні аустеніт зберігається до температури 727° С (точка Аг1). Збільшення швидкості охолодження спричинює зниження критичної точки Аг1, тобто переохолодження аустеніту до температур, нижчих за 727° С, які позначають точкою Аг` (рис. 19).
При охолодженні сталі з швидкістю, близькою до 1 град/сек, аустеніт переохолоджується мало і розпадається з утворенням рівноважної перлітної структури твердістю НВ 180—250.
Збільшення швидкості охолодження до 10 град/сек веде до більшого переохолодження аустеніту. У цих умовах він розпадається з утворенням також ферито-цементитної суміші, проте більш дисперсної, ніж перліт. Таку структуру називають сорбітом (С). Середньовуглецева сталь з такою структурою має твердість НВ 250—300 і ударну в'язкість а„ = 0,8—1,2 МДж/м2 (8—12 кГ-м/см2).
Коли швидкість охолодження близька до 100 град/сек, аустеніт розпадається при глибшому переохолодженні з утворенням дуже дрібних, невидимих в оптичний мікроскоп часток фериту і цементиту. Таку структуру називають трооститом (Т). Твердість її досягає НВ 350—400, а ударна в'язкість знижується до 0,2—0,3 МДж/м2 (2—З кГ-м/см2).
З дальшим збільшенням швидкості охолодження до 200 град/сек частина аустеніту в точці Аг` перетворюється на троостит, а частина переохолод жу єть ся до нижчої температури Аг`` (Мп) і потім перетворюється на мартенсит (М). Тому структура сталі (рис. 20, а) після охолодження з такою швидкістю складається з трооститу (темні, ділянки) і мартенситу (світлі ділянки з характерною голчастою будовою).
При швидкості охолодження, більшій за 200 град/сєк, аустеніт переохолоджується до точки Аг`` (Мп) і потім повністю перетворюється на мартенсит (рис. 20,6). Температура ж мартенситного перетворення (рис. 19) Аг`` (Мп) не залежить від швидкості охолодження. Для евтектоїдної вуглецевої сталі вона становить 240° С.
Аустеніто-мартенситне перетворення супроводиться тільки перегрупу ван ням атомів з γ– в α–гратку. При цьому весь вуглець залишається в α–гратці, утво рюючи пересичений твердий розчин в α–залізі — мартенсит. Внаслідок ве ликого спотворення кристалічної гратки твердість мартенситу досягає НВ 600—650, а ударна в'язкість знижується приблизно до 0,1 МДж/м2 (1 кГ-м/см2). Твердість мартенситу спочатку різко зростає із збільшенням вмісту вуглецю до 0,5%, а потім підвищується мало.
Мінімальна швидкість охолодження, при якій у сталі відбувається тільки мартенситне перетворення, називається критичною швидкістю охолодження vкр. У розглядуваному випадку vкр =200 град/сек.
Повніше уявлення про кінетику розпаду аустеніту дає так звана діаграма ізотермічного перетворення аустеніту, тобто перетворення при сталій температурі (рис. 21).
Рис. 21. Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту в евтектоїдній сталі.
Для її побудови серію зразків з досліджуваної сталі (наприклад, евтектоїдної) нагрівають вище від точки Аcm, щоб мати однорідний аустеніт. Потім по два–три зразки з серії охолоджують до заданих температур у розплавлених солях і за допомогою спеціальних методів визначають при цих температурах початок і кінець розпаду аустеніту в кожному з них. Позначивши результати цього перетворення на полі діаграми і сполучивши плавними кривими точки початку і закінчення перетворень, дістають дві С–подібні криві, які відображають початок і кінець ізотермічного перетворення аустеніту при різних температурах, тобто залежно від ступеня його переохолодження. Ізотермічне перетворення аустеніту починається через деякий проміжок часу, який визначається мірою його переохолодження. Спочатку цей період зменшується до деякої критичної величини т, а потім знову збільшується.
Криві охолодження будують у тих самих координатах, що й діаграму ізотермічного перетворення аустеніту. Якщо припустити, що зниження температури при охолодженні пропорційне часу, то криві охолодження стають прямими і в такому вигляді можуть бути нанесені на діаграму ізотермічного перетворення аустеніту. Зрозуміло, що кут нахилу цих прямих до осі абсцис із збільшенням швидкості охолодження також збільшується. Отже, при швидкостях охолодження v1 < v2 < v3, коли відповідні прямі перетинають верхні відрізки кривих початку і кінця аустенітного перетворення, у сталі утворюються ферито-цементитні суміші (перліт, сорбіт, троостит).
При швидкості охолодження v6 аустеніт переохолоджується без змін до температури Мп і потім перетворюється на мартенсит. Те саме відбувається і при меншій швидкості v5. Мінімальною швидкістю охолодження, яка забезпечує утворення в сталі тільки мартенситу, є швидкість v4. Отже, швидкість охолодження v4 — критична. З цього випливає, що чим далі праворуч від осі ординат лежить на діаграмі крива початку розпадання аустеніту в сталі певного складу (чим більше τ), тим стійкіший аустеніт, тим при меншій швидкості охолодження можна дістати мартенситну структуру.
Перетворення аустеніту на мартенсит відбувається не при сталій температурі, а в інтервалі температур: починається в точці Мп і закінчується в точці Мк. Для евтєктоїдної вуглецевої сталі точка Мк відповідає температурі мінус 50° С. Тому при охолодженні до кімнатної температури аустеніто-мартенситне перетворення в цій сталі повністю не закінчується і в її структурі поряд з мартенситом є частина аустеніту, що не розпався. Такий аустеніт називають залишковим (А3).
У вуглецевих сталях кількість залишкового аустеніту становить 3—10%, а в легованих досягає десятків процентів. Оскільки залишковий аустеніт значно м'якший за мартенсит, то загальну твердість загартованої сталі він зменшує. Тому для більш повного мартенситного перетворення сталь з великим вмістом залишкового аустеніту після гартування (див. нижче) додатково обробляють холодом, тобто охолоджують до температури, нижчої від точки Мк.
Розташування точок Мп і Мк визначається хімічним складом сталі і від швидкості охолодження не залежить.
§ 9. Основні види термічної обробки сталі.
Залежно від режимів нагрівання й охолодження термічну обробку поділяють на відпалювання, нормалізацію, гартування і відпускання.
1. Відпал — це операція, при якій сталь нагрівають вище від критичних точок, витримують при цій температурі і потім повільно (звичайно разом із піччю) охолоджують. Розрізняють дифузійний, повний і неповний відпал (рис. 22). Дифузійному відпалу піддають великі злитки і виливки для підвищення їх однорідності, або, інакше, гомогенності. Тому дифузійне відпалювання називають також гомогенізацією. Для цього сталь нагрівають до температури, значно вищої від критичних точок Ас3 і Аcm, звичайно до 1100—1150° С, витримують протягом 8—15 год і потім повільно охолоджують.
Повне відпалювання проводять при температурі, що перевищує критичну точку Ас3 лише на З0—50° С. Оскільки нагрівання сталі вище від точки Ас3 супроводиться фазовою перекристалізацією, тобто зародженням нових зерен у металі і, отже, подрібненням зерен, то повне відпалювання дає змогу усунути спричинену перегрівом крупнозернистість у сталі, дістати структуру з рівномірнішим розподілом фериту і перліту, зняти внутрішні напруження. При повному відпалі зменшується твердість і підвищується пластичність сталі. Повному відпалу піддають доевтектоїдні і евтектоїдну сталі.
При неповному відпалюванні сталь нагрівають до температур, вищих за точки Ас3, але нижчих від точок Ас1 або Аcm. При цих температурах відбувається перекристалізація тільки перліту, а надлишкова фаза (ферит у доевтектоїдних і цементит у заевтектоїдних сталях) залишається без змін. Неповному відпалу піддають поковки і штамповки, оброблені при температурах, що не спричинюють значного зростання зерен. Метою неповного відпалу є зняття внутрішніх напружень у сталі.
Нагрівання заевтектоїдних сталей трохи вище точки Ас1 (до 740—750 °С), витримка при цій температурі і наступне дуже повільне охолодження при переході через точку Аг1 сприяє сфероїдизації цементиту, тобто утворенню зернистого перліту. Тому відпалювання на зернистий перліт інакше називають сфероїдизацією. Сталі з структурою зернистого перліту менш тверді, більш в'язкі і мають кращу оброблюваність, ніж сталі з структурою пластинчастого перліту.
2. Нормалізація (рис. 22) полягає в нагріванні сталі на ЗО—50° С вище від точок Ас3 або Аcm, витримуванні при цій температурі і наступному охолоджуванні на спокійному повітрі. Отже, нормалізація відрізняється від повного відпалювання дещо більшою швидкістю охолодження.
У маловуглецевих сталях (до 0,3% С) нормалізація сприяє утворенню більш дрібнозернистої, ніж при відпалі, ферито-перлітної структури. У середньовуглецевих сталях (0,3— 0,5% С) при нормалізації утворюється сорбітоподібний перліт. Тому в нормалізованому стані ці сталі мають кращі механічні властивості, ніж у відпаленому. У заевтектоїдних сталях нормалізація сприяє знищенню крихкої цементитної сітки по краях зерен.
Для вуглецевих сталей нормалізація звичайно замінює триваліший за часом процес відпалювання.
3. Гартуванням називається операція, при якій сталь нагрівають на 30—50° С вище від точки Ас1 або Ас3, витримують при цій температурі, а потім швидко (звичайно з швидкістю, більшою за критичну) охолоджують. Внаслідок такої обробки в сталі, як правило, формується мартенситна структура, тому твердість і міцність її досягають максимальної величини.
Нагрівання при гартуванні потрібне для переведення структури сталі в стан аустеніту, а швидке охолодження — для того, щоб запобігти розпаданню аустеніту на ферито–цементитні суміші (троостит, сорбіт) і переохолодженню його до температури аустеніто–мартенситного перетворення.
Аустеніт у сталях утворюється при переході через точку Ас1. В інтервалі температур між точками Ас1 і Ас3 доевтектоїдні сталі складаються з аустеніту і фериту. При гартуванні від цих температур аустеніт перетворюється в мартенсит, а ферит залишається без змін, тобто ферито–аустенітна суміш перетворюється на мартенсит неповністю. Тому таке гартування називається неповним. Наявність фериту в загартованій сталі збільшує неоднорідність її структури, а також знижує міцність і твердість. У зв'язку з цим неповне гартування для доевтектоїдних сталей не застосовують. Доевтектоїдні сталі піддають повному гартуванню від температури, вищої за точку Ас1 на 30—50° С. При цій температурі структура їх складається лише з аустеніту. Після такого гартування структура доевтектоїдних сталей стає мартенситною.
Структура заевтектоїдних сталей після неповного гартування — мартенсит і надлишковий цементит. Оскільки твердість цементиту вища за твердість мартенситу, то наявність цементиту в загартованій сталі не знижує її твердості і навіть є бажаною. Тому заевтектоїдні сталі піддають неповному гартуванню від температури, що перевищує точку Ас1 на 30—50 °С. Повне гартування для цих сталей навіть шкідливе, бо супроводиться зростанням зерен і потребує додаткової витрати тепла.
Процес гартування складається з двох операцій — нагрівання і охолодження. Чим більші розміри виробів, складніші їх форма і хімічний склад, тим повільніше треба їх нагрівати, інакше у виробі можуть виникнути великі внутрішні напруження і, як наслідок цього, жолоблення і навіть розтріскування. Вирішальним фактором у процесі гартування є швидкість охолодження, тому що вона визначає характер структури сталі, яка формується при цьому.
Оптимальними умовами гартування є такі, що, по-перше, забезпечують переохолодження аустеніту до температур, нижчих за температури мінімальної його стійкості (650—550 °С), виключаючи тим самим можливість утворення ферито-цементитних сумішей (трооститу і сорбіту), а по–друге, перешкоджають виникненню великих внутрішніх напружень у виробах у момент перетворення аустеніту на мартенсит (300—200 °С). Такі умови можна створити тоді, коли у верхньому інтервалі температур (тобто вище від мінімальної стійкості аустеніту) вироби охолоджувати з швидкістю, вищою за критичну, а в нижньому — з невеликою швидкістю.
Швидкість охолодження сталі при гартуванні визначається охолодною здатністю гартівного середовища (найчастіше води або мінерального масла).
Вода кімнатної температури охолоджує сталь в інтервалі 650—550 °С з швидкістю, вищою за критичну (приблизно 600 град/сек. У цьому її перевага як гартівного середовища. Істотним недоліком води є те, що в момент аустеніто–мартенситного перетворення вона охолоджує сталь також з великою швидкістю (близько 300 град/сек), а це призводить до виникнення великих внутрішніх напружень, які спричинюють короблення і навіть розтріскування загартовуваних виробів.
Мінеральне масло під час аустеніто–мартенситного перетворення охолоджує сталь приблизно в 10 раз повільніше за воду і тим самим значно зменшує внутрішні напруження. Але у верхньому інтервалі температур воно не забезпечує критичної швидкості охолодження вуглецевих конструкційних сталей і не дає змоги переохолодити аустеніт до температури мартенситного перетворення. Тому після гартування в маслі ці сталі мають не мартенситну, а троостито–мартенситну структуру.
Із збільшенням вмісту вуглецю або введенням у сталь легуючих елементів стійкість аустеніту підвищується (криві на діаграмі ізотермічного перетворення аустеніту зсуваються праворуч). Тому такі сталі потребують меншої швидкості охолодження при гартуванні. У ряді випадків масло для них є оптимальним гартівним середовищем.
Залежно від складу сталі, форми і розмірів виробів, що гартуються, застосовують різні способи гартування.
Гартування в одному середовищі виконують зануренням загартовуваного виробу в охолодне середовище (воду, масло), де він і залишається до повного остигання (рис. 23, крива 1). Завдяки своїй простоті цей вид гартування набув найширшого застосування. Проте вій має істотний недолік, оскільки супроводиться виникненням у виробі, що гартується, великих внутрішніх напружень.
Гартування в двох середовищах до деякої міри усуває недоліки гартування в одному середовищі. Воно полягає в тому, що нагрітий під гартування виріб спочатку охолоджують з великою швидкістю (звичайно у воді), щоб запобігти передчасному розпаданню аустеніту. Потім виріб переносять до іншого середовища, наприклад у масло, для сповільненого охолодження для аустеніто–мартенситного перетворення (рис. 23, крива 2). Такий прийом сприяє значному зменшенню внутрішніх напружень у виробі і перешкоджає його жолобленню.
Проте і цей прийом не позбавлений недоліків, тому що визначити потрібний момент перенесення виробу з одного середовища до іншого технічно важко. Внаслідок цього гартування в двох середовищах не дає стабільних результатів термічної обробки партії виробів. Уникнути цих труднощів удається при ступінчастому гартуванні.
Ступінчасте гартування виконують також у дві стадії. Після нагрівання виріб спочатку занурюють в охолодне середовище (звичайно в розплавлені солі) з температурою, трохи вищою за точку Мп початку мартенситного перетворення сталі певного складу, витримують при цій температурі, а потім остаточно охолоджують у маслі або на повітрі (рис. 23, крива 3). Ступінчастому гартуванню звичайно піддають невеликі за розмірами вироби змінного перерізу.
Ізотермічне гартування — це охолодження сталі до температури, трохи вищої за точку Мп, і витримування при цій температурі протягом часу, потрібного для завершення ізотермічного перетворення аустеніту (рис. 23, крива 4). Оскільки температура гартівного середовища при цьому перевищує температуру мартенситного перетворення Мп, то аустеніт при ізотермічному гартуванні розпадається з утворенням проміжної структури — голчастого трооститу (ГТ), за твердістю близького до мартенситу, але більш в'язкого. Для вуглецевих сталей цей вид гартування застосовується рідше.
Якщо вироби повинні мати високу твердість тільки в поверхневих шарах, а серцевина має залишитися в'язкою, то такі вироби піддають поверхневому гартуванню — високочастотному або полуменевому.
При високочастотному гартуванні (рис. 24, а) вироби нагрівають в індукторі (соленоїді), по якому проходить струм високої частоти (с. в. ч.). Нагрівання с. в. ч. грунтується на тому, що у виробі, який вміщено в індуктор, індукуються так звані вихрові струми, що супроводяться виділенням тепла. Оскільки вихрові струми концентруються в поверхневих шарах, то й зумовлюють вони поверхневе нагрівання виробів. Потрібних глибини і температури нагрівання поверхневого шару досягають зміною частоти струму і швидкості переміщення індуктора або виробу. Потім нагрітий шар швидко охолоджують водою, яка подається крізь внутрішні отвори в індукторі, або виріб скидають у гартівну ванну.
Високочастотне гартування характеризується великою швидкістю обробки і економічністю процесу, що дає змогу застосовувати його в автоматичних агрегатах загального потоку виробництва.
При полуменевому гартуванні (рис. 24,6) поверхневі шари нагрівають ацетилено–кисневим полум'ям, яке переміщують з певною швидкістю вздовж загартовуваного виробу. Слідом за пальником подається вода для швидкого охолодження поверхневого шару. Цей вид гартування звичайно застосовують у важкому машинобудуванні для гартування великих деталей.
Щоб мати мартенситну структуру, сталь при гартуванні охолоджують із швидкістю, вищою за критичну. Проте оскільки внутрішні шари виробу охолоджуються повільніше від зовнішніх з швидкістю, меншою за критичну, то замість мартенситу в них може утворитися троостит і навіть сорбіт.
Глибина утворюваної у виробі мартенситної зони характеризує так звану прогартовуваність сталі і є однією з найважливіших її характеристик. Прогартовуваність залежить від стійкості переохолодженого аустеніту, яка в свою чергу визначається хімічним складом сталі. Чим стійкіший аустеніт, тобто чим далі праворуч розташовані С–крнві на діаграмі ізотермічного перетворення, тим менша критична швидкість гартування і тим більша прогартовуваність сталі. Максимальний діаметр зразка, що в певних умовах прогартовується наскрізь, називається критичним діаметром гартування.
4. Відпуск застосовують для зменшення внутрішніх напружень і твердості, а також для підвищення ударної в'язкості загартованих виробів (рис. 25). Такий вид обробки полягає у нагріванні виробів до температур, нижчих за точку Ас1. Швидкість охолодження після відпуску для більшості сталей не має особливого значення, тому для прискорення цієї операції як охолоджувальне середовище звичайно використовують воду або масло.
Залежно від температури розрізняють низький, середній і високий відпуск.
При низькому відпуску (150—200 °С) структура мартенситу в сталі зберігається, але з нього виділяються дуже дисперсні частки карбіду заліза. Тому внутрішні напруження у виробі зменшуються, дещо підвищується в'язкість, а твердість практично не змінюється. Низькому відпуску піддають вироби, які повинні мати високу твердість (наприклад, ріжучий або вимірювальний інструмент).
Середнє відпускання (350—450 °С) супроводжується більш істотними змінами в структурі і властивостях сталі: мартенсит перетворюється на троостит, тому твердість сталі зменшується приблизно до НВ 400, а в'язкість значно підвищується.
Середньому відпусканню піддають інструменти і деталі машин, що працюють при помірних ударних навантаженнях (штампи, пружини, ресори).
Високий відпуск (450—650 °С) веде до утворення сорбітної структури, а це забезпечує майже повне усунення внутрішніх напружень і найкраще співвідношення міцності і в'язкості сталі при достатній її твердості. Високому відпуску піддають деталі машин (вали, шестерні). Гартування з наступним високим відпуском називають ще поліпшенням сталі.
Слід зазначити, що характерною особливістю ферито–цементитних структур відпускання (трооститу, сорбіту) є їх зерниста будова, на відміну від пластинчастої, яку вони мають при розпаді аустеніту. Утворення зернистої будови й зумовлює комплекс високих механічних властивостей у відпущеної сталі.
§ 10. Хіміко–термічна обробка сталі.
Хіміко–термічна обробка полягає в дифузійному насиченні поверхневих шарів стальних виробів різними елементами при підвищених температурах. На відміну від термічної, хіміко–термічна обробка супроводжується зміною хімічного складу поверхневого шару виробів.
Найпоширенішими видами хіміко–термічної обробки є цементація, азотування, ціанування і дифузійна металізація.
1. Цементацією називається процес насичення поверхневого шару сталевих виробів вуглецем. Цементації піддають сталі з вмістом вуглецю до 0,2%. Розрізняють цементацію в твердому і газоподібному карбюризаторах (вуглецевомісткій суміші).
Як твердий карбюризатор застосовують суміш деревного вугілля з вуглекислими солями ВаСО3, СаСО3 тощо. Вироби, що цементуються, разом з карбюризатором поміщають у металеві ящики, закривають кришками, старанно обмащують глиною і в такому вигляді витримують у печі при температурі 930—950 °С протягом 5—25 год. При цьому в карбюризаторі відбуваються такі реакції:
Атомарний вуглець Сат, що виділяється, дифундує в поверхневі шари стального виробу і за певний час проникає на глибину 0,5—2,5 мм.
Газову цементацію здійснюють у спеціальних камепах при температурі 930—1000 °С в середовищі циркулюючої суміші вуглецевомістких газів (природного, генераторного, світильного). Поряд з оксидами вуглецю карбюризаторами в такому середовищі є також вуглеводні, наприклад метан
Газова цементація продуктивніша, її легко механізувати й автоматизувати. Ефективним методом інтенсифікації газової цементації є нагрівання виробів с. в. ч. і підвищення її температури до 1050—1070 °С.
Цементація — процес дифузійний, тому концентрація вуглецю в поверхневому шарі цементованих виробів змінюється від 1,0—0,8 % до вихідної в сталі. У зв'язку з цим поступово змінюється і структура поверхневого шару від перліто-цементитної до ферито-перлітної із зменшенням кількості перліту (рис. 26).
Цементовані вироби піддають гартуванню і низькому відпуску, внаслідок чого в поверхневому шарі утворюється мартенсит, а маловуглецева серцевина складається з в'язкої ферито-перлітної суміші. Тому в цементованих виробів висока стійкість проти спрацювання поєднується з належним опором ударним навантаженням.
2. Азотування — це насичення поверхневих шарів сталі азотом. Азотуванню звичайно піддають вироби з легованих сталей із вмістом Аl, Мо, Ті, V, W. Азотують в атмосфері аміаку при температурі 500—600 °С. Внаслідок дисоціації аміаку виділяється атомарний азот, який і дифундує в сталь, утворюючи з її компонентами дуже тверді сполуки — нітриди (A1N, Mo2N, VN тощо). Тому азотована поверхня твердіша за цементовану, має підвищену корозійну стійкість і, крім того, підвищує циклічну міцність виробу. Азотуванню піддають готові вироби, які вже пройшли термічну обробку (гартування з високим відпуском) і були відшліфовані до точних розмірів.
Одним з недоліків азотування є велика його тривалість — до 90 год. За цей час утворюється зміцнений шар, глибина якого досягає 0,8 мм.
3. Ціанування — це процес одночасного насичення поверхневих шарів сталі вуглецем і азотом. Відбувається воно в розплавлених ціаністих солях (NaCN, KCN) або в середовищі суміші цементуючого (наприклад, вуглеводні) і азотуючого (аміак) газів. При застосуванні газового середовища цей процес називають нітроцементацією.
Співвідношення між кількістю вуглецю і азоту в поверхневих шарах можна регулювати, змінюючи температуру процесу. При зниженій температурі (530—560 °С) виріб насичується переважно азотом, а при підвищеній (800—950 °С) — вуглецем.
Тривалість процесу ціанування в рідких солях становить 0,5—0,6 год, а нітроцементації — 3—12 год. Протягом цього часу вуглець і азот дифундують на глибину приблизно 0,5—1,5 мм.
Низькотемпературне ціанування (530—560 °С) застосовують звичайно після остаточної термічної обробки виробу — гартування і високого відпускання. Після середньотемпературного (820—850 °С) і високо тем пературного (800—950 °С) ціанування вироби піддають гартуванню і низькому відпуску при 160—200 °С.
Ціанування застосовують для підвищення твердості і стійкості проти спрацювання ріжучого інструменту і деталей машин, які працюють при невеликих навантаженнях.
4. Дифузійна металізація — процес насичення поверхневого шару сталі хромом (хромування), алюмінієм (алітування) та іншими металами. Процеси проводять в твердому і газовому середовищах — металізаторах. Як твердий металізатор використовують суміш феросплаву (сплаву заліза з високим вмістом відповідного елемента — А1, Сг та ін.) з нашатирем NH4C1. При температурі 800—1200 °С в цій суміші утворюється летка сполука хлору з металом (СгС12) А1С13 тощо), яка потім дисоціює, і вільні атоми металу дифундують у поверхневі шари оброблюваної сталі. Процес насичення триває 5— 15 год. Газова металізація відбувається в середовищі хлоридів відповідних металів.
Насичення поверхневих шарів сталі і стальних виробів хлором і алюмінієм застосовують для підвищення їх жаростійкості; хромування, крім того, збільшує стійкість проти спрацювання і корозії деталей машин.
РОЗДІЛ V
ЛЕГОВАНІ СТАЛІ
Легованими називають сталі зі спеціально введеними легуючими елементами, які помітно змінюють їх механічні і фізико-хімічні властивості. До таких елементів належать Cr, Ni, W, Mo, V, Ті та ін. Марганець у кількості понад 1 % і кремній понад 0,5 % також є легуючими.
§ 11. Вплив легуючих елементів на структуру і властивості сталі
Властивості легованих сталей визначаються кількістю введених легуючих елементів і характером їх взаємодії з основними компонентами — залізом і вуглецем. За цією ознакою легуючі елементи можна поділити на дві такі групи:
а) елементи, які не утворюють карбідів (Ni, Co, Si, Al, Cu);
б) карбідоутворюючі елементи (Сг, Мп, Mo, W, V, Ті, Zn, Nb).
Елементи першої групи у відпалених сталях розчинені у фериті, а в загартованих — у мартенситі або аустеніті. Тому наявність їх у структурі сталі мікроскопічним аналізом виявити не можна.
Карбідоутворюючі елементи заміщують частину атомів заліза в цементиті, наприклад: (Fe, Cr)3C, (Fe, Mn)3C, (Fe, Mo)3C, або утворюють спеціальні карбіди — VC, ТіС, ТаС та ін. При невеликій кількості вуглецю частина цих елементів може перебувати в твердому розчині.
Легуючі елементи істотно впливають на поліморфне перетворення заліза. Одні з них (Ni, Co, Mn) знижують критичну точку А3 (рис. 27, а) і підвищують A4. Тому сталі, в яких вміст цих елементів перевищує концентрацію, що визначається точкою М, при кімнатній температурі мають аустенітну структуру і при нагріванні не зазнають фазових перетворень до початку плавлення. Інші елементи (Cr, Si, V, Mo, W), навпаки, підвищують точку А3 і знижують A4 (рис. 27,6). При концентрації цих елементів понад кількість, визначену точкою N, сталі мають феритну структуру і також не зазнають фазових перетворень при нагріванні.
Більшість легуючих елементів підвищують стійкість переохолодженого аустеніту: зсувають С–криві на діаграмі праворуч, тобто зменшують критичну швидкість охолодження. Це дає можливість застосовувати при гартуванні легованих сталей менш інтенсивні охолоджувачі (масло і навіть повітря) і цим зменшувати гартівні напруження. Зменшення критичної швидкості гартування сприяє також поліпшенню прогартовуваності сталі. Так, введення 5 % Ni збільшує критичний діаметр гартування сталі з 12 до 50 мм, 5 % W збільшує критичний діаметр гартування її до 90 мм, а 0,4 % Мо — до 100 мм. Підвищена прогартовуваність є однією з головних переваг легованої сталі перед звичайною вуглецевою.
Багато легуючих елементів (Мп, Сг, Мі та ін.) знижують температуру початку Мп і кінця Мк мартенситного перетворення, що призводить до збільшення кількості залишкового аустеніту в загартованій сталі.
На перетворення в сталі при відпуску впливають головним чином карбідоутворюючі елементи. Леговані карбіди починають виділятися в структурі при вищих температурах (450—550 °С), ніж цементит у вуглецевих сталях (200—250 °С). Крім того, вони відзначаються високою дисперсністю і малою схильністю до збільшення розмірів. Тому зниження твердості і міцності загартованої сталі з такими карбідами при нагріванні сповільнюється і стає помітним тільки при температурі 550—650 °С, тобто теплостійкість сталі підвищується.
§ 12. Маркування легованих сталей
Для маркування легованих сталей взято буквенно–цифрову систему. Відповідно до неї легуючі елементи позначають такими буквами: А — азот (але не на кінці марки), Б — ніобій, В — вольфрам, Г — марганець, Д — мідь, К — кобальт, М — молібден, Н — нікель, П — фосфор, Р — бор, С — кремній, Т — титан, Ф — ванадій, X — хром, Ц — цирконій, ІО — алюміній.
Дві перші цифри на початку марки конструкційних сталей показують середній вміст вуглецю в сотих частках процента, а цифри після букв — середній вміст позначеного цими буквами елемента в процентах. Наприклад, марка 18Х2Н4В означає сталь з таким складом: 0,18 % С, 2 % Сг, 4 % № і близько 1 % W.
При маркуванні інструментальних і деяких інших сталей іноді відходять від розглянутої системи позначень. Так, марка 4Х9С2 означає жароміцну сталь з 0,4 а не з 0,04% С; 9ХС — інструментальну сталь з 0,9% С. У марках інструментальних сталей із вмістом вуглецю, більшим ніж 1%, цифри взагалі не пишуть. Наприклад, марка Х12М означає сталь із вмістом близько 1,5 % С, 12 % Сг і 1,5 % Мо.
Букви в кінці марки означають наступне: А — високоякісна сталь з мінімальним вмістом сірки і фосфору; Л — сталь, призначена для лиття; В — сталь, розлита у вакуумі.
Деякі леговані сталі виділено в окремі групи і позначено буквами так: Ш — підшипникові; Р — швидкоріжучі; Е — магнітні; Э — електротехнічні.
Виплавлені на заводі «Електросталь» дослідні сталі позначають буквами ЭИ (дослідні) або ЭИ (пробні) і порядковим номером, наприклад: ЭИ 765, ЭИ 389.
§ 13. Класифікація легованих сталей
1. Структури легованих сталей. Леговані сталі поділяють на .класи залежно від того, яка структура утворюється в них після нормалізації зразків діаметром 25 мм. Розрізняють сталі перлітного, мартенситного і аустенітного класів.
Перлітну (сорбітну, трооститну) структуру після нормалізації мають сталі з невеликою кількістю легуючих елементів. У цих сталей крива охолодження перетинає діаграму ізотермічного перетворення аустеніту в області високих температур (рис. 28, а).
Сталі мартенситного класу містять більше легуючих елементів, ніж сталі перлітного класу. Тому діаграма їх ізотермічного перетворення зміщена праворуч, а мартенситна точка Мп — донизу. У цьому випадку крива охолодження при нормалізації не перетинається з кривими діаграми, тобто аустеніт переохолоджується до точки Мп і перетворюється на мартенсит (рис. 28, б).
Для високолегованих сталей аустенітного класу діаграма ізотермічного перетворення зміщена ще більше праворуч, а точка Мп — нижче 0 °С. Тому при нормалізації структурні перетворення в цих сталях не відбуваються і аустеніт зберігається до кімнатної температури (рис. 28, в).
Окрім того, сталі з великою кількістю карбідоутворюючих елементів і досить високим вмістом вуглецю звичайно виділяють у карбідний клас, а сталі з великим вмістом феритоутворюючих елементів (Сг, Si) і малою кількістю вуглецю — у феритний клас.
За призначенням леговані сталі поділяють на конструкційні, інструментальні і сталі з спеціальними властивостями.
2. Конструкційні леговані сталі призначені для виготовлення деталей машин та інших конструкцій. Ці сталі повинні мати високу міцність, ударну в'язкість і пружність. Цьому відповідають низько- і середньолеговані сталі, які містять Мп, Si, Cr, Ni і (рідше) W, Мо, V. Марганець, кремній і хром підвищують міцність і твердість сталі. Нікель додають до сталі головним чином для підвищення її прогартовуваності й ударної в'язкості. Вольфрам і молібден використовують як добавки (звичайно в хромонікелевих сталях) для підвищення міцності і твердості сталі, а ванадій — для збільшення пружності при підвищених температурах.
Марганцевисті конструкційні сталі містять марганцю до 2% (15Г, 20Г, 40Г2). Вони легко обробляються тиском і різанням, добре зварюються, після цементації мають більш в'язку і міцну, ніж цементовані вуглецеві сталі, серцевину. Застосовують їх для виготовлення зварних конструкцій, а також виробів, які піддають цементації.
Хромисті сталі 15Х, 20Х застосовують для виготовлення деталей, що цементуються, які працюють при наявності тертя і потребують підвищеної міцності і в'язкості серцевини, а сталі З0Х і 40Х — для деталей, що гартуються (валів, осей, шестерень). Хромисті сталі з вмістом 0,9—1,1 % С і 0,8—1,6 % Сг (ШХ9, ШХ15) мають високу твердість і стійкість проти спрацювання; їх застосовують для виготовлення деталей кулько– і роликопідшипників.
Хромонікелеві сталі є одними з найкращих конструкційних матеріалів. Після термічної обробки вони набувають великої міцності, твердості і пружності у поєднанні з високою ударною в'язкістю. Наприклад, сталі 12ХНЗА, 15ХГНТ, 12Х2Н4А, 20ХГНР застосовують для виготовлення важконавантажуваних деталей, що цементуються, а сталі 37ХНЗА, 40ХН — для деталей, що гартуються (валів, зубчастих коліс, осей і т. п.).
Хромомарганцевокремнисті сталі 25ХГСА і З0ХГСА, які називають хромансилями, відзначаються високою міцністю і доброю зварюваністю. Вони є основним матеріалом для виготовлення зварних конструкцій.
Хромонікельвольфрамові й хромонікельмолібденові сталі (наприклад, З0ХНВА, 40ХНМА) мають високі механічні властивості: велику в'язкість і міцність проти втомлюваності тощо. Ці сталі застосовують для виготовлення деталей, які працюють при великих навантаженнях і вібраціях.
3. Інструментальні сталі повинні мати високу твердість і стійкість проти спрацювання. Тому їх легують головним чином карбідоутворюючими елементами (Сг, W, V). Марганець і кремній вводять у ці сталі для підвищення їх прогартовуваності.
Залежно від призначення інструментальні сталі поділяють на сталі для ріжучого, штампового і вимірювального інструменту.
Сталі для різального інструменту в свою чергу поділяють на такі, що призначені для роботи при незначному нагріванні (200—220° С) і для роботи при нагріванні до 600—650 °С. Останні називають швидкоріжучими.
Сталі з теплостійкістю до 200—220° С застосовують для виготовлення сверл, мітчиків, плашок, розверток, зенкерів, напилків і т. п. До них належать, наприклад, сталі марок X (1 % С; 1,4 % Сг), ХВГ (1 % С; 1,3 % W; 1 % Мп), 9ХС (0,9 % С; 1,1 % Сг; 1,3 % Si).
Швидкоріжучі — це високолеговані сталі. Найпоширеніша швидкоріжуча сталь РІ8 у середньому містить 0,75 % С, 18% W, 4% Сг і 1,2% V. Швидкорізальні сталі для інструментів, які працюють у важких умовах, додатково легують кобальтом і підвищеною кількістю ванадію (Р18К5Ф5).
Структура відпалених швидкоріжучих сталей має до 25% карбідів. З метою надання сталі найкращих ріжучих властивостей треба максимальну кількість легуючих елементів перевести з карбідів у твердий розчин. Цього досягають гартуванням швидкорізальної сталі при температурі 1200—1300 °С. Після такого гартування структура сталі складається з мартенситу, карбідів і залишкового аустеніту (близько 30%). Наступне дво– або триразове відпускання при температурі 560 °С зменшує вміст залишкового аустеніту до 3—5%.
Для виготовлення штампів холодного деформування металів застосовують сталі високої твердості і міцності. Ці сталі повинні мати й достатню в'язкість, оскільки штампи з них працюють при великих ударних навантаженнях. Такі властивості мають сталі марок Х12М, 4ХС, 4ХВ2С та ін.
До штампових сталей гарячого деформування металів ставлять вищі вимоги: вони повинні мати підвищені теплостійкість і теплопровідність, добру термостійкість (5ХНМ, 5ХМФС).
Штампи для гарячої висадки і пресування нагрівають під час роботи до вищих температур, ніж кувальні. Тому для їх виготовлення застосовують високовольфрамові сталі і сталі, додатково леговані Мо, V і Si, наприклад: ЗХ2В8Ф, 4ХВ2С.
Сталі для вимірювального інструменту повинні мати високу стійкість проти спрацювання, невеликий коефіцієнт лінійного розширення і здатність тривалий час зберігати задані розміри. Цим вимогам відповідають сталі марок X і ХВГ.
Сталі і сплави з спеціальними властивостями. До цієї групи належать сталі і сплави, що мають особливі хімічні або фізичні властивості. Сталі ці поділяють на нержавіючі, жароміцні, жаростійкі (окалиностійкі), магнітні, з високим електроопором, з особливими тепловими властивостями та ін.
Нержавіючі сталі мають високу корозійну стійкість у хімічно активних газових і рідких середовищах. Висока корозійна стійкість цих сталей забезпечується великим вмістом хрому і нікелю.
Хромисті нержавіючі сталі 20X13, ...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора