3.Азотирование.

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных изделий азотом (N₂). Осуществляется азотирование путем нагрева деталей в потоке аммиака (NH₃) при 480-650⁰С. Тонкий азотированный слой очень тверд, износостоек и хорошо сопротивляется коррозии.

Кроме того, азотирование создает на поверхности изделий остаточные напряжения сжатия, повышающие предел выносливости и долговечность.

Сущность процесса азотирования заключается в разложении NH₃ на N₂ и H₂: 2NH₃ =2N+3H_2. Активные (в момент выделения) атомы азота проникают в решетку -Fe и диффундирует в ней. В результате получается ряд структурных составляющих и переходных структур. В начале при азотировании получается  -фаза, т.е. твердый раствор N₂ в феррите, который при температуре 591⁰С растворяет до 0,42% N, а при атмосферной температуре – только до 0,015%N.

При повышении содержания N образуется ´- фаза, содержащая 5,7-6,1% N и представляющая собой твердый раствор на основе нитрида Fe (Fe₄N).

Наконец, при дальнейшем повышении содержания азота образуется ε - фаза – твердый раствор на базе нитрида Fe (Fe₃N), содержащая 8,0-11,2% азота. Наибольшее содержание в ней азоту отвечает нитриду Fe₂N (11,2%).

При температурах выше 591⁰С образуется  - фаза, представляющая собой твердый раствор азота в -Fe. Понижение температуры приводит к эвтектоидному распаду. Азотистый эвтектоид состоит из  и  '- фаз и содержит 2,35% N.

Твердость азотированного слоя простой углеродистой стали невелика, поэтому азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали.

При азотировании легированных сталей образуются нитриды специальных элементов: Al, Ti, V, Cr, Mo, W и Mn: AlN, TiN, VN и т.д., которые придают азотированному слою очень высокую твердость.

Хорошие результаты дает азотирование нержавеющей и жароупорной стали. Замечательные антифрикционные свойства обнаруживает азотированная поверхность графитизированной стали, т.е. стали, имеющей в структуре графит. Она отличается высокой твердостью и износостойкостью; вместе с тем, графит удерживает смазку и понижает коэффициент трения, что очень важно для гильз, цилиндров, втулок и подшипников.

Азотированные детали обладают хорошей сопротивляемостью действию переменных напряжений и обладают высоким пределом выносливости, коррозионной стойкостью. Недостатком процесса азотирования является чрезмерная длительность процесса – 50-100 часов и необходимость применения легированных сталей.

Поэтому азотирование применяют там, где требуется особое качество деталей, например, в производстве дизельной аппаратуры, измерительного инструмента, гильз цилиндров, а также в тяжелом станкостроении.

4.Цианирование.

Цианированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных изделий одновременно углеродом и азотом при 820-950⁰С в расплавленных солях, содержащих группу «СN».

Если процесс проводят в среде цементирующего газа с небольшим количеством аммиака (NH₃) (газовое цианирование), то процесс чаще называют нитроцементацией (4-10 ч.).

В зависимости от температуры, при которой проводится процесс, различают высокотемпературное (930-950⁰С) и среднетемпературное (820-860⁰С) цианирование.

Для получения слоя 0,15-0,35 мм среднетемпературное цианирование ведут в ваннах с расплавом солей (20-25% NaCN, 25-50% NaCl и 25-50% Na₂CO₃). В зависимости от толщины слоя продолжать процесс 30-90 минут. При этом происходят следующие реакции:

2NaCN+O₂2NaCNO

2NaCNO+O₂Na₂CO₃+CO+2N

2COCO₂+Cат

Выделяющийся атомарный углерод и азот диффундируют в сталь. Цианированный слой содержит 0,7%С и 0,8-1,2%N.

Твердость цианированного слоя после термической обработки приблизительно HRC

58-62. По сравнению с цементированным слоем цианированный обладает более высокой износостойкостью и пределом выносливости.

Для получения слоя толщины 0,5-2,0 мм применяют высокотемпературное или глубокое цианирование. Время равно 1,5-6 часов. В составе солей 82% BaCl₂, 8% NaCN, 10% NaCl.

В этих условиях сталь насыщается в большей степени углеродом – 0,8-1,2% и в меньшей – азотом (0,2-0,3%).

Строение цианированного слоя аналогично цементированному. После высокотемпературного цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем для измельчения зерна закаливают с нагревом в соляной ванне или печи и подвергают низкотемпературному отпуску.

Процесс цианирования по сравнению с цементацией требует меньше времени для получения нужной толщины слоя, характеризуется меньшими деформациями и короблением, более высоким сопротивлением износу и коррозии. Недостаток: высокая стоимость цианистых солей, токсичность, меры по охране труда.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

1. Общая классификация сталей.

2. Маркировка сталей.

3. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали.

4. Стали обыкновенного качества. Классификация.

Стали классифицируются по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления и структуре.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (менее 0,3%С), среднеуглеродистые (0,3-0,7%С) и высокоуглеродистые (более 0,7%С).

Легированные стали в зависимости от введенных элементов делят на хромистые, марганцовистые, хромо-никелевые, хромо-кремниево-марганцовые и другие.

По количеству введенных элементов их классифицируют на низко-, средне - и высоколегированные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5%, в среднелегированных - от 5 до 10%, в высоколегированных - более 10%.

По назначению стали делятся на конструкционные и инструментальные и стали специального назначения с особыми свойствами.

Конструкционные стали представляют собой наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. Среди них можно выделить цементируемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные стали.

Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента; штампов холодного и горячего деформирования. К сталям специального назначения относят коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, электротехнические стали.

По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых процессом ее производства.

Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (О₂, Н₂, N₂) и вредных примесей, например, S и Р. Но количество примесных газов трудно определить, поэтому основными показателями качества сталей служат нормы содержания вредных примесей.

Стали обыкновенного качества содержат до 0,06% S и 0,07%Р, качественные не более 0,04% S и 0,035%Р; высококачественные не более 0,025% S и 0,025% P, особо высококачественные не более 0,015% S и 0,025%Р.

Стали обыкновенного качества выплавляют только углеродистыми (до 0,5%С), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными, особо высококачественные – легированными.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление – процесс удаления из жидкого металла О₂, иначе сталь хрупко разрушается при горячем деформировании. Спокойные стали раскисляют Mn, Si и Al. Такие стали содержат мало О₂ и спокойно, без газовыделения затвердевают. Кипящие стали раскисляют только Mn. Перед разливкой в них содержится повышенное количество О₂, который частично взаимодействуя с углеродом при затвердевании удаляется в виде “СО”.

Выделение пузырей СО производит впечатление кипения стали. Кипящие стали дешевы, их производит низкоуглеродистыми и практически без Si (Si≤ 0,07%), но с повышенным содержанием газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

Легированные стали производят спокойными, углеродистые – спокойными, полуспокойными и кипящими.

По структуре сталь классифицируют в отожженном и нормализованном состояниях. В зависимости от структуры в отожженном (равновесном) состоянии стали делят на 6 классов:

1. Доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит.

2. Эвтектоидные, структура которых состоит из перлита.

3. Заэвтектоидные, имеющие в структуре вторичные, выделяющиеся из аустенита карбиды.

4. Ледебуритные, содержащие в структуре первичные (эвтектические) карбиды.

5. Аустенитные.

6. Ферритные.

В отличие от легированных, углеродистые стали могут быть 1х 3-х классов.

Стали аустенитного класса образуются при введении большого количества элементов (Ni, Mn), расширяющих  - область, стали ферритного класса – при введении элементов, расширяющих -область (Cr, Si, V, W).

При легировании возможна частичная перекристаллизация (↔) и образование промежуточных классов – полуферритных и полуаустенитных.

По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие основные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный и ферритный.

Стали перлитного класса имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита (А'). При охлаждении на воздухе они приобретают структуру перлита, сорбита или троостита, в которых могут присутствовать также избыточные феррит или карбиды.

К сталям перлитного класса относятся углеродистые и низколегированные стали. Это большая группа дешевых и широко применяемых сталей.

Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостью А'. При охлаждении на воздухе они закаляются в мартенсите. К этому классу относятся средне- и высоколегированные стали.

Стали аустенитного класса из-за повышенного количества Ni или Mn (обычно в сочетании с Cr) имеют интервал мартенситного превращения ниже 0 ^оС и сохраняют аустенит при комнатной температуре. В перлитной и промежуточной областях аустенит не распадается.

Структурный класс аустенитных и ферритных сталей совпадает по той и другой классификации.