1. Класифікація металів

За обсягом і частотою використання металів в техніці їх можна розділити на метали технічні й рідкі. Технічні метали - це найбільш часто вживані; до них відносяться залізо Fе. мідь Сu, алюміній А1, магній Мg, нікель Ni, титан Тi, свинець Рb. цинк Zn, олово Sn. Всі інші метали - рідкісні (ртуть Нg, натрій Nа, срібло Аg, золото Аu, платина Рt:, кобальт Со, хром Сr, молібден Мо, тантал Та, вольфрам W та інших).

Залізо в чистому вигляді використовується надзвичайно рідко. Зазвичай використовують железоуглеродістиє (Fе-С) сплавs - сталі і чавуни. які утворюють групу чорних металів. Всі інші представляють групу кольорових металів. На частку чорних металів припадає -85% усіх вироблених металів, а на частку кольорових -15%.

За фізико-хімічними властивостями метали можна розділити на шість основних груп.

Магнітні - Ае, Со, Ni володіють феромагнітними властивостями. Сплави на основі Fе (сталі і чавуни) є головними конструкційними матеріалами; сплави на основі Fе, Со та Ni є основними магнітними матеріалами (феромагнетиками).

Тугоплавкі - метали, у яких температура плавлення вище, ніж у Fе (1539 ° С); це W (3380 ° С), Та (2970 ° С), Мо (2620 ° С), Сr (1900 ° С), Рt ( 1770 ° С), Тi (1670 ° С) і ін Застосовують їх як самостійно, так і у вигляді добавок в сталі, що працюють, зокрема, при високій температурі.

Легкоплавкі - мають температуру плавлення нижче 500 ° С; до них відносяться: Zn (419 ° С), Рb (327 ° С), кадмій Сd (321 ° С), талій Т1 (3О3 ° С), вісмут Вi (271 ° С ), олово Sn (232 ° С) та ін Призначення їх саме різне: антикорозійні покриття, антифрикційні сплави, провідникові матеріали.

З тугоплавких і легкоплавких металів перераховані найбільш поширені, хоча відомі й такі тугоплавкі метали, як, наприклад, реній Re (3180 ° С), осмій 0s (3000 ° С), а з легкоплавких літій Li (180 ° С), калій К ( 68 ° С), рубідій Rb (39 ° С), цезій Сs (28 ° С).

Легкі метали мають щільність не більше 2,75 мг/м3 до них відноситься А1, щільність - 2,7, Сs - 1,90, берилій Ве - 1,84 мг/м3 і ін Ці метали застосовують для виробництва сплавів, використовуваних у конструкціях з обмеженнями в масі.

Благородні - в електротехніці застосовують Аu, Аg, Рt, паладій Рd, а також метали платинової групи: іридій Ir, родій Ru, осмій 0s, рутеній Рu. Ці метали і сплави на їх основі мають високу хімічну стійкість, в тому числі і при підвищених температурах. Їх використовують у виробництві відповідальних контактів, висновків інтегральних мікросхем та інших напівпровідникових приладів, термометрів опору і термопар, нагрівальних елементів, що працюють в особливих умовах.

Рідкоземельні - лантаноїди; їх застосовують як присадки в різних сплавах. Сплави (Rм) металів групи заліза (М) з рідкісноземельними елементами (R) є досить перспективними магнітотвердих матеріалами.

Властивості конструкційних матеріалів

Конструкційними називають матеріали, призначені для виготовлення деталей машин, приладів, інженерних конструкцій, що піддаються механічним навантаженням. Деталі машин і приладів характеризуються великою різноманітністю форм, розмірів, умов експлуатації. Вони працюють при статичних, циклічних і ударних навантаженнях, при низьких і високих температурах, у контакті з різними середовищами. Ці фактори визначають вимоги до конструкційних матеріалів, основні з яких - експлуатаційні, технологічні та економічні.

Деталі машин і приладів, що передають навантаження, повинні мати твердістю й міцністю, достатніми для обмеження пружною і пластичної деформації, при гарантованій надійності і довговічності. З різноманіття матеріалів найбільшою мірою цим вимогам задовольняють сплави на основі заліза - чавуни і особливо сталі. Стали володіють високим, що успадковується від заліза, модулем пружності (Е = 210 ГПа).

Міцність - здатність металів чинити опір деформації або руйнування статистичним, динамічним або знакозмінним навантажень. Міцність металів при статистичних навантаженнях випробовують на розтяг, стиск, вигин і крутіння. Випробування на розрив є обов'язковим. Міцність при динамічних навантаженнях оцінюють питомої ударної в'язкістю, а при знакозмінних навантаженнях - втомної міцністю.

Деформація - це зміна форми і розмірів твердого тіла під дією зовнішніх сил або в результаті фізичних процесів, що виникають в тілі при фазових перетвореннях, усадці і т. п. Деформація може бути пружна (зникає після зняття навантаження). При все зростаючою навантаженні пружна деформація, як правило, переходить в пластичну, і далі зразок руйнується. У залежності від способу прикладання навантаження методи випробування механічних властивостей металів, сплавів та інших матеріалів діляться на статистичні, динамічні та знакозмінні.

Пружність - властивість металів відновлювати свою колишню форму після зняття зовнішніх сил, що викликають деформацію. Пружність - властивість, протилежне пластичності.

Твердість - здатність металів чинити опір проникненню в них більш твердого тіла. Проводять випробування на твердість за Бринеллю, Роквеллу, Віккерсу, Польді і на мікро-твердість. Найбільш поширені перші два методи.

Зносостійкість - опір металів зношування внаслідок процесів тертя. Знос полягає у відриві від тертьової поверхні окремих її частинок і визначається по зміні геометричних розмірів або маси деталі.

Крім комплексу цих важливих для працездатності деталей властивостей, сталі можуть мати і рядом інших цінних якостей, що роблять їх універсальним матеріалом. При відповідному легуванні і технології термічної обробки сталь стає або зносостійкої, або корозійно-стійкої, або жаростійкої і жароміцної, а також набуває особливі магнітні, теплові або пружні властивості. Сталям властиві також хороші технологічні властивості. До того ж вони порівняно недорогі.

Завдяки цим достоїнствам стали - основний металевий матеріал промисловості. Розроблено близько 2000 марок сталей і сплавів на основі заліза.

Будова і властивості сталей і сплавів

Чисті метали (зміст основного компонента 99,99 - 99,999%) мають низьку міцність, тому їх в техніці використовують рідко (крім Сu і Аl в електротехніці). Найбільш широко застосовують у техніці як конструкційних матеріалів металеві сплави.

Сплавом називають матеріал, що складається з двох або більшої кількості хімічних елементів, що є компонентами сплаву. У металевих сплавах основним компонентом (більше 50%) є метал. Так само як і чисті метали, сплави побудовані з кристалічних зерен.

У сплавів можна одержувати більш високі механічні характеристики, електричний опір, стійкість до корозії і т.д.

Більшість сплавів, крім сплавів з неорганічної розчинністю компонентів в твердому стані, можна представити як систему, що складається з декількох фаз, що знаходяться в рівновазі при певних зовнішніх умовах (температурі, тиску).

Сталями називають сплави заліза з вуглецем і деякими іншими хімічними елементами. Зміст вуглецю в сталях може доходити до 2,14. Однак у сталях, що застосовуються в машинобудуванні і будівництві, вуглецю міститься не більше 1,3%.

Вплив вуглецю і постійних домішок на властивості сталей.

При змісті вуглецю більше 1,3% сталі стають занадто тендітними, і суттєво ускладнюється їх обробка ріжучим інструментом. На сьогоднішній день стали є основним конструкційним матеріалом для виготовлення навантажених деталей машин, споруд, елементів рухомого складу. У електро-і радіотехніці сталі (деякі її сорти) використовують головним чином як феромагнетика і обмежено - як провідникового матеріалу, а як конструкційний матеріал - в електроустановках при виготовленні несучих конструкцій, органів управління і т.п.

Крім заліза і вуглецю в сталях містяться корисні та шкідливі домішки. Сталь - основний металевий матеріал, широко застосовуваний для виготовлення деталей машин, літальних апаратів, приладів, різних інструментів і будівельних конструкцій. Широке використання сталей обумовлено комплексом механічних, фізико-хімічних і технологічних властивостей. Методи широкого виробництва сталі були відкриті в середині ХІХ ст. У цей же час були вже проведені і перші металографічні дослідження заліза і його сплавів. Стали поєднують високу жорсткість з достатньою статичної та циклічної міцністю. Ці параметри можна змінювати в широкому діапазоні за рахунок зміни концентрації вуглецю, легуючих елементів і технологій термічної і хіміко-термічної обробки. Змінивши хімічний склад, можна отримати, сталі з різними властивостями, і використовувати їх у багатьох галузях техніки і народного господарства.

Якщо сталь має в своєму складі тільки Fе, С і деяку кількість постійної домішки, то таку сталь називають вуглецевої. Якщо в вуглецеву сталь спеціально введені один або декілька так званих легуючих елементів (Сr, Ni, W та інших) з метою поліпшення її службових і технологічних властивостей, то таку сталь називають легованої. При легуванні можуть виникати нові властивості, не притаманні вуглецевої сталі.

Класифікація конструкційних сталей

Стали класифікують за хімічним складом, якістю, ступеня розкислення, структурі, міцності і призначенням.

За хімічним складом сталі класифікують на вуглецеві і леговані. Залежно від концентрації вуглецю ті й інші поділяють на низько вуглецеві (<0,3% С), середньовуглецеві низьковуглецеві (<0,3% С), середньовуглецеві

(0,3-0,7% C) і високовуглецеві (> 0,7% С).

За призначенням сталі класифікують на конструкційні та інструментальні. Конструкційні сталі, представляють найбільш велику групу, призначену для виготовлення будівельних споруд, деталей машин і приладів. До цих сталей відносять цементуємих, покращувані, високоміцні і ресорно-пружинні. Інструментальні сталі, поділяють на сталі для ріжучого, вимірювального інструменту, штампів холодного і

гарячого (до 200 º С) деформування.

За якістю сталі, класифікують на звичайної якості, якісні, високоякісні. Під якістю стали розуміється сукупність властивостей, визначених металургійним процесом її виробництва. Однорідність хімічного складу, будови і властивості сталі, а також її технологічність багато в чому залежать від вмісту газів (водню, кисню) і шкідливих домішок - сірки та фосфору. Сталі звичайної якості бувають тільки вуглецевими (до 0,5% З), якісні та високоякісні - вуглецевими і легованими.

За ступенем розкислення і характером затвердіння стали класифікують на спокійні, напівспокійних і киплячі.

Розкислення - процес видалення з рідкого металу кисню, що проводиться з метою запобігання крихкого руйнування стали при гарячої деформації.

Спокійні стали раскисляют марганцем, кремнієм і алюмінієм. Вони містять мало кисню і тверднуть спокійно без газовиділення. Киплячі стали раскисляют тільки марганцем. Перед розливанням у них міститься підвищена кількість кисню, який при затвердінні, частково взаємодіючи з вуглецем, видаляється у вигляді СО. Виділення бульбашок СО створює враження кипіння стали, з чим і пов'язана її назва. Напівспокійних стали за ступенем розкислення займають проміжне положення між спокійними і киплячими.

За призначенням конструкційні сталі поділяють на машинобудівні, призначені для виготовлення деталей машин і механізмів, і будівельні, використовувані для металоконструкцій і споруд.

Вуглецеві сталі

На частку вуглецевих сталей припадає 80% від загального обсягу. Це пояснюється тим, що вуглецеві стали дешеві і поєднують задовільні механічні властивості з хорошою оброблюваністю різанням і тиском. При однаковому змісті вуглецю по оброблюваності різанням і тиском вони значно перевершують леговані сталі. Однак вуглецеві стали менш технологічні при термічній обробці. Через високу критичної швидкості гартування вуглецеві сталі охолоджують у воді, що викликає значні деформації і викривлення деталей. Крім того, для отримання однакової міцності з легованими сталями їх слід піддавати відпуску при більш низькій температурі, тому вони зберігають більш високі гартівні напруги, знижують конструкційну міцність.

За статистичною міцності стали відносяться переважно до сталей нормальної міцності. Вуглецеві конструкційні сталі випускають двох видів: звичайної якості і якісні.

Сталі звичайної якості випускають у вигляді прокату (прутки, балки,

листи, куточки, труби, швелери тощо) у нормалізованому стані. У вуглецевих сталях звичайної якості допускається вміст шкідливих домішок, а також газонасиченості і забрудненість неметалевими включеннями. І в залежності від призначення та комплексу властивостей підрозділяють на групи: А, Б, В.

Стали маркуються поєднанням букв Ст і цифрою (від 0 до 6), що показує номер марки, а не середній вміст вуглецю в ній, хоча з підвищенням номера вміст вуглецю в сталі збільшується. Стали груп Б і В мають перед маркою букви Б та В, що вказують на їх приналежність до цих груп. Група А в позначенні марки стали не вказується. Ступінь розкислення позначається додаванням індексів: у спокійних сталях - «сп», напівспокійних - «пс», киплячих - «кп», а категорія нормованих властивостей (крім категорії 1) зазначається подальшої цифрою.

Стали групи А використовують у стані поставки для виробів, виготовлення яких не супроводжується гарячої обробкою. У цьому випадку вони зберігають структуру нормалізації і механічні властивості, які гарантуються стандартом.

Сталь марки Ст3 використовується в стані поставки без обробки тиском і зварюванням. Її широко застосовують у будівництві для виготовлення металоконструкцій, у сільському господарському машинобудуванні (валики, осі, важелі, виготовлені холодним штампуванням, а також Цементовані деталі: шестерінки, порневие пальці).

Стали групи Б застосовують для виробів, що виготовляються із застосуванням гарячої обробки (кування, зварювання і в окремих випадках термічна обробка), при якій вихідна структура і механічні властивості не зберігаються. Для таких деталей важливі відомості про хімічний склад, необхідні для визначення режиму гарячої обробки.

Стали групи В дорожче, ніж стали груп А і Б, їх застосовують для відповідальних деталей (для виробництва зварних конструкцій).

Вуглецеві сталі звичайної якості (всіх трьох груп) призначені для виготовлення різних металоконструкцій, а також слабонавантажених деталей машин і приладів. Ці сталі, використовуються, коли працездатність деталей і конструкцій забезпечується жорсткістю. Вуглецеві сталі звичайної якості широко використовуються в будівництві при виготовленні залізобетонних конструкцій. Здатністю до зварювання і до холодної обробки тиском відповідають стали груп Б та В номерів 1-4, тому з них виготовляють зварні ферми, різні рами і будівельні металоконструкції, крім того, кріпильні вироби, частина з яких піддається цементації. Низьковуглецеві стали відрізняються малою міцністю і високою пластичністю в холодному стані. Ці сталі в основному роблять у вигляді тонкого листа і використовують після відпалу або нормалізації для холодного штампування з глибокою витяжкою. Вони легко штампуються з-за малого змісту вуглецю і незначної кількості кремнію, що і робить їх дуже м'якими. Їх можна використовувати в автомобілебудуванні для виготовлення деталей складної форми. Глибока витяжка з листа цих сталей застосовується при виготовленні консервних банок, емальованого посуду та інших промислових виробів. Середньовуглецеві стали номерів 3 і 4, що володіють великою міцності призначаються для рейок, залізничних коліс, а також валів, шківів, шестерень і інших деталей вантажопідйомних і сільськогосподарських машин. Застосовують для виготовлення невеликих валів, шатунів, зубчастих коліс і деталей, що зазнають циклічні навантаження. У великогабаритних деталях великих перетинів з-за поганої прокаливаемости механічні властивості значно знижуються.

Високовуглецеві стали 5 і 6, а також з підвищеним вмістом марганцю в основному використовують для виготовлення пружин, ресор, високоміцного дроту та інших виробів з високою пружністю і зносостійкістю. Їх піддають загартуванню та середньому відпуску на структуру троостит в поєднанні задовільною в'язкістю і хорошим межею витривалості.

Вуглецеві якісні сталі.

Ці сталі характеризуються більш низьким, ніж у сталей звичайної якості, вмістом шкідливих домішок і неметалевих включень. Їх поставляють у вигляді прокату, поковок та інших напівфабрикатів з гарантованим хімічним складом і механічними властивостями. Маркують їх двозначними числами: 08, 10, 15, 20, 60, позначають середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка (ГОСТ 1050-88). Наприклад, сталь 10 містить в середньому 0,10% С, сталь 45 - 0,45% С і т.д.

Спокійні стали маркірують без індексу, напівспокійних і киплячі з індексами відповідно «пс» і «кп». Киплячими виробляють стали О8кп, 10кп, I5кп, I8кп, 2Окп; напівспокійних - О8пс, I0пс, I5пс, 2Опс. На відміну від спокійних киплячі стали практично не містять кремнію (не більше 0.03%,:. В напівспокійних його кількість обмежена 0.05 - 0.17%. Вміст марганцю підвищується в міру збільшення концентрації вуглецю від 0,25 до 0,80%. Зміст азоту для сталей, переробляються в тонкий лист, обмежена 0,006%, для решти сталей - 0,008%. Механічні властивості залежать від товщини прокату. Якісні стали знаходять багатостороннє застосування в техніці, так як в залежності від вмісту вуглецю та термічної обробки володіють різноманітними механічними та технологічними властивостями.

Низьковуглецеві стали за призначенням поділяють на дві підгрупи.

1. Маломіцні і високопластичних сталі 08, 10. Через здатність до глибокої витяжки їх застосовують для холодного штампування різних виробів. Без термічної обробки в гарячекатаному стані ці сталі використовують для шайб, прокладок, кожухів та інших деталей, що виготовляються холодної деформацією і зварюванням.

2. Цементуємих - стали 15, 20, 25. Призначені вони для деталей невеликого розміру (кулачки, штовхачі, малонавантажені шестерні і т.п.), від яких вимагається тверда, зносостійка поверхня і в'язка серцевина. Вони пластичні, добре штампуються і зварюються; використовуються для виготовлення деталей машин і приладів невисокої міцності (кріпильні деталі, втулки, штуцери і т.п.), а також деталей котлотурбостроенія (труби пароперегрівники, змійовики), що працюють під тиском при температурі від - 40 до 425 º С. Середньовуглецеві стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 відрізняються більшою міцністю, але меншою пластичністю, ніж низьковуглецеві. У поліпшеному стані сталі застосовують для виготовлення деталей невеликого розміру, працездатність яких визначається опором втоми (шатуни, колінчасті вали малооборотних двигунів, зубчасті колеса, маховики, осі і т.п.). При цьому можливий розмір деталей залежить від умов їх праці і вимог до прокаливаемости. Для деталей, що працюють на розтяг - стиск (наприклад, шатуни), необхідна однорідність властивостей металу по всьому перерізу і, як наслідок, наскрізна прокаливаемость. Розмір поперечного перерізу таких навантажених деталей обмежується 12 мм . для деталей (вали, осі і т.п.), що зазнають головним чином напруги вигину і кручення, які максимальні на поверхні, товщина зміцненого при загартуванню шару повинна бути не менше половини радіусу деталі. Можливий розмір поперечного перерізу таких деталей - 30 мм . для виготовлення більш великих деталей, що працюють при невисоких циклічних і контактних навантаженнях, використовують сталі 40, 45, 50. Їх застосовують після нормалізації та поверхневої індукційного загартування з нагрівом ТВЧ тих місць, які повинні мати високу твердість поверхні (40 - 58 NRC) і опір зносу (шийки колінчастих валів, кулачки розподільних валів, зуби шестерень) Індукційної загартуванням з нагрівом ТВЧ упрочняют також поверхня довгих валів, ходових гвинтів верстатів та інших деталей, для яких важливо обмежити деформації при термічній обробці.

У машинобудуванні вуглецеві якісні сталі, використовуються для виготовлення деталей різного, найчастіше невідповідального призначення і є досить дешевим матеріалом. У промисловість ці стали поставляються у вигляді прокату, поковок, профілів різного призначення з гарантованим хімічним складом і механічним властивостями.

Якісні стали широко застосовуються в машинобудуванні та приладобудуванні, так як за рахунок різного змісту вуглецю в них, а відповідно і термічної обробки можна отримати широкий діапазон механічних і технологічних властивостей.

Висновок

Конструкційні вуглецеві сталі і сплави - це матеріали з цілою гамою властивостей, і в залежності від кількості домішок володіють тими чи іншими якостями, як наприклад, міцність, зносостійкість, твердість, крихкість. До того ж вони порівняно недорогі.

Завдяки цим достоїнствам стали - основний металевий матеріал промисловості.

Джерела інформації

1. Колесов, С.М. «Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів»: - М.: Вища шк., 2004. - 512 с.: Іл.

2. Б.М. Арзамас «Матеріалознавство». М.: Із МГТУ ім. Н. Е. Баумана, 2003. - 648с.: Іл.

3. Ройтман І.А., Кузьменко В.І. «Основи машинобудування в кресленні» М.: Гуманит. вид. центр ВЛАДОС, 2000. - Кн. 1. - 224с.: Іл.

2. Термі́чна обро́бка — технологічний процес, сутність якого полягає у зміні структури металів і сплавів при нагріванні, витримці та охолодженні, згідно зі спеціальним режимом, і тим самим, у зміні властивостей останніх.

Наприклад в основі термічної обробки сталей лежить перекристалізація аустеніту при охолодженні. Перекристалізація може відбутися дифузійним або бездифузійним способами. У залежності від переохолодження аустеніт може перетворюватися у різні структури з різними властивостями.

Повний дифузійний розпад аустеніту відбувається при незначному переохолодженні. У даному випадку утворюється пластинчастий перліт (механічна суміш фериту і цементиту вторинного). Якщо переохолодження збільшити до 373...393 К, пластинки фериту і цементиту встигають вирости тільки до товщини (0,25...0,30 мкм), таку структуру називають сорбітом. Твердість сорбіту вища за твердість перліту.

Коли переохолодження досягає 453...473 К, ріст пластинок припиняється на товщині 0,1...0,15 мкм, така структура називається трооститом. Твердість трооститу вища від твердості сорбіту.

При значному переохолодженні аустеніту (до 513 К) дифузійний розпад його стає неможливим, перекристалізація має бездифузійний характер. У такому випадку утворюється перенасичений твердий розчин вуглецю в α-залізі, який називається мартенситом. Твердість мартенситу вища від твердості троститу.

Структура перліту є рівноважною, а структури сорбіту, трооститу і мартенситу є не рівноважними.

Види термічної обробки

Розрізняють такі види термічної обробки: Відпалювання, нормалізація, загартування і відпуск.

• Відпалювання (відпал). Відпалювання — вид термооброблення, який полягає в нагріванні матеріалу (метал тощо) до температури вище критичної точки, тривалій витримці за цієї температури і подальшому повільному охолодженні. Основними видами відпалювання є гомогенізувальне, графітизувальне, перекристалізаційне, рекристалізаційне, релаксаційне та сфероїдизувальне^[1]. Графітизувальне та сфероїдизувальне відпалювання характерне тільки для сталей. Відпалювання підвищує пластичність, зменшує внутрішні напруження, понижує твердість сталей.

• Нормалізація. Нормалізацією називають нагрівання до високої температури, видержування і повільне охолодження на повітрі. Нормалізація доводить сталь до дрібнозернистої та однорідної структури. Твердість і міцність сталі після нормалізації вищі, ніж після відпалу.

• Загартування. Загартуванням називають нагрівання до високої температури, витримування і швидке охолодження (у воді, мінеральній оливі та інших охолоджувачах). Є такі види загартування: в одному охолоджувачі; перервне; ступінчасте; ізотермічне; поверхневе та ін. Загартування сталей забезпечує підвищення твердості, виникнення внутрішніх напружень і зменшення пластичності. Твердість збільшується у зв'язку з виникненням таких структур: сорбіт, троостит, мартенсит. Практично загартуванню піддаються середньо- і високовуглецеві сталі.

• Відпуск. Відпуском називають нагрівання до температури нижчої за 973 К, витримування та повільне охолодження на повітрі. Розрізняють три види відпуску: низький (нагрівання до температури 473 К; середній (573-773 К); високий (773-973 К). Після відпуску в деякій мірі зменшується твердість і внутрішні напруження, збільшується пластичність і в'язкість сталей. До цього приводить зміна структур після відпуску. Структура мартенситу сталі переходить відповідно в структуру трооститу і сорбіту. Чим вища температура відпуску, тим менша твердість відпущеної сталі і тим більша її пластичність та в'язкість.

Відпуск, в основному, проводять після загартування для зняття внутрішніх напружень. Низький відпуск застосовують при виготовленні різального інструменту, вимірювального інструменту, цементованих деталей та ін; середній — при виробництві ковальських штампів, пружин, ресор; високий — для багатьох деталей, що зазнають дії високих напружень (осі автомобілів, шатуни і т.п.).

Хі́міко-термі́чна обробка — це вид термічної обробки, що полягає в поєднанні термічного та хімічного впливу з метою зміни складу, структури і властивостей поверхневого шару металу.

Мета хіміко-термічної обробки — надати поверхневому шару металевої деталі підвищеної твердості, зносостійкості, жаростійкості, корозійної стійкості та ін. Для цього нагріті деталі поміщають у середовище, з якого в процесі дифузії у поверхневий шар переходять деякі елементи (вуглець, азот, алюміній, хром, кремній, бор та ін.).

Етапи процесу

Процес хіміко-термічної обробки є багатоступеневим, і включає в себе три послідовні стадії:

1. Утворення активних атомів в середовищі насичення біля поверхні або безпосередньо на поверхні металу. Потужність дифузійного потоку, тобто кількість активних атомів які виникають за одиницю часу, залежить від

• складу і агрегатного стану середовища насичення, яка може бути твердим, рідким чи газоподібним;

• взаємодії окремих складових між собою;

• тиску;

• температури;

• хімічного складу металу, що підлягає обробці.

2. Адсорбція поверхнею насичення активних атомів, що утворилися. Адсорбція є складним процесом, перебіг якого носить нестаціонарний характер. Розрізняють фізичну (оборотну) адсорбцію і хімічну адсорбцію (хемосорбцію). При хіміко-термічній обробці ці типи адсорбції накладаються одна на одну. Фізична адсорбція призводить до зчеплення адсорбованих атомів елементу насичення (адсорбату) з оброблюваною поверхнею (адсорбентом) завдяки притягальній дії сил Ван дер Ваальса, і для неї характерна легка оборотність процесу адсорбції — десорбція. При хемосорбції відбувається взаємодія між атомами адсорбату і адсорбенту, яка за своїм характером і силою близька до хімічної.

3. Дифузія — переміщення адсорбованих атомів в решітці оброблюваного металу. Процес дифузії можливий тільки при наявності розчинності дифундуючого елементу в оброблюваному матеріалі і досить високій температурі, що забезпечує енергію необхідну для перебігу процесу.

Товщина дифузійного шару, а отже і товщина зміцненого шару поверхні виробу, є найважливішою характеристикою хіміко-термічної обробки. Товщина шару визначається рядом таких факторів, як

• температура насичення;

• тривалість процесу насичення;

• склад металу, тобто вміст у ній тих чи інших легуючих елементів;

• градієнт концентрацій насичує елемента між поверхнею виробу і в глибині шару насичення.

Види хіміко-термічної обробки сталі

Найпоширенішими видами хіміко-термічної обробки сталі є: цементація, азотування, ціанування, дифузійна металізація.

Цементацією називається процес насичення поверхні стального виробу вуглецем. Після загартування такого виробу він стає твердим на поверхні і в'язким у серцевині. Цементації піддають в основному деталі, які працюють на стирання і удар одночасно. Цементація застосовується для маловуглецевих сталей. Використовують два види цементації: цементація твердим карбюризатором і газова цементація.

Докладніше: Цементація сталі

Азотування — це технологічний процес насичення поверхневого шару виробу азотом, щоб надати поверхневому шару виробу високої твердості, підвищити зносостійкість та опір агресивним середовищам. Азотують переважно леговану сталь, що містить алюміній, титан, ванадій, вольфрам, молібден або хром. Ці елементи, при взаємодії з азотом, утворюють тверді, стійкі до агресивних середовищ нітриди (TiN і т.д.).

Докладніше: Азотування

Ціанування (карбонітрація) — насичення поверхневого шару виробів одночасно азотом (у більшій мірі) і вуглецем (у меншій мірі). Воно буває рідинне і газове, низькотемпературне (773...973 К), високотемпературне (1073...1123 К). Ціанування в основному застосовують для обробки інструментів із швидкорізальної сталі, підвищується твердість і корозійна стійкість.

Докладніше: Ціанування (сталеливарне виробництво)

Нітроцементація — насичення атомами переважно вуглецю і у меншій мірі азоту. Використовують для підвищення зносостійкості.

Дифузійна металізація — насичення поверхневого шару виробу різними металами. Процес відбувається в розплавах металів, якщо метал має невисоку температуру плавлення (цинк, алюміній), або в газовому середовищі хлоридів металів (CrCl₃, AlCl₃, SiCl₄ і т.д.). Між хлоридом та залізом протікає реакція обміну, в результаті, якої утворюється активний атомарний елемент, який дифундує в поверхневий шар. Дифузійна металізація проводиться для підвищення твердості, корозійної стійкості, жаростійкості, блиску і естетичного вигляду. Найпоширеніші види дифузійної металізації:

• алітування (насичення алюмінієм), використовується для деталей, що працюють при високих температурах;

• хромування (насичення хромом), супроводжується утворенням дифузійного шару з твердого розчину хрому в α-залізі та включень карбідів хрому з твердістю 1200...1300 НV та глибиною 0,15...0,2мм. Використовують для деталей, що працюють на зношування в агресивних середовищах;

• борування (насичення бором), який забезпечує високу твердість (1800...2000 НV), зносостійкість та стійкість проти корозії в різних середовищах;

• силіціювання (насичення кремнієм), що сприяє високій корозійній стійкості в морській воді, а також деяких кислотах.

3. Лего́вана сталь або спеціальна сталь — сталь, яка містить добавки інших металів з метою надання їй тих чи інших властивостей. Як легуючі елементи найчастіше застосовують хром, нікель, манган, силіцій, вольфрам, молібден і ванадій, значно рідше — кобальт, титан, берилій та інші метали. У більшості випадків легуючі елементи додаються в незначних кількостях — десяті частки відсотка, але деякі з них — від декількох до 10—15% і навіть більше. Назви легованих сталей походять від назв легуючих елементів.

За ступенем легування сталі поділяють на низьколеговані з вмістом легуючих елементів до 2,5%, середньолеговані - 2,5-10% та високолеговані, де вміст легуючих елементів перевищує 10%.