25.Поверхностная закалка твч и гзп.

Существуют следующие способы закалки с индукционного нагрева;

1. одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности; этот метод применяют для изделий, имеющих небольшую упрочняемую поверхность (пальцы, валики, осевые инструменты);

2. последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков; данный метод используют при закалке шеек коленчатых валов (последовательный нагрев и закалка одной шейки за другой), зубчатых колес с модулем более 6 (закалка «зуб за зубом»), кулачков распределительных валов и т. д.,

3. непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение; метод применяют для закалки длинных валов, осей и т. д.; при этом методе изделие перемещается относительно неподвижных индуктора и охлаждающего устройства (спредера), или наоборот. По сравнению с первым методом не требуется 'большой установочной мощности генератора.

При выполнении индукционного нагрева следует учитывать эффект близости. В системе из двух проводников, по которым течет переменный ток разного направления, наибольшая плотность тока создается в тех ча­стях, которые ближе расположены друг к другу. В связи с этим для полу­ченя закаленного слоя равномерной толщины расстояние от индуктора до поверхности детали должно быть одинаковым, а форма индуктора — симметричной нагреваемой поверхности детали. Хорошие результаты дает вращение детали в индукторе. После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160 — 200С, нередко и самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение проводят не до конца, и в детали сохраняется некоторое коли­чество теплоты, нагревающей закаленный слой до температур отпуска.

Для глубинного нагрева используют специально разработанные стали пониженной или регламентированной прокаливаемости. Это достигается ограничением содержания примесей (Мn, Si, Сг, Ni и др.), получением мел­кого и устойчивого зерна аустенита. Чаще применяют стали пониженной прокаливаемости.

При поверхностной закалке с использованием индукционного нагрева можно получить твердость НRС больше на 3 — 5 единиц, чем при закалке после нагрева в печи. Это явление часто объясняют высокой скоростью ох­лаждения при поверхностной закалке в мартенситном интервале темпера­тур, исключающей возможность отпуска в процессе закалки.

После закалки с индукционного нагрева действительное зерно аустени­та мельче, чем при обычной закалке с печным нагревом. Мелкое зерно получается вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при нагреве.

Закалка с газопламенным нагревом. Этот способ закалки применяют для крупных изделий (прокатных валков, валов и т. д.). Поверхность дета­ли нагревают газовым пламенем, имеющим высокую температуру (2400-3150°С). Вследствие подвода значительного количества теплоты по­верхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреваться. Последующее быстрое охла­ждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.

| Толщина закаленного слоя обычно 2 — 4 мм, а его твердость для стали с 0,45-0,5% С, НКС 50-56. В тонком поверхностном слое обра­зуется мартенсит, а в нижележащих слоях троосто-мартенсит. Газопла­менная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная закалка. Процесс газопламенной закалки можно автоматизировать и включить в общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот спо­соб закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом.

26.Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение ста­ли соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюми­нием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внеш­ней среды при высокой температуре.

Процесс химико-термической обработки включает три элементарные стадии: 1) выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде; 2) контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (абсорбция); 3) диффу­зия атомов насыщающего элемента в глубь металла.

Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим с желе­зом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения.

Если энергия активации Q для углерода и азота в λ-железе составляет 31 — 32 ккал/(г • атом), то энергия активации для элементов, образующих с железом твердые растворы замещения (Сг, Мо, \У, А1 и др.), превышает 60 ккал/(г ■ атом), поэтому при диффузионном насыщении металлами про­цесс ведут при более высоких температурах и длительно и, несмотря на это, получают меньшую толщину слоя, чем при насыщении азотом, и осо­бенно углеродом.

Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продол­жительности насыщения.

Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от активности окружающей среды, обеспечивающей приток атомов этого эле­мента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих к переходу этих атомов в глубь металла, состава обрабатываемого метал­ла, состава и структуры образующихся фаз. Повышение температуры уве­личивает скорость процесса диффузии, поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с по­вышением температуры процесса.

Природа первичных образований, фазовый состав и изменение концен­трации по толщине диффузионного слоя могут быть описаны диаграммой состояния: металл растворитель — диффундирующий элемент.

Покажем это на диаграммах состояния железо — диффундирующий элемент (Cr, Al, Si и др.). При температуре t₁ диффузия протекает в решетке а без фазовых превращений. Следовательно, при температуре насыщения существует только а-твердый раствор, и концентрация диффун­дирующего элемента постепенно уменьшается от максимальной на поверх­ности до нуля на некоторой глубине.

Диффузионный слой по микроструктуре можно определить только из-за несколько большей или иной его травимости. Насыщение при темпера­туре t₂ сопровождается фазовой перекристаллизацией при температуре диффузии. Диффузия первоначально протекает в γ-фазе, а по достижении на поверхности предела растворимости происходит фазовая перекристал­лизация у —>а. Зародыши а-фазы от поверхности растут по направлению диффузии, образуя характерные столбчатые кристаллиты.

На границе раздела двух фаз (γи а) устанавливается перепад концен­трации, а в микроструктуре (после охлаждения) обнаружи­вается пограничная диффузионная линия. Существенно, что двухфазные слои (у + а) при температуре диффузии не могут образоваться, а могут возникнуть только п результате превращений во время охлаждения. При насыщении легированной ехали при температуре диффузии могут возник­нуть многофазные слон.

При определении толщины диффузионного слоя, полученного при на­сыщении железа (стали) металлами и неметаллами обычно указывается не полная толщина слоя с изменен­ным составом, а только толщина до пограничной диффузионной линии .между а- и γ-фазами (при насыще­нии металлами) или до определен­ной твердости (концентрации диф­фундирующего элемента) — эффек­тивная толщина диффузионного слоя.

27.ЦЕМЕНТАЦИЯ. Цементацией - называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердыми углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую. Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают и предел выносливости. Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,12 — 0,23% С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердце­вина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки. Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05 — 0,10 мм или после окончательной обра­ботки (например, автомобильные шестерни). Во многих случаях цемента­ции подвергается только часть детали; тогда, участки не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02 — 0,05 мм), которую нано­сят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазка­ми, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста или окиси алюминия и талька, замешанных на жидком стекле и др. ' Механизм образования и строение цементованного слоя. Цементация твердым карбюризатором. В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь или каменноугольный полукокс и торфяной кокс.Изделия, подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики: сварные стальные или литые чугунные пря­моугольной или цилиндрической формы. При упаковке изделий на дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20 — 30 мм, на который укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояния между деталями и до боковых стенок ящика 10—15 мм. Затем засыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 10—15 мм, на него укладывают другой ряд; деталей и т. д. Последний (верхний) ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 35 — 40 мм с тем, чтобы ком­пенсировать возможную его усадку. Ящик накрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного пе­ска. После этого ящик помещают в печь.Нагрев до температуры цементации (910 — 93.0°С) составляет 7 — 9 мин на каждый сантиметр минимального размера ящика. Продолжительность выдержки при температуре цементации для ящика с минимальным разме­ром 150 мм составляет 5,5 — 6,5 ч для слоя толщиной 0,7 — 0,9 мм и 9 — 11 ч для слоя толщиной 1,2 — 1,5 мм. При большем размере ящика (мини­мальный размер 250 мм) для получения слоя толщиной 0,7 — 0,9 мм продол­жительность выдержки равна 7,5 — 8,5 ч, а при толщине 1,2 — 1,5 мм — 11 — 14 ч.После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400 —500°С и затем раскрывают. Газовая цементация. Этот процесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преиму­ществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми пар­тиями.В случае газовой цементации можно получить заданную концентра­цию углерода в слое, сокращается длительность процесса, так как от­падает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопро­водным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механиза­ции и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий, так как можно производить закалку не­посредственно из цементационной печи. Наиболее качественный цементованный слой получается при использо­вании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти по­лностью из метана (СН₄) и пропанобутановых смесей, подвергнутых спе­циальной обработке, а также жидких углеводородов. В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных муфельных печах. Шахтные имеют рабочую температуру, 950°С. Изделия в печь загружают на спе­циальных подвесках и приспособлениях. Не­обходимая для газовой цементации атмосфера создается при подаче в камеру печи жидкостей, богатых углеродом. Углеводородные соединения при высокой температуре разлагаются с образованием активного углерода и водорода.

28.Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементованной стали, и сохраняется при нагреве до высоких температур (500-600 С ); тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200-225С.Технология процесса азотирования. Предусматривает несколько операций:

1.Предварительная термическая обработка заготовки. Это операция состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия.

Закалку стали выполняют с нагревом до 930-950С с охлаждением в воде или в масле. Отпуск проводят при высокой температуре 600-675 С, превышающей максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием.

2. Механическая обработка деталей, а также шлифование, которое при­дает окончательные размеры детали.

3.Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением, тонкого слоя (0,01—0,015 мм) олова электролитическим методом или жидкого сте­ кла. Олово при температуре азотирования расплавляется на поверхности стали в виде тонкой не проницаемой для азота пленки.

4.Азотирование.

5.Окончательное шлифование или доводка изделия.

Азотирование тонкостенных изделий сложной конфигурации рекомен­дуется выполнять при 500 — 520 С. Длительность процесса зависит от тре­буемой толщины азотированного слоя. Чем выше температура азотирова­ния, тем ниже твердость азотированного слоя и больше толщина слоя. Обычно при азотировании желательно иметь слой толщиной 0,3—0,6 мм. Процесс азотирования при 500 —520°С в этом случае является продолжительным и составляет 24 — 60 ч.

В процессе насыщения азотом изменяются, но очень мало, размеры из­делия вследствие увеличения объема поверхностного слоя. Деформация возрастает при повышении температуры азотирования и толщины слоя.

Для ускорения процесса азотирования нередко применяют двухступен­чатый процесс: сначала азотирование проводят при 500 —520°С, а затем при 540 —560°С. При двухступенчатом процессе сокращается продолжи­тельность процесса, при этом сохраняется высокая твердость азотирован­ного слоя. Охлаждение после азотирования производят вместе с печью в потоке аммиака (до 200°С) во избежание окисления поверхности.

Азотирование чаще ведут в шахтных печах с принудительной циркуляцией газа и максимальной рабочей температурой 600 или 700С..

Первый муфель после окончания процесса азотирования вынимается из печи и охлаждается на воздухе, в печь загружается второй муфель с дета­лями. При азотировании крупногабаритных изделий более экономичны пе­чи с одним муфелем.

29.НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ.Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверх­ностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 840—-860°С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Про­должительность процесса 4—10 ч. Основное назначение нитроцемента-ции — повышение твердости и износостойкости стальных изделий.Толщина слоя при нитроцементации не должна превышать 1,0 мм. При большой толщине слоя в нем образуется темная составляющая и другие дефекты, снижающие механические свойства стали.При оптимальных условиях насыщения структуры нитроцементованного слоя должны состоять из мелкокристаллического мартенсита, неболь­шого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и 25 — 30% остаточного аустенита.Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хоро­шую прирабатываемость, например нешлифуемых автомобильных шесте­рен, что обеспечивает их бесшумную работу. Максимальные показатели прочности достигаются только при оптимальном для данной стали содер­жании на поверхности нитроцементованного слоя углерода и азота.Азота в слое должно быть не меньше того количества, которое устра­няет вредные последствия внутреннего окисления. При вы­соком содержании азота в слое образуется темная составляю­щая. Оба дефекта микроструктуры понижают предел выносливости при изгибе и контактную прочность. Нитроцементации обычно подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению. Нитроцементация имеет следующие преимуще­ства по сравнению с газовой цементацией. Процесс происходит при более низкой температуре (840 — 86ОС вместо 910 — 930°С); глубина слоя меньше; получаются меньшие деформации и коробление изделий; повышается сопротивление износу и коррозии.Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и трак­торных заводах. ЦИАНИРОВАНИЕ.Цианированием называют процесс диффузионного насыщения поверхност­ного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 820 — 95О°С в расплавленных солях. Среднетемпературное цианирование. В этом процессе изделие нагревают до 820 — 860 С в расплавленных солях. Продолжи­тельность процесса обусловлена требуемой толщиной слоя и составляет 30-90 мин.Цианистый натрий в процессе цианирования окисляется кислородом воздуха.Цианирование при указанных сравнительно невысоких температурах позволяет выполнять закалку непосредственно из цианистой ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск (180 —200 С). Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более высокой из­носостойкостью и эффективно повышает предел выносливости. Этот вид цианирования применяют для упрочнения мелких деталей.Высокотемпературное цианирование. Для получения слоя большей тол­щины (0,5 — 2,0 мм) применяют высокотемпературное или глубокое циани­рование при 930-950°С. Зеркало ванны покрывают слоем графита во избежание больших потерь теплоты и угара цианистых солей. Время выдержки изделий в ванне для получения слоев указанной толщины составляет 1,5 — 6 ч.Выделяющийся атомарный углерод и азот диффундируют в железо. При указанных высоких температурах сталь с поверхности в большей степени насыщается углеродом и в меньшей – азотом.Строение цианированного слоя аналогично цементованному. 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 процессом цементации требует меньшего времени для получения слоя заданной толщины, характеризует­ся значительно меньшими деформациями и короблением деталей сложной формы и более высокими сопротивлением износу и коррозии.Недостатком цианирования является высокая стоимость, ядовитость цианистых солей и необходимость в связи с этим принятия специальных мер по охране труда.

30.БОРИРОВАИИЕ.Борированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагре­вании в соответствующей среде. Темпе­ратура насыщения 930—950°С при выдержке 2—6ч. Процесс можно вести и без электролиза в ваннах с расплавленными хлористыми солями (NaCl, ВаС1₂), в которые добавляют 20% ферробора или 10% карбида бора (В₄С). Хорошие результаты получены при газовом борировании. В этом случае насыщение ведут при 850 — 900^пС в среде диборана (В₂Н₆) или треххлори- стого бора (ВС1₃) в смеси с водородом. Диффузионный слой состоит из боридов FeB (па поверхности) и Fe₂B.Толщина слоя 0,1 —0,2 мм. Борированный слой обладает высо­ кой твердостью (HV 1800 — 2000), износостойкостью (главным образом, аб­ разивной), коррозионной стойкостью, окалипостойкостью (до 800°С). и теплостойкостью.Борирование применяют для повышения износостойкости втулок гря­зевых нефтяных насосов, дисков пяты турбобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм и машин Для литья под -да­влением. Стойкость указанных деталей после борирования возрастает в 2-10 раз.

31.ДИФФУЗИОННОЕ НАСЫЩЕНИЕ МЕТАЛЛАМИ. Поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком и другими элементами называют диффузионным насыщением металлами. Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относятся высокая жаростойкость, коррозион­ная стойкость, повышенная износостойкость и твердость.В зависимости от метода переноса диффузионного элемента на насы­щаемую поверхность различают следующие основные способы диффузион­ной металлизации: 1) погружением в расплавленный металл, если диффун­дирующий элемент имеет низкую температуру плавления (например, алю­миний, цинк); 2) из расплавленных солей, содержащих диффундирующий элемент (с электролизом и без электролиза); 3) из сублимированной фазы путем испарения диффундирующего элемента; 4) из газовой фазы (кон­тактным и неконтактным методом), состоящей из галогенных соединений диффундирующего элемента.Галогенные соединения диффундирующего элемента получают путем воздействия галоидного или галойдоводородного газа на этот элемент, или его ферросплав.Наиболее часто применяют контактный метод насыщения из газовой фазы. Для этого обрабатываемое изделие упаковывают в порошкообраз­ную среду, состоящую из ферросплава диффундирующего элемента. При высокой температуре диссоциирует. При этом полученный НС1 взаимодей­ствует с ферросплавом, образуя галоидные соединения диффундирующего элемента. Процесс ведут при 950 —1150°С в течение 3 —12 ч.Алитирование, Алитированием называют насыщение поверхности стали алюминием.В результате аллитирования сталь приобретает высокую окалиностой-кость (до 850—900°С), так как в процессе нагрева на поверхности аллити-рованных изделий образуется плотная пленка окиси алюминия предохраняющая металл от окисления. Алитированный слой обладает так­же хорошим сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде.Алитированию подвергают топливники газогенераторных машин, чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работаю­щие при высоких температурах.Хромирование. Хромированием называют насыщение поверхности стальных изделий хромом. Этот процесс обеспечивает повышенную устой­чивость стали против газовой коррозии (окалиностойкость) — до 800°С, зысокую коррозионную стойкость в. таких средах, как вода, морская вода л азотная кислота. Хромирование сталей, содержащих свыше 0,3 —0,4%-С, повышает также твердость и износостойкость.Диффузионный слой, получаемый при хромировании технического же­леза, состоит из твердого раствора хрома в а-железе . Слой. получаемый при хромировании стали, содержащей углерод, состоит из карбидов хрома. Под слоем карбидов находится переходный слой с высоким содержанием углерода (0,8%). Такие слои образуются в результате диффу­зии углерода из внутренних слоев к поверхности навстречу хрому. Углерод обладает большей скоростью диффузии, чем хром, поэтому для образова­ния карбидного слоя используется не весь углерод, и иод карбидным слоем находится переходный слой с высоким содержанием углерода. Кар­бидный слой обладает высокой твердостью.Хромирование используют для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах.Силицирование. Насыщение поверхности стали кремнием называют си-лицированием. Силицирование придает стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и не­сколько увеличивает устойчивость против износа.Силицированный слой является твердым раствором крем­ния в а-железе. Под диффузионным слоем часто наблюдается слой перли­та. Это объясняется оттеснением углерода из диффузионного слоя вслед­ствие пониженной растворимости его в кремнистом феррите. Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании хи­мической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубо­проводы, арматура, гайки, болты и т. д.).

2-ой семестр

+1.Влияние на сталь углерода и постоянных примесей. Главным элементом в стали является углерод, и это единственная примесь которая специально вводится в сталь. С повышением содержания углерода прочность стали существенно возрастает. С повышением содержания углерода увеличивается прочность и твердость, а пластичность и вязкость снижаются, кроме этого углерод заметно повышает верхний порог хладноломкости, расширяя температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние. Особенно сильно сказывается влияние углерода при неравновесной структуре стали. Углеродистые стали, в отличие от легированных, менее технологичны при термической обработке и у этих сталей очень небольшая прокаливаемость.

Получаемая в промышл. углеродистая сталь имеет довольно сложный химический состав. Содержание железа в ней может быть в пределах 97,0 – 99,5% и попадает марганец, кремний, сера фосфор, кислород, азот, водород, случайные примеси хром, никель, медь и кроме того не металлические включения. Постоянными примесями в стали считаются такие которые попадают в нее в процессе получения, разливки а также из исходных материалов, топлива, футеровки печей и атмосферы. Марганец в виде оксида постоянно находится в железных рудах, также попадает встали при раскислении ее ферромарганцем при выплавке. Аналогично воздействует на св-ва стали кремний, растворяющийся только в феррите. К постоянным примесям в стали относятся фосфор и сера. Эти элементы оказывают существенное влияние на механические, технологические и др. св-ва стали. Фосфор попадает из руды, топлива, и флюсов, используемых в металлургическом производстве. Сера присутствует в небольших количествах в железных рудах и металлург-ом топливе и поэтому попадает в сталь во время металлургического процесса. Кислород в крист. Решетке железа не растворяется, поэтому в стали он присутствует в виде зерен оксидов железа и др. элементов. Эти не металлические включения снижают прочностные и пластические св-ва стали. Азот в очень маленьких кол-вах растворяясь в феррите упрочняет сталь на превышающую допустимое значение охрупчивает. При выплавке стали в нее попадает водород, он охрупчивает его. Включения оксидов Mn. Si. Al могут образовываться в стали как продукты реакций раскисления на определенном этапе выплавки, а также попасть в нее из футеровки печей. Все неметаллические примеси существенно ухудшают металлургическое качество стали и снижают ее мех. Св-ва.

+2.основными легирующими элементами являются хром, никель, кремний и марганец.

Никель увеличивает пластичность и вязкость стали, снижает температуру порога хладноломкость и уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений, перечисленные факторы способствуют повышению сопротивления стали хрупкому разрушению. введение в сталь 1% никеля приводит к снижению порога хладноломкости на 60-80 С, а легирование стали 3-4% никеля обеспечивает ей глубокую прокаливаемость.

Хром повышает жаростойкость и коррозионную стойкость стали, увеличивает ее электрическое сопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения. легирование стали хромом приводит к уменьшению склонности аустенитного зерна к росту при нагреве, существенному увеличению ее прокаливаемости, а также к замедлению процесса распада мартенсита.

Кремний широко используется при выплавке стали как раскислитель. легирование кремнием углеродистых и хромистых сталей увеличивает их жаростойкость .уменьшая подвижность углерода в феррите, кремний тем самым затрудняет формирование и рост цементитных частиц, что проявляется в повышении устойчивости структуры стали при отпуске. Содержание кремния в стали ограничивают, поскольку он повышает склонность стали к тепловой хрупкости.

Марганец подобно никелю, снижает критическую скорость охлаждения, но в отличие от последнего уменьшает и вязкость феррита. Марганец используется для частичной замены никеля с целью получения нужного сочетания механических св-тв стали, а также с учетом меньшей стоимости марганца.

Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие вводят в сталь совместно с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения ее свойств.

3. Классификация легированных сталей. В основу классификации легированных сталей заложены четыре при­знака: равновесная структура (после отжига), структура после охлаждения на воздухе (после нормализации), состав и назначение сталей. По типу равновесной структуры стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные. Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру, а доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат соответственно избыточный феррит или вторичные кар­биды типа М₃С. В структуре литых ледебуритных (карбидных) сталей при­сутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами вкупе с аустенитом; поэтому по структуре они могут быть отнесены к белым чугунам, но их причисляют к сталям с учетом меньшего, чем у чугунов, содержа­ния углерода (< 2%) и возможности подвергать пластической деформации.

Классификация по структуре после нормализации предполагает раз­деление сталей на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный. Такое подразделение обусловлено тем, что с уве­личением содержания легирующих элементов в стали возрастает устойчивость аустенита в перлитной области; одновременно снижается температурная область мартенситного превращения. Все это приводит к изменению получаемых при нормализации структур от перлита в относи­тельно малолегированных сталях до мартенсит и аусте­нита.

Классификация по химическому составу предполагает разделение ле­гированных сталей на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т. п. Согласно той же классификации стали подразделяют по общему количеству легирующих элементов в них на низколегированные, легированны и высоколегированные. Разновидностью классификации по химическому составу является классифи­кация по качеству. Качество стали — это комплекс свойств, обеспечиваемых металлургическим процессом, таких, как однородность химического состава, I строения и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от содержа­ния газов (кислород, азот, водород) и вредных примесей — серы и фосфора. По качеству легированные стали подразделяют на качественные (до 0,04% S и до 0,035% Р), высококачественные (до 0,025% S и до 0,025% Р) и особовысококачественные (до 0,015% S и до 0,025% Р).

По назначению стали подразделяют на конструкционные (например, цементуемые, улучшаемые), инструментальные и с особыми свойствами. К последним относят «автоматные», пружинные, шарикоподшипниковые, из­носостойкие, коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, элек­тротехнические и другие стали.

4.Маркировка легированных сталей. Обозначение марки включает в себя цифры и буквы, указывающие на примерный состав стали. В начале марки приводятся двузнач­ные цифры (например, 12ХНЗА), указывающие среднее содержание углеро­да в сотых долях процента. Буквы справа от цифры обозначают легирующие элементы: А — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, Е — селен, К — кобальт, Н — никель, М — молибден, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, X — хром, Ц —цирконий, Ч — редкозе­мельные элементы, Ю — алюминий. Следующие после буквы цифры указы­вают примерное содержание (в целых процентах) соответствующего леги­рующего элемента (при содержании 1—1,5% и менее цифра отсутствует, например 30ХГС). Высококачественные стали обозначаются буквой А, а особовысококачественные — буквой Ш, помещенными в конце марки (30ХГСА, ЗОХГС-Ш). Если буква А расположена в середине марки (14Г2АФ), I то это свидетельствует о том, что сталь легирована азотом. При обозна­чении автоматных сталей с повышенной обрабатываемостью резанием буква А ставится в начале марки (А20, А40Г). Если автоматная сталь ле­гирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв АС (АС35Г2, где цифра 35 обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента). Маркировка шарикоподшипниковой стали на­чинается с буквы Ш (ШХ15, где 15 — среднее содержание хрома в деся­тых долях процента). В начале обозначения марки быстрорежущих сталей стоит буква Р, за которой следует цифра, отражающая концентрацию вольфрама (Р18, Р6М5). Опытные стали, выплавленные на заводе «Электро­сталь», первоначально обозначают буквами ЭИ (электросталь исследова­тельская) или ЭП (электросталь пробная) с порядковым номером разработки (освоения), например ЭИ962 (11Х11Н2В2МФ), ЭПЗЗ (10Х11Н23ТЗМР). Такое упрощенное обозначение сталей, особенно высоколегированных, в дальнейшем широко используется и в заводских условиях. При маркировке сплавов на железоникелевой основе указывается коли­чественное содержание никеля (в процентах) с перечислением лишь буквен­ных обозначений остальных легирующих элементов, например ХН38ВТ, ХН45МВТЮБР

+5.цементуемые. К данной группе сталей относятся стали с содержанием углерода 0,1-0,3% обеспечивающие после химикотермической обработки, закалки и низкого отпуска высокую поверхностную твердость при вязкой, но достаточно прочной сердцевине. Эти стали используются для изготовления деталей машин и приборов испытывающих переменные и ударные нагрузки и одновременно подверженные износу. Карбидо- и нитридообразующие элементы способствуют повышению прокаливаемости, поверхностной твердости, износостойкости и контактной выносливости. Никель повышает вязкость сердцевины и диффузионного слоя и снижает порог хладноломкости. Легированные стали ванадием, титаном, алюминием, ниобием, приводит к образованию дисперсных нитридов или карбонитридов. Цементуемые легированные стали по механическим св-ам подразделяют на две группы: стали средней прочности и повышенной прочности. Хромистые стали 15Х, 20Х предназначены для изготовления небольших изделий простоя формы, цементируемых на глубину 1.0-1.5мм. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое., чувствительна к перегреву, прокаливаемость невелика. Легирование хромистой стали ванадием (0.1-0,2%) улучшает механические свойства (сталь 20ХФ). Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Используют только для изготовления сравнительно небольших деталей. Хромоникелевые стали применяются для крупных деталей ответственного значения. испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки. Повышенная прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементированного слоя. Стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к перенасыщению поверхностных слоев углеродом Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих

хромоникелевых. Однако они менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости в прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. После цементации эти стали имеют высокие механические свойства. Бор увеличивает прокаливаемость стали, делает сталь чувствительной к перегреву.

6.улучшаемые Улучшаемые легированные стали. Улучшаемыми называют такие стали, которые используются после закалки с высоким отпуском (улучшения). Эти стали (40Х, 40ХФА,и др.) содержат 0,3—0,5% углерода и 1—6% легирующих эле­ментов. Данные стали применяют для изготовления валов, шатунов, штоков и других деталей, подверженных воздействию цик­лических или ударных нагрузок. В связи с этим улучшаемые стали должны обладать высоким пределом текучести, пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезу. Хромистые улучшаемые стали (ЗОХ, 40Х, 50Х) содержат 1% Сг, 0,65% Повышенное содержание углерода в них вызывает увеличение прочности, но приводит к сниже­нию пластичности и вязкости разрушению. Стали обладают небольшой прокаливаемостью, увеличение которой дости­гается микролегированием их бором, однако при этом повышается порог хладноломкости. Хромокремниймарганцевые стали содержат по 1% хрома, марганца и кремния и характери­зуются хорошими механическими и технологическими св-ми Хромоникелевые стали. Они отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью и вязкостью. хромоникелевые стали, также как хромансил и хромистые, склонны к обратимой отпускной хрупкости и должны охлаждаться после высокого отпуска с большой скоростью (в воде или масле).

Отпускной хрупкостью называют охрупчивание стали при некоторых условиях отпуска. Различают два рода отпускной хрупкости, Отпускная хрупкость I рода проявляется при отпуске около 300 °С и вызывается неравномерностью распада мартенсита по объему и границам зерен. Менее прочные приграничные слои зерен, претерпевающие почти полный распад на ферритно-ементитную смесь, играют роль концентраторов напряжений, что в конечном итоге вызывает хрупкое разрушение.

Отпускная хрупкость II рода проявляется лишь в результате медленного охлаждения после отпуска при температурах выше 500 °С. При быстром охлаждении вязкость не уменьшается, а, наоборот, возрастает с повышением температуры отпуска. присутствие молибдена или вольфрама в стали затормаживает диффузионные процессы, уменьшает разницу в диффузионной подвижности атомов в объеме и по границам зерна и тем самым существенно препятствует возникновению неоднородности между указанными зонами.

7.конструкционные углеродистые обыкновенного качества и качественные стали. Углеродистая конструкционная сталь подразделяется на сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380—71) и качественную (ГОСТ 1050-74).

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного каче­ства наиболее дешевы. Эти стали содержат повышенный процент вредных примесей серы (мартеновская до 0,055% и бессемеровс­кая до 0,060%) и фосфора (мартеновская до 0,045% и бессеме­ровская до 0,080%).

В зависимости от назначения стали обыкновенного качества под­разделяются на три группы — А, Б, и В.

Стали всех групп с номерами 1—4 изготавливаются кипящие (КП), спокойные (СП) и полуспокойные (ПС); с номерами 5—6 — полуспокойные (ПС) и спокойные (СП).

В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой груп­пы делится на категории:

группа А — категории 1, 2, 3;

группа Б — категории 1,2;

группа В — категории 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Группа А — стали обыкновенного качества, поставляемые по механическим свойствам без уточнения химического состава. Ста­ли этой группы маркируются буквами Ст. и цифрами 0, 1,2, 3, 4, 5, 6. Чем больше число, тем выше прочность стали.

Для обозначения категории к маркировке в конце добавляют номер категории (первую категорию не указывают). Например СтЗпс2, СтЗ.

Стали группы А используются в состоянии поставки без после­дующей горячей обработки давлением и термической обработки.

Группа Б — стали, поставляемые с гарантируемым химическим составом. Их маркируют индексом Б, буквами Ст и цифрами 0, 1,

2, 3, 4, 5, 6. Чем больше цифра, тем выше содержание углерода. В конце маркировки указывается номер категории, например БСт1, БСт2-2, БСтЗкп.

Группа В — стали, поставляемые с гарантируемым химическим составом. Их маркируют индексом В, буквами Ст и цифрами 1, 2,

3, 4, 5. В конце марки добавляют цифру, указывающую номер кате­гории. Например, ВСт2-2, ВСтЗкп-4.

Стали групп Б и В можно подвергнуть горячей обработке давле­нием и термической обработке (нормализации, закалке и отпуску).

Стали обыкновенного качества, применяют для изготовления строительных конструкций, арматуры и неответственных деталей машин, их поставляют в виде проката: балок, швеллеров, прутов, листов, труб и т.д.

Углеродистые качественные стали выплавляют в мартеновских или электрических печах; в зависимости от способа раскисления они могут быть спокойными или кипящими. В качественных сталях сужены пределы по содержанию углерода, снижено содержание серы до 0,04% и фосфора до 0,04%.

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 10, 20, 45 и т.д., которые показывают среднее содержание углерода в со­тых долях процента.

Стали с малым содержанием углерода 08, 10, 15, 20 имеют от­носительно низкую прочность (ст_в = 330 — 420 МПа) и высокую пластичность (5 = 25 — 32% и \|/ = 55 — 60%). Эти стали хорошо свариваются и штампуются.

Штампуемость стали сильно зависит от химического состава: чем больше углерода в стали, тем хуже штампуемость. Увеличение со­держания кремния снижает штампуемость, особенно при вытяжке. Поэтому стали, применяемые для холодной штамповки, особенно для глубокой вытяжки, имеют пониженное содержание углерода и кремния (не более 0,08%).

Стали марок 25, 30, 40, 45, 50 имеют более высокую прочность (сг = 460 — 640 МПа) при пониженной пластичности (5 = 23 — 14% и у =50-40%).

Стали марок 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 применяют также в виде калиброванных холоднотянутых прутков и проволоки точ­ных размеров. В результате наклепа повышается прочность, но сни­жается пластичность.

8.Легированные стали

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных кон­центрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами.

Стали, в которые добавляют легирующие элементы, называют­ся легированными.

Каждый легирующий элемент обозначается буквой: Н — ни­кель; X — хром; К — кобальт; М — молибден; Г — марганец; Д — медь; Р — бор; Б — ниобий; Ц — цирконий; С — кремний; П — фосфор; Ч — редкоземельные металлы; В — вольфрам; Т — титан; Ф — ванадий; Ю —алюминий.

Первые цифры в маркировке конструкционных сталей показы­вают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, идущие после букв, указывают среднее содержание данного леги­рующего элемента.

Если содержание элемента равно примерно 1%, то цифра отсут­ствует. В высококачественных сталях в конце обозначения ставят бук­ву А. Например, сталь состава 0,28-0,35% С; 0,8-1,1% Сг; 0,9-1,2% Мп; 0,8—1,2% Si будет обозначаться ЗОХГС.

Маркировка сложнолегированных инструментальных сталей не­сколько отличается от маркировки конструкционных сталей. На­пример, сталь Х12М содержит 1,45-1,70% С; 11-12,5% Сг; 0,5-0,8%Мо. Шарикоподшипниковые стали обозначаются буквой Ш, быстрорежущие — буквой Р.

Опытные марки сталей, не включенные в ГОСТ, обозначаются буквами ЭИ, ЭП, ДИ и порядковым номером. Например, ЭИ956, ЭИ958, ЭП478, ДИ22, ДИ42 и т.д.

В промышленных легированных сталях легирующие элементы могут находиться:

в свободном состоянии (медь и свинец не растворяются в стали и находятся в свободном состоянии в виде металлических включений);

в виде интерметаллических соединений с железом или между собой (интерметаллические соединения образуют большинство ле­гирующих элементов при определенных концентрациях, а поэтому чаще всего они встречаются в высоколегированных сталях);

в виде оксидов и сульфидов (оксиды образуют все элементы, вводимые в сталь для раскисления, а сульфиды — элементы, обла­дающие большим сродством с серой, чем железо);

в виде карбидов (растворяются в цементе или образуют само­стоятельные карбиды);

в виде раствора в железе (элементы, расположенные в периоди­ческой системе левее железа, могут и растворяться, и образовы­вать карбиды, а элементы, расположенные правее железа, образу­ют с ним только твердые растворы).

9.Рессорно-пружинные стали. Стали, применяемые для изготовле­ния рессор и пружин, должны обладать высокими пределом упругости (текучести) и пределом выносливости.

Для изготовления пружин и рессор применяют конструкционные стали с повышенным содержанием углерода 0,5-0,7%, дополнительно легированные кремнием, марганцем, хромом и ванадием

Углеродистые рессорно-пружинные стали после окончательной термической обработки должны иметь предел текучести не ниже 800 МПа, а легированные стали — не менее 1000 МПа.

Для получения этих свойств стали подвергают закалке и среднему отпуску при 350-500°С (в зависимости от состава стали) с целью получения структуры троостит отпуска. Легированные стали отпускают при более высоких температурах, чем углеродистые.

Стали 65, 70, 75, 65Г применяют для изготовления пружин и рессор небольшого сечения, испытывающих незначительные на грузки.

Стали, легированные кремнием (50С2, 55С2, 60С2), имеют бо­лее высокий предел текучести и повышенные упругие свойства, чем углеродистые. Однако кремнистые стали склонны к обезуглероживанию, образованию поверхностных дефектов при горячей обработке и графитизации. Кроме того, они трудно обрабатывают­ся резанием. Поэтому кремнистые стали заменяют кремнемарганцовистыми (60СГ), хромованадиевыми (50ФХА) и более сложно-легированными.

Сталь 50ХФА применяют для ответственных изделий, работаю­щих при повышенных температурах (до 300°С), многократных пе­ременных нагрузках и т.д. Сталь обладает высокой прокаливаемое тью и малой склонностью к росту зерна.

На качество и работоспособность пружин большое влияние ока­зывает состояние поверхности. При наличии трещин и других де­фектов на поверхности срок службы уменьшается. Разрушение про­исходит вследствие развития усталостных трещин в местах концен­трации напряжений вокруг этих дефектов.

Шарикоподшипниковые стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и высоким пределом усталости, так как в процессе эксплуатации детали подшипника воспринимают значительные знакопеременные нагрузки. Поэтому шарикоподшипниковые стали должны быть чистыми: недопустимо наличие неметаллических включений, неравномерное распределение карбидов, наличие пузырей и пор. Эти дефекты являются концентра­торами напряжений, вызывающими образование трещин и выкрашивание металла, что приводит к преждевременному выходу под­шипника из строя.

Обозначение шарикоподшипниковых сталей отличается от конструкционных, буквы ШХ расшифровывают так: шарикоподшип­никовая хромистая, цифра указывает примерное содержание хро­ма в десятых долях процента.

Сталь ШХ15 применяют для изготовления колец шарико- и ро­ликоподшипников диаметром до 20—25 мм, а также для изготовле­ния обратных клапанов, валиков топливных насосов и др.

Для изготовления крупногабаритных колец шарико - и ролико­подшипников диаметром до 50—64 мм применяют сталь ШХ15СГ. Изделия из сталей ШХ15 и ШХ15СГ подвергают закалке для получения структуры мартенсит с избыточными карбидами и твер­дости 62—65 HRC. После закалки проводят низкотемпературный отпуск при 150-18

10.Автоматные и износостойкие стали. Содержат повышенное содержание серы ( до 0,15 – 0,3% ) и фосфора (0,05-0,15%). Из-за повышенного содержания серы и фосфора автоматные стали хорошо обрабатываются резанием и при этом, получается высокое качество поверхности. Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, которые указывают содержание углерода в сотых долях процента, например А12, А20, и т.д. При повышенном содержании марганца в марку стали добавляется буква Г, например А30Г.

Автоматную сталь применяют для изготовления болтов, гаек, винтов и т.д.

С целью повышения прочности автоматные стали подвергают холодной протяжке, в результате чего они наклепываются. Например у стали А20 предел прочности повышается с 460-610МПа до 620-800 МПа.

Автоматные стали, содержание до 0,20% С, применяют в качестве цементуемых, а с более высоким содержанием углерода – в качестве улучшаемых.для фасонного литья, особенно в транспортном машиностроении, применяют углеродистые стали, которые маркируют цифрой, указывающей среднее содержание углерода в сотых долях процента, и буквой Л – литая, например, 15Л, 40Л.

Износостойкие стали. Для деталей, работающих на износ в условиях абразивного трения и высоких давлений и ударов, применяют высокомарганцевую литую аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 0.9-1.3% С и 11,5-14.5% Mn. Она обладает следующими механическими свойствами: _0.2=250350МПа, _в=8001000МПа, =3545%, =4050%.

Сталь 110Г13Л обладает высокой износостойкостью только при ударных нагрузках. При небольших ударных нагрузках в сочетании с абразивным изнашиванием либо при чистом абразивном изнашивании мартенситное превращение не протекает и износостойкость стали 110Г13Л невысокая.

Для изготовления лопастей гидротурбин и гидронасосов, судовых гребных винтов и других деталей, работающих в условиях изнашивания при кавитационной эрозии, применяют стали с нестабильным аустенитом 30Х10Г10, 0Х14АГ12 и 0Х14Г12М, испытывающим при эксплуатации частичное мартенситное превращение.