1463

личных видов чугуна в первую очередь зависит от толщины сте­ нок и содержания кремния.

Прочность отливок из серого чугуна можно ориентировочно найти:

0,4 Н В °ь Сгр + 1,0 '

Количество марганца в чугунах должно быть всегда доста­ точным, чтобы связать и нейтрализовать серу. Это количество выражается формулой Mn = 2S + 0,2. Чем больше марганца сверх этого количества (но не более 1,0—1,5%), тем легче получить перлит и тем труднее получить феррит. При большом количе­ стве марганца чугун отбеливается.

Фосфор вызывает хрупкость, поэтому более 0,2% Р не допус­ кается ни в ковком, ни в высокопрочном чугуне, поскольку эти

свойств чугуна, добавкой специальных примесей. Чаще всего в шихту дают для этого природнолегированные доменные чугуны. Легирование 0,8—1,0% Ni, 0 ,6 —0,8% Сг увеличивает стой­ кость чугуна в щелочах. Для специальных целей применяют вы­ соколегированные чугуны. Большое распространение получили феррито-карбидные высокохромистые чугуны Х-28 и Х-34, со­ держащие до 36% Сг. Эти чугуны жаростойки до 1100°С, стой­ ки в азотной кислоте, против паров серы и сернистых соедине­ ний, в крепкой серной кислоте, фосфорной кислоте, в большин­ стве органических кислот и т. п.

Значительный интерес представляют никельмедистые чугуны (12—15% Ni, 5—8 % Си). Последний чугун известен под назва­ нием н и р е з и с т .

Преимуществом указанных чугунов по сравнению с хроми­ стыми является меньшая твердость и лучшая обрабатываемость, но они менее доступны из-за дефицитности никеля.

S*

2. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Для улучшения свойств стали применяют различные виды термической (закалки, отпуска, отжига) и химико-термической обработки, изменяющие структуру стали. Все виды термической обработки имеют обязательные операции: нагрев до определенной температуры, выдержку при назначенной температуре и охлаж­ дение.

В большинстве случаев нагрев для закалки и отжига стали производится выше температур фазового превращения (^Пр) на 30—50° С. Для доэвтектоидных сталей это выше линии GS диа­ граммы Fe—Fe3C с целью превращения феррита и перлита в ау­ стенит а для заэвтектоидных сталей выше линии PSK с целью

Рис. 51. Кривые термической обработки стали (схема)

превращения перлита в аустенит. Более высокие температуры нагрева без особой необходимости нежелательны во избежание чрезмерного роста аустенитного зерна.

Характер превращения аустенита зависит от скорости его последующего охлаждения. При замедленном охлаждении в пе­ чи происходит отжиг стали; если охлаждение осуществляется на воздухе, отжиг называется нормализацией.

При ускоренном охлаждении в воде или масле происходит закалка. Отжиг и закалка называются полными, если при на­ греве вся структура стала аустенитной, и неполными, если нагрев производился только до аустенито-перлитной или аустенитоцементитной области.

После закалки обязательно проводится отпуск, задачей ко­ торого является несколько уменьшить неравномерность структу­ ры и тем самым снять внутренние напряжения в детали. Отпуск производится при температуре ниже фазового превращения (рис. 51).

Чтобы понять процессы превращения аустенита при различ­ ных видах термической обработки, необходимо ознакомиться

с S-образной диаграммой, которая характеризует изотермиче­ ское превращение переохлажденного аустенита, т. е. аустенита, который удается кратковременно зафиксировать при температу­ рах ниже критических.

На рис. 52 представлена типовая S-образная диаграмма для эвтектоидной стали. На оси абсцисс отложена продолжитель­

бе йнит ом) . Все эти структуры представляют собой смесь фер­ рита с цементитом и чем ниже температуры, тем они дисперснее.

Пластинчатыми структуры называются потому, что перлит, сорбит и тростит представляют собой смеси пластинок цементита и феррита. Однако при очень низких температурах превращения феррит приобретает игольчатую направленность, а поэтому и тростит называется игольчатым. Соответственно меняется твер­ дость (и прочность), НВ:

Все превращения, при которых получаются перечисленные структуры, называются диффузионными; происходит перестрой­ ка y-Fe-^a-Fe и выделение (диффузия) углерода из твердого раствора.

При более низких температурах выделение углерода из твер­ дого раствора не может произойти, приостановить же превраще­ ние y-Fe-^a-Fe невозможно, а поэтому получается пересы­ щенный, неравновесный твердый раствор углерода в a-Fe, получивший название ма р т е н с и т . Мартенситная структура

Поэтому закаленные структуры всегда переохлаждены и неравно­ весны. Если растворяющаяся среда не имеет полиморфных пре­ вращений, получается истинный твердый раствор, обычно способ­ ный к пластической деформации. Поскольку при закалке стали имеет место полиморфное превращение, аустенит зафиксировать не удается, а образуется мартенсит, который не способен к пла­ стической деформации и очень тверд.

Т в е р д о с т ь м а р т е н с и т а т е м б о л ь ше , чем больше в нем растворено углерода и для инструментальной заэвтектоидной стали равна 62НРС и выше. Твердость мартенсита объяс­ няется напряженностью решетки a-Fe, поскольку оно не спо­ собно растворять в себе углерода.

Согласно данным Г. В. Курдюмова, когда при закалке весь углерод оказывается растворенным в a-Fe, последняя имеет решетку не объемноцентрированного куба, а тетрагональную

обеспечивается тогда, когда скорость охлаждения

является критической (aKp). Критической скоростью называется минимальная скорость охлаждения, при которой не получаются структуры диффузионного превращения, а получается мартенсит.

Сталь способна принимать закалку, если она содержит не ме­

ливаться на определенную глубину. Чем более устойчив пере­ охлажденный аустенит, т. е. чем больше расстояние от оси орди­ нат до перегиба (кривой начала превращения), тем на большую глубину прокаливается сталь. Углеродистая сталь прокаливается на небольшую глубину. Для закалки на большие глубины приме­ няются легированные стали.

Нагрев под закалку может производиться в газовой и жидкой среде.

Печи газового нагрева могут иметь нефтяной (мазутный), га­ зовый или электрический обогрев.

Печи могут быть сделаны герметическими и наполняться газа­ ми, предохраняющими металл от окисления. Такие контролируе­ мые, неокисляющиеся атмосферы состоят из аргона, гелия, азо­ та, смесей Na2 + Н2 + СО и др., образуемых в специальных гене­ раторах из нефтепродуктов или светильного газа.

Помимо газового нагрева, широкое применение нашел жидкостный нагрев под закалку в расплавленных металлах (сви­ нец, сплавы свинца, силумин) и солях (хлориды, карбонаты, нитраты).

Нагрев в жидких средах имеет ряд преимуществ перед газо­ вым нагревом: значительно более быстрый прогрев изделий, однородность температуры среды, меньшее окисление, чем на воз­ духе, возможность местного нагрева и др.

К недостаткам жидкостного нагрева относится малая-стой­ кость тиглей, необходимость специальной очистки изделий после термообработки, большая опасность работы для персонала..

Нагрев в жидких средах производится в специальных печахвакнах, тигли которых подогреваются мазутом, газом, электри­ чеством.

Для высокотемпературного нагрева (до 1300° С) обычно при­ меняют электродные печи-ванны, в которых электросопротивле­ нием служит сама расплавленная соль — хлористый барий.

Закалку производят в различные закалочные среды — воду, масло, расплавленные соли, воздух.

Если принять охлаждающую способность спокойной воды при 20° С за единицу, то относительная охлаждающая способность 10%-ного водного раствора NaCl составит 1,23, масла — 0,20, спокойного воздуха — 0,03.

Для уменьшения коробления и поводки производят изотерми­ ческую закалку в расплавленные соли, находящиеся при темпе­ ратуре устойчивости аустенита, и последующего охлаждения.

После закалки производят о т п у с к для. уменьшения нерав­ новесное™ структуры.

Взависимости от требований, предъявляемых к окончатель­ ной структуре, выбирается температура отпуска. Она должна быть ниже температуры фазового превращения.

Вчастности, при нагреве до температуры не выше МПмартен­ сит будет отпущенным, из него выделится часть углерода и сни­ мается часть остаточных напряжений, которые могут вызвать

разрушение изделия. Такой отпуск называют н и з к о т е м п е р а ­ т у р н ы м (180—220° С) и применяют при закалке инструмента, поскольку здесь требуется сохранить мартенсит. При нагреве до 300—400° С мартенсит превращается в тростит. Такой отпуск называют с р е д н е т е м п е р а т у р н ы м и применяют при за­ калке штампов, пружин и т. п. При нагреве до 500—550° С тростит превращается в сорбит. Такой отпуск называют в ы с о к о т е м ­ п е р а т у р н ы м и применяют чаще всего для конструкционной стали. Свойства тростита и сорбита, полученные при отпуске мар­ тенсита, превосходят по вязкости аналогичные структуры, полу­ чаемые при охлаждении непосредственно из аустенита. Объяс­ няется это тем, что цементитная фаза в этих структурах при рас­ паде мартенсита получается не пластинчатой, а сфероидальной.

Отпуск можно производить в газовой среде (воздух или за­ щитные атмосферы), в жидкой среде (кипячение в воде для сня­ тия напряжений), низкотемпературный отпуск в масле (до 2 0 0 — 250°С), высокотемпературный отпуск (до 500—550° С) в расплав­ ленной селитре и щелочи.

Термическая обработка доэвтектоидной стали заключается в закалке на мартенсит и высокотемпературном отпуске на сор­

бит и называется у л у ч ше н и е м . Повышение прочностных свойств здесь объясняется преобразованием феррито-перлитной структуры в сорбитную.

Преобразование феррито-перлитной структуры в сорбитную может быть получено и путем нормализации, но в этом случае эффект повышения прочности свойств менее значителен, чем при закалке с отпуском.

Отжиг

Отжиг имеет различные назначения и бывает двух родов: отжиг первого рода — нагрев ниже температур фазового превра­ щения и второго рода — нагрев выше температур фазового пре­ вращения.

О т ж и г п е р в о г о р о д а (низкотемпературный) применяют для снятия остаточных напряжений, для снятия наклепа, сфероидизации цементита в заэвтектоидных сталях для их смягчения, т. е. для облегчения обрабатываемости.

Обычно, чем выше температура, тем короче может быть вы­ держка, но все же для сфероидизации требуется длительная выдержка.

Отжиг для снятия наклепа (см. главу «Обработка давле­ нием») производят после холодной пластической деформации; при этом происходит не только снятие напряжений, но и рекри­ сталлизация структуры, а поэтому он называется рекристаллизационным.

О т ж и г в т о р о г о р о д а имеет различные цели, а именно: а) измельчение зерна; б) получение равновесной, более мягкой структуры; в) уничтожение литой структуры; г) устранение ден­ дритной ликвации.

Отжиг доэвтектоидных сталей производят нагревом на 20— 50° С выше температуры фазового превращения, т. е. выше ли­ нии GS (см. диаграмму железо — углерод).

При указанных температурах происходит превращение a-Fe ->Tf-Fe и образование большого числа мелких зерен аусте­ нита независимо от исходных размеров ферритного и перлитного зерна. Последующее охлаждение изделий с малым аустенитным зерном приводит к образованию мелкого ферритного и перлит­ ного зерна. Значительный перегрев выше линии GS дает не из­ мельчение, а укрупнение зерна.

Литые структуры очень часто бывают крупнозернистыми, а из­ быточная фаза, например феррит в доэвтектоидной стали и вто­ ричный цементит в заэвтектоидной стали, располагается в зернах

женной вязкостью по сравнению с нормальной структурой. При

улучшения, производят и поверхностную (местную) закалку на мартенсит.

При индивидуальном и серийном производстве быстрый мест­ ный нагрев может быть осуществлен применением кислородно­ ацетиленовых горелок. При массовом производстве применяется высокочастотный нагрев, обеспечивающий более качественную поверхность.

Глубина прогретого слоя пропорциональна соотношению

где р - удельное электросопротивление, ц — магнитная проницае­ мость, / — частота тока.

Нагрев изделий токами высокой частоты (т. в.ч.) производится в индукторах, питаемых от специальных установок— генерато­ ров т. в. ч.

Для прогрева массивных изделий на большую глубину при­ меняют машинные генераторы (спаренный блок-электродвига­ тель с высокочастотным генератором). Получаемая частота рав­

на— Ю кгц.

При закалке изделий небольших размеров и в случае, когда не требуется большая глубина закал'ки применяют ламповые ге­ нераторы т. в. ч. с частотой в десятки и сотни килогерц.

Закалку изделий токами высокой частоты в условиях массо­ вого производства осуществляют на специальных станкахавтоматах высокой производительности.

3. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Химико-термическая обработка заключается в обработке го­ товых деталей в активных средах, что приводит к изменению химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев. Химико-термическую обработку производят главным образом для поверхностного упрочнения металлов.

Наибольшее распространение получили: цементация, азотиро­ вание и цианирование.

Цементация

Цементация производится при 900—950° С для науглерожи­ вания поверхности малоуглеродистой (менее 0,25%) нёзакалившейсЯ стали до 0,8% С. Благодаря цементации, изделие стано­ вится двухслойным — поверхность науглероженная, сердцевина ненаугДероженная. После цементации изделие подвергается за­ калке и низкотемпературному отпуску. При этом сердцевина не принимает закалку, остается вязкой и может работать в усло­ виях Динамических нагрузок, а поверхность приобретает маптен-

ситную поверхность на глубине около 1 , 0 мм и хорошо сопротив­ ляется износу при трении.

Цементация осуществляется в твердом или газообразном кар­ бюризаторе; в обоих случаях переносчиком атомов углерода является газовая фаза.

При цементации в твердом карбюризаторе изделия упаковы­ вают е смеси, состоящей из 70—80% древесного угля и 20—30 % 1 углекислых солей (ВаСОз, Na2 C03 или К2 СО3 ), играющих роль катализатора и способствующих выделению углерода в атомар­ ном состоянии, необходимого для цементации.

Цементированная поверхность годится для эксплуатации при невысоких температурах, так как при температуре выше 150— 200° С мартенсит распадается.

Газовая цементация имеет значительные преимущества перед цементацией в карбюризаторах: технология более гигиенична, процесс протекает в два-три раза быстрее, меньше вырастает аустенитное зерно (особенно если применяют стали, мало чув­ ствительные к росту зерна), а поэтому отпадает надобность в промежуточных операциях (термическая обработка для измель­ чения зерна).

Газовая цементация требует специальное, более сложное обо­

Весьма производительным является процесс газовой цемента­ ции с нагревом токами высокой частоты. Так, при цементации автомобильных шестерен из стали 18ХГТ при нагреве т. в. ч. до 1050—1080° С в атмосфере городского газа время для получения цементированного слоя в 0,8—1,2 мм составляет всего 40 мин.

Азотирование

Способ азотирования основан на образовании в поверхност­ ном слое твердого раствора азота в железе и нитридов. Твердость азотированной поверхности значительно выше твердости цемен­ тированной закаленной поверхности и достигает 1 1 0 0 —1 2 0 0 ЯВ. Азотирование проводится при относительно низких температурах (—500—600° С) в среде аммиака, который, разлагаясь, выделяет атомарный азот, способный реагировать с металлом

NH3 ЗН + N.