книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]

Для азотирования изделия помещают в печь, через которую

пропускают аммиак NH3. При температуре 500—600° аммиак

диссоциирует на водород и азот

NH3→3H⅛N.

Атомарный азот, обладая высокой активностью, диффунди­ рует в поверхностные слои изделия ,и с элементами, входящими

всостав стали, образует нитриды хрома, молибдена, алюминия

ижелеза, которые и упрочняют поверхностные слои обрабаты-

ваемого изделия. Влияние темпе­ ратуры и времени азотирования

на глубину азотированного слоя показано на фиг. 63.

После азотирования термиче­ ской обработке изделия не под­ вергаются. Окончательная струк­

тура после азотирования следую­

щая: на поверхности — сорбит и

нитриды; в сердцевине — сорбит.

деталей, работающих при невысоких температурах, а азотиро­ вание — для деталей, работающих на истирание при небольших

удельных давлениях, но при более высоких температурах.

3. Цианирование

При цианировании поверхностные слои стальных изделий насыщаются одновременно азотом и углеродом. Таким образом,

повышение твердости происходит за счет образования карбидов

инитридов.

В.настоящее время в промышленности практикуют два мето­

да: жидкое цианирование и газовое цианирование (нитроцемен­

тация).

Наиболее распространенным видом цианирования является

жидкое цианирование. Оно производится в ваннах с расплав­

ленными солями, главную часть которых составляют цианистые соединения: NaCN, KCN и Ca(CN)2.

Для уменьшения летучести цианистых соединений в ванну добавляют нейтральные соли NaCl, Na2CO3 и BaCl2.

Различают низкотемпературное жидкое цианирование, про-

70

водимое при 520—580°, ,и высокотемпературное жидкое циани­

рование, проводимое при температуре 820—870°.

При низкотемпературном цианировании изделия подвергают­

ся закалке и отпуску перед цианированием.

После высокотемпературного цианирования детали прямо

честь ядовитых цианистых соединений. Для уменьшения летуче­

сти зеркало расплавленных цианистых ванн изолируют от атмо­

температурах от 500 до 850°. Этот метод более экономичен, до­

ных изделий алюминием, с целью придания им жаростойкости.

Твердый раствор, обогащенный алюминием, способен при нагре­

вании образовывать тонкую -окисную пленку Al2O3, предохра­

няющую металл от дальнейшего окисления. Для алитирования

обычно применяют смесь, состоящую из порошка алюминия

или ферро-алюминия (40—50%), хлористого аммония (0,5—5%) и инертных добавок (окись алюминия, песок, шамот и т. п.)..

Хлористый аммоний является катализатором, а инертные добав­

71

Раздел четвертый

АВИАЦИОННЫЕ СТАЛИ

I. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Углеродистыми сталями называются сплавы железа с угле­

родом, содержащие до 2% углерода. Обычная углеродистая

сталь, кроме основных элементов — железа и углерода, содер­ жит еще 0,3-0,7% марганца; 0,2-0,4% кремния; 0,01—0,05%

фосфора и 0,01—0,04% серы. Эти элементы являются примеся­ ми. Они вводятся в сталь при ее производстве (марганец и

кремний) или неизбежно попадают в нее (фосфор и сера).

Помимо этих примесей, в сталь попадают скрытые (кислород,

азот, водород) и местные примеси (мышьяк, ванадий, хром, ни­

кель, медь и др.), находящиеся в местных рудах или шихтовых материалах. Содержание скрытых и местных примесей в сталях

ограничивается десятыми, сотыми или тысячными долями про­ цента. Таким образом углеродистая сталь, кроме железа и угле­ рода, содержит 8—10 элементов. Однако важнейшим элементом

вуглеродистой стали является углерод.

Взависимости от назначения стали различают конструкци­

онную и инструментальную углеродистую сталь. Конструкцион­

ная сталь содержит 0,05—0,55% углерода и поступает в виде поковок или катаных полуфабрикатов (прутков, листов, полос,

труб). Инструментальная сталь содержит от 0,55—1,5% углеро­

да и применяется для изготовления сверл, разверток, метчиков, плашек и т. д.

1. Влияние углерода на строение и свойства стали

Увеличение содержания углерода в стали ведет к изменению

структуры. Подробно это изменение рассматривалось при изу­ чении диаграммы состояния железо—углерод (ом. фиг. 23).

Напомним только, что микроструктура углеродистых сталей со­

стоит из феррита, представляющего собой мягкую, пластичную структурную составляющую, и цементита, являющегося хруп­ кой и очень твердой структурной составляющей. C изменением

73

количественного соотношения между ферритом и цементитом

ах:

24

20

10

12

&

4

Фиг. 65. Влияние углерода на механические свойства стали

Механические свойства стали зависят также от формы и размеров отдельных структурных составляющих. Чем меньше

частички цементита, тем выше твердость и прочность стали.

Зернистая форма цементита по сравнению с пластинчатой ха­

рактеризуется более высокой пластичностью.

2.Влияние примесей на свойства стали

■Марганец является важнейшей из постоянных примесей.-

Вводится он в сталь для раскисления, которое идет по следую­

щей реакции:

FeO + Mn → MnO + Fe.

В феррите марганец растворяется в больших количествах.

74

Кремний является второй по важности из постоянных приме­

сей. Как и марганец, вводится он в сталь также для раскисле­ ния, т. е.

2FeO÷Si→ SiO2+ 2Fe.

В углеродистых сталях кремний полностью растворяется в фер­

рите.

Сера является вредной примесью. Попадает она в сталь из

руд, а также из топлива. Любое количество серы в стали дает сернистое соединение FeS, которое с железом образует легко­ плавкую эвтектику. При нагревании стали до температур ков­

ки или прокатки 800—1200° легкоплавкая эвтектика расплав­ ляется и при ударе молота в стали возникают трещины. Это яв­

ление называется красноломкостью.

Красноломкость стали уменьшается при введении марганца, который, связывая серу

FeS + Mn = MnS + Fe,

препятствует образованию легкоплавкой эвтектики. Наличие серы в стали, кроме того, понижает динамическую прочность,

сопротивление износу и коррозионную стойкость.

Фосфор также является вредной примесью. Попадает фо­

сфор в сталь из железных руд. Растворяясь в феррите, фосфор снижает пластичность и ударную вязкость стали, делая ее хлад­

ноломкой; хладноломкость начинает резко проявляться при на­

личии фосфора в стали выше 0,1%,

Кислород содержится в стали в твердом растворе и в виде

окислов, которые при горячей обработке давлением вытягивают­

ся и располагаются в виде цепочек. Наличие подобных включе­

ний приводит к местным напряжениям и при повторно-перемен­

ных нагрузках — к разрушению от усталости. Особенно вред­

ным кислородным включением является закись железа, которая

вызывает красноломкость стали.

3. Применение углеродистых сталей

Углеродистые стали поступают на авиационные заводы

в виде листов, лент, проволоки, прутков, поковок и труб. Полу­

фабрикаты могут быть горячекатаными (горячековаными) и хо­

лоднокатаными (холоднотянутыми).

Сортамент горячекатаных изделий отличается чрезвычайным

разнообразием. Основные виды проката показаны на фиг. 66

(квадрат, круг, 'шестигранник, прямоугольник, уголковая равно­

бокая и неравнобокая сталь, швеллеры, тавровая сталь, двутав­

ровые балки, зетовая сталь, рельсы). Кроме профилей общего назначения, в . авиации применяются профили специального на­

75

значения: периодический прокат, трубы, листовой прокат, ленты и проволока. Проволока марок OB и OBC применяется в холод­

нотянутом сильно нагартованном состоянии.

В табл. 2 приведены состав и свойства малоуглеродистых

сталей.

Содержание примесей (марганца, кремния, фосфора и серы)

в этих сталях, как и в последующих, которые будут рассматри­

ные

Приведенные в табл. 2 стали закалке и отпуску не подверга­

ются, но могут цементироваться.

В авиастроении электротехническая малоуглеродистая сталь

марки ЭА (железо типа Армко) применяется для изготовления

электромагнитных механизмов, аппаратуры и деталей, получае­

мых глубокой штамповкой.

76

Сталь марки 10 применяется для изготовления сварных и- штампованных деталей с невысокой прочностью: баков, выезд­

ных болтов, шайб, прокладок и деталей, подвергаемых цемента­ ции. Употребляется она также в качестве присадочной проволо­ ки при сварке.

Сталь марки 20А также идет на изготовление сварных и

штампованных деталей с невысокой прочностью: подмоторных рам и фюзеляжей для легких машин, узлов, косынок, трубча­ тых заклепок.

В табл. 3 приведены состав и свойства среднеуглеродистых

сталей. Эти стали применяются как без термической обработки

и отпущенные

Сталь марки 35 применяется для изготовления болтов, гаек,

винтов, шайб. Сталь обладает удовлетворительной свариваемо­

стью и хорошо обрабатывается резанием. Температура отжига,

нормализации и закалки равна 860°.

Сталь марки 45А имеет пониженное содержание серы и фо­

сфора (не более 0,035%). Из стали 45А изготовляются лентырасчалки, валики и муфты к ним. Температура отжига и закал­ ки равна 850°. Закаливается эта сталь в масле. Отпуск при

600—650° обеспечивает сорбитную структуру. Для упрочнения и

придания лентам-расчалкам овального сечения их подвергают

прокатке в холодном состоянии. Концы лент-расчалок для на­ резания резьбы оставляют круглыми. В результате холодного

проката прочность овальной части лент-расчалок повышается до

110—115. кг/мм2, а удлинение уменьшается До 5—6%. Высокоуглеродистые стали в авиастроении применяются для

изготовления спиральных и плоских пружин, а также для изго­ товления инструмента.

Содержание углерода у разных марок инструментальных

сталей от У7 до У13, а также температуры закалок этих сталей, показаны на фиг. 67. Как видно из диаграммы, сталь марки У7

в среднем содержит 0,7% углерода, марки У8 — 0,8% и т. д..

Температуры закалок этих сталей назначаются в соответствии

77'

с диаграммой состояния железо—углерод (см. фиг. 47). После

закалки инструментальные стали подвергаются отпуску при температуре 150—300°.

Высокоуглеродистая сталь марки 70 (ВС и OBC) в авиа­

строении применяется в виде нагартованной проволоки для на­

вивки спиральных пружин. После навивки пружины подверга­ ются отпуску при 260—300°.

Фиг. 67. Температура закалки различных высоко­ углеродистых инструментальных сталей

Проволока высокого сопротивления BC в среднем содержит 0,65% углерода, а проволока марки OBC — 0,75% углерода.

Если сталь марки 70 применяется для изготовления инстру­

ментов, то она называется маркой У7А.

Выюокоуглеродистые стали марок У8А и У9А применяются

ввиде холоднокатаных лент для изготовления плоских пружин.

Температура отжига, нормализации и закалки этих сталей рав­

на 780°, закалочная среда — масло. Отпуск пружин производят

всоляной ванне при 350—420° с выдержкой в течение 5 минут.

Примерная твердость пружин по Роквеллу по шкале C равна

44—48.

Втабл. 4 приведены температура отпуска и твердость раз­ личного инструмента, изготовленного из разных марок высоко­

.78

II. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ

Стали, в которые введены специальные элементы, изменяю­

щие их свойства, называются легированными. Элементы, вводи­

мые в сталь, называются легирующими. К ним относятся: хром,

никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан, ниобий,

алюминий, марганец, кремний, азот, бор и др. элементы.

Таким образом, всякая легированная сталь, кроме железа и

углерода и обычных для углеродистой стали примесей, содержит

легирующие элементы, введенные в сталь для придания ей оп­

ределенных свойств. Свойства стали в результате ее легирова­ ния изменяются от количества введенных легирующих элементов

и характера их взаимодействия с основными элементами ста­ ли — железом и углеродом.

В авиастроении легированные стали получили самое широ­ кое распространение.

1. Взаимодействие легирующих элементов с железом

C железом легирующие элементы образуют твердые раство­ ры и химические соединения. Если количество введенных леги­

рующих элементов превышает предел их растворимости в желе?

зе, то эти элементы с железом образуют химические соединения,

называемые металлическими соединениями.

При образовании твердых растворов атомы легирующих эле­ ментов, растворенные в железе, искажают кристаллическую ре­

шетку железа. Это искажение вызывает изменение физических

и химических свойств стали. Образование химических соедине­

Mn Ni C N Cu — — — — — — — — — — — — Cr

79