- •Федеральное агентство по образованию
- •Введение
- •Глава 1 общее представление о строении металлов Кристаллические структуры металлов и сплавов
- •1.2. Дефекты строения реальных кристаллов
- •1.3. Кристаллизация металлов
- •1.4. Полиморфизм металлов
- •1.5. Основные сведения о металлических сплавах
- •1.6. Диаграммы состояния двойных сплавов
- •1.6.1. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых нерастворимы в твердом состоянии (I рода)
- •1.6.2. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых неограниченно растворимы в твердом состоянии (II рода)
- •1.6.3. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии (III рода)
- •1.6.4. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых образуют устойчивое химическое соединение (IV рода)
- •1.6.5. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния
- •Глава 2 диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
- •2.1. Структурные составляющие сплавов железа с углеродом
- •2.2. Участок диаграммы состояния Fe-Fe3c с концентрацией углерода 0...2,14 %
- •2.3. Участок диаграммы состояния Fe-Fe3c с концентрацией углерода 2,14...6,67 %
- •Глава 3 термическая обработка
- •3.1. Основы термической обработки стали
- •3.1.1. Превращение перлита в аустенит и рост зерна аустенита при нагреве
- •3.1.2. Превращения аустенита при охлаждении
- •3.1.3. Мартенситное превращение
- •3.1.4. Превращения мартенсита при нагреве
- •3.2. Основные виды термической обработки стали
- •3.2.1. Отжиг сталей
- •3.2.2. Закалка сталей
- •3.2.3. Закаливаемость и прокаливаемость стали
- •3.2.4. Поверхностная закалка
- •3.2.5. Отпуск сталей
- •3.3. Термомеханическая обработка стали
- •3.4. Термическая обработка чугуна
- •3.5. Дефекты термической обработки стали
- •Глава 4 химико-термическая обработка
- •4.1. Основы химико-термической обработки сталей
- •4.2. Цементация
- •4.3. Азотирование
- •4.4. Цианирование
- •4.5. Диффузионная металлизация
- •Глава 5 углеродистые и легированные стали
- •5.1. Влияние примесей на свойства сталей
- •5.2. Классификация сталей
- •5.3. Углеродистые стали
- •5.4. Легированные стали
- •5.4.1. Конструкционные стали
- •5.4.2. Инструментальные стали
- •5.4.3. Стали специального назначения
- •Глава 6 чугун
- •8.1. Белый чугун
- •8.2. Серый чугун
- •8.3. Ковкий чугун
- •8.4. Высокопрочный чугун
- •Глава 6 цветные металлы и сплавы
- •6.1. Общее понятие о цветных металлах
- •6.2. Алюминий и его сплавы
- •6.3. Магний и его сплавы
- •6.4. Медь и ее сплавы
- •6.5. Титан и его сплавы
- •Глава 7 композиционные материалы
- •7.1. Классификация композиционных материалов
- •7.2. Особенности получения км жидкофазными методами
- •7.3. Особенности получения км твердофазными методам»
- •7.4. Методы и условия получения эвтектических км
- •7.5. Технология изготовления дисперсно-упрочненных км
- •7.6. Технология изготовления слоистых км
- •Глава 8 порошковая металлургия
- •8.1. Производство металлических порошков
- •8.2. Формование порошков
- •8.3. Спекание порошковых материалов
- •8.4. Свойства и области применения порошковых материалов
- •8.5. Техническая керамика
- •8.6. Керамике-полимерные материалы
- •Глава 9 неметаллические материалы
- •9.1. Общее понятие о неметаллических материалах
- •9.2. Полимеры
- •9.2.1. Строение и классификация полимеров
- •9.2.2. Свойства полимеров
- •Глава 9. Неметаллические материалы
- •9.3. Пластмассы и полимерные композиционные материалы
- •9.3.1. Состав и классификация пластмасс
- •9.3.2. Технология получения изделий из пластмасс и полимерных композиционных материалов
- •9.4. Резиновые материалы
- •9.5. Сотовые и панельные конструкции
- •9.5. Клеящие материалы
- •9.6. Лакокрасочные материалы
- •9.7. Древесные материалы
- •Глава 1 общее представление о строении металлов
- •Глава 2 диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
- •Глава 3 термическая обработка
- •Глава 4
- •Список литературы
- •Приложения Содержание
- •Глава 1 общее представление о строении металлов 5
- •Глава 2 диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов 25
- •Глава 3 термическая обработка 32
- •Глава 4 61
- •Шевельков Валерий Владимирович
4.5. Диффузионная металлизация
Диффузионное насыщение поверхностного слоя стальных изделий металлами - диффузионная металлизация - производится с целью упрочнения и придания особых физико-химических свойств поверхностному слою детали. Диффузионная металлизация может проводиться из расплава диффундирующего металла или его солей, из газовой и твердой фаз. Наибольшее распространение получили методы алитирования, хромирования и силицирования.
Алитирование, или диффузионное насыщение алюминием, проводится для повышения жаростойкости и коррозионной стойкости деталей из углеродистых сталей, используемых преимущественно в теплоэнергетическом машиностроении.
Насыщаемые детали вместе с порошком из ферроалюминия, оксида алюминия А12О3 и хлористого аммония NH4C1 упаковывают в металлические контейнеры с плавкими затворами и нагревают до 950...1000 °С. Во время нагрева в алитирующей смеси протекают следующие реакции:
NH4C1 -> NH3+HC1, 6НС1+2А1 -> 2А1С13 + ЗН2. Пары хлористого алюминия реагируют с железом на поверхности
изделия по реакции:
Fe + А1С1, -> FeCL + А1ат.
Атомарный алюминий диффундирует в металл, образуя твердый раствор алюминия с железом в поверхностном слое изделия. После выдержки в течение 3... 16 ч обеспечивается толщина алитированного слоя 0,3.-.0,5 мм, а содержание алюминия в нем достигает 40...50 %.
Жидкостное алитирование проводится при температуре 750...800 °С в ванне с расплавленным алюминием, содержащим 3...4 % Fe. После выдержки в течение 45...90 мин получается насыщенный алюминием слой толщиной 0,20...0,35 мм.
Хромирование, или диффузионное насыщение хромом, проводят для повышения твердости, износостойкости, окалиностойкости и коррозионной стойкости среднеуглеродистых сталей. В результате хромирования на поверхности образуется тонкий слой (0,025...0,030 мм) карбида хрома (Сг, Fe)7C3 или (Cr, Fe)23C6 и переходный слой с высоким содержанием углерода (0,8 %.). Толщина хромированного слоя 0,1...0,3 мм, твердость - 1200...1300 HV. Хромирование осуществляется из порошковой смеси, состоящей из феррохрома, оксида алюминия и хлористого алюминия, при температуре 950. 1100 °С в течение 6...12 ч.
Силицирование, или диффузионное насыщение кремнием, применяется для стальных и чугунных деталей для повышения коррозионной стойкости в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах, износостойкости и жаростойкости при температурах до 700.. 750 °С. Силицирование проводят в порошковых смесях, содержащих ферросилиций, или в газовых средах при температуре 950... 1100 °С в течение 2...12 ч. Толщина силицированного слоя составляет 0,3...1,0 мм, структура поверхностного слоя состоит из твердого раствора кремния в а-железе, за которым располагается перлит (200...300 HV). Силици-рованный слой имеет поры, которые часто пропитывают маслом при 170...200 °С для повышения износостойкости деталей.
Глава 5 углеродистые и легированные стали
5.1. Влияние примесей на свойства сталей
Сплавы на основе железа являются основными материалами для изготовления деталей машин, приборов, строительных конструкций и различного инструмента. Широкое применение сталей в машиностроении обусловлено сочетанием ценного комплекса их механических, физических, химических и других свойств. Свойства сталей зависят не только от их состава и соотношения компонентов, но и от вида термической и химико-термической обработки, которым они подвергаются.
Сталью называют сплав железа с углеродом (0,02...2,14 %), постоянными примесями которого являются марганец до 0,8 %, кремний до 0,5 %, фосфор до 0,05 %, сера до 0,05 %. Такую сталь называют углеродистой. Если в процессе выплавки добавляют легирующие элементы (Сг, Si, Ni, Mn, V, W, Mo и др.), причем некоторые из них сверх их обычного содержания, то получают легированную сталь.
Рассмотрим влияние углерода, постоянных примесей и легирующих элементов на механические свойства сталей.
Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличением его содержания повышаются твердость и прочность стали, снижаются пластичность и вязкость (рис. 5.1).
Временное сопротивление ав достигает максимального значения при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Структура углеродистых сталей может быть ферритно-перлитной (до 0,8 %), перлитной (0,8 %) и перлитоцементитной (свыше 0,8 % углерода). Появление в структуре стали вторичного цементита снижает ее пластичность и прочность.
Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления в процессе плавки. Эти элементы растворяются в феррите и структурно не обнаруживаются, но заметно влияют на свойства стали, повышая прочность, твердость и снижая пластичность. Однако принимая во внимание, что содержание марганца и кремния в обычных сталях приблизительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается. Рис. 5.1. Влияние углерода на механические свойства стали
Сера попадает в чугун, а затем и в сталь. Она не растворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики Fe-FeS располагается по границам зерен и имеет температуру плавления 988 °С. При нагревании свыше 800 °С сульфиды делают сталь хрупкой и она может разрушиться при горячей пластической деформации. Это явление называется красноломкостью, так как резкое снижение пластичности происходит в районе температур красного каления. Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как соединяясь с серой, он образует сульфид марганца MnS (FeS + Mn -> MnS + Fe), температура плавления которого 1620 °С.
При температуре горячей обработки (800... 1200 °С) сульфид марганца не плавится, пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлении деформации. Вытянутая форма включений сульфида марганца {сульфидная стрдчечность) увеличивает анизотропию свойств и снижает пластичность и вязкость стали примерно в 2 раза ■ поперек прокатки, но не влияет на свойства в направлении вдоль прокатки.
Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь обрабатывают (модифицируют) силикокальцием или редкоземельными элементами (Се, La, Nd). Эти модификаторы образуют с серой компактные округлые соединения, которые сохраняют свою форму при деформации, вследствие чего уменьшается анизотропия свойств.
Сера является нежелательным элементом и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влияние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатываемость стали при резании.
Фосфор попадает в сталь на стадии металлургического передела. Его растворимость в железе при высокой температуре достигает 1,2 %, однако с понижением температуры резко падает, составляя 0,02...0,03 % при 200 °С и ниже. Находясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержание фосфора в сталях в зависимости от их назначений ограничивается в пределах 0,025...0,06 %.
Азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах и присутствуют в виде неметаллических включений (оксиды, нитриды), которые усиливают анизотропию механических свойств, особенно пластичности и вязкости, и вызывают охрупчивание стали.
Присутствие большого количества водорода в стали в растворенном состоянии не только ее охрупчивает, но и способствует возникновению очень опасного дефекта - внутренних надрывов в металле, называемых флокенами.
Легирующие элементы в стали оказывают различное влияние на аллотропические превращения железа и фазовые превращения стали. Они могут находиться в стали в твердом растворе, в карбидной фазе или в виде интерметаллидных соединений.
Наиболее существенное влияние на полиморфизм железа оказывают хром, вольфрам, ванадий, молибден, ниобий, марганец, никель, медь и другие металлы. Они расширяют или сужают область существования у-железа. Например,, введение в сталь никеля, марганца и меди понижает температуру точки Аъ и повышает температуру точки Д,, что (при определенном их содержании) расширяет область у-железа от температуры плавления до комнатной (рис. 5.2, а). Такие сплавы представляют собой твердый раствор легирующего элемента в у-же-лезе и относятся к сталям аустенитного класса.
Вторая группа элементов, таких как хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, кремний, понижает температуру точки А4 и повышает температуру точки А3, сужая область у-железа на диаграмме (рис. 5.2, б). Сплавы при определенном содержании легирующего элемента этой группы в интервале температур от комнатной до температуры плавления представляют собой твердый раствор легирующего элемента в а-железе и называются сталями ферритного класса.
К элементам, способным образовывать карбиды, относятся марганец, вольфрам, ванадий, молибден, титан и др. При небольшом содержании некоторые карбидообразующие элементы растворяются в цементите. Состав легированного цементита отвечает общей формуле (Fe, М)3С, где М-легирующий элемент. При повышении содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельные карбиды данного элемента типа Сг7С3, Сг23С6, Мо2С, W2C, VC, TiC и др. Ряд элементов, например вольфрам и молибден, совместно с железом образуют карбиды Fe3W3C и Fe3Mo3C. Все эти карбиды отличаются высокой твердостью и высокой температурой плавления.
Рис. 5.2. Диаграммы состояния железо - легирующий элемент: а - Fe-Mn, Ni, Pt, Ru, Os, Си; б- Fe-Si, W, Mo, V, Ti, Та, Nb, 2г(ж -жидкость)
Элементы, не образующие карбидов (Ni, Cu, Si, Co), находятся в стали главным образом в виде твердого раствора.
Легирующие элементы также изменяют кинетику распада аусте-нита (кобальт ускоряет превращение, никель, марганец, кремний, хром, молибден и др. - замедляют), влияют на положение температурного интервала мартенситного превращения (кобаль и алюминий повышают точки Мн и Мк, остальные - понижают) и замедляют процесс распада мартенсита при отпуске.
Легирующие элементы, оказывая влияние на полиморфизм железа и превращения в стали при термической обработке, а также вызывая изменения фазового состава и структуры, оказывают существенное влияние на механические и эксплуатационные свойства сталей.