№11

Азотирование — это технологический процесс химико-термической обработки, при которой поверхность различных металлов или сплавов насыщают азотом в специальной азотирующей среде. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и приобретает повышенную коррозионную стойкость и высочайшую микротвёрдость. По микротвёрдости азотирование уступает только борированию, в то же время превосходя цементацию инитроцементацию (незначительно).

Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию

• Стали углеродистые и легированные, конструкционные и инструментальные.

• Высокохромистые чугуны, высокохромистые износоустойчивые сплавы, хром.

• Титан и титановые сплавы.

• Бериллий.

• Вольфрам.

• Ниобиевые сплавы.

• Порошковые материалы.

• Упрочнение поверхности

• Защита от коррозии

• Повышение усталостной прочности

В зависимости от назначения используемые технологические процессы азотирования могут существенно отличаться.

Цианирование в сталелитейном производстве — процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температурах 820-950° C в расплаве цианида натрия или других солей с тем же анионом.

нитроцементация сталей — процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 700—950 °C в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Наиболее часто нитроцементация проводится при 850—870 °С. После нитроцементации следует закалка в масло с повторного нагрева или непосредственно из нитроцементационной печи с температуры насыщения или небольшого подстуживания. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180—200 °С.

№12

Диффузионное насыщение металлами — поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком , кремнием и другими элементами. Один из методов упрочнения материалов.

Изделия, обогащённые этими элементами, приобретают ценные свойства к числу которых относятся высокая жаростойкость, коррозионная стойкость, повышеннаяизносостойкость и твёрдость.

Диффузионная металлизация, процесс, основанный на диффузионном насыщении поверхностных слоёв изделий из металлов и сплавов различными металлами (см. Диффузия). Диффузионная металлизация проводят, чтобы придать поверхности металлических деталей специальные физико-химические и механические свойства. В зависимости от диффундирующего элемента различают: алитирование, диффузионное хромирование, молибденирование; марганценирование, хромоалитирование,хромотитанирование и другие виды. Диффузионное насыщение возможно из различных фаз: твёрдой, паровой, газовой и жидкой.   Насыщение из твёрдой фазы применяют для железа, никеля, кобальта, титана и др. металлов. В этом случае Диффузионная металлизация осуществляют различными тугоплавкими металлами (Mo, W, Nb, U и др.), упругость паров которых меньше упругости паров основного металла. Процесс протекает в герметизированном контейнере, в котором обрабатываемые детали засыпаются порошкообразным металлом, в вакууме или в нейтральной среде при 1000—1500°C. Насыщение из паровой фазы применяют для сплавов на основе железа, никеля, молибдена, титана и др. металлов такими элементами, которые имеют более высокую упругость паров, чем насыщаемый металл, например Zn, Al, Cr, Ti и др. Процесс происходит в герметичных контейнерах при разрежении ~10¹—10^-2 н/м², или 10^-1—10^-4 мм рт. ст., и 850—1600°С, контактным или неконтактным способом. В первом случае паровая фаза возникает при сублимации металла и генерируется вблизи мест контактирования порошкообразного или кускообразного металла с обрабатываемой поверхностью; во втором — генерация паровой фазы происходит на некотором расстоянии от поверхности. Насыщение из газовой фазы производят при Диффузионная металлизация различных металлов элементами: Al, Cr, Mn, Mo, W, Nb, Ti и др. Диффузии металла предшествуют реакции взаимодействия газообразных химических соединений диффундирующего элемента с основным металлом. Газовой фазой служат галогениды диффундирующих металлов. Газовое насыщение осуществляется в муфельных печах или в печах специальной конструкции при 700—1000°С. Газовая фаза может генерироваться на расстоянии от насыщаемой поверхности (неконтактный способ) и в зоне контакта источника активной фазы с поверхностью металла (контактный способ). Насыщение из жидкой фазы применяют при алитировании, хромировании, цинковании, меднении. Процесс протекает в печах-ваннах, в которых расплав диффундирующего металла или его соли взаимодействуют с поверхностью обрабатываемых изделий при 800—1300°С. Этим методом осуществляют также комплексную Диффузионная металлизация, например хромоалитирование, хромотитанирование, хромоникелирование и т.д.   Диффузионная металлизация можно получать диффузионный слой толщиной от 10 мкм до 3 мм. Процессы Диффузионная металлизация позволяют повысить жаростойкость сплавов (например, алитированная сталь имеет жаростойкость до 900°С), абразивную износостойкость (например, хромирование стали У12 увеличивает её износостойкость в 6 раз), сопротивление термоудару, быстрой смене температур, коррозионную стойкость и кислотоупорность и улучшить другие свойства металлов и сплавов.

№16

Углерод является основным химическим элементом, определяющим свойства стали. С увеличением в стали содержания углерода возрастают твердость, временное сопротивление разрыву, предел текучести, но вместе с тем, снижается пластичность стали (уменьшается показатель относительного удлинения), понижается ударная вязкость и ухудшается свариваемость. Содержание углерода в сталях, предназначенных для изготовления сварных строительных конструкций, должно быть не более 0,22%. Марганец, являющийся неизбежной примесью в стали, широко применяется в качестве легирующего элемента. Марганец ослабляет вредное влияние серы, повышает прочность, твердость и режущие свойства стали. Содержание марганца в углеродистой строительной стали составляет 0,4—0,65%. Более высокий процент марганца содержится только в низколегированной и легированной стали. Кремний, так же как и марганец, увеличивает твердость стали и повышает предел текучести при растяжении. Кремний ухудшает свариваемость стали. Хром применяется как легирующий элемент. Введение его в сталь увеличивает ее прочность и твердость, повышает стойкость на истирание. Сталь, содержащая значительное количество хрома, становится нержавеющей и жаростойкой. Хромистые стали применяются для изготовления шестерен, валиков, коленчатых валов, шатунов, а также инструмента — зубил, обжимок, сверл, штампов для ковочных машин, накатных плашек, волочильных досок, калибров и др. Хромистые (нержавеющие) стали применяются также для изготовления хирургического инструмента, ножей, вилок и пр. Никель применяется при выплавке низколегированной и легированной стали, в которой содержание его достигает 5%. Каждый процент никеля до 5%, добавленный в углеродистую сталь, увеличивает предел текучести и временное сопротивление разрыву при растяжении на 3—4 кг/мм2. Сталь, содержащая никель, сохраняет высокие значения ударной вязкости при отрицательной температуре. Из никелевой стали изготовляют шестерни, диски и лопатки турбин, паровозные детали, коленчатые валы, оси, шатуны и др. Сера и фосфор являются вредными примесями в стали. Сера понижает пластичность, прочность и сопротивление истиранию. Сталь с повышенным содержанием серы обладает свойством красноломкости, т. е. способностью при температуре красного каления проявлять пониженную прочность и вязкость. Поэтому во время ковки она дает трещины. При сварке стали со значительным содержанием серы в сварных швах и в прилегающих к ним участках металла могут образоваться так называемые горячие трещины, что снижает прочность конструкции. Поэтому содержание серы в стали, применяемой для изготовления сварных конструкций, не должно превышать 0,055%. Фосфор в отличие от серы придает стали хладноломкость — способность легко подвергаться хрупкому разрушению при низкой температуре. Повышенное содержание фосфора особенно недопустимо в сталях, идущих на изготовление конструкций, которые в процессе эксплуатации подвергаются действию динамических нагрузок, а также конструкций, работающих при низких температурах. В строительной стали содержание фосфора не должно превышать 0,050%. Благодаря легкости нарезания метчиками и получению качественной резьбы сталь с повышенным содержанием фосфора применяется для изготовления гаек.

Карбидообразующие элементы, которые по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз располагаются в следующем порядке: Fe - - Mn - - Cr - - Mo - vW - Nb - - - - V - - Zr - - Ti. Карбидообразующую способность металлов связывают с незаполненностью 4d электронной оболочки для элементов четвертого периода ( Ti, V, Сг, Mn, Fe, Co, Ni); прочность карбидной фазы возрастает с увеличением степени незаполненности. Никель и кобальт имеют d - подгруппу, более заполненную электронами, чем железо, и поэтому они карбидов в стали не образуют. [2]

№28

ВПЧ имеет химический состав подобный составу серых чугунов с более высоким содержанием углерода, но содержит меньше серы и фосфора. Пластинчатая форма графита в сером чугуне объясняется тем, что вредные примеси, особенно сера и кислород, пагубно влияют на рост графита в жидком чугуне. Обычно графит при росте приобретает сферическую форму, но это вредное влияние примесей подавляет рост кристаллов графита в определенных плоскостях и они вынуждены вырастать в виде пластин. Для получения ВПЧ не только поддерживается низкое содержание примесей, но так же непосредственно перед разливкой в жидкий чугун добавляются небольшие количества магния или церия. Эти элементы связывают серу и кислород в жидком чугуне и предотвращают их пагубное влияние на рост графита. В результате графит формируется, приобретая сферическую (шаровидную) структуру.

Содержание углерода от 3,6 до 3,9

Наиболее часто применяется для изготовления изделий ответственного назначения в машиностроении, а также для производства высокопрочных труб (водоснабжение, водоотведение, газо-, нефте-проводы). Изделия и трубы из Высокопрочного чугуна отличаются высокой прочностью, долговечностью, высокими эксплуатационными свойствами.

№29

Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, отличающегося пониженным содержанием графитизирующих элементов (2,4—2,9 % С и 1,0—1,6 % Si), так как в литом состоянии необходимо получить полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что обеспечивает формирование хлопьевидного графита в процессе отжига.

Белые чугуны характеризуются тем, что у них весь углерод находится в химически связанном состоянии — в виде цементита. Излом такого чугуна имеет матово-белый цвет. Наличие большого количества цементита придает белому чугуну высокие твердости, хрупкость и очень плохую обрабатываемость режущим инструментом.Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его высокую износостойкость, в том числе и при воздействии абразивных сред. Это свойство белых чугунов учитывается при изготовлении из них поршневых колец. Однако белый чугун применяют главным образом для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун.

Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чугуна регламентирует ГОСТ 1215-79. Ковкие чугуны маркируют буквами «К» — ковкий, «Ч» _ Чугун и цифрами. Первая группа цифр показывает предел прочности чугуна при растяжении, вторая — относительное его удлинение при разрыве. Например, КЧ 33-8 означает: ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 33 кг/мм2 (330 МПа) и относительным удлинением при разрыве 8 %.

Ковкий чугун используют для изготовления мелких и средних тонкостенных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических знакопеременных нагрузок (детали приводных механизмов, коробок передач,

тормозных колодок, шестерен, ступиц и т. п.). Однако ковкий чугун — малоперспективный материал из-за сложной технологии получения и длительности производственного цикла изготовления деталей из него.

 

№30

В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионностойкие легированные чугуны.

Химический состав, механические свойства при нормальных температурах и рекомендуемые виды термической обработки легированных чугунов регламентируются ГОСТ 7769-82. В обозначении марок легированных чугунов буквы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, те же, что и в марках стали.

Износостойкие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом (0,8 %), применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6 % Сг и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, ванадня, молибдена обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочногоматериала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомобилей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др.

Жаростойкие легированные чугуны ЧХ 2, ЧХ 3 применяют для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрессоров, эксплуатируемых при температуре 600°С (ЧХ 2) и 700°С (ЧХ 3).

Жаропрочные легированные чугуны ЧНМШ, ЧНПГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500—6ОО°С и применяются для изготовления деталей дизелей, компрессоров и др.

Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ 1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в газовой, воздушной и щелочной средах. Их применяют для изготовления деталей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых колец, блоков и головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей дизелей, компрессоров и т. д.).

Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, так как представляют группу специальных сплавов, структура которых удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкой основе), способных работать в условиях трения как подшипники скольжения.

Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь, никель, титан.

ГОСТ 1585-85 включает шесть марок антифрикционного серого чугуна (АЧС-1 — АЧС-6) с пластинчатым графитом, две марки высокопрочного (АЧВ-1, АЧВ-2) и две марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чугунов. Этим стандартом регламентируются химический состав, структура, режимы работы, в нем также содержатся рекомендации по применению антифрикционных чугунов.

Различают перлитные и перлитно-ферритные антифрикционные чугуны. Антифрикционные перлитные чугуны (АЧС-1, АЧС-2) и перлитно-ферритный (АЧС-3) применяют при давлении в зоне контакта фрикционных пар до 50 МПа. Чугуны с шаровидным графитом АЧВ-1 (перлитный) и АЧВ-2 (перлитно-ферритный) применяют при повышенных нагрузках (до 120 МПа).

№31

Твёрдые сплавы — твёрдые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять эти свойства при 900—1150 °C. В основном изготовляются из высокотвердых и тугоплавких материалов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, связанные кобальтовой металлической связкой, при различном содержании кобальта или никеля.

Различают спечённые и литые твёрдые сплавы. Главной особенностью спеченных твердых сплавов является то, что изделия из них получают методами порошковой металлургии и они поддаются только обработке шлифованием или физико-химическим методам обработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др), а литые твердые сплавы предназначены для наплавки на оснащаемый инструмент и проходят не только механическую, но часто и термическую обработку (закалка, отжиг, старение и др). Порошковые твердые сплавы закрепляются на оснащаемом инструменте методами пайки или механическим закреплением. Твердые сплавы различают по металлам карбидов, в них присутствующих: вольфрамовые — ВК2, ВК3,ВК3М, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25; титано-вольфрамовые — Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титано-тантало-вольфрамовые — ТТ7К12, ТТ10К8Б.Безвольфрамовые ТНМ20, ТНМ25, ТНМ30

По химическому составу твердые сплавы классифицируют:

• вольфрамокобальтовые твердые сплавы (ВК);

• титановольфрамокобальтовые твердые сплавы (ТК);

• титанотанталовольфрамокобальтовые твердые сплавы (ТТК).

Твердые сплавы по назначению делятся (классификация ИСО) на:

• Р — для стальных отливок и материалов, при обработке которых образуется сливная стружка;

• М — для обработки труднообрабатываемых материалов (обычно нержавеющая сталь);

• К — для обработки чугуна;

• N — для обработки алюминия, а также других цветных металлов и их сплавов;

• S — для обработки жаропрочных сплавов и сплавов на основе титана;

• H — для закаленной стали.

Инструмента́льная углеро́дистая сталь — сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали — 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной — 0,02 % и 0,03 % соответственно.

Выпускается по ГОСТ 1435-99 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А. Стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброванную сталь, серебрянку.

К группе качественных сталей относятся марки стали без буквы А(в конце маркировки), к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов — марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У — углеродистая, следующая за ней цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г — повышенное содержание марганца.

Достоинство углеродистых инструментальных сталей состоит в основном в их малой стоимости и достаточно высокойтвёрдости по сравнению с другими инструментальными материалами. К недостаткам следует отнести малую износостойкость и низкую теплостойкость.

Классификация инструментальных сталей

Инструментальные стали делятся на четыре категории

• Пониженной прокаливаемости (преимущественно углеродистые)

• Повышенной прокаливаемости (легированные)

• Штамповые стали

• Быстрорежущие

Красностойкость — способность стали сохранять при нагреве до температур красного каления высокую твёрдость и износостойкость, полученные в результате термической обработки.

Повышенная красностойкость — характерное свойство инструментальной стали. Красностойкость достигается легированием стали вольфрамом, молибденом, ванадием,хромом, а также высокотемпературной закалкой. Красностойкость определяют по максимальной температуре, при нагреве до которой сталь сохраняет определённую твёрдость; например, быстрорежущая сталь сохраняет твёрдость до 60 HRC при температуре 620—650 °C.

Наиболее высокая красностойкость — у твёрдых сплавов (до 900 °C).

№32

Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода (С) при малом содержании других элементов. Они обладают высокой пластичностью и хорошо деформируются. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Углеродистые стали можно классифицировать по нескольким параметрам:

• По качеству

• По способу раскисления (см. ниже)

По качеству

Стали обыкновенного качества

Изготавливаются по ГОСТ 380-71. Обозначают буквами Ст и условными номерами от 0 до 6, например: Ст 0, Ст 1, ..., Ст 6. Степень раскисления обозначают буквами сп (спокойная сталь), пс (полу­спокойная), кп (кипящая), которые ставят в конце обозначения марки стали.

В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В. В марках указывают только группы Б и В, группу А не указывают.

• Группа А поставляются только по механическим свой­ствам, химический состав сталей этой группы не регламентируется, он только указывается в сертификатах завода-изготовителя. Стали этой группы обычно используются в изделиях в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше ее прочность и меньше пла­стичность.

• Группа Б поставляется только с гарантируемым химическим составом. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода. Эти стали в дальнейшем могут подвергаться деформации (ковке, штамповке и др.), а в отдельных случаях и термической обработке. При этом их первоначальная структура и механические свойства не сохраняются. Знание химического состава стали позволяет определить температурный режим горячей обработки давлением и термообработки.

• Группа В могут подвергаться сварке. Их поставляют с гарантированным химическим составом и гарантированными свойствами. Стали этой группы маркируются буквой В и цифрой, например — В СтЗпс. Эта сталь имеет механические свойства, соответствующие ее номеру по группе А, а химический состав — номеру по группе Б с коррекцией по способу раскисления.

Качественные углеродистые стали

Этот класс углеродистых сталей изготавливается по ГОСТ 1050—74. Качественные стали поставляют и по химическому составу, и по механическим свойствам.. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %), неметаллических вклю­чений и газов, макро- и микроструктуры.

Качественные углеро­дистые стали маркируют двузначными цифрами 08, 10, 15, ..., 85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях про­цента с указанием степени раскисленности (кп, пс).

Качественные стали делят на две группы: с обычным содержанием марганца (до 0,8 %) и с повышенным содержанием (до 1,2 %). При обозна­чении последних в конце марки ставится буква Г, например 60 Г. Марганец повышает прокаливаемость и прочностные свойства, но несколько снижает пластичность и вязкость стали.

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисленности: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются:

• низкоуглеродистые (до 0,25 % С),

• среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С)

• высокоуглеродистые (0,6—0,85 % С).

Для изделий ответственного назначения применяют высоко­качественные стали с еще более низким содержанием серы и фос­фора. Низкое содержание вредных примесей в высококачествен­ных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производ­ство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. При обозначении высоко­качественных сталей в конце марки добавляется буква А, напри­мер сталь У10А.

Углеродистые стали, содержащие 0,7—1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их марки­руют У7, У13, где У означает углеродистую сталь, а цифра — содержание углерода в десятых долях процента.

По способу раскисления

Кипящие Содержат до 0,05% кремния, раскисляются марганцем. Имеют резко выраженную химическую неоднородность в слитке. Их преимущества – высокий выход годного продукта (более 95%), хорошая способность к штамповке в холодном состоянии. Недостатки –повышенный порог хладноломкости и невозможность широкого использования для территорий с холодным климатом.

Полуспокойные  Содержат 0,05- 0,15% кремния, раскисляются марганцем и алюминием, выход годного продукта –90-95%.

Спокойные Содержит 0,15-0,35% кремния, раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного – около 85%, однако, металл имеет более плотную структуры и однородный химический состав.

Низкая теплостойкость и не примен. для сварки

№33

Быстроре́жущие ста́ли — легированные стали, предназначенные, главным образом, для изготовления металлорежущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания.

Быстрорежущая сталь должна обладать высоким сопротивлением разрушению, твёрдостью (в холодном и горячем состояниях) икрасностойкостью.

Высоким сопротивлением разрушению и твердостью в холодном состоянии обладают и углеродистые инструментальные стали. Однако инструмент из них не в состоянии обеспечить высокоскоростные режимы резания. Легирование быстрорежущих сталейвольфрамом, молибденом, ванадием и кобальтом обеспечивает горячую твердость и красностойкость стали.