Контрольные вопросы:

1. По каким признакам классифицируют стали?

2. Что такое углеродистые стали?

3. Что такое легированные стали. Назовите наиболее часто употребляемые для легирования элементы

4. Что такое конструкционные стали?

5. Что собой представляют стали углеродистые обыкновенного качества? Для чего они применяются? Приведите примеры этого типа сталей.

6. Что представляют собой стали качественные углеродистые стали? Для чего они применяются? Приведите примеры этого типа сталей.

7. Что представляют собой стали углеродистые стали специального назначения? Для чего они применяются? Приведите примеры этого типа сталей.

8. Как проводится маркирование легированных сталей? Приведите примеры маркировки сталей.

9. Что представляют собой специальные конструкционные стали? Для чего они применяются? Приведите примеры этого типа сталей.

10. Какими свойствами должны обладать пружинные и шарикоподшипниковые стали?

11. Что такое инструментальные стали? Для чего они применяются? Приведите примеры этого типа сталей.

12. Охарактеризуйте стали и сплавы с особыми физическими свойствами. Для чего они применяются? Приведите примеры этого типа сталей.

13. Что представляют собой чугуны? Для чего они применяются? Приведите примеры.

14. Охарактеризуйте белые чугуны.

15. Что представляют собой ковкие чугуны? Для чего они применяются

16. Что такое серые ферритные чугуны, их назначение.

17. Что представляет собой высокопрочный чугун? Для каких целей применяется?

Глава 5. Термическая и химико-термическая обработка сплавов

Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением металла, находящегося в твердом состоянии, с целью изменения структуры и свойств без изменения его химического состава.

Основоположником теории процессов термической обработки является Д. К. Чернов, обнаруживший критические точки стали.

Термическую обработку характеризуют основные параметры: нагрев до определенной температуры, выдержка при этой температуре, скорость нагрева и скорость охлаждения. Скорость нагрева и время выдержки деталей зависят от размеров, массы деталей, их конфигурации, химического состава материала деталей, от типа нагревательных печей и нагревательных сред.

В зависимости от температурных режимов термическая обработка подраз-

деляется на следующие виды: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, химико-

термическая обработка (ХТО), термомеханическая обработка (ТМО).

Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием аллотропических превращений в твердом состоянии.

В основе теории термической обработки лежат фазовые и структурные превра­щения, протекающие при нагреве и охлаждении металлов и сплавов.

Отжиг заключается в нагреве стали выше критических температур, с последующей выдержкой при данной температуре и медленном охлаждении (обычно вместе с печью). Цель отжига – устранить внутренние напряжения, измельчить зерно, придать стали пластичность перед последующей обработкой и привести структуру в равновесное состояние.

В зависимости от требований, предъявляемых к свойствам стали, различаются следующие виды отжига: диффузионный (гомогенизация), полный, неполный, изотермический и др.

Диффузионный отжиг производится при температурах 1100 - 1200°С в течение 20 - 50 ч для уменьшения химической неоднородности стальных слитков и фасонных отливок.

Полному отжигу подвергаются конструкционные стали. Это нагрев до определенной температуры с последующим медленным охлаждением, обеспечивающим превращение аустенита в ферритоцементитную смесь. В основном применяется для доэвтектоидных сталей с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений.

Для инструментальных (заэвтектоидные) сталей используют неполный отжиг - их нагревают до определенной температуры с последующей выдержкой и охлаждением.

При неполном отжиге происходит снятие внутренних напряжений, снижение твердости для лучшей обрабатываемости резанием и подготовки структуры к закалке, повышение пластичности.

После механической обработки изделие, как правило, подвергается упрочняющей термической обработке.

Наиболее распространенным видом упрочняющей термической обработки углеродистых сталей, содержащих углерода более 0,3 %, является закалка с последующим отпуском.

Закалка - процесс нагрева стали до определенной температуры с последующим быстрым охлаждением. Цель закалки - получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств.

При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для увеличения охлаждающей способности приме­няют также масла, расплавленные соли и металлы.

Существуют следующие способы закалки. Закалка в одном охладителе заключается в том, что нагретую под закалку деталь погружают в закалочную среду (вода, масло и т. д.), в которой она находится до полного охлаждения. Применяют для несложных деталей из углеродистой и легированных сталей.

При закалке в двух средах (прерывистая закалка) деталь сначала погружают в быстро охлаждающую среду (воду), а затем быстро переносят в другую среду (масло, селитру или на воздух), где она - охлаждается до комнатной температуры. Такую закалку применяют для обработки инструмента из высоколегированной стали.

Закалка стали сопровождается увеличением ее объема, что приводит к значительным внутренним напряжениям, которые являются причиной образования трещин и коробления. Трещины являются неисправимым дефектом, а коробления можно устранить последующей рихтовкой или правкой. В связи с этим закаленные изделия и инструмент подвергают отпуску.

Отпуском называют нагрев стали до определенной температуры с выдержкой при данной температуре и последующим охлаждением с заданной скоростью (обычно охлаждают на воздухе). Цель отпуска - уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости и получение необходимых механических свойств

Для повышения твердости, предела выносливости и износостойкости детали машин подвергают поверхностному упрочнению. Обычно для этих целей применяют поверхностную закалку - газопламенную закалку, закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты и другие виды поверхностного упрочнения. При таком виде обработки сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки.

Газопламенная закалка заключается в нагреве поверхности стальных изделий ацетиленокислородным пламенем, температура которого составляет 2400 - 3150 °С; при этом поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, а сердцевина не успевает нагреться. Быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. Толщина закаленного слоя 2 - 4 мм, твердость при этом значительно увеличивается Газопламенную обработку применяют в мелкосерийном и единичном производстве. Недостатком этого способа является неравномерность нагрева стали с поверхности и структурная неоднородность.

Индукционный нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) наиболее распространенный производительный и прогрессивный метод поверхностного упрочнения. Преимуществом его является возможность автоматизации процесса, отсутствие выгорания углерода и других элементов, а также окисления поверхности изделия. Сущность способа состоит в том, что под действием электродвижущей силы (ЭДС) в металле возникают электрические вихревые токи (токи Фуко), которые нагревают металл до нужной температуры.

Твердость поверхностного слоя при нагреве ТВЧ несколько выше, чем твердость, получаемая при обычной закалке. Закалку с использованием ТВЧ применяют для сталей с содержанием углерода более 0,4 %, чтобы получить заданную твердость.

В последнее время также применяется поверхностная обработка с использованием нагрева лазером.

Термомеханическая обработка (ТМО) является сравнительно новым методом обработки, позволяющим повысить механические свойства металлических материалов. ТМО - это совокупность операций пластической деформации и термической обработки, совмещенных в одном технологическом процессе, который включает нагрев, пластическое деформирование и охлаждение. Термомеханическое воздействие приводит к получению структурного состояния, которое обеспечивает повышение механических свойств.

Оптимальное сочетание пластической деформации и фазовых превращений приводит к повышению плотности и более правильному расположению несовершенств кристаллической решетки металла.

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами с целью придания ей соответствующих свойств. Она отличается от других видов термической обработки тем, что при этой обработке кроме структурных изменений происходят изменения состава и строения поверхности за счет диффузии в нее элементов в атомарном состоянии из внешней среды при высоких температурах. Основная цель - упрочнение поверхности деталей, повышение твердости, износостойкости, усталостной прочности и повышение стойкости против воздействия агрессивных сред. К процессам химико-термической обработки относятся цементация, азотирование, алитирование, хромирование, цинкование и др.

Цементацией называется процесс насыщения поверх­ности изделия углеродом. Цель цементации - придание поверхности твердости при сохранении мягкой сердцеви­ны. Обычно цементации подвергают детали из низкоуглеродистой стали, работающие в условиях переменных ударных нагрузок и подвергаю­щиеся износу. Например, зубья автомобильных зубчатых колес, шестерни, втулки, поршневые пальцы и т. д. Температура цементация 900 - 970°С. Толщина цементованного слоя от 0,1 до 3 - 4 мм.

Цементацию проводят в твердых, жидких и газообразных средах, называемых карбюризаторами. В качестве твердого карбюризатора применяют древесный уголь в смеси с другими компо­нентами.

Газовую цементацию проводят в атмосфере метана, керосина, бензола и др. Применяют для массового производства мелких деталей.

Жидкие карбюризаторы - смесь цианистого калия с бурой, содой и другими веществами) применяют в тех случаях, когда нужно получить тонкий цементованный слой с высоким содержанием углерода. Этот способ требует применения специальных мер защиты.

Цементированные изделия подвергают различной термической обработке для придания соответствующих механических свойств.

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. Цель азотирования - придать поверхности высокую твердость, износостойкость, устойчивость против коррозии и усталостную прочность. Процесс заключается в воздействии на сталь аммиака (газовое азотирование) при температуре 500...600°С. Толщина азотированного слоя 0,25...0,75 мм.

Достоинством процесса азотирования по сравнению с цементацией является незначительное изменение размеров и отсутствие коробления вследствие низкой температуры нагрева. Азотированные поверхности имеют большую химическую стойкость на воздухе, а также в пресной и соленой воде.

Азотирование в жидких средах производится при температуре 570 °С в расплавленных цианистых солях в течение 0,5...3 ч. Общая толщина слоя 150...500 мкм. Жидкое азотирование повышает сопротивление износу и предел выносливости.

Недостатком его является токсичность и высокая стоимость процесса. Его используют для обработки деталей автомобиля (коленчатые валы, шестерни и т. д.), а также штампов, пресс-форм и др.

Борирование заключается в насыщении поверхностного слоя изделий из низко- и среднеуглеродистых сталей бором при нагревании в бо-росодержащей среде. Борирование применяют для повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и окалиностойкости тяжело нагруженных деталей (нефтяное оборудование, штампы, пресс-формы и др.). Процесс проводится при температуре 850 - 950°С в течение 2 - 6 ч. Поверхностный слой состоит из боридов, толщина слоя 0,1 - 0,2 мм.

Алитирование - процесс насыщения поверхностного слоя стали алюминием для повышения окалиностойкости (жаростойкости), коррозионной и эрозионной стойкости стали, чугунов и медных сплавов. Алитирование осуществляют в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, в газовой среде и распылением жидкого алюминия. На поверхности образуется плотная пленка оксида алюминия, предохраняющая от окисления алитированные изделия.

Алитирование производят при 950 - 1050°С в течение 3 - 12 ч. Толщина слоя составляет в среднем 0,2 - 0,8 мм.

Алитируют детали разливочных ковшей, клапаны и другие изделия, работающие при высоких температурах. Следует отметить, что при использовании вакуумного алитирования можно получать покрытия высокой чистоты.

Хромирование — процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом, при этом повышается коррозионная стойкость, твердость и износостойкость. Наибольшее применение получило хромирование в порошкообразных смесях феррохрома или хрома, хлористого аммония и оксида алюминия. Хромирование производится при 1000 - 1050°С в течение 6 - 12 ч. Толщина получаемого слоя не более 0,2 мм. Хромируют обычно низкоуглеродистые стали. Хромированию подвергают клапаны компрессоров, матрицы штампов для холодной высадки и др.

Цинкование наиболее широко используется в технике. На долю цинковых покрытий приходится около 60 % от общей поверхности металлических покрытий. Цинковые покрытия хорошо защищают железо и его сплавы от коррозии на воздухе и в воде. Толщина цинкового покрытия 6 - 36 мкм зависит от условий эксплуатации изделий. Оцинкованные листы и полосы применяются в жилищном строительстве (кровля, водосточные трубы), для изготовления емкостей, в автомобильном и железнодорожном транспорте и др.

Термическая и химико-термическая обработки включает в себя послеоперационный контроль всех деталей по твердости, структуре и глубине обработанного слоя.

Особое внимание при термической обработке обращают на дефекты деталей (трещины, коробление и т. д.). Контроль мелких трещин в закаленных деталях производят методом магнитной или рентгенодефектоскопии. В частности, этот метод используется для контроля пружин, рессорных листов, деталей управления автомашин и др.

Некоторые виды брака цементованных деталей, например недостаточная толщина слоя или пониженное содержание углерода на поверхности, могут быть исправлены путем дополнительной химико-термической обработки по специальному режиму.